[发明专利]高韧性Al-Si系压铸铝合金的加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高韧性Al-Si系压铸铝合金的加工方法，属于有色金属加工技术领域。

背景技术

Al-Si系合金的流动性好、铸件致密、不易产生铸造裂纹，具有良好的铸造性能、抗蚀性能和中等的切削加工性能，是比较理想的铸造合金，已成为制造业中最受重视的结构材料之一。但目前铸造Al-Si系合金的力学性能不尽如人意，强度和硬度一般，韧性较低。随着现代工业的发展，传统的铸造技术和铸造Al-Si系合金已经不能满足日益增长的社会需求，因此发展先进的压铸技术和高强韧的铸造Al-Si系合金是未来铝合金及其制造技术的发展方向。

目前，压铸用Al-Si系合金的强化手段主要有以下几种：熔体的净化、变质及细化，热处理强化等。

熔体净化方法有吸附净化、非吸附净化和过滤净化三类。吸附净化主要是向熔体中吹入气体，比如氮气、氩气、混合气或加入熔剂，通过与铝液的反应，获得气泡，然后利用这些小气泡在上浮过程中吸附氢气和夹杂物，并带到液面实现除气和去渣；非吸附净化主要利用铝合金溶液的氢在真空下的强烈的析出和上浮过程将夹杂带出液面进入浮渣而被除去，从而达到净化的目的。主要有真空净化法、超声波净化法和电磁净化法；过滤净化则是利用过滤器过滤，采用的过滤器有玻璃纤维过滤器，陶瓷板，陶瓷管、泡沫陶瓷过滤器等。吸附净化和非吸附净化是在炉内完成的，存在二次污染的可能性，增加了铸锭质量的不稳定因素，为了弥补炉内处理的不足，炉外在线连续处理净化技术得到了迅速发展。压铸Al-Si合金中的共晶硅呈粗大的针状或板状，会显著降低合金的强度和塑性，所以一般都要进行变质处理，以达到改变共晶硅和初生铝晶粒形貌，使合金性能得到提高的目的。

变质方式可以分为添加变质剂的化学方法和电磁振荡法、激光变质处理、快速凝固技术、热速处理等物理方法，当前常用的变质剂主要有：钠、钾、锑、锶、硫、磷、砷、铋等纯金属及其盐类；Al-Ba、Al-P、Al-5％Ti-1％B、Al-Sr、Al-Sb及Al-Bi等中间合金以稀土变质剂等。合金的晶粒尺寸对力学性能有着极其显著的影响。Hall-Petch公式定量地描述了晶粒大小与金属强度的关系，晶粒尺寸越小，强度越高，塑性越高。根据晶粒细化的定义，晶粒细化的方法可概括为内生形核质点法和外来形核质点法。内生形核质点法是通过一定的手段，如电磁作用、超声波振动、快速凝固法等，改变合金内晶核的数量或阻碍晶体的长大来实现晶粒细化。外来形核质点法是通过向铝合金熔体中加入Al-Ti(-B)、Al-Ti-C等中间合金晶粒细化剂，产生大量的有效异质形核核心，提高晶体的形核率，从而细化晶粒。

对于熔体处理后的铝合金，要想提高其力学性能，还可以向其添加合金元素，以实现合金强化。目前，铸造铝合金中的主要合金化元素有Si、Mg、Cu、RE、Zn、Mn、Ni、Cd、Cr、V、Be、Ti、B、Zr、Fe等，在这些元素中，Zn、Mg、Cu在Al中的固溶度大，其次是Mn、Si、Ti、Cr、Zr、V，而RE、Be、Ni、Cd、Fe的固溶度很小。所以铸造铝合金中，Zn、Mg、Cu可作为热处理强化元素，是高强度铸造铝合金中的主要添加元素。Si在铝合金中形成二元或多元共晶组织，提高了合金的铸造性能，改善了流动性，降低了热裂倾向性，减少了缩松提高了气密性，可获得组织致密的铸件。Mn可以提高合金的高温持久强度和硬度；同时，Mn还可与Fe化合形成圆形的或汉字形的Al-Si-Fe-Mn相，减少Fe的有害作用。Ti、B、Zr在铝合金中形成细小的化合物，可作为铝固溶体的结晶核心，有强烈细化铝固溶体晶粒的作用。Fe在目前使用的铸造铝合金中是一种有害杂质，由于Fe在铝合金中形成粗大的针状或片状的化合物，降低合金的机械性能。

改善压铸铝合金件强韧性可以通过控制冶金质量降低Fe、Si等杂质含量，保留变形组织、微量元素合金化以及改善热加工及热处理工艺的方式加以实现。但对于一定冶金质量、一定化学成分和一定加工工艺的铝合金，要提高其强韧性水平，只有通过控制后期热处理工艺来实现。

对于一定成分的析出强化型铝合金，时效过程中造成的晶界和晶内析出相的性质、尺寸大小、分布状态以及形貌演变对合金强韧性具有重要影响。其中，晶内析出相特征是控制合金强度的主要因素。晶内析出相尺寸小密度高且不易被滑移位错切割，则有利于合金获得高强度；而晶界析出相特征则是影响合金韧性的关键因素，晶界析出相数量少、不连续分布以及呈球状，这都有利于改善合金的韧性。因此如何控制时效过程中晶界和晶内析出相特征演变，使其成最佳分布，对于提高合金强韧性至关重要。