(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111254328 A(43)申请公布日 2020.06.09
(21)申请号 202010252497.1(22)申请日 2020.04.01
(71)申请人 西北工业大学
地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人 陈忠伟 陈子雄 闫康 任聪聪 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心
61204
代理人 云燕春(51)Int.Cl.
C22C 21/04(2006.01)C22C 1/03(2006.01)C22C 1/06(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图4页
(54)发明名称
一种提高A357合金力学性能的方法(57)摘要
本发明一种提高A357合金力学性能的方法，属于铝合金技术领域；使用一种钪(Sc)元素，通过熔炼添加到铝硅合金中，可以同时对铝合金起到晶粒细化作用和共晶Si的变质作用，对合金性能起到提升作用，即用一种元素同时充当了晶粒细化剂和变质剂，简化了生产工艺；并通过调整Sc元素的添加量，使得A357合金的抗拉强度和延伸率都得到提升，对常温下的力学性能有很大改善。
CN 111254328 ACN 111254328 A
权 利 要 求 书
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1.一种A357合金，其特征在于：所述A357合金成分的质量比为：Si为6.5-7.5wt.％，Mg为0.45-0.7wt.％，Sc为0-1.0wt.％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述A357合金，其特征在于：所述A357合金成分的质量比分别是Si为7％，Mg为0.6％，Sc为0.4-0.6％，余量为Al。
3.一种提高权利要求1所述A357合金力学性能的方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一：以纯度为99.9％的铝和Al-2％Sc、Al-20％Si、Al-10％Mg三种成分的中间合金为原料，进行配料；通过所制备铝合金各成分质量比：Si为7％，Mg为0.6％，Sc为0-1.0％，余量为Al进行换算，得到Al-20％Si、Al-10％Mg、Al-2％Sc三种合金的质量比；
步骤二：在电阻炉中进行合金熔炼：将实验原料按照熔点由低到高的顺序，依次添加到石墨坩埚中，顺序为铝、Al-20％Si、Al-10％Mg和Al-2％Sc，熔化后再加热到710℃，保证所有原料充分熔化；
步骤三：用搅拌工具搅拌步骤二得到的熔体，使其成分混合均匀，随后加入除气剂和除渣剂，进行除气捞渣处理，以减少合金中缺陷的产生；
步骤四：保温30min后进行合金浇铸；选用不锈钢铸型，铸造直径为60mm的圆柱锭，浇铸的六组铝合金铸锭中Sc元素含量均不相同，Sc元素的取值范围在0-1.0％之间；
步骤五：对合金铸锭切割出的样品在扫描电镜SEM下进行观察，然后采用电子背散射衍射技术EBSD进行分析，统计合金晶粒的细化效果和共晶Si的变质效果；
步骤六：按国家标准将铝合金铸锭加工成板状试样，在电子万能材料试验机上进行室温拉伸实验，检测合金的力学性能。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：所述六组铝合金铸锭分别含0％，0.2％，0.4％，0.6％，0.8％，1.0％的Sc元素。
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说 明 书
一种提高A357合金力学性能的方法
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技术领域
[0001]本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种提高A357合金力学性能的方法。背景技术
[0002]铝硅镁系铸造合金，具有良好的铸造工艺性能和气密性，同时具有密度小、比强度高、收缩率小和热裂倾向小等优点，广泛应用于航空航天及汽车工业。随科学技术的迅猛发展，对铸造铝合金的力学性能也有了更高的需求，所以研究者试图通过不同的处理方法对合金的微观组织和力学性能做出改善。[0003]铝硅系合金中的微观组织为α-Al初生相和Al-Si共晶组织。通常，提高铸造铝合金力学性能的方式是在合金中添加晶粒细化剂。添加适量晶粒细化剂可以获得细小的等轴晶粒，微合金化是提高铝合金综合力学性能最有效的方法，可以显著提高铝合金的力学性能。另外对铝硅合金进行变质处理也可以提升合金的性能。未进行变质处理的铝硅合金中，共晶硅呈现粗大的板条状或针状，对基体造成割裂，使其力学性能降低。而细小球状、均匀分布的硅颗粒可以提高合金的综合力学性能。所以寻求高效的变质剂对合金力学性能的提高具有重要作用。
[0004]在工业生产中需要同时确定晶粒细化剂和变质剂的用量来提升合金性能，步骤繁琐且探究两者最优含量的搭配存在较大难度。
发明内容
[0005]要解决的技术问题：
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种提高A357合金力学性能的方法，使用一种钪(Sc)元素，通过熔炼添加到铝硅合金中，可以同时对铝合金起到晶粒细化作用和共晶Si的变质作用，对合金性能起到提升作用，即用一种元素同时充当了晶粒细化剂和变质剂，简化了生产工艺。
[0007]本发明的技术方案是：一种A357合金，其特征在于：所述A357合金成分的质量比为：Si为6.5-7.5wt.％，Mg为0.45-0.7wt.％，Sc为0-1.0wt.％，余量为Al。[0008]本发明的进一步技术方案是：所述A357合金成分的质量比分别是Si为7％，Mg为0.6％，Sc为0.4-0.6％，余量为Al。
[0009]一种提高A357合金力学性能的方法，其特征在于具体步骤如下：[0010]步骤一：以纯度为99.9％的铝和Al-2％Sc、Al-20％Si、Al-10％Mg三种成分的中间合金为原料，进行配料；通过所制备铝合金各成分质量比：Si为7％，Mg为0.6％，Sc为0-1.0％，余量为Al进行换算，得到Al-20％Si、Al-10％Mg、Al-2％Sc三种合金的质量比；[0011]步骤二：在电阻炉中进行合金熔炼：将实验原料按照熔点由低到高的顺序，依次添加到石墨坩埚中，顺序为铝、Al-20％Si、Al-10％Mg和Al-2％Sc，熔化后再加热到710℃，保证所有原料充分熔化；[0012]步骤三：用搅拌工具搅拌步骤二得到的熔体，使其成分混合均匀，随后加入除气剂
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说 明 书
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和除渣剂，进行除气捞渣处理，以减少合金中缺陷的产生；[0013]步骤四：保温30min后进行合金浇铸；选用不锈钢铸型，铸造直径为60mm的圆柱锭，浇铸的六组铝合金铸锭中Sc元素含量均不相同，Sc元素的取值范围在0-1.0％之间；[0014]步骤五：对合金铸锭切割出的样品在扫描电镜SEM下进行观察，然后采用电子背散射衍射技术EBSD进行分析，统计合金晶粒的细化效果和共晶Si的变质效果；[0015]步骤六：按国家标准将铝合金铸锭加工成板状试样，在电子万能材料试验机上进行室温拉伸实验，检测合金的力学性能。[0016]本发明的进一步技术方案是：所述六组铝合金铸锭分别含0％，0.2％，0.4％，0.6％，0.8％，1.0％的Sc元素。[0017]有益效果
[0018]本发明的有益效果在于：本发明通过将Sc元素增加到铝硅合金中，并调整Sc元素的添加量，使得A357合金的抗拉强度和延伸率都得到提升，对常温下的力学性能有很大改善；合金中Sc元素比例为0.4-0.6％时，合金的综合力学性能最好，同时获得较高的强度和塑性，抗拉强度相对于原始合金提升了约27.9％-28.31％，延伸率提升为2.32-2.47倍，对合金的力学性能起到了很好的提升效果。与现有生产工艺相比，强度有所提升，塑性略有下降，但较大的简化了生产工艺。下表为在A357合金中添加不同含量的Sc元素后，合金的抗拉强度和延伸率。
[0019]
Sc含量％00.20.40.60.81.0抗拉强度MPa190.06211.56243.17243.87256.49249.36延伸率％2.2.475.585.044.423.88
附图说明
[0020]图1：不同Sc元素含量的A357合金晶粒取向重构图；[0021]图2：Al3Sc颗粒图片；[0022]图3：不同Sc元素含量合金的共晶Si形貌图；[0023]图4：原始合金中含铁相形态；[0024]图5：添加Sc元素合金中含铁相形态；[0025]图6：新析出相AlSi2Sc2相。
具体实施方式
[0026]下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的。
[0027]本发明通过一系列实验得到A357合金添加Sc元素的最优含量为0.4-0.6％，使合金组织中晶粒得到有效细化，共晶Si得到良好变质，最终使合金的力学性能得到了显著的提高。
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不同含量的Sc元素加入到A357合金中，会产生不同的作用效果。图1反映了加入不
同含量Sc元素的A357合金的晶粒大小，原始A357合金的晶粒非常粗大，晶粒呈现由铸型壁向内生长的柱状晶形态。在添加0.2％Sc元素后，晶粒有了一定的细化，但仍是较为粗大的柱状晶。在Sc元素含量达到0.4％时，晶粒由柱状晶逐渐转变为等轴晶。随Sc元素的升高晶粒尺寸不断下降，在Sc元素含量达到1.0％时晶粒尺寸最小，相比于原始A357合金的晶粒尺寸下降了约97％，表明Sc元素对A357合金产生了非常有效的晶粒细化能力。产生的显著晶粒细化作用归因于在凝固过程中Sc加入后发生共晶反应生成了Al3Sc颗粒作为有效的异质形核核心，促进了α-Al的形核。当金属熔体的温度下降时，α-Al会依附在已经形成的Al3Sc颗粒上形核长大，而不是在熔体中自发形核，Al3Sc颗粒形态如图2。随Sc含量的增加，Al3Sc颗粒不断增多，使晶粒细化效果逐渐增强。
[0029]Sc元素对A357合金晶Si同时具有良好的变质作用，如图3，随Sc含量的增加变质作用更加显著，当添加量达到1.0％时变质效果最好，共晶形态由原始合金中的粗大板条状、针状转变为高度分枝的纤维状结构。经过本发明研究成果，添加Sc元素使共晶相形核模式改变，并可能影响共晶Si的生长机制。同时，添加Sc元素降低了共晶反应温度，从而增大了形核过冷度，促使共晶Si发生变质。
[0030]添加Sc元素后A357合金中含铁相的形态发生改变，如图4和5，由原始合金中的针状β-AlSiFe相和短棒或汉字状的π-AlSiMgFe相转变为一种汉字状的π-AlSiMgFeSc相，对合金的性能提升起到积极作用。本发明研究成果表明，这是由于Sc的加入使β-AlSiFe相在凝固过程中的包晶反应区间增大。
[0031]添加Sc元素后生成新析出相AlSi2Sc2相，如图6，随Sc含量的增加，析出相尺寸增大，数量增多。本发明研究成果表明，小尺寸的AlSi2Sc2相与共晶Si竞争生长，对共晶变质起到一定的积极作用，且因弥散分布而对共晶区域起到强化作用。大尺寸的AlSi2Sc2相本质上仍是硬脆相，当材料受力变形时，其率先倾向于破裂，所以应避免合金中出现大尺寸AlSi2Sc2相。过多的AlSi2Sc2相将对合金性能产生不利影响。[0032]在A357合金中添加不同含量的Sc元素后，A357合金的抗拉强度和延伸率都有提升，对常温下的力学性能有很大改善。Sc元素加入对合金同时起到晶粒细化作用和变质作用，同时改变了含铁相的形态，降低了含铁相的危害，都对合金的性能提升起到积极作用。但是，加入过多Sc元素后形成的大尺寸AlSi2Sc2相危害了合金的性能，使合金性能下降，所以应避免合金中Sc含量过高。综合以上所有实验结果，A357合金中最佳的Sc含量为0.4-0.6％，此时合金抗拉强度为243.17-243.87MPa，延伸率为5.58-5.04％，合金同时具有较高的强度和塑性。
[0033]部分的具体实施例如下：[0034]实施例1：
[0035]称取Al-20％Si合金175g、Al-10％Mg合金30g、纯铝295g，备料。将准备好的合金原料在12KW的电阻炉中熔炼，所用坩埚为容量约2L的石墨坩埚。在石墨坩埚中添加实验原料Al-20％Si合金、Al-10％Mg合金和纯铝，加热到710℃。用搅拌工具搅拌熔体，使成分混合均匀，随后加入除气剂和除渣剂，进行除气捞渣处理，结束上述步骤后保温30min而后进行合金浇铸。将熔体快速浇入不锈钢铸型中，铸成直径60mm的圆柱锭，不含Sc元素。对合金铸锭进行线切割得到需要的样品，分别进行SEM、EBSD实验，晶粒细化效果和变质效果如图1和3。
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未加入Sc元素的A357合金中，晶粒异常粗大，且共晶Si呈现板条状和针状。按国家标准加工成板状试样，在美国INSTRON公司生产的电子万能材料试验机上进行室温拉伸实验，得到合金的抗拉强度为190.06MPa，延伸率为2.26％。[0036]实施例2：
[0037]称取Al-20％Si合金175g、Al-10％Mg合金30g、Al-2％Sc合金150g、纯铝145g，备料。将准备好的合金原料在12KW的电阻炉中熔炼，所用坩埚为容量约2L的石墨坩埚。在石墨坩埚中首先添加Al-20％Si合金、Al-10％Mg合金和纯铝，待大致熔化后，加入Al-2％Sc合金，加热到710℃。用搅拌工具搅拌熔体，使成分混合均匀，随后加入除气剂和除渣剂，进行除气捞渣处理，结束上述步骤后保温30min而后进行合金浇铸。将熔体快速浇入不锈钢铸型中，铸成直径60mm的圆柱锭，含0.6％的Sc元素。对合金铸锭进行线切割得到需要的样品，分别进行SEM、EBSD实验，晶粒细化效果和变质效果如图1和3。晶粒尺寸得到了有效细化，降低了87.0％，共晶Si也得到了良好变质，由粗大板条状转变成纤维状。按国家标准加工成板状试样，在美国INSTRON公司生产的电子万能材料试验机上进行室温拉伸实验，得到合金的抗拉强度为243.87MPa，延伸率为5.04％，力学性能相比原始合金有较大提高，证明了本发明使A357合金力学性能有明显提升。[0038]实施例3：
[0039]称取Al-20％Si合金175g、Al-10％Mg合金30g、Al-2％Sc合金250g、纯铝45g，备料。将准备好的合金原料在12KW的电阻炉中熔炼，所用坩埚为容量约2L的石墨坩埚。在石墨坩埚中首先添加Al-20％Si合金、Al-10％Mg合金和纯铝，待大致熔化后，加入Al-2％Sc合金，加热到710℃。用搅拌工具搅拌熔体，使成分混合均匀，随后加入除气剂和除渣剂，进行除气捞渣处理，结束上述步骤后保温30min而后进行合金浇铸。将熔体快速浇入不锈钢铸型中，铸成直径60mm的圆柱锭，含1.0％的Sc元素。对合金铸锭进行线切割得到需要的样品，分别进行SEM、EBSD实验，晶粒细化效果和变质效果如图1和3，晶粒细化到极细小的程度，共晶Si变质效果也很好。按国家标准加工成板状试样，在美国INSTRON公司生产的电子万能材料试验机上进行室温拉伸实验，得到合金的抗拉强度为249.36MPa，延伸率为3.88％，因为Sc元素含量过高，使得新析出相AlSi2Sc2相尺寸粗大，数量增多，开始使合金的塑性和强度降低。[0040]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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