CN101709415B

CN101709415B - 压铸铝合金材料及其制备方法

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Publication number: CN101709415B
Application number: CN2009102649063A
Authority: CN
Inventors: 李凯; 陈名海; 李清文; 张锐; 徐坤元
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: CN101709415A

Abstract

本发明揭示了一种新型高强压铸铝合金材料及其制备方法，该铝合金材料以铝为基体，并含有硅、铜、锰、钛等元素，各元素的含量(质量比)分别为：Si：10-12％，Mn：0.5-1.0％，Cu：0.5-3.0％，Ti：0-0.5％，Fe≤0.5％，其它0-0.8％，余量Al。其制备方法为：将纯铝锭融化，然后在700-750摄氏度保温，按配方加入工业硅、铜以及Mn剂和Ti剂，同时利用机械搅拌器进行搅拌，保温30-60分钟。使用六氯乙烷除渣除气10min，然后使用通用三元变质剂变质处理。本发明通过改善压铸铝合金的成分，从而控制其在结晶凝固过程中的显微结构、细化晶粒、改变合金中硅铁化合物的形貌，改善压铸件的力学性能，同时使合金中的合金元素固溶于基体中形成固溶体，提高力学性能。

Description

压铸铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种合金金属材料及其制法，尤其涉及一种新型高强压铸铝合金材料及其制备方法。

背景技术

Al-Si系合金的流动性好、铸件致密、不易产生铸造裂纹，具有良好的铸造性能、抗蚀性能和中等的切削加工性能，是比较理想的铸造合金，已成为制造业中最受重视的结构材料之一。但目前铸造Al-Si系合金的力学性能不尽如人意，强度和硬度一般，韧性较低。随着现代工业的发展，传统的铸造技术和铸造Al-Si系合金已经不能满足日益增长的社会需求，因此，研究开发高强的铸造Al-Si系合金具有重要意义。

目前，压铸用Al-Si系合金的强化手段主要有以下几种：熔体的净化、变质及细化，热处理强化以及添加合金元素强化等。

目前，熔体净化方法有吸附净化、非吸附净化和过滤净化三类。吸附净化主要是向熔体中吹入气体，比如氮气、氩气、混合气或加入熔剂，通过它们与铝液的反应，获得气泡，然后利用这些小气泡在上浮过程中吸附氢气和夹杂物，并带到液面实现除气和去渣；非吸附净化主要利用铝合金溶液的氢在真空下的强烈的析出和上浮过程中将夹杂带出液面进入浮渣而被除去，从而达到净化的目的。主要有真空净化法、超声波净化法和电磁净化法；过滤净化则是利用过滤器过滤，目前普遍采用的过滤器有玻璃纤维过滤器，陶瓷板，陶瓷管、泡沫陶瓷过滤器等。

对于一定成分的析出强化型铝合金，通过固溶处理，控制时效过程中造成的晶界和晶内析出相的性质、尺寸大小、分布状态以及形貌演变，可以有效地提高合金的力学性能。但该工艺对于某些合金存在工艺窗口时间短，特别是对共晶硅形貌的改善作用不大；同时该工艺需要对压铸工件重新加热、保温较长时间，工艺繁琐，能源浪费严重，对工件的尺寸控制也不利。近年来开发出的回归再时效热处理工艺也由于工艺回归时间很短，(通常只有几十秒至十几分钟)，不利于工业应用，并且由于初始状态为T6状态，晶界析出相体积分数较大，随后粗化过程也不能改善合金的韧性。

对于熔体处理后的铝合金，要想提高其力学性能，还可以向其添加合金元素，以实现合金强化。目前，铸造铝合金中的主要合金化元素有Si、Mg、Cu、RE、Zn、Mn、Ni、Cd、Cr、V、Be、Ti、B、Zr、Fe等，在这些元素中，Zn、Mg、Cu在Al中的固溶度大，其次是Mn、Si、Ti、Cr、Zr、V，而RE、Be、Ni、Cd、Fe的固溶度很小。所以铸造铝合金中，Zn、Mg、Cu可作为热处理强化元素，是高强度铸造铝合金中的主要添加元素。Si在铝合金中形成二元或多元共晶组织，提高了合金的铸造性能，改善了流动性，降低了热裂倾向性，减少了缩松提高了气密性，可获得组织致密的铸件。Mn可以提高合金的高温持久强度和硬度；同时，Mn还可与Fe化合形成圆形的或汉字形的Al-Si-Fe-Mn相，减少Fe的有害作用。Ti、B、Zr在铝合金中形成细小的化合物，可作为铝固溶体的结晶核心，有强烈细化铝固溶体晶粒的作用。Fe在目前使用的铸造铝合金中是一种有害杂质，由于Fe在铝合金中形成粗大的针状或片状的化合物，降低合金的机械性能。

发明内容

针对现有Al-Si系合金压铸件强度和韧性较差的问题，本发明的目的在于：提供一种压铸铝合金材料及其制备方法，在不改变现有压铸工艺、不大量增加成本的前提下，提高Al-Si系合金压铸件的强度和韧性，扩大Al-Si系合金压铸件的应用范围。

实现本发明第一个目的的技术方案是：

压铸铝合金材料，以铝为基体，其特征在于：所述铝合金材料成分包含硅、铜、锰、钛及铁，各元素的质量百分比含量分别为：10％～12％的Si、0.5％～1.0％的Mn、0.5％～3.0％的Cu、0～0.5％的Ti、≤0.5％的Fe，余量为Al。

进一步地，前述压铸铝合金材料，其中该铝合金材料在压铸态下的室温抗拉强度为280～340MPa，室温延伸率为0.5％～2.5％，室温硬度为90HB～100HB。

本发明第二个目的得以实现的一种技术方案是：

压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于包括步骤：I、将纯Al锭熔融；II、将占原料总重10％～12％的结晶Si、0.5％～3％的电解Cu，Al-Mn中间合金和Al-Ti中间合金加入铝液中，在700-750度保温2～3小时，形成铝、硅、铜、锰、钛的合金液；III、将1％的六氯乙烷用压入合金液中，保温10min。IV、将1.0％～2.0％的三元通用变质剂用钟罩压入合金液中，搅动并保温10～20分钟，利用冷室压铸机压铸成相应铸件。

进一步地，前述压铸铝合金材料的制备方法，其中该Al-Mn中间合金的成分为：50％～95％的Al及50％～5％的Mn；该Al-Ti中间合金的成分为： 50％～95％的Al及50％～5％的Ti。

本发明第二个目的得以实现的另一种技术方案是：

压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于包括步骤：I、将纯Al锭熔融；II、将占原料总重10％～12％的结晶Si、0.5％～3％的电解Cu，Mn剂和Ti剂加入铝液中，在700-750度保温2～3小时，形成铝、硅、铜、锰、钛的合金液；III、将1％的六氯乙烷用压入合金液中，保温10min。IV、将1.0％～2.0％的三元通用变质剂用钟罩压入合金液中，搅动并保温10～20分钟，利用冷室压铸机压铸成相应铸件。

进一步地，前述压铸铝合金材料的制备方法，其中该Mn剂的成分为：50％～75％的Mn，5％～10％的Al及35％～15％的助溶剂；该Ti剂的成分为：50％～75％的Ti，5％～10％的Al及35％～15％的助溶剂，所述Mn剂和Ti剂各自组分含量百分数之和等于100％。

更进一步地，前述压铸铝合金材料的制备方法，其中该助溶剂的成分包括NaCl、KCl、NaF、KF、Na₃AlF₄、K₃AlF₄中的一种或几种混合。

本发明压铸铝合金材料及其制备方法，其有益效果体现在：

根据现有的铝合金熔炼工艺，在熔炼过程中按照一定的配方向铝溶液中添加合金元素，得到一种新型的压铸用Al-Si系合金，具有在不改变现有工艺且低成本条件下对Al-Si系合金进行增强增韧的优点。，能够广泛应用于压铸领域。

具体实施方式

本发明为克服现有Al-Si系合金压铸件强度和韧性较差的问题，提出了一种新配的压铸铝合金材料及其制备方法。根据现有的铝合金熔炼工艺，在熔炼过程中按照一定的配方向铝溶液中添加合金元素，从而或得一种新型的压铸用高强Al-Si系合金。通过添加合金元素Mn，从而消除杂质Fe的不利影响，获得理想的显微结构，同时起到固溶强化的作用；通过添加Ti则与Al形成弥散分布的Al₃Ti金属间化合物，作为Al液形核的核心，提高形核率，细化晶粒，同时弥散分布的Al₃Ti也起到一定的增强作用。具体来看，该配方为：各元素的质量百分比含量分别为：10％～12％的Si、0.5％～1.0％的Mn、0.5％～3.0％的Cu、0～0.5％的Ti、≤0.5％的Fe、0～0.8％的其它，余量为Al。

本发明是通过以下工艺路线实现的：根据上述合金配方，称量一定量的纯Al锭、结晶Si，Cu锭、Al-Mn中间合金(或Mn剂)和Al-Ti中间合金(或Ti剂)，将Al锭在电阻炉中熔化，保温在700度以上，然后将结晶Si，Cu锭、Al-Mn中间合金(或Mn剂)和Al-Ti中间合金(或Ti剂)加入Al液中，保温2-3小时，搅拌处理；然后利用精炼剂、三元通用变质剂进行精炼和变质处理，待用。

为使本发明制备方法更易于理解，并证明该制备方法的切实可行，以下通过若干实施例，详细描述本发明的制备工艺。

实例一：

称量85Kg的A00Al锭、12Kg的结晶Si、3Kg的电解Cu板、5Kg的Al20Mn中间合金和5Kg的Al10Ti中间合金。将Al锭在电阻炉中熔化，保温在700度以上，然后将结晶Si，Cu锭、Al-Mn中间合金和Al-Ti中间合金加入Al液中，保温2～3小时，搅拌10分钟；然后利用三元通用变质剂(NaCl、NaF、KCl)进行变质处理，利用精炼剂(C₂Cl₆)进行精炼。

利用力劲160T冷室压铸机进行压铸，试棒为“GB-T13822-92“所规定的A 型试样，压铸工艺参数为：压铸速度：3m/s；压铸机系统压铸压力：13MPa，保压时间：5s。

将压铸试棒去毛刺，打磨后，利用WDW-100型万能材料试验机测试其拉伸强度和延伸率，利用KB3000型布氏硬度计测试其布氏硬度；利用光谱分析仪(ARUN 2000)分析材料的成分。结果表明，该合金材料的抗拉强度达到340MPa，延伸率达到2.0％，布氏硬度达到100HB；合金的主要成分为：Si：11.5％，Cu：2.8％，Mn：0.9％，Ti：0.4％，Fe：0.25％，其他元素：0.6％；余量Al。

实例二：

称量200Kg的A00Al锭、28Kg的结晶Si，6Kg的电解Cu板、8Kg的Al20Mn中间合金和8Kg的Al10Ti中间合金，将Al锭在电阻炉中熔化，保温在750度，然后将结晶Si，Cu锭、Al-Mn中间合金和Al-Ti中间合金加入Al液中，保温2～3小时，搅拌10分钟；然后利用三元通用变质剂(NaCl、NaF、KCl)进行变质处理，利用精炼剂(C₂Cl₆)进行精炼。

利用力劲160T冷室压铸机进行压铸，试棒为“GB-T13822-92”所规定的A型试样，压铸工艺参数为：压铸速度：3m/s；压铸机系统压铸压力：13MPa，保压时间：5s。

将压铸试棒去毛刺，打磨后，利用WDW-100型万能材料试验机测试其拉伸强度和延伸率，利用KB3000型布氏硬度计测试其布氏硬度；利用光谱分析仪(ARUN 2000)分析材料的成分。结果表明，该合金材料的抗拉强度达到335MPa，延伸率达到1.8％，布氏硬度达到94HB；合金的主要成分为：Si：11.1％，Cu：2.4％，Mn：0.64％，Ti：0.32％，Fe：0.25％，其他元素： 0.6％；余量Al。

实例三：

称量88Kg的A00Al锭、10Kg的结晶Si，1.5Kg的电解Cu板、1kg的Mn剂(含Mn75％，余量为Al、氟氯酸钾和NaCl等)和0.5Kg的Ti剂(含Ti75％，余量为Al、氟氯酸钾和NaCl等)，将Al锭在电阻炉中熔化，保温在720度，然后将结晶Si，Cu锭、Al-Mn中间合金和Al-Ti中间合金加入Al液中，保温2～3小时，搅拌15分钟；然后利用三元通用变质剂(NaCl、NaF、KCl)进行变质处理，利用精炼剂(C₂Cl₆)进行精炼。

将压铸试棒去毛刺，打磨后，利用WDW-100型万能材料试验机测试其拉伸强度和延伸率，利用KB3000型布氏硬度计测试其布氏硬度；利用光谱分析仪(ARUN 2000)分析材料的成分。结果表明，该合金材料的抗拉强度达到325MPa，延伸率达到2.3％，布氏硬度达到90HB；合金的主要成分为：Si：10.2％，Cu：1.6％，Mn：0.53％，Ti：0.2％，Fe：0.3％，其他元素：0.5％；余量Al。

综上可见，本发明根据现有的铝合金熔炼工艺，在熔炼过程中按照一定的配方向铝溶液中添加合金元素，得到一种新型的压铸用Al-Si系合金，具有强度和塑性较高的特定，能够广泛应用于压铸领域。

Claims

1.压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：

I、将纯Al锭熔融；

II、将占原料总重10％～12％的结晶Si、0.5％～3％的电解Cu，Al-Mn中间合金和Al-Ti中间合金加入铝液中，在700-750摄氏度保温2～3小时，形成铝、硅、铜、锰、钛的合金液；

III、将1％的六氯乙烷压入合金液中，保温10分钟；

IV、将1.0％～2.0％的三元通用变质剂用钟罩压入合金液中，搅动并保温10～20分钟，利用冷室压铸机压铸成相应铸件，其中所述三元通用变质剂为NaCl、NaF、KCl。

2.根据权利要求1所述的压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述Al-Mn中间合金的成分为：质量浓度50％～95％的Al及50％～5％的Mn。

3.根据权利要求2所述的压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述Al-Ti中间合金的成分为：质量浓度50％～95％的Al及50％～5％的Ti。

4.压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：

I、将纯Al锭熔融；

II、将占原料总重10％～12％的结晶Si、0.5％～3％的电解Cu、Mn剂和Ti剂加入铝液中，在700-750度保温2～3小时，形成铝、硅、铜、锰、钛的合金液，其中所述Mn剂的成分为：质量浓度50％～75％的Mn，5％～10％的Al及35％～15％的助溶剂，所述Ti剂的成分为：质量浓度50％～75％的Ti，5％～10％的Al及35％～15％的助溶剂，所述Mn剂和Ti剂各自组分含量百分数之和等于100％；

III、将1％的六氯乙烷压入合金液中，保温10分钟；

5.根据权利要求4所述的压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述助溶剂的成分包括NaCl、KCl、NaF、KF、Na₃AlF₄、K₃AlF₄中的一种或几种混合。