一种低淬火敏感性高强塑Al-Si合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体是涉及一种低淬火敏感性高强塑Al-Si合金及其制备方法。

背景技术

可热处理强化Al-Si合金经过固溶、时效处理后，具备较高的强度和塑性，被广泛应用于汽车、通讯设备等领域。然而，这类可热处理强化铝合金淬火敏感性都较高。淬火敏感性高的铝合金在固溶淬火过程中，过饱和固溶体会析出一定数量的粗大第二相，从而降低了时效过程中细小析出强化相的体积分数和分布均匀性。目前，虽然可热处理强化铝合金经过固溶水淬的热处理方式处理之后可以满足力学性能要求，但是构件淬火过程中易产生变形，导致构件尺寸精度显著下降，增加废品率。所以，为了防止构件淬火过程中发生变形，需要降低淬火时的冷却速度，现有技术报道的水淬冷却速度均在200℃/s以上。由于Al-Si合金的淬火敏感性较高，在较慢速率冷却条件下，合金的强度、塑性将都有所下降。综上，在降低Al-Si合金的淬火敏感性的同时，使得其能够满足强度、塑性的要求是工业生产中亟需解决的技术问题。

因此，针对于高淬火敏感性、低强度和塑性的Al-Si合金工件存在的尺寸失稳、时效周期长、成本高等问题，如何开发出一种低淬火敏感性高强塑低成本合金是目前亟需解决的技术难题。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提供了一种低淬火敏感性高强塑Al-Si合金，按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：10.0～11.5wt.％，Cu：1.1～1.6wt.％，Mg：0.44～0.60wt.％，Mn：0.18～0.23wt.％，B：0.023～0.045wt.％，Sb：0.15～0.25wt.％，Sn：0.05～0.20wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al；所述低淬火敏感性高强塑Al-Si合金的制备方法包括如下步骤：

步骤1：将铝锭和Al-20Si合金在740～780℃下熔化，加入Al-10Mn和Al-50Cu中间合金，静置20～40分钟；在720～750℃下依次加入Al-3B中间合金、Mg、Sn和Sb，搅拌均匀，静置10～40分钟，获得Al-Si合金熔体1；

步骤2：将步骤1获得的Al-Si合金熔体1降温至680～740℃，加入0.2～1.0wt.％C

步骤3：将步骤2获得的Al-Si合金熔体2在680～720℃下，注入到预热100～220℃的铁模中浇铸成形，获得铸造Al-Si合金；

步骤4：将步骤3获得的Al-Si合金在490～530℃下进行单级固溶处理，保温时间为2～15小时后，进行淬火处理，淬火处理时间为2～300秒，再在120～200℃进行1～5小时的时效处理，最终获得低淬火敏感性高强塑Al-Si合金；所述的淬火处理为水淬或风冷，其中水淬：150～180℃/s，风冷：2～10℃/s。

进一步地，按照质量百分比计，所述的Cu：1.2～1.5wt.％，Mg：0.45～0.58wt.％，Mn：0.20～0.22wt.％，B：0.025～0.040wt.％，Sb：0.16～0.20wt.％，Sn：0.10～0.15wt.％。

进一步地，将步骤1所述的铝锭和Al-20Si合金在750～770℃下熔化，加入Al-10Mn和Al-50Cu中间合金，静置25～35分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B中间合金、Mg、Sn和Sb，搅拌均匀，静置15～35分钟。

进一步地，步骤2所述的是将Al-Si合金熔体1降温至700～720℃，加入0.3～0.8wt.％C

进一步地，步骤3所述的Al-Si合金熔体2在690～700℃下，注入到预热150～200℃的铁模中浇铸成形，获得铸造Al-Si合金。

进一步地，步骤4所述的铸造Al-Si合金在500～520℃下进行单级固溶处理，保温时间为6～10小时。

进一步地，步骤4所述的淬火处理时间为10～240秒。

进一步地，步骤4所述的再在150～170℃进行2～4小时的时效处理。

本发明有益效果：

与现有技术相比，本发明通过调控合金元素种类、组分之间的相互作用以及制备工艺的协同作用，降低Al-Si合金生产成本和淬火敏感性的同时，使得Al-Si合金具有优于现有技术的高强塑性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

现有技术目前很难同步实现合金强塑性的提高以及降低淬火敏感性，现有技术提高合金强塑性的方法主要包括：加入细化剂、变质剂以及增加合金组分，以及通常采用较长的时效处理时间，一般为8～15小时，以此细化晶粒尺寸和共晶Si形貌，现有技术的工艺将提高生产成本；此外由于Al-Si合金的淬火敏感性较高，现有技术针对该问题，普遍采用固溶之后水淬，速度在200℃/s以上，这就使得工件尺寸严重失稳以及增加工件废品率；若在缓慢冷却条件下，由于冷却速率过慢，也会降低合金的强塑性。然而，本发明通过合金元素种类、元素配比、组分之间的相互作用以及制备工艺的协同作用，形成了Q'、θ'、β”三种强化相，同步提升了合金的力学性能，并降低了淬火敏感性。本发明在淬火过程中利用元素与空位的结合抑制了空位的消失，使保留下来的大量空位在时效过程中释放，促进析出相的弥散析出，显著缩短时效时间并降低淬火敏感性；同时，在时效初期形成大量的Mg-Cu等团簇可以作为后续析出相的前驱体，促进析出相快速析出。与现有技术相比，本发明在减少了合金添加量的情况下，同时降低固溶(时效)温度和时间以及降低淬火冷速的情况下，有效调控多种析出强化相，不仅提高了工件的尺寸精度，而且还提高了合金的强度和塑性并且显著降低合金淬火敏感性，获得的是低淬火敏感性、短流程、低成本高强塑Al-Si合金，最终获得的合金屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥403MPa，延伸率≥6％。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下实施例和对比例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例和对比例所用的原料为商业铝锭、Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Mn中间合金、Al-3B中间合金、镁、锑和锡。

实施例1

高强塑、低淬火敏感性Al-Si合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：10.0wt.％，Cu：1.46wt.％，Mg：0.45wt.％，Mn：0.20wt.％，B：0.025wt.％，Sb：0.16wt.％，Sn：0.10wt.％，不可避免杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al，其制备方法包括下述步骤：

步骤1：将铝锭和Al-20Si合金在760～770℃下熔化，加入Al-10Mn和Al-50Cu中间合金，静置25～30分钟；在735～740℃下依次加入Al-3B中间合金、Mg、Sn和Sb，搅拌均匀，静置15～20分钟，获得Al-Si合金熔体1。

步骤2：将Al-Si合金熔体1降温至710～720℃，加入0.5～0.7wt.％C

步骤3：将Al-Si合金熔体2在695～700℃下，注入到预热150～180℃的铁模中浇铸成形，获得铸造Al-Si合金铸锭。

步骤4：将获得的铸造Al-Si合金铸锭在510～520℃下进行单级固溶处理，保温6～8小时，采用风冷进行淬火处理，淬火时长为120～180秒，再在165～170℃进行2～4小时的时效处理，最终获得低淬火敏感性高强塑Al-Si合金；所述的冷却方式为风冷，冷却速率为5℃/s。

实施例2

高强塑、低淬火敏感性Al-Si合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：11.5wt.％，Cu：1.35wt.％，Mg：0.44wt.％，Mn：0.18wt.％，B：0.023wt.％，Sb：0.15wt.％，Sn：0.15wt.％，不可避免杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al，其制备方法包括下述步骤：

步骤1：将铝锭和Al-20Si合金在750～760℃下熔化，加入Al-10Mn和Al-50Cu中间合金，静置30～35分钟；在730～735℃下依次加入Al-3B中间合金、Mg、Sn和Sb，搅拌均匀，静置20～25分钟，获得Al-Si合金熔体1。

步骤2：将Al-Si合金熔体1降温至700～710℃，加入0.3～0.5wt.％C

步骤3：将Al-Si合金熔体2在690～695℃下，注入到预热160～170℃的铁模中浇铸成形，获得铸造Al-Si合金铸锭。

步骤4：将获得的铸造Al-Si合金铸锭在500～510℃下进行单级固溶处理，保温8～10小时，采用风冷进行淬火处理，淬火时长为30～100秒，再在150～155℃进行3～4小时的时效处理，最终获得低淬火敏感性高强塑Al-Si合金；所述的冷却方式为风冷，冷却速率为3℃/s。

实施例3

高强塑、低淬火敏感性Al-Si合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：10.8wt.％，Cu：1.50wt.％，Mg：0.52wt.％，Mn：0.22wt.％，B：0.028wt.％，Sb：0.18wt.％，Sn：0.08wt.％，不可避免杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al，其制备方法包括下述步骤：

步骤1：将铝锭和Al-20Si合金在755～765℃下熔化，加入Al-10Mn和Al-50Cu中间合金，静置28～35分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B中间合金、Mg、Sn和Sb，搅拌均匀，静置20～35分钟，获得Al-Si合金熔体1。

步骤2：将Al-Si合金熔体1降温至715～720℃，加入0.6～0.8wt.％C

步骤3：将Al-Si合金熔体2在690～695℃下，注入到预热180～200℃的铁模中浇铸成形，获得铸造Al-Si合金铸锭。

步骤4：将获得的铸造Al-Si合金铸锭在515～520℃下进行单级固溶处理，保温6～9小时，采用水淬进行淬火处理，淬火时长为10～15秒，再在155～165℃进行2～3小时的时效处理，最终获得低淬火敏感性高强塑Al-Si合金；所述的冷却方式为水淬，冷却速率为160℃/s。

对比例1：

李润霞等人在2022年授权发明专利(专利号为CN 112210696A)公开题为“一种高强高耐磨Al-Si合金及其制备方法和应用”的专利中提到，其中所述合金组分为：Si：18.5wt.％，Cu：6.6wt.％，Mg：4.5wt.％，Zn：4.2wt.％，Zr：0.28wt.％，La：0.35wt.％，Er：0.25wt.％，Mn：0.15wt.％,Fe：0.11wt.％。合金经挤压铸造后进行520℃的固溶处理，保温60分钟，随炉冷却，时效处理温度为180℃，时间为12小时。结果表明：最优抗拉强度为384MPa，屈服强度为317MPa，延伸率2.6％。

对比例2：

高强塑、低淬火敏感性Al-Si合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：12.5wt.％，Cu：2.4wt.％，Mn：0.25wt.％，B：0.035wt.％，Sb：0.30wt.％，Sn：0.07wt.％，不可避免杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al，其制备方法包括下述步骤：

步骤1：将铝锭和Al-20Si合金在740～760℃下熔化，加入Al-10Mn和Al-50Cu中间合金，静置10～40分钟；在710～740℃下依次加入Al-3B中间合金、Mg、Sn和Sb，搅拌均匀，静置15～20分钟，获得Al-Si合金熔体1。

步骤2：将Al-Si合金熔体1降温至710～730℃，加入0.8～1.0wt.％C

步骤3：将Al-Si合金熔体2在670～700℃下，注入到预热150～200℃的铁模中浇铸成形，获得铸造Al-Si合金铸锭。

步骤4：将获得的铸造Al-Si合金铸锭在进行双级固溶处理：第一阶段495～500℃，保温2～5小时，第二阶段500℃～520℃，保温5～8小时，采用油冷进行淬火处理，淬火时长为100～200秒，再在150～170℃进行30～50小时的时效处理，最终获得高强塑、低淬火敏感性的Al-Si合金。所述的冷却方式为油冷，冷却速率为100℃/s。

对比例3：

高强塑、低淬火敏感性Al-Si合金，按照质量百分比计，由以下成分组成：Si：9.5wt.％，Cu：2.0wt.％，Mn：0.26wt.％，B：0.028wt.％，Sb：0.25wt.％，Sn：0.04wt.％，不可避免杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al，其制备方法包括下述步骤：

步骤1：将铝锭和Al-20Si合金在740～760℃下熔化，加入Al-10Mn和Al-50Cu中间合金，静置20～30分钟；在720～740℃下依次加入Al-3B中间合金、Mg、Sn和Sb，搅拌均匀，静置20～40分钟，获得Al-Si合金熔体1。

步骤2：将Al-Si合金熔体1降温至700～730℃，加入0.2～1.2wt.％C

步骤3：将Al-Si合金熔体2在690～720℃下，注入到预热150～200℃的铁模中浇铸成形，获得铸造Al-Si合金铸锭。

步骤4：将获得的铸造Al-Si合金铸锭在进行双级固溶处理：第一阶段495～500℃，保温2～5小时，第二阶段510℃～530℃，保温2～6小时，采用油冷进行淬火处理，淬火时长为15～20秒，再在120～150℃进行20～35小时的时效处理，最终获得高强塑、低淬火敏感性的Al-Si合金。所述的冷却方式为油冷，冷却速率为120℃/s。

按中华人民共和国国家标准GB/T228.1-2010，将上述实施例1～3和对比例2和3的铸造铝硅合金加工成标准拉伸试样，并在岛津伸试验机上进行室温拉伸力学性能，拉伸速率为0.6mm/min，测试结果如表1所示。

表1

综上所述，本发明实施例1-3采用的组分和工艺均不同，通过实施例对比可以看出：实施例1的组分含量以及合金总添加量均不是实施例中最高的，但是其强度和塑性确是实施例中最高的。由此得出：本发明是通过合金组分的相互作用、原料之间的配比以及制备工艺协同作用使得材料获得最优异的性能。另外，本发明实施例与对比例1相比，本发明添加的合金元素含量远远小于对比例1并且未采用对比例1中的稀土元素，以及在对比例1采用时效时间12小时远远高于本发明的最长时效时间4小时的情况下，本发明实施例力学性能和塑性均优于对比例1公开的数据。由此说明本发明在节约成本以及缩短时效时间的情况下，与现有技术相比，取得了显著的技术效果。

另外与对比例2和3相比，本发明的合金元素总体添加量较少，并且对比例2和3均采用了多级固溶处理以及时效时间长达20小时以上，而本发明通过单级固溶和单级时效，并且时效时间不超过4小时。此外，对比例2和3的淬火速度远远高于本发明的淬火速度，按照现有技术报道，Al-Si合金淬火敏感性较高，所以需要较快的淬火速率，因为较低的淬火速率将降低合金强塑性。按照现有技术推算，本发明获得的合金强塑性应低于对比例2和3的合金性能，但本发明获得的合金强塑性却高于对比例2和3获得的强塑性，与现有技术相比取得了意料不到的技术效果。本发明节约了原料成本、简化工艺流程(即实现短流程)、缩短时效时间以及降低淬火速率的情况下，使得合金取得了优于现有技术合金的力学性能和塑性，并取得了意料不到的技术效果。

综上：本发明解决了现有技术无法同步实现低淬火敏感性以及高强塑性Al-Si合金制备的技术难题，缩短了时效时间和节约了原料成本，并且采用慢速淬火的方式，取得了显著的技术效果，同步提高了合金强塑性和降低了合金低淬火敏感性，这种效果实现离不开合金元素组成、比例、相互作用以及制备工艺的协同作用，只有在本申请权利要求保护范围的情况下，才能有效调控多种析出强化相，在提高工件尺寸精度的同时，开发出低淬火敏感性、短流程、低成本高强塑Al-Si合金，本工艺适用于产业化生产。