[发明专利]一种含Mn可时效强化高硅铝合金及其变形材制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铝合金及其制备技术领域，特别涉及一种含Mn可时效强化高硅铝合金及其变形材制备方法。

背景技术

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，尤其是中国专利CN200810137603.0《一种含镁高硅铝合金的结构材料及其制备方法》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。基于上述考虑，发明人从多级尺度粒子强韧化原理出发，经过理论探讨和实验论证，通过合金化析出亚微米级弥散相粒子，与微米级晶硅颗粒共同作用，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，从而获得了具有良好强塑性、耐蚀性和耐磨性的高硅铝合金变形材。同时，发明人还通过调节合金化、热处理及热变形等多个工艺环节的参数，更进一步降低发明合金的制备加工成本，以扩大其应用范围。

发明内容

如上所述，本发明针对现有含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，提出采用添加适量Mn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。

本发明提供一种含Mn可时效强化高硅铝合金，其特征在于成分范围为：Si11～13wt％，Mg0.5～1.0wt％，Mn0.4～3.0wt％，Fe≤0.5wt％，其他合金元素单个元素含量≤0.2wt％，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Mn元素，合金成分中的Mn含量为0.1～3.0wt％，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。

本发明还提供了一种含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；当金属全部熔化，添加少量覆盖剂，控制熔体温度在730℃～750℃之间保温直至Si完全溶解；当硅全部溶解，熔体温度达到720℃～740℃加入锰剂并充分搅拌熔体；待熔体温度达到740℃～750℃时加入纯镁，并充分搅拌；然后造渣、除气精炼，停电，静置熔体；

②铸造成型，采用半连续方式铸造(DC铸造)成型，浇铸温度为690℃～700℃；

③预形核处理，将上述成分的合金铸锭在循环风炉中进行低温预先形核处理，处理温度为200℃～450℃，时间为4h～10h；

④均匀化处理，预形核处理后接着进行短时均匀化处理，温度550℃，时间6h～8h；

⑤热变形，均匀化处理后将铸锭切头铣面，重新加热至470℃～490℃，热变形总量>85％；

⑥固溶水淬处理，热变形材经540℃～550℃保温20min～40min，水淬；

⑦时效处理，固溶水淬材于165℃～185℃保温8h～12h。

本发明的合金其熔铸工艺的具体步骤如下：

1.熔炼合金的原料为99.7％的工业纯铝，工业纯硅，工业纯镁，锰剂。

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。

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.待硅全部熔化后熔体温度达到720℃～740℃加入锰剂并充分搅拌熔体，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。