一種含Mn可時效強化高硅鋁合金及其變形材制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于侶合金及其制備技術領域，特別設及一種含Mn可時效強化高娃侶合金 及其變形材制備方法。
【背景技術】
[0002] 高娃侶娃合金具有其他侶合金不可比擬的高比強度、高耐磨耐蝕性、低熱膨脹性 及良好的尺寸穩定性，其鑄件已廣泛應用于坦克、裝甲車W及汽車發動機缸體上。然而，高 娃侶合金由于其鑄造組織中的層片狀共晶娃相難W細化，導致高娃侶合金的塑性極差，因 而其極少作為變形材使用。
[0003] 多年來，國內外學者致力于提高高娃侶合金熱塑性研究，先后采用化學變質處理， 并利用摩擦攬拌工藝、等通道轉角擠壓技術或者大變形加工手段，尤其是中國專利 CN200810137603.0《一種含儀高娃侶合金的結構材料及其制備方法》在不添加任何變質劑 的前提下，通過熱處理結合熱塑性加工，開發出一種低成本制造高強、塑性良好的含儀高娃 變形侶合金結構材料件的工藝技術，為高娃侶合金作為低成本高性能金屬結構材料成為奠 定了基礎。
[0004] 然而目前高娃變形侶合金普遍存在娃顆粒較粗大且分布不均勻，侶基體再結晶晶 粒混晶現象嚴重的問題。另外，為促進高娃變形侶合金作為高性能結構材料的廣泛應用，應 該在提高該類合金性能的同時盡可能降低其生產制備成本。基于上述考慮，發明人從多級 尺度粒子強初化原理出發，經過理論探討和實驗論證，通過合金化析出亞微米級彌散相粒 子，與微米級晶娃顆粒共同作用，彌補微米級共晶娃顆粒分布不均勻的缺陷，促進侶基體再 結晶形核，釘扎侶基體晶界遷移長大，最終獲得均勻細小等軸晶的侶基體中彌散分布著細 小微米級娃顆粒、亞微米級彌散相粒子及納米級析出相粒子的高娃變形侶合金顯微組織， 從而獲得了具有良好強塑性、耐蝕性和耐磨性的高娃侶合金變形材。同時，發明人還通過調 節合金化、熱處理及熱變形等多個工藝環節的參數，更進一步降低發明合金的制備加工成 本，W擴大其應用范圍。
【發明內容】
[0005] 如上所述，本發明針對現有含Mg高娃侶合金鑄錠塑性變形能力較差、其變形材侶 基體再結晶晶粒混晶現象嚴重兩大問題，提出采用添加適量Mn元素，在不采用變質處理的 條件下，通過DC鑄造制備出可時效強化的高娃侶合金及其變形材的方法。
[0006] 本發明提供一種含Mn可時效強化高娃侶合金，其特征在于成分范圍為：Sill~ 13wt%，Mg 0.5~1.0wt%，Mn 0.1~3.0訊1%，化<0.5訊1%，其他合金元素單個元素含量< 0. %，總含量< 0.5wt %，余量為Al。
[0007] 上述合金可認為是在可時效強化的4X X X系(Al-Si系)合金中加入了Mn元素，合 金成分中的Mn含量為0.1~3.Owt%，而Si質量分數控制在共晶范圍內，且Mg質量分數0.5~ 1. Owt %。運種合金可采用DC鑄造方法制備鑄錠，且無需經過變質處理。
[0008] 本發明還提供了一種含Mn可時效強化侶合金制造變形材的方法，其特征在于包括 W下步驟：
[0009] ①合金烙煉，采用石墨粘±相蝸在電阻爐中烙煉，首先加入侶，待侶半烙化時加入 娃；當金屬全部烙化，添加少量覆蓋劑，控制烙體溫度在730°C~750°C之間保溫直至Si完全 溶解;當娃全部溶解，烙體溫度達到720°C~740°C加入儘劑并充分攬拌烙體;待烙體溫度達 至|J740°C~750°C時加入純儀，并充分攬拌;然后造渣、除氣精煉，停電，靜置烙體；
[0010] ②鑄造成型，采用半連續方式鑄造(DC鑄造)成型，誘鑄溫度為690°C~700°C;
[0011] ③預形核處理，將上述成分的合金鑄錠在循環風爐中進行低溫預先形核處理，處 理溫度為200°C~450°C，時間為地~IOh;
[0012] ④均勻化處理，預形核處理后接著進行短時均勻化處理，溫度550°C，時間化~化；
[0013] ⑤熱變形，均勻化處理后將鑄錠切頭銳面，重新加熱至470°C~490°C，熱變形總量 >85% ；
[0014] ⑥固溶水澤處理，熱變形材經540°C~550°C保溫20min~40min，水澤；
[0015] ⑦時效處理，固溶水澤材于165°C~185°C保溫化~12h。
[0016] 本發明的合金其烙鑄工藝的具體步驟如下：
[0017] 1.烙煉合金的原料為99.7 %的工業純侶，工業純娃，工業純儀，儘劑。
[0018] 2.先加入純侶，采用石墨粘±相蝸在電阻爐中烙煉，待純侶半烙化時，加入工業純 Sio
[0019] 3.當金屬全部烙化且烙體溫度達到730°C~750°C時，添加少量覆蓋劑，保溫直至 Si完全溶解。
[0020] 4.待娃全部烙化后烙體溫度達到720°C~740°C加入儘劑并充分攬拌烙體，待烙體 溫度達到740°C~750°C時加入純儀，并充分攬拌，添加少量覆蓋劑。
[0021] 5.造渣、除氣精煉，爐子停電，烙體靜置20min，待烙體溫度降至690°C~700°C時， 采用半連續方式鑄造成型。
[0022] 上述步驟3、4、5所設及的覆蓋劑由腺1、1邑(：12和化尸2組成，其中腺1占50%，1邑(：12占 28%，CaF2 占 22%。
[0023] 上述成分范圍的合金鑄錠進行熱處理，具體實施步驟如下：
[0024] 1.合金鑄錠先在循環風爐中進行雙級均勻化處理:第一級處理200°C~450°C保溫 地~IOh;第二級550°C保溫化~化，W調控含Mn的彌散相粒子及娃顆粒組態。
[0025] 2.將雙級均勻化處理后的鑄錠切頭銳面。
[00%] 3.將步驟2所得鑄錠重新加熱至470°C~490°C，進行熱變形，熱變形總量>85%。 [0027] 4.將熱變形材于540°C~550°C保溫20min~40min固溶水澤處理。
[00巧]5.對步驟4固溶處理后的變形材進行人工時效，具體工藝為：165°C~185°C，保溫 化~1化。
[0029] 與現有技術相比，本發明具有W下有益效果：
[0030] 1.成分設計具有簡單、低成本、可大量利用回收廢侶作為原料。
[0031] (1)本發明合金成分的特點在于控制合金中Mn含量為0.1~3.Owt% ,Mn是侶合金 中的常加合金元素之一，具有價格低廉，簡便易操作的特點。本發明合金中添加Mn元素的目 的在于形成彌散相，含Mn彌散相粒子在變形過程中阻礙位錯運動，形成大量高密度位錯纏 結區域，可W通過形變誘發形核機制(Particle stimulated nucleation，簡稱PSN)，有效 促進變形材再結晶形核并釘扎再結晶后的晶界遷移，抑制晶粒長大，從而獲得晶粒細小均 勻的侶基體，同時含Mn彌散相粒子對Al基體還具有一定的強化作用，另外，Mn還可W改變侶 合金中含化結晶相的形貌，由針狀AWeSi相轉變為骨骼狀AWeMnSi相；
[0032] (2)Si質量分數控制在共晶范圍內11~13wt% ,Si不僅可W降低侶合金合金化成 本，而且還能減輕侶合金的比重，同時彌散分布的粒狀娃顆粒還能保證侶基體具有足夠的 耐磨性及尺寸穩定性。
[00削 （3)發明合金中Mg質量分數為0.5~1 .Owt% ,Mg在高娃侶合金中可W形成MgsSi強 化相，進一步強化侶基體，而且還可W通過合適的時效工藝調控MgsSi強化相粒子組態，最 終獲得具有不同強塑性、初性、耐蝕性、耐磨性相匹配的高性能高娃侶合金變形材。
[0034] (4)發明合金中Fe<0.5wt%，其他合金元素單個元素含量<0.2wt%，總含量< 0.5wt%，雜質Fe及其它合金元素含量容許范圍均較大，便于大量利用回收廢侶，進一步降 低成本。
[0035] 2.低溫預處理+短時高溫均勻化處理的雙級均勻化工藝有效降低均勻化處理工藝 成本，并能明顯改善合金熱變形能力。
[0036] 為顯著提高發明合金的塑性變形能力，本發明在系統研究常規高溫均勻化處理前 的預先形核溫度及時間，對半連續鑄造制備的發明合金鑄錠中含Mn彌散相粒子的形核析出 熱力學、長大動力學過程及其在基體中的分布規律，W及對非平衡結晶相共晶Si回溶、球化 等行為的影響規律，最終發明能有效調控發明合金鑄錠中含Mn彌散相粒子及共晶娃顆粒尺 寸、數量和分布的預先熱處理制度，獲得能顯著改善發明合金塑性變形能力的彌散相預先 形核及共晶娃顆粒球化的熱處理方法。
[0037] 由于本發明方法只需將鑄錠在常規均勻化處理前的隨爐加熱過程中的某一低溫 段(200°C~450°C)進行一定時間（4h~IOh)的保溫處理，然后再加熱至常規均勻化處理所 需的溫度(550°C)保溫化~化，從工藝上來說很容易實現，而且較常規均勻化處理550°C X 24h大大縮短了時間，降低了溫度，節省能源降低成本。而且第一級200°C~450°CX4h~IOh 的預處理及第二級550°C X化~化雙級均勻化處理工藝在現有的侶合金均勻化處理生產線 上實施時控制簡單方便，不必增加設備及工藝投資。
[0038] 3.發明合金經本發明方法處理后，具有優良的冷熱塑性加工性能，可W通過熱擠 壓、熱社、冷社等方式加工成型。其變形材再經固溶時效處理后獲得細小等軸晶侶基體晶粒 上彌散分布著微米級娃顆粒、亞微米彌散相粒子、納米級析出相粒子的顯微組織。該類變形 材具有優異的比強度、耐蝕耐磨性、熱膨脹系數低、易氧化著色的特點，可部分取代現有 6XXX