本發(fā)明屬于合金制造,涉及一種高強(qiáng)高韌鋁合金,尤其涉及一種免熱處理的高強(qiáng)高韌鋁合金及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù):
1、當(dāng)前,在減少碳排放的大背景下,全球汽車行業(yè)均致力于汽車的輕量化。其中,鋁合金替代常規(guī)汽車用鋼的思路已得到廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。目前,汽車行業(yè)中德國萊茵金屬的silafont-36系鋁合金,加拿大鋁業(yè)公司的aural-2、aural-3鋁合金相繼在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用。然而,上述鋁合金均需要經(jīng)過熱處理才能滿足汽車行業(yè)的使用需求,不僅增加了生產(chǎn)工序,提升了生產(chǎn)成本,而且熱處理所帶來的產(chǎn)品氣泡、變形等現(xiàn)象降低了產(chǎn)品的合格率。
2、此外,國內(nèi)使用的免熱處理材料仍處于初期階段,鑄造的產(chǎn)品易冷隔、欠鑄,內(nèi)部氣縮孔很難滿足汽車行業(yè)的使用需求,且力學(xué)性能偏低,這些問題均限制了材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
3、由此可見,如何提供一種免熱處理的高強(qiáng)高韌鋁合金及其制備方法,充分滿足汽車結(jié)構(gòu)件的性能要求,擴(kuò)展材料的應(yīng)用前景,成為了目前本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切需要解決的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,本發(fā)明的目的在于提供一種免熱處理的高強(qiáng)高韌鋁合金及其制備方法與應(yīng)用,通過各種元素之間的匹配機(jī)制,同時借助特定的熔煉條件,生產(chǎn)出免熱處理的高強(qiáng)高韌鋁合金,充分滿足汽車結(jié)構(gòu)件的性能要求,擴(kuò)展了材料的應(yīng)用前景。
2、為達(dá)此目的,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
3、第一方面,本發(fā)明提供一種免熱處理的高強(qiáng)高韌鋁合金,按照質(zhì)量百分比計(jì),所述高強(qiáng)高韌鋁合金的組成元素包括:
4、si?7%-8%;
5、fe?≤0.14%;
6、cu?≤0.008%;
7、mn?0.6%-0.7%;
8、mg?0.2%-0.26%;
9、zn?≤0.005%;
10、ca?≤0.001%;
11、pb?≤0.003%;
12、sb?≤0.0003%;
13、be?≤0.00008%;
14、ti?0.08%-0.15%;
15、mo?0.01%-0.08%;
16、v?0.01%-0.08%;
17、zr?0.06%-0.25%;
18、sr?0.016%-0.026%;
19、余量為al和不可避免的雜質(zhì)。
20、本發(fā)明中,所述si的質(zhì)量百分比為7%-8%,例如可以是7.0%、7.1%、7.2%、7.3%、7.4%、7.5%、7.6%、7.7%、7.8%、7.9%或8.0%,所述fe的質(zhì)量百分比≤0.14%,例如可以是0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%或0.14%,所述cu的質(zhì)量百分比≤0.008%,例如可以是0.001%、0.002%、0.003%、0.004%、0.005%、0.006%、0.007%或0.008%,所述mn的質(zhì)量百分比為0.6%-0.7%,例如可以是0.60%、0.61%、0.62%、0.63%、0.64%、0.65%、0.66%、0.67%、0.68%、0.69%或0.70%,所述mg的質(zhì)量百分比為0.20%-0.26%,例如可以是0.20%、0.21%、0.22%、0.23%、0.24%、0.25%或0.26%,所述zn的質(zhì)量百分比≤0.005%,例如可以是0.001%、0.002%、0.003%、0.004%或0.005%,所述ca的質(zhì)量百分比≤0.001%,例如可以是0.0002%、0.0004%、0.0006%、0.0008%或0.0010%,所述pb的質(zhì)量百分比≤0.003%,例如可以是0.0005%、0.0010%、0.0015%、0.0020%、0.0025%或0.0030%,所述sb的質(zhì)量百分比≤0.0003%,例如可以是0.0001%、0.0002%或0.0003%,所述be的質(zhì)量百分比≤0.00008%,例如可以是0.00002%、0.00004%、0.0006%或0.00008%,所述ti的質(zhì)量百分比為0.08%-0.15%,例如可以是0.08%、0.09%、0.10%、0.11%、0.12%、0.13%、0.14%或0.15%,所述mo的質(zhì)量百分比為0.01%-0.08%,例如可以是0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%或0.08%,所述v的質(zhì)量百分比為0.01%-0.08%,例如可以是0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%或0.08%,所述zr的質(zhì)量百分比為0.06%-0.25%,例如可以是0.06%、0.08%、0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%、0.20%、0.22%、0.24%或0.25%,所述sr的質(zhì)量百分比為0.016%-0.026%,例如可以是0.016%、0.018%、0.020%、0.022%、0.024%或0.026%,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
21、本發(fā)明提供的鋁合金選用成本較低的元素,并未加入稀土等高成本的微量元素,通過各種元素之間的協(xié)同組合,最終得到高強(qiáng)高韌鋁合金,充分滿足汽車結(jié)構(gòu)件的性能要求,擴(kuò)展了材料的應(yīng)用前景。
22、具體地,si是鋁合金中常用的合金元素之一,它能與al形成共晶體,從而提高合金的強(qiáng)度和硬度,同時可以改善鑄造性能,減少收縮率,防止熱裂傾向。si還能提高合金的高溫造型性,改善抗拉強(qiáng)度、硬度和切削性,但過多的si會降低延伸率,故限定si的質(zhì)量百分比為7%-8%。
23、具體地,fe在鋁合金中通常作為雜質(zhì)元素存在,因?yàn)閒e含量的增加會形成粗大的雜質(zhì)相,進(jìn)而影響合金的斷裂韌性和短橫向力學(xué)性能,故限定fe的質(zhì)量百分比≤0.14%。
24、具體地,cu在鋁合金中有明顯的固溶強(qiáng)化和時效強(qiáng)化效果。cu的加入可以提高合金的抗拉強(qiáng)度和屈服極限,改善合金的切削加工性,但cu的過多加入也會降低合金的耐蝕性和塑性,增加熱裂傾向,故限定cu的質(zhì)量百分比≤0.008%。
25、具體地,mn在鋁合金中能提高強(qiáng)度和硬度,同時改善耐蝕性;mn還能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程,提高再結(jié)晶溫度,并顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒。此外,mn能與雜質(zhì)fe形成化合物,減小fe的有害影響,故限定mn的質(zhì)量百分比為0.6%-0.7%。
26、具體地,mg是鋁合金中重要的強(qiáng)化元素,能顯著提高合金的抗拉強(qiáng)度。mg與si形成的mg2si共晶組織可以顯著提高合金的強(qiáng)度;mg還能改善合金的抗蝕性和焊接性能。但是,mg含量過高會導(dǎo)致合金中出現(xiàn)熱裂紋,故限定mg的質(zhì)量百分比為0.20%-0.26%。
27、具體地,zn在鋁合金中能提高強(qiáng)度和硬度,特別是與mg元素共同加入時,能形成強(qiáng)化相mg/zn2,對合金產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用,但zn的過多加入也會導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的傾向,故限定zn的質(zhì)量百分比≤0.005%。
28、具體地,ti在鋁合金中主要作為細(xì)化劑,能細(xì)化晶粒和提高再結(jié)晶溫度,ti還能改善合金的超塑性和切削性能,故限定ti的質(zhì)量百分比為0.08%-0.15%。
29、具體地,mo在鋁合金中能形成細(xì)小的彌散相,這些相在壓鑄過程中有助于提高合金的強(qiáng)度;mo的加入還能改善鋁合金的耐磨性,因其能夠促使形成更加堅(jiān)硬的表面相。此外,mo也用于提高合金的耐蝕性,故限定mo的質(zhì)量百分比為0.01%-0.08%。
30、具體地,v在鋁合金中的作用與mo類似,能夠形成硬質(zhì)的彌散相,從而提高合金的強(qiáng)度和硬度;v的加入還能改善鋁合金的熱穩(wěn)定性,有助于在高溫下保持合金的性能。此外,v還能細(xì)化鋁合金的晶粒,進(jìn)一步提高材料的力學(xué)性能,故限定v的質(zhì)量百分比為0.01%-0.08%。
31、具體地,zr作為微合金化元素,能夠改善鋁合金的耐熱性能和抗應(yīng)力腐蝕性能,故限定zr的質(zhì)量百分比為0.06%-0.25%。
32、具體地,sr能夠改善鋁合金的鑄造性能,減少鑄造缺陷,如縮松和裂紋。sr添加到鋁合金中,特別是在az系合金中,能夠顯著改善合金的顯微組織、室溫及高溫性能,細(xì)化晶粒,同時提高屈服強(qiáng)度和抗蠕變性能。sr的加入還能改善合金的耐腐蝕性能,通過變質(zhì)和細(xì)化第二相如β-mg17al12,降低其體積分?jǐn)?shù)并使其趨于細(xì)小和彌散分布,從而提升合金的耐腐蝕性能,故限定sr的質(zhì)量百分比為0.016%-0.026%。
33、優(yōu)選地,按照質(zhì)量百分比計(jì),所述高強(qiáng)高韌鋁合金中的元素滿足:(fe+mn)/zr≤10,例如可以是1、2、3、4、5、6、7、8、9或10,mo+v≥0.04%,例如可以是0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%或0.10%,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
34、本發(fā)明通過限定fe、mn、zr、mo與v之間的含量關(guān)系,進(jìn)一步保證了材料性能的高強(qiáng)韌性及可鑄造性,適量的mo與v在壓鑄中形成細(xì)小的彌散相提高了室溫下合金的強(qiáng)度,而zr的引入可顯著提高壓鑄成形合金的韌性。
35、具體地,本發(fā)明通過限定(fe+mn)/zr≤10,確保了合金中fe和mn的含量不會過高,同時保證了zr的含量足以細(xì)化晶粒并抑制fe和mn的不利影響;進(jìn)一步地,本技術(shù)通過限定mo+v≥0.04%,保證了合金中有足夠的mo和v來形成彌散相,從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。上述成分設(shè)計(jì)有助于平衡合金的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性和加工性能,使得合金在不進(jìn)行熱處理的情況下滿足汽車結(jié)構(gòu)件的性能要求。
36、優(yōu)選地,按照質(zhì)量百分比計(jì),所述高強(qiáng)高韌鋁合金中的雜質(zhì)滿足:單個雜質(zhì)含量≤0.05%,例如可以是0.01%、0.02%、0.03%、0.04%或0.05%,雜質(zhì)總量≤0.15%,例如可以是0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%、0.14%或0.15%,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
37、本發(fā)明中,由于雜質(zhì)元素在鋁合金中會形成粗大的雜質(zhì)相,而這些雜質(zhì)相會嚴(yán)重影響鋁合金的斷裂韌性和短橫向力學(xué)性能,且雜質(zhì)元素的存在可能破壞鋁合金的鈍化膜,進(jìn)而導(dǎo)致耐蝕性下降,甚至在鋁合金中會形成低熔點(diǎn)的化合物,這些化合物在凝固過程中容易引起熱裂紋,故本發(fā)明嚴(yán)格限定了單個雜質(zhì)含量及雜質(zhì)總量,從而顯著改善了鋁合金的力學(xué)性能及耐蝕性,同時減少了材料的熱裂傾向。
38、優(yōu)選地,所述高強(qiáng)高韌鋁合金的屈服強(qiáng)度≥130mpa,例如可以是130mpa、135mpa、140mpa、145mpa、150mpa、155mpa或160mpa,抗拉強(qiáng)度≥270mpa,例如可以是270mpa、275mpa、280mpa、285mpa、290mpa、295mpa或300mpa,延伸率≥10%,例如可以是10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%、28%或30%,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
39、第二方面,本發(fā)明提供一種如第一方面所述高強(qiáng)高韌鋁合金的制備方法,所述制備方法包括以下步驟:
40、(1)熔化鋁原料,并在熔化過程中去除浮渣,得到鋁液;
41、(2)向鋁液中加入摻雜組分并進(jìn)行成分調(diào)控和降溫處理,且所述降溫處理包括吹氣降溫,之后加入細(xì)化劑進(jìn)行合金化;
42、(3)向鋁液中加入精煉劑進(jìn)行精煉除氣,扒渣后靜置并進(jìn)行成分確認(rèn);
43、(4)向鋁液中加入變質(zhì)劑,吹氣攪拌后出湯,壓鑄后得到高強(qiáng)高韌鋁合金。
44、其中,步驟(2)所述吹氣降溫、步驟(3)所述精煉除氣和步驟(4)所述吹氣攪拌分別獨(dú)立地采用氮?dú)膺M(jìn)行,且所述氮?dú)鉃槿蹮挰F(xiàn)場將液氮轉(zhuǎn)為氣態(tài)后直接應(yīng)用于對應(yīng)工序,所得氮?dú)獾募兌取?n級,例如可以是5n級、5n5級、6n級、6n5級、7n級、7n5級或8n級,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
45、本發(fā)明將熔煉過程中吹氣降溫、精煉除氣及吹氣攪拌所采用的氣體具體限定為熔煉現(xiàn)場的液氮轉(zhuǎn)化為的高純氮?dú)猓龤庑Ч?,避免了氮?dú)庵械碾s質(zhì)元素對材料性能帶來不利影響。
46、優(yōu)選地,步驟(1)所述熔化在反射爐中進(jìn)行,且熔化的溫度為760-780℃,例如可以是760℃、762℃、764℃、766℃、768℃、770℃、772℃、774℃、776℃、778℃或780℃,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
47、優(yōu)選地,步驟(1)所述鋁原料包括原生鋁和再生鋁,且所述原生鋁和再生鋁的質(zhì)量比為1:(0.5-2),例如可以是1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9或1:2,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
48、本發(fā)明采用的鋁原料包括再生鋁,即并非全部采用原生鋁,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的,符合綠色生產(chǎn)的要求。
49、優(yōu)選地,步驟(2)所述摻雜組分包括金屬硅、電解錳、純鎂錠、鋁鈦合金、鋁釩合金、鋁鉬合金和鋁鋯合金。
50、優(yōu)選地,步驟(2)所述降溫處理的目標(biāo)溫度為700-740℃,例如可以是700℃、705℃、710℃、715℃、720℃、725℃、730℃、735℃或740℃,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
51、優(yōu)選地,步驟(2)所述細(xì)化劑包括al-ti-b合金。
52、優(yōu)選地,步驟(3)所述精煉除氣的溫度為700-740℃,例如可以是700℃、705℃、710℃、715℃、720℃、725℃、730℃、735℃或740℃,時間為15-30min,例如可以是15min、16min、17min、18min、19min、20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
53、優(yōu)選地,步驟(3)所述精煉除氣采用氮?dú)獾慕^對壓力為0.25-0.35mpa,例如可以是0.25mpa、0.26mpa、0.27mpa、0.28mpa、0.29mpa、0.3mpa、0.31mpa、0.32mpa、0.33mpa、0.34mpa或0.35mpa,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
54、優(yōu)選地,步驟(3)所述靜置的時間≥10min,例如可以是10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min或30min,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
55、優(yōu)選地,步驟(3)所述成分確認(rèn)之后還包括密度當(dāng)量測試和含渣量測試,確保密度當(dāng)量≤0.5%,例如可以是0.1%、0.2%、0.3%、0.4%或0.5%,含渣量k≤2/20,例如可以是1/20或2/20。
56、本發(fā)明中,所述含渣量具體為:顆粒物總數(shù)(大+中+?。┡c被統(tǒng)計(jì)塊數(shù)的比值。
57、優(yōu)選地,步驟(4)所述變質(zhì)劑包括鋁鍶合金。
58、優(yōu)選地,步驟(4)所述吹氣攪拌的時間≤5min,例如可以是1min、2min、3min、4min或5min,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
59、優(yōu)選地,步驟(4)所述壓鑄時,控制鋁液的溫度為660-680℃,例如可以是660℃、662℃、664℃、666℃、668℃、670℃、672℃、674℃、676℃、678℃或680℃,模具的溫度為150-250℃,例如可以是150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃、220℃、230℃、240℃或250℃,鑄造壓力為70-80mpa,例如可以是70mpa、71mpa、72mpa、73mpa、74mpa、75mpa、76mpa、77mpa、78mpa、79mpa或80mpa,壓射時間為8-12s,例如可以是8s、9s、10s、11s或12s,冷卻時間為20-25s,例如可以是20s、21s、22s、23s、24s或25s,但并不僅限于所列舉的數(shù)值,該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
60、作為本發(fā)明第二方面優(yōu)選的技術(shù)方案,所述制備方法包括以下步驟:
61、(1)向反射爐中加入質(zhì)量比為1:(0.5-2)的原生鋁和再生鋁,控制熔化的溫度為760-780℃,并在熔化過程中去除浮渣,得到鋁液;
62、(2)向鋁液中加入摻雜組分并進(jìn)行成分調(diào)控和降溫處理,且所述摻雜組分包括金屬硅、電解錳、純鎂錠、鋁鈦合金、鋁釩合金、鋁鉬合金和鋁鋯合金,所述降溫處理包括吹氣降溫,目標(biāo)溫度為700-740℃,之后加入al-ti-b合金作為細(xì)化劑進(jìn)行合金化;
63、(3)向鋁液中加入精煉劑,在700-740℃下進(jìn)行精煉除氣15-30min,采用氮?dú)獾慕^對壓力為0.25-0.35mpa,扒渣后靜置10min以上并進(jìn)行成分確認(rèn),之后進(jìn)行密度當(dāng)量測試和含渣量測試,確保密度當(dāng)量≤0.5%,含渣量k≤2/20;
64、(4)向鋁液中加入鋁鍶合金作為變質(zhì)劑,吹氣攪拌后出湯,之后進(jìn)行壓鑄,并控制鋁液的溫度為660-680℃,模具的溫度為150-250℃,鑄造壓力為70-80mpa,壓射時間為8-12s,冷卻時間為20-25s,得到高強(qiáng)高韌鋁合金。
65、其中,步驟(2)所述吹氣降溫、步驟(3)所述精煉除氣和步驟(4)所述吹氣攪拌分別獨(dú)立地采用氮?dú)膺M(jìn)行,且所述氮?dú)鉃槿蹮挰F(xiàn)場將液氮轉(zhuǎn)為氣態(tài)后直接應(yīng)用于對應(yīng)工序,所得氮?dú)獾募兌取?n級。
66、第三方面,本發(fā)明提供一種如第一方面所述高強(qiáng)高韌鋁合金的應(yīng)用,所述高強(qiáng)高韌鋁合金用于制造汽車結(jié)構(gòu)件。
67、本發(fā)明所述的數(shù)值范圍不僅包括上述例舉的點(diǎn)值,還包括沒有例舉出的上述數(shù)值范圍之間的任意的點(diǎn)值,限于篇幅及出于簡明的考慮,本發(fā)明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點(diǎn)值。
68、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果為:
69、(1)本發(fā)明提供的鋁合金選用成本較低的元素,并未加入稀土等高成本的微量元素,通過各種元素之間的匹配機(jī)制,同時借助特定的熔煉條件,最終生產(chǎn)出免熱處理的高強(qiáng)高韌鋁合金,充分滿足汽車結(jié)構(gòu)件的性能要求,擴(kuò)展了材料的應(yīng)用前景。
70、(2)本發(fā)明將熔煉過程中吹氣降溫、精煉除氣及吹氣攪拌所采用的氣體具體限定為熔煉現(xiàn)場的液氮轉(zhuǎn)化為的高純氮?dú)猓龤庑Ч?,避免了氮?dú)庵械碾s質(zhì)元素對材料性能帶來不利影響。