專利名稱：一種半固態成形用鋁合金及其半固態坯料制備方法
技術領域：
本發明涉及一種半固態成形用鋁合金材料及其半固態坯料制備方法，本發明屬于半固態金屬成形技術領域。
背景技術：
自20世紀70年代初美國麻省理工學院(MIT)發明了金屬半固態成形技術以來，該項技術引起了各國的廣泛關注。與其它金屬成形方法相比，該技術具有一系列優點1)可減少甚至避免液態成形時所產生的各種鑄造缺陷，如氣孔、縮松、偏析等；2)可減輕對成形裝置尤其是模具的熱沖擊，使其壽命大幅度提高；3)凝固收縮小，鑄件尺寸精度高，機械加工量大大減小；4)與金屬固態成形方法相比，半固態金屬的流動應力顯著降低，成形速度更高，而且可成形更為復雜的零件。
半固態成形技術適用于具有較寬液固共存區的合金體系。在過去的三十多年中，在研究該技術時所涉及到的合金有Al，Mg，Zn，Ni，Cu，Fe，Sn等，其中，對鋁合金研究的最為成熟，并最早開始工業化應用。在鋁合金中使用最廣泛的是鑄造鋁合金A356、A357，這是因為這兩種合金應用廣泛且具有合適的固液溫度區間，所以研究重點是以合金為載體，研究該技術本身的理論問題和工藝問題。但是，這兩種合金并不能充分發揮半固態成形技術的優勢，從而限制了該技術的進一步發展應用。
Al-Mg-Si系鑄造鋁合金是廣泛應用的鑄造鋁合金，亞共晶的有ZL101、Zl101A(A356)、ZL104、YL104、ZL114A(A357)、ZL115和ZL116。這些合金的成分范圍大致為Si4.8～10.5wt％；Mg0.17～0.7wt％。其中Si的主要作用是改善合金的流動性，降低熱裂傾向，減少疏松，提高氣密性，Mg的主要作用是與Si形成強化相Mg2Si，熱處理后提高合金的強度。
發明內容
本發明的目的是提供一種適合半固態成形的新型Al-Mg-Si系合金。該合金能充分發揮半固態成形技術的特點，并與標準牌號的Al-Mg-Si系鑄造鋁合金相比能顯著提高強度或塑性。
本發明的另一個目的是提供一種適合半固態成形的新型Al-Mg-Si系合金半固態坯料的制備方法。
為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種半固態成形用鋁合金，其成分為Mg1～5wt％，Si3～11％Si，Cu0.1～2.0wt％，及下列元素中的至少一種，Ba0～0.5 wt％，Mn0.01～1.0wt％，Cr0.01～0.35wt％，Ti0～0.2wt％，Sr0～0.3wt％，Fe0.1～1.0wt％，其余為鋁。
一種半固態成形用Al-Mg-Si系合金半固態坯料的制備方法，該方法包括下述步驟(1)、采用權利要求1所述的半固態成形用Al-Mg-Si系合金；(2)、將步驟(1)中的合金采用常規的方法進行熔煉、精煉和除渣；(3)、然后將金屬熔體轉注進中間包進行電磁攪拌半連續鑄造，中間包溫度控制在700～720℃，電磁攪拌頻率為10～100HZ，結晶器石墨襯套處溫度595～600℃，制成半固態坯料。
所采用的電磁攪拌半連續鑄造的設備為常規設備，包括有最上面的中間包，位于中間的熱頂，和最下面的結晶器及石墨襯套。
在本發明的方法中，通過電磁攪拌或機械攪拌所獲得的半固態坯料熱處理后的拉伸性能同時具有(1)、高于300MPa的抗拉強度；(2)、高于280MPa的屈服強度；(3)、高于3％的延伸率。
在本發明的方法中，在所述的步驟(2)中，所述的熔煉過程中，控制合金熔體溫度為710～730℃。
在本發明的方法中，在所述的步驟(2)中，精煉后控制合金熔體溫度為700～710℃。
在本發明的合金中，合金中所形成的Mg2Si相不會對合金的塑性產生不利影響。
本發明所給出的合金適合半固態成形的特點主要表現在1)合金在半固態流變和觸變成形時，對溫度的控制精度要求降低，從而降低了工藝控制成本；2)合金對成分的控制要求降低，即成分的微小波動不會造成合金流變性、觸變性及機械性能的大幅波動；3)合金對相關工藝參數要求降低，或在相同的工藝參數條件下，可獲得更優的半固態坯料或漿料。
本發明所給出的合金另一個重要特點是能顯著提高合金的機械性能。標準牌號的Al-Mg-Si合金中Mg含量一般較低，主要是因為強化相Mg2Si在Al中的固溶度有一定限制(1.85wt％)。Mg含量提高雖可以提高合金強度，但卻降低塑性。Mg含量過高時固溶處理后未固溶的Mg2Si相分布于晶界會對塑性造成很大影響。本發明給出的合金通過適當的半固態坯料制備工藝、微量合金元素的添加及熱處理工藝參數的優化，可大大降低或避免Mg2Si相對塑性的不利影響，同時使得合金強度大幅提高。
圖1為合金典型微觀組織照片(100×)圖2為熱處理后合金典型的微觀組織照片具體實施方式
實施例1電磁攪拌半連續鑄造法制備新型合金的半固態坯料，所用合金成分為Al-5.78％Si-2.34Mg-0.8Cu-0.25Fe-0.15Mn；該成分范圍為Si5.78wt％，Mg2.34wt％，Cu0.8wt％，Fe0.25wt％，Mn0.15wt％，其余為鋁。合金的液相線溫度為623.8℃，先將該合金在中頻感應爐內熔煉后，合金熔體溫度為710～730℃，將熔體轉入靜置爐內，進行精煉和除渣，精煉后熔體溫度為700～710℃，然后將金屬熔體轉注進中間包進行電磁攪拌半連續鑄造。中間包溫度控制在700℃，電磁攪拌頻率為10HZ，輸入電壓400V。結晶器石墨襯套處溫度595～600℃。合金典型微觀組織如圖1所示。
實施例2所用合金Al-4.74Si-1.83Mg-0.8Cu-0.23Fe-0.1Ti-0.2Sr，該成分范圍為Si4.74wt％，Mg1.83wt％，Cu0.8wt％，Fe0.23wt％，Ti0.1wt％，Sr0.2wt％，其余為鋁。先將該合金在電阻爐內熔化后，在720℃精煉后靜置10分鐘除渣，然后放入電磁攪拌器進行攪拌，溫度降至605℃時快速水冷。由此獲得的半固態坯料拉伸性能如下σb＝205MPa，σs＝160MPa，δ5＝3.5％。
將該半固態坯料進行熱處理。熱處理工藝制度為540℃×2h固溶，170℃×6小時時效。熱處理后合金典型的微觀組織如圖2所示。熱處理后合金的拉伸性能測試結果如下σb＝318MPa，σs＝285MPa，δ5＝4％。
權利要求
1.一種半固態成形用Al-Mg-Si系合金，其特征在于其成分范圍為Mg1～5wt％，Si3～11wt％，Cu0.1～2.0wt％，及下列元素中至少一種，Ba0～0.5wt％，Mn0.01～1.0wt％，Cr0.01～0.35wt％，Ti0～0.2wt％，Sr0～0.3wt％，Fe0.1～1.0wt％，其余為鋁。
2.一種權利要求1所述的半固態成形用Al-Mg-Si系合金半固態坯料的制備方法，其特征在于該方法包括下述步驟(1)、采用權利要求1所述的半固態成形用Al-Mg-Si系合金；(2)、將步驟(1)中的合金采用常規的方法進行熔煉、精煉和除渣；(3)、然后將金屬熔體轉注進中間包進行電磁攪拌半連續鑄造，中間包溫度控制在700～720℃，電磁攪拌頻率為10～100HZ，結晶器石墨襯套處溫度595～600℃，制成半固態坯料。
3.根據權利要求1所述的半固態成形用Al-Mg-Si系合金的制備方法，其特征在于在所述的步驟(2)中，所述的熔煉過程中，控制合金熔體溫度為710～730℃。
4.根據權利要求1或2所述的半固態成形用Al-Mg-Si系合金的制備方法，其特征在于在所述的步驟(2)中，精煉后控制合金熔體溫度為700～710℃。
全文摘要
本發明公開了一種半固態成形用新型Al－Mg－Si系合金，其成分范圍為Mg1～5wt％，Si3～11wt％，Cu0.1～2.0wt％，及下列元素中至少一種，Ba0～0.5wt％，Mn0.01～1.0wt％，Cr0.01～0.35wt％，Ti0～0.2wt％，Sr0～0.3wt％，Fe0.1～1.0wt％，其余為鋁。采用熔煉、精煉、電磁攪拌半連續鑄造等步驟制成。該新型合金能降低半固態成形的工藝控制成本，合金成本與傳統Al－Mg－Si系鑄造鋁合金相當，機械性能明顯高于標準牌號的Al－Mg－Si系合金。
文檔編號C22C1/02GK1619004SQ20031011537
公開日2005年5月25日 申請日期2003年11月20日 優先權日2003年11月20日
發明者徐駿, 田戰峰, 劉玉芹, 樊中云, 朱學新, 石力開, 楊必成, 杜東朝, 謝麗君, 李成棟 申請人:北京有色金屬研究總院