一种含Ti可时效强化高硅铝合金及其变形材制备方法技术

一种含Ti可时效强化高硅铝合金，属于铝合金技术领域，其特征在于该合金的成分为Si 11～13wt％，Mg 0.5～1.0wt％，Ti 0.1～0.8wt％，Fe≤0.5wt％，其他合金元素单个元素含量≤0.15wt％，总含量≤0.5wt％，余量为Al。该铝合金及其变形材的制造方法步骤如下：①合金熔炼，②铸造成型，③预处理，④均匀化处理，⑤热变形，⑥固溶水淬处理，⑦时效。本发明专利技术特点是发明专利技术合金成本低廉、不采用变质处理DC铸造熔铸工艺、双级均匀化结合形变热处理提高发明专利技术合金的热成型性能，热变形材生产工艺控制简单方便，而且发明专利技术合金变形材不仅具有较高的强度和塑性，同时还具备优异的耐磨性能，可部分取代现有6xxx系铝合金及钢材广泛应用于建筑装饰、导轨、轨道交通、集装箱等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铝合金及其制备
，特别涉及一种含Ti可时效强化高硅铝合金及其变形材制备方法。
技术介绍
高硅铝硅合金具有其他铝合金不可比拟的高比强度、高耐磨耐蚀性、低热膨胀性及良好的尺寸稳定性，其铸件已广泛应用于坦克、装甲车以及汽车发动机缸体上。然而，高硅铝合金由于其铸造组织中的层片状共晶硅相难以细化，导致高硅铝合金的塑性极差，因而其极少作为变形材使用。多年来，国内外学者致力于提高高硅铝合金热塑性研究，先后采用化学变质处理，并利用摩擦搅拌工艺、等通道转角挤压技术或者大变形加工手段，尤其是东北大学左良等在不添加任何变质剂的前提下，通过热处理结合热塑性加工，开发出一种低成本制造高强、塑性良好的含镁高硅变形铝合金结构材料件的工艺技术，为高硅铝合金作为低成本高性能金属结构材料成为奠定了基础。然而目前高硅变形铝合金普遍存在硅颗粒较粗大且分布不均匀，铝基体再结晶晶粒混晶现象严重的问题。另外，为促进高硅变形铝合金作为高性能结构材料的广泛应用，应该在提高该类合金性能的同时尽可能降低其生产制备成本。本专利从多级尺度粒子强韧化原理出发，通过合金化析出亚微米级弥散相粒子，与微米级共晶硅颗粒共同作用，弥补微米级共晶硅颗粒分布不均匀的缺陷，促进铝基体再结晶形核，钉扎铝基体晶界迁移长大，最终获得均匀细小等轴晶的铝基体中弥散分布着细小微米级硅颗粒、亚微米级弥散相粒子及纳米级析出相粒子的高硅变形铝合金显微组织，最终获得具有良好强塑性、耐蚀性和耐磨性的高硅铝合金变形材。同时，本专利从合金化、热处理及热变形等多个工艺环节降低专利技术合金的制备加工成本，以期扩大其应用范围。
技术实现思路
针对现有含Mg高硅铝合金铸锭塑性变形能力较差，其变形材铝基体再结晶晶粒混晶现象严重两大问题，本专利技术提出采用添加适量Ti元素，在不采用变质处理的条件下，通过DC铸造制备出可时效强化的高硅铝合金及其变形材的方法。本专利技术采用半连续铸造方法制备添加Ti元素的含Mg变形高硅铝合金铸锭，其成分范围为：Si11～13wt％，Mg0.5～1.0wt％，Ti0.1～0.8wt％，Fe≤0.5wt％，其他合金元素单个元素含量≤0.15wt％，总含量≤0.5wt％，余量为Al。上述合金可认为是在可时效强化的4×××系(Al-Si系)合金中加入了Ti元素，合金成分中的Ti含量为0.1～0.8wt％，而Si质量分数控制在共晶范围内，且Mg质量分数0.5～1.0wt％。这种合金可采用DC铸造方法制备铸锭，且无需经过变质处理。本专利技术还提供了一种含Mn可时效强化铝合金制造变形材的方法，其特征在于包括以下步骤：1.熔炼合金的原料为99.7％的工业纯铝，工业纯硅，工业纯镁，Al-Ti中间合金。2.先加入纯铝，采用石墨粘土坩埚在电阻炉中熔炼，待纯铝半熔化时，加入工业纯Si和Al-Ti中间合金。3.当金属全部熔化且熔体温度达到730℃～750℃时，添加少量覆盖剂，保温直至Si完全溶解。4.待熔体温度达到740℃～750℃时加入纯镁，并充分搅拌，添加少量覆盖剂。5.造渣、除气精炼，炉子停电，熔体静置20min，待熔体温度降至690℃～700℃时，采用半连续方式铸造成型。上述步骤3、4、5所涉及的覆盖剂由KCl、MgCl2和CaF2组成，其中KCl占50％，MgCl2占28％，CaF2占22％。将上述成分范围的合金铸锭进行热处理，具体实施步骤如下：1.合金铸锭先在循环风炉中进行双级均匀化处理：第一级处理250℃～400℃保温4h～10h；第二级550℃保温6h～8h，以调控含Ti的弥散相粒子及硅颗粒组态。2.将双级均匀化处理后的铸锭切头铣面。3.将步骤2所得铸锭重新加热至470℃～490℃，进行热变形，热变形总量>85％。4.将热变形材于540℃～550℃保温20min～40min固溶水淬处理。5.对步骤4固溶处理后的变形材进行人工时效，具体工艺为：165℃～185℃，保温8h～12h。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.成分设计具有简单、低成本、可大量利用回收废铝作为原料。(1)本专利技术合金成分的特点在于控制合金中Ti含量为0.1～0.8wt％，Ti是铝合金中的常加合金元素之一，与铝液发生包晶反应，为铝液凝固结晶有效的异质形核核心，是铝合金中常用的变质剂。本专利技术合金中添加Ti元素的目的不仅仅是细化高硅铝合金铸锭晶粒，更重要的是在于形成弥散相，含Ti弥散相粒子在变形过程中阻碍位错运动，形成大量高密度位错缠结区域，可以通过形变诱发形核机制(Particlestimulatednucleation，简称PSN)，有效促进变形材再结晶形核并钉扎再结晶后的晶界迁移，抑制晶粒长大，从而获得晶粒细小均匀的铝基体，同时含Ti弥散相粒子对Al基体还具有一定的强化作用；(2)Si质量分数控制在共晶范围内11～13wt％，Si不仅可以降低铝合金合金化成本，而且还能减轻铝合金的比重，同时弥散分布的粒状硅颗粒还能保证铝基体具有足够的耐磨性及尺寸稳定性。(3)专利技术合金中Mg质量分数为0.5～1.0wt％，Mg在高硅铝合金中可以形成Mg2Si强化相，进一步强化铝基体，而且还可以通过合适的时效工艺调控Mg2Si强化相粒子组态，最终获得具有不同强塑性、韧性、耐蚀性、耐磨性相匹配的高性能高硅铝合金变形材。(4)专利技术合金中Fe≤0.5wt％，其他合金元素单个元素含量≤0.15wt％，总含量≤0.5wt％，杂质Fe及其它合金元素含量容许范围均较大，便于大量利用回收废铝，进一步降低成本。2.低温预处理+短时高温均匀化处理的双级均匀化工艺有效降低均匀化处理工艺成本，并能明显改善合金热变形能力。为显著提高专利技术合金的塑性变形能力，本专利技术在系统研究常规高温均匀化处理前的预先形核温度及时间，对半连续铸造制备的专利技术合金铸锭中含Ti弥散相粒子的形核析出热力学、长大动力学过程及其在基体中的分布规律，以及对非平衡结晶相共晶Si回溶、球化等行为的影响规律，最终专利技术能有效调控专利技术合金铸锭中含Ti弥散相粒子及共晶硅颗粒尺寸、数量和分布的预先热处理制度，获得能显著改善专利技术合金塑性变形能力的弥散相预先形核及共晶硅颗粒球化的热处理方法。由于本专利技术方法只需将铸锭在常规均匀化处理前的随炉加热过程中的某一低温段(250℃～400℃)进行一定时间(4h～10h)的保温处理，然后再加热至常规均匀化处理所需的温度(550℃)保温6h～8h,从工艺上来说很容易实现，而且较常规均匀化处理550℃×24h大大缩短了时间，降低了温度，节省能源降低成本。而且第一级250℃～400℃×4h～10h的预处理及第二级550℃×6h～8h双级均匀化处理工艺在现有的铝合金均匀化处理生产线上实施时控制简单方便，不必增加设备及工艺投资。3.专利技术合金经本专利技术方法处理后，具有优良的冷热塑性加工性能，可以通过热挤压、热轧、冷轧等方式加工成型。其变形材再经固溶时效处理后获得细小等轴晶铝基体晶粒上弥散分布着微米级硅颗粒、亚微米弥散相粒子、纳米级析出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含Ti可时效强化高硅铝合金，其特征在于该合金的成分为Si 11～13wt％，Mg 0.5～1.0wt％，Ti 0.1～0.8wt％，Fe≤0.5wt％，其他合金元素单个元素含量≤0.15wt％，总含量≤0.5wt％，余量为Al。

【技术特征摘要】
1.一种含Ti可时效强化高硅铝合金，其特征在于该合金的成分为Si11～13wt％，Mg
0.5～1.0wt％，Ti0.1～0.8wt％，Fe≤0.5wt％，其他合金元素单个元素含量≤0.15wt％，总含量≤0.5
wt％，余量为Al。
2.如权利要求1所述的含Ti可时效强化高硅铝合金，其特征在于制备合金所用原料中
Al为99.7％的纯Al，Si是工业纯硅，Mg是工业纯镁，Ti是Al-Ti中间合金。
3.如权利要求1所述的含Ti可时效强化高硅铝合金，其特征在于合金中Fe≤0.5wt％，
其他合金元素单个元素含量≤0.15wt％，总含量≤0.5wt％。
4.一种实施权利要求1的含Ti可时效强化高硅铝合金变形材的制造方法，其特征在于
包括以下步骤：
①合金熔炼，采用石墨粘土坩埚在电阻炉中熔炼，首先加入铝，待铝半熔化时加入硅和
Al-Ti中间合金；当金属全部熔化，添加少量覆盖剂，控制熔体温度在730℃～750℃之间保...

【专利技术属性】
技术研发人员：田妮，王光东，贾存发，寇丹华，宁红，赵刚，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21