一种高强高韧Al-Si-Mg-Mn铸造铝合金及其制备方法技术

一种高强高韧Al

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金及其制备方法


[0001]本专利技术涉及铝合金领域，具体涉及一种高强高韧Al
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Si
‑
Mg
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Mn铸造铝合金及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着资源和环境问题的日益突出，世界各国均对汽车工业的节能减排提出了迫切的要求，“汽车轻量化”成为了汽车工业节能减排的重要途径之一。Al
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Si
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Mg
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Mn系合金是在Al
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Si二元合金的基础上加入了Mg、Mn、Cu等元素，不仅保留了Al
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Si二元合金的低密度、易铸造性、优异的可焊性、良好的耐磨性能、杰出的耐腐蚀性和合适的压铸设计等显著特点，还具备流动性好、收缩小、铸件致密、不易产生铸造裂纹等诸多优点，广泛应用于汽车结构件领域，如车身结构、车轮、齿轮箱和电池外壳等，已成为“汽车轻量化”设计中最受欢迎的材料之一，备受关注。然而，Al
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Si
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Mg
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Mn系铸造合金很容易受到粗大的α
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Al枝晶、针/片状共晶Si以及一些脆性的含Fe金属间化合物的影响。这些不利的微观组织将导致较差的力学性能，尤其是较差的拉伸强度和延展性，这在很大程度上限制了其在汽车行业的广泛应用。
[0003]为了提高Al
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Si
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Mg
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Mn系合金的综合性能，通过添加多种元素进行合金化，在合金中形成各种熔点高、热稳定性好的金属间化合物阻碍晶界运动和位错滑移是目前主流的强化方式。而经过共晶Si变质和热处理，进一步调控合金的组织结构也是一种重要的强化手段。例如，隆达铝业开发的AlSi9MgMn合金(专利号CN113755722A)控制Si含量在8～10.5wt.％，此范围内的合金既有良好的铸造和填充性能，又有良好的收缩性，同时不会出现初晶Si。通过添加0.005～0.03wt.％Sr就能够有效促使共晶Si的形态从针状、片状转变为短棒状、颗粒状，从而降低粗大的共晶Si对铝基体的割裂，有效提高合金的强度和韧性。上海交通大学开发的AlSi9MgMn合金(专利公开号：CN114411020A)，在保留了Al
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Si系铸造合金良好的铸造性能和抗热裂性能之外，添加Sr对共晶Si进行变质处理，同时添加V和RE元素进一步细化共晶Si，使合金在含有较高Si含量的情况下获得高强高韧的特性。但是，Sr元素的大量添加往往会导致铸锭中存在大量气孔，而少量添加又无法达到变质效果，同时RE元素的大量添加也会导致生产成本大大增加。此外，由于制造工艺的限制，AlSi9MgMn合金组织中仍可能存在合金成分和金属间化合物分布不均匀，以及铸造缺陷明显等情况，这在一定程度上也影响该合金的性能。因此，优化熔炼和铸造工艺，减少夹杂和铸造缺陷对提高铸造铝合金的强韧性也有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种高强高韧Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金及其制备方法，主要通过添加Ca、Sr变质剂进行共晶Si的复合变质处理，同时添加Mn、Mo等元素改善含Fe金属间化合物的形貌，以及在凝固过程中施加永磁搅拌以细化α
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Al枝晶等，以获得具有大量细等轴晶、合金成分以及第二相分布均匀、铸造缺陷明显减少的Al
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Si
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Mg
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Mn合金组织，使其既能保持了Al
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Si系合金优良的特点又能进一步提高该合金的强度和韧性，制备工艺简单高
效、成本低廉。
[0005]为实现上述目的，本专利技术公开了一种高强高韧Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金，所述合金成分及质量百分比为：Si 8.5～10％，Mg 0.3～0.4％，Mn 0～0.4％，Mo 0～0.3％，Fe 0.1～0.3％，Cu 0.1～0.4％，Zn 0.1～0.3％，Ti 0～0.15％，Zr 0.1～0.3％，Sr 0～0.06％，Ca 0～0.06％，其余为Al与不可避免的杂质，并且杂质元素质量分数之和≤0.15％，单个杂质元素的质量分数≤0.05％。
[0006]进一步地，所述合金中的(Mn+Mo):Fe＝(0～4):1且Fe、Mn、Mo元素质量分数之和为0.5％。
[0007]进一步地，所述合金中的Sr、Ca元素质量分数之和为0.06％。
[0008]进一步地，所述合金中的Sr、Ca元素质量分数之和为0.06％，且Sr、Ca元素含量均不为0。
[0009]进一步地，所述合金的屈服强度为135～180MPa，抗拉强度为242～340MPa，延伸率为3～10％。
[0010]本专利技术的另一目的是提供一种上述Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
[0011](1)按质量百分比准备纯Al、纯Mg、纯Cu、纯Zn以及Al
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Si、Al
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Mn、Al
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Mo、Al
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Fe、Al
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Ti、Al
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Zr铝基中间合金作为原料，并在200～300℃烘干备用；
[0012](2)在保护气氛下，将纯Al和Al
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Si中间合金加热至680～720℃，形成合金熔体；
[0013](3)在保护气氛下，将纯Cu、Al
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Mn、Al
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Mo和Al
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Fe中间合金加入到步骤(2)的合金熔体中，加热至完全熔化后充分搅拌熔体，并在735～750℃范围内保温3～10min；
[0014](4)在保护气氛下，降温至720～730℃，将Al
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Ti和Al
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Zr中间合金加入到步骤(3)的合金熔体中，完全熔化后充分搅拌熔体，并在该温度范围内保温3～10min；
[0015](5)在保护气氛下，继续降温至700～710℃，将纯Mg、纯Zn加入到步骤(4)的合金熔体中，完全熔化后充分搅拌熔体，并在该温度范围内保温5～15min；
[0016](6)在保护气氛下，将步骤(5)的合金熔体加热至720～730℃，除气，随后导入静置炉，静置8～10min后进行扒渣；
[0017](7)在保护气氛下，在710～720℃温度范围内对步骤(6)的合金熔体进行共晶Si的变质处理，变质时间为10～15min；
[0018](8)将步骤(7)的合金熔体浇铸成铸锭。
[0019]进一步地，步骤(2)～(5)中所述的合金原料采用钟罩压入熔体的方式，压入后保持1～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金，其特征在于，所述合金成分及质量百分比为：Si 8.5～10％，Mg 0.3～0.4％，Mn 0～0.4％，Mo 0～0.3％，Fe 0.1～0.3％，Cu 0.1～0.4％，Zn 0.1～0.3％，Ti 0～0.15％，Zr 0.1～0.3％，Sr 0～0.06％，Ca 0～0.06％，其余为Al与不可避免的杂质，并且杂质的质量分数之和≤0.15％，单个杂质元素的质量分数≤0.05％。2.根据权利要求1所述的一种高强高韧Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金，其特征在于，(Mn+Mo):Fe＝(0～4):1且Fe、Mn、Mo元素质量分数之和为0.5％。3.根据权利要求1所述的一种高强高韧Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金，其特征在于，所述合金中的Sr、Ca元素质量分数之和为0.06％。4.根据权利要求1所述的一种高强高韧Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金，其特征在于，所述合金中的Sr、Ca元素质量分数之和为0.06％，且Sr、Ca元素含量均不为0。5.根据权利要求1所述的一种高强高韧Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金，其特征在于，所述合金的屈服强度为135～180MPa，抗拉强度为242～340MPa，延伸率为3～10％。6.根据权利要求1～5任一项所述的一种高强高韧Al
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Si
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Mg
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Mn铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：(1)按质量百分比准备纯Al、纯Mg、纯Cu、纯Zn以及Al
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Si、Al
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Mn、Al
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Mo、Al
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Fe、Al
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Ti、Al
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Zr铝基中间合金作为原料，并在200～300℃烘干备用；(2)在保护气氛下，将纯Al和Al
‑
Si中间合金加热至680～720℃，形成合金熔体；(3)在保护气氛下，将纯Cu、Al
‑
Mn、Al<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海涛，邹晶，郭晨，王向东，付金程，郭凯敏，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：