一種含Ti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Ti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，尤其是東北大學左良等 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。本專利從多級尺度粒子強初化 原理出發，通過合金化析出亞微米級彌散相粒子，與微米級共晶娃顆粒共同作用，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，最終獲得具有良好強塑性、耐蝕性和耐磨性 的高娃侶合金變形材。同時，本專利從合金化、熱處理及熱變形等多個工藝環節降低發明合 金的制備加工成本，W期擴大其應用范圍。
【發明內容】
[0005] 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，本發明提出采用添加適量Ti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] 本發明采用半連續鑄造方法制備添加Ti元素的含Mg變形高娃侶合金鑄錠，其成分 范圍為：Si 11 ~13wt%，Mg 0.5~1.0wt%，Ti 0.1 ~0.8*1%，化<0.5*1%，其他合金元素 單個元素含量^ 0.15wt%，總含量^ 0.5wt%，余量為A1。
[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Ti元素，合 金成分中的Ti含量為0.1~0.Swt%，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。
[000引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] I.烙煉合金的原料為99.7%的工業純侶，工業純娃，工業純儀，A^Ti中間合金。
[0010] 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 Si和Al-Ti中間合金。
[0011] 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。
[0012] 4.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。
[001引 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。
[0014] 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%。
[0015] 將上述成分范圍的合金鑄錠進行熱處理，具體實施步驟如下：
[0016] 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250°C~400°C保溫 地~IOh;第二級550°C保溫化~化，W調控含Ti的彌散相粒子及娃顆粒組態。
[0017] 2.將雙級均勻化處理后的鑄錠切頭銳面。
[0018] 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%。
[0019] 4.將熱變形材于540°C~550°C保溫20min~40min固溶水澤處理。
[0020] 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。
[0021] 與現有技術相比，本發明具有W下有益效果：
[0024] 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。
[0025] (1)本發明合金成分的特點在于控制合金中Ti含量為0.1~0.8wt% ,Ti是侶合金 中的常加合金元素之一，與侶液發生包晶反應，為侶液凝固結晶有效的異質形核核屯、，是侶 合金中常用的變質劑。本發明合金中添加Ti元素的目的不僅僅是細化高娃侶合金鑄錠晶 粒，更重要的是在于形成彌散相，含Ti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Ti彌散相粒子對Al基體還具有一定的強化作用；
[00%] (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。
[0027] (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。
[002引（4)發明合金中Fe<0.5wt%，其他合金元素單個元素含量<0.15wt%，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。
[0029] 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。
[0030] 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Ti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Ti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。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(250°C~400°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°CX24h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250°C~400°C X 4h~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。
[0031] 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系侶合金及鋼材而廣泛應用于建筑裝飾、導軌、軌道交通、集裝箱等領域，因而它能取 得顯著的社會經濟效益。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合【具體實施方式】對本發明工藝作進一步的補充與說明。
[0033] 采用99.7%的純Al,工業純Mg,工業純Si W及Al-Ti中間合金，于電阻爐中采用石 墨粘±相蝸烙煉了 8爐合金。具體烙煉方法如下:先加入純侶錠，待純侶錠呈半烙化狀態時， 加入純Si和Al-Ti中間合金；當侶錠及娃全部烙化且烙體溫度達到720°C~740°C時，添加少 量覆蓋劑，覆蓋劑由KCl、MgCl和CaF組成，其中KCl占50 % ,MgCl占28 %，CaF占22 % ;當烙體 溫度達到740°C~750°C時加入純儀，并充分攬拌;然后造渣、除氣精煉，爐子停電，靜置烙 體，待烙體溫度降至700°C~710°C時，采用半連續方式鑄造成SOmmX 200mm寬的扁鑄錠。實 施發明合金的具體化學成分見表1。
[0034] 表1實施發明合金化學成分(質量百分數，wt%)
[0035」發明合金鑄錠經25(rc~40(rcx地~IOh熱處理后，再隨爐升溫至55(rc保溫化~ 化進行雙級均勻化處理。雙級均勻化處理后將鑄錠切頭銳面，得到厚約74mm的鑄錠，重新加 熱至470°C~490°C熱社，總壓下量>85%，熱社板最終厚度為8mm~IOmm;熱社后的板材在 鹽浴爐中進行溫度為540°C~550°C，時間為20min-40min的固溶處理水澤后進行溫度為165 °C~185°C，時間為化~1化人工時效處理。
[0036] 實施例1
[0037] 從實施發明合金1#鑄錠上切取IOOmm長的鑄錠，于室溫下裝入循環風爐中雙級均 勻化，隨爐升溫至300°C保溫化，然后升溫至550°C保溫化，出爐空冷，雙級均勻化處理后的 鑄錠切頭銳面后，得到厚約74mm的鑄錠，重新加熱至470°C開社，分8道次社制，熱社終社厚 度為8mm;在鹽浴爐中對熱社后的板材進行550°CX20min的固溶處理并水澤后進行175°CX 1化人工時效處理。
[003引實施例2
[0039] 從實施發明合金1#鑄錠上切取IOOmm長的鑄錠，于室溫下裝入循環風爐中雙級均 勻化，隨爐升溫至250°C保溫lOh，然后升溫至550°C保溫化，出爐空冷，雙級均勻化處理后的 鑄錠切頭銳面后，得到厚約74mm的鑄錠，重新加熱至485°C開社，分6道次社制，熱社終社厚 度為8mm;在鹽浴爐中對熱社后的板材進行550°CX20min的固溶處理并水澤后進行165°CX 化人工時效處理。
[0040] 實施例3
[0041] 從實施發明合金2#鑄錠上切取IOOmm長的鑄錠，于室溫下裝入循環風爐中雙級均 勻化，隨爐升溫至400°C保溫地，然后升溫至550°C保溫化，出爐空冷，雙級均勻化處理后的 鑄錠切頭銳面后，得到厚約73mm的鑄錠，重新加熱至470°C開社，分8道次社制，熱社終社厚 度為9mm;在鹽浴爐中對熱社后的板材進行540°CX30min的固溶處