本技术介绍了一种提高高铁含量A356合金延伸率的方法。该方法首先通过实验获取或查询Al-Si-Mg-Fe体系热力学数据库数据,接着利用热力学计算方法得到合金成分与性能之间的关系,进而优化合金成分,最终实现高铁含量A356合金延伸率的提升。
背景技术
A356合金具有比强度高,铸造性好,可加工性强和耐腐蚀性优等特点,广泛应用于航空航天、汽车工业、船舶制造等领域,是汽车轮毂的首选材料。但是,工业电解生产A356的能耗高。因此,为了解决工业生产A356合金能耗高的问题,可以通过对废旧铝合金材料进行回收利用,获得再生A356合金。再生铝的生产过程所需能量仅为电解铝的5%,生产再生A356合金可以大幅度降低工业生产的能量消耗。然而,回收获得的A356合金中存在难以去除的杂质Fe元素,会严重降低合金的延伸率。杂质Fe在合金中会形成对合金延伸率危害严重的针状β-Al5
FeSi相。在拉伸载荷的作用下,硬且脆的针状β-Al5
FeSi相会导致应力集中,微裂纹常常从这些颗粒处萌生,并为宏观裂纹的扩展提供途径,从而显著降低合金的延伸率。此外,针状β-Al5
FeSi相还会阻碍熔体流动,增加缩松、缩孔等缺陷,这也对合金延展性造成不利影响。若铁含量从0.15wt.%上升到0.90wt.%,将导致铝合金的延伸率降低47%。
目前提高A356合金延伸率的工艺中,很多技术方案,仅仅为了提高延伸率性能,增加了较多的工艺流程,从而导致整个技术方案的成本提高。例如,现有文献1(Effect ofHoldingPressure on Microstructure and Mechanical Properties of A356 AluminumAlloy[J].Journal ofMaterials Engineering and Performance,2018,27(2):483-491.)通过将A356合金的浇铸压力由85kPa提升至300kPa,并对合金进行T6热处理使合金二次枝晶臂间距由50.7μm降低为39.2μm,使合金延伸率由2.8%提升至9.1%。如前述,该技术方案虽然使合金延伸率超过了6%,但是,其技术方案的必要技术特征使用压铸机,即存在对设备要求高的技术问题,此外,该技术方案所得材料,还需要进行热处理,该必要技术特征同样显著、直接增加了生产流程和生产时间。
又如,现有文献2(Microstructure and Mechanical Properties of FrictionStir Processed A356Cast Al under Air Cooling and Water Cooling[J].HighTemperature Materials and Processes,2017,37(7)1-7.)通过对铸态A356合金进行搅拌摩擦加工,合金经历强烈塑性变形后,平均晶粒尺寸由230μm降低为6μm,延伸率由1.30%提升至8.11%。该技术方案同样存在未了提高合金延伸率,必须引入新的工艺操作和设备,直接导致生产成本的提高。
通过现有文献1和现有文献2可知,基于热处理或机械加工方式提高合金延伸率的技术方案,均不可避免的存在增加了工艺流程的复杂程度、增加了生产成本的问题。在综合考虑降低成本和简化工艺后,目前工业上提高合金延伸率的常用方法可分为2类:
1、优化合金成分,其中,添加变质元素Sr可调控物相种类和形貌,其原因为,Sr元素可在A356合金中形成Al2
Si2
Sr相,Al2
Si2
Sr会富集在共晶硅的生长前沿处,抑制共晶Si的生长,实现共晶Si的细化,进而提高合金延伸率;
2、调节制备工艺,其中,提高冷却速率可增大过冷度,使形核速率上升,形核数量增加,进而使合金中各种物相的生长空间受到抑制,实现物相的细化,此外,冷速提高也会增大温度梯度,降低溶质元素扩散时间,抑制物相生长,达到提高合金延伸率的目的。
通过添加变质元素Sr调控物相种类和形貌可以提高合金延伸率。例如,现有文献3(Effectof Refinement and Modification on Microstructure,Properties andEutectic Silicon GrowthMechanism of Cast A356 Aluminum Alloy[J].Rare MetalMaterials and Engineering,2020,49(8):2665-2673.)通过添加0.03wt.%Sr使A356合金中共晶Si尺寸由40-60μm降低到10μm以下,延伸率由1.17%上升到5.70%。该技术方案虽然实现了通过添加Sr元素细化共晶Si,提高合金延伸率的技术效果,但是,该技术方案的适用条件为,合金中的Fe元素含量仅为0.17wt.%,同时,富Fe相尺寸低于20μm。而根据本领域公知常识可知,Fe元素含量升高后,富Fe相尺寸也相应出现大幅增加,这直接导致合金延伸率显著下降,即该技术方案无法解决高Fe含量条件下,提高合金延伸率。
又如,现有文献4(On influence of Ti and Sr on microstructure,mechanicalproperties andquality index of cast eutectic Al-Si-Mg alloy[J].Materials andDesign,2011,32(4):1865-1871.)通过添加0.03wt.%Sr使Al-12Si-3Cu-0.44Fe合金中共晶Si尺寸由81μm降低到42μm,合金延伸率仅由2.7%上升至4.7%。该技术方案与现有文献3存在相同的技术问题,具体体现为,该技术方案中,合金的Fe元素含量为0.44wt.%,富Fe相尺寸可达到150μm。富Fe相尺寸的大幅增加,极大的削弱了添加Sr元素对合金延伸率的改善作用。
通过上述现有技术可知,添加Sr元素虽然可以通过细化共晶Si提高合金延伸率,但是,当合金Fe含量超过0.2wt.%时,合金中富Fe相尺寸会大幅增加,添加Sr元素对合金延伸率的改善作用会受到抑制。
同理,提高冷却速率对合金延伸率的改善作用也会因为合金中Fe含量较高而受到抑制。例如,现有文献5(A study of tensile properties in Al-Si-Cu and Al-Si-Mgalloys:Effect ofβ-ironintermetallics and porosity[J].Materials Science andEngineering A,2008,37(490):36-51.)通过使冷速由0.22℃/s上升至10.5℃/s使A356合金中富Fe相尺寸由213μm下降到29μm,延伸率由0.5%上升至5.4%。但是,该技术方案中,合金中Fe元素含量仅为0.12wt.%,同样无法解决高Fe含量条件下,提高合金延伸率。
当合金中Fe元素含量高于0.2wt.%时,提高冷却速率对合金延伸率提高的效果会显著降低。例如,现有文献6(Microstructure,tensile and fatigue properties of theAl-10%Si-2%Cu alloywith different Fe and Mn content cast under controlledconditions[J].Journal of MaterialsProcessing Technology,2009,35(15-16):5669-5679.)通过将冷却速率由1℃/s提升至130℃/s,可以使Al-10Si-2Cu-0.5Fe合金中,富Fe相由120μm降低至20μm,但是,合金延伸率仅由0.9%小幅提升至3.4%。
又如,现有文献7(Effect of Cooling Rate on the Microstructure Evolutionand MechanicalProperties of Iron-Rich Al-Si Alloy,2022,15(411):1-10.)通过将冷却速率由10℃/s提升至670℃/s,同样可以使Al-10Si-1.5Fe合金中,富Fe相由80μm降低至10μm,但是,合金延伸率也仅由3.4%小幅提升至4.9%。
因此,通过现有文献6和现有文献7可知,即使冷却速率分别大幅提升到了130℃/s和670℃/s,并且,获得了将富Fe相尺寸分别降低到了20μm和10μm的技术效果,但是,合金延伸率均未超过5%,即现有技术无法通过提高冷却速率,解决高Fe含量条件下,提高合金延伸率的技术问题。
进一步深入分析现有文献6和现有文献7的技术问题可知,该技术方案即使将冷却速率分别提高非常高的冷却速率条件下,即在大幅提高生产要求和生产难度后,并未获得相应的技术效果提升幅度。经发明人研究后认为,导致上述问题的原因可简单概括如下:提高冷却速率在细化组织的同时,也会导致针状β-Al5
FeSi相的生成,并且,随着冷却速率进一步提高,导致过冷度增加,β-Al5
FeSi相的形核驱动力也会随之大幅提升,形核速率显著增加;而β-Al5
FeSi相是一种典型的非平衡相,即在冷速较低时,有更充分的时间调整相结构,形成平衡相,从而减少对延伸率的负面影响,而在高冷速条件下,非平衡相的形成占主导,β-Al5
FeSi相在生成后,无法调整为平衡相,进而导致尽管β-Al5
FeSi相尺寸减小,但是,针状β-Al5
FeSi相的形核数量大幅上升,最终导致对合金延伸率的负面影响显著提高,即表现出在大幅提高冷却速率时,延伸率提高效果不显著。
实现思路