CN102002617A - 汽车用铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车用铸造铝合金，该合金材料具有高强高韧性，与201Z.2合金相比，壁厚敏感程度低，与201Z.5和201Z.2合金相比，制造成本降低40％以上。本合金采用99.75％的重熔用铝锭生产，原材料适用范围增加，并可以通过洗炉工艺在非专用熔炉批量生产，适用于多数合金生产企业多品种大批量的生产模式，降低了生产成本。合金原材料使用品位在99.70％以上的重熔用铝锭，并可以通过洗炉工艺进行合金转组在非专用熔炉批量生产。与201Z.5合金相比，严格控制了B含量，通过合理优化合金成分，达到了很好的合金的晶粒细化效果。制备方法降低了合金生产职业危害、改善了作业环境。

Description

汽车用铸造铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种汽车用耐高温高强高韧铸造铝合金，属于有色金属合金材料制备技术领域。

背景技术

铝合金与钢铁相比具有比强度高、比刚度高、导热性好、耐蚀性好等优点，与钛合金、镁合金相比具有资源储量大、成本低、工艺性能好的优势，因此铝合金已经成为航天航空工业、高速列车、汽车工业以及其他工业领域理想的轻量化材料。有数据统计，到2010年，每辆汽车中的铝合金用量将达到150Kg/辆。应用方向主要是壳体类铸件，应用种类多为共晶或亚共晶铝硅合金。而汽车中的支架类零件大多用球墨铸铁件，材质多为QT400-18、QT400-15、QT450-10、QT500-7(其力学性能以QT450-10为例，即抗拉强度强度≥450Mpa，断后延伸率≥10％)。铝-铜-锰系铝合金是铸造铝合金中强度最高、延伸率最大、且在150-300℃具有较好综合力学性能的铝合金。典型代表有GB/T8733-2007中规定的201Z.2铝合金和201Z.5铝合金，分别相当于GB/T8733-2000中规定的ZLD201A和ZLD205A铝合金的化学成份。GB/T8733-2007中规定的201Z.2合金元素见表1

表1

201Z.2合金的力学性能相当于GB/T1173-1995中规定的ZL210A合金T5状态下抗拉强度≥390Mpa，断后延伸率≥8％，硬度HBS≥100。GB/T8733-2007中规定的201Z.5合金元素见表2

表2

201Z.5合金的力学性能相当于GB/T1173-1995中规定的ZL205A合金在T5状态下抗拉强度≥440Mpa，断后延伸率≥7％，硬度HBS≥100。从210Z.5铝合金和球墨铸铁的数据对比可以发现，虽然210Z.5铝合金的力学性能略低于球墨铸铁，但210Z.5铝合金的密度(2.75g/cm³)是球墨铸铁(7.5g/cm³)的37％，是实现汽车轻量化目标的首选材料。但由于201Z.2、201Z.5两种材料均存在制造成本高、铸件性能不稳定、材料存在毒性等，对汽车应用推广有较大困难，为了通过轻量化措施响应国家节能减排号召，进一步推广高强高韧铝合金的应用，开发一种新型高温高强高韧环保铝合金材料，用来替代汽车支架用的球墨铸铁合金具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车用铸造铝合金配方。

本发明的目的还在于提供一种汽车用铸造铝合金的制备方法。

本发明的目的是这样实现的，本发明依据的原理是：Al-Cu合金在平衡结晶时，在a(Al)固溶体结晶完毕后的冷却过程中，随着温度的降低而不断析出Al₂Cu相，若凝固后迅速冷却，则Cu在a(Al)中形成单相过饱和固溶体，在以后的时效处理中析出成为G·P区，然后变成大量弥散分布的θ′相，使固溶体结晶点阵畸变，并封闭了晶粒间的滑移面，从而使室温和高温力学性能大大提高，也改善了加工性能。Al-Cu合金中添加Mn，Mn可以溶入a(Al)强化基体，并可形成T(Al₁₂Mn₂Cu)相。在a(Al)固溶体中的Mn能使固溶体点阵电子重新分配，可显著的增加原子间的结合力，降低基体原子扩散速度，延缓时效过程，使沉淀硬化效果保持到更高的温度，在温度、应力的长期作用下聚集长大倾向小，改善了合金的耐热性。并增加组织中的共晶体量，改善合金的热裂倾向。

Al-Cu合金中存在少量的Si时，对合金的铸造性能和致密性有益，并能改善热裂倾向。但Si和Fe容易形成β(Al₉Si₂Fe₂)相，影响合金的延伸率，所以进行控制。

Al-Cu合金中Fe相的存在，其热硬性较高，有利于改善合金的耐热性，但Fe能与合金中的Cu、Mn形成AlCuMnFe化合物，使a(Al)中的Cu、Mn减少，降低室温和高温的力学性能，所以进行控制。

Al-Cu合金中存在Mg时，合金中的S(Al₂CuMg)易形成低熔点(507℃)的a(Al)+Al₂Cu+S(Al₂CuMg)三元共晶组织，淬火加热时易引起过烧，所以进行控制。

Al-Cu合金中添加少量的Ti，可以使合金在液相中首先结晶出Al₃Ti相，在以后的包晶转变中，Al₃Ti相的弥散质点可作为a(Al)固溶体的结晶核心，使晶粒和a(Al)+Al₂Cu+T(Al₁₂Mn₂Cu)共晶组织细化，则热处理时Al₂Cu相可以充分溶解，提高强化效果。

Al-Cu合金中添加Zr和V，与铝分别形成AL₃Zr、Al₇V化合物，可作为结晶核心细化晶粒而提高力学性能。合金中Mn和Zr还可以通过溶解析出形成T(Al₁₂Mn₂Cu)相和AL₃Zr相弥散质点，进一步增加基体的显微不均匀性，提高对位错运动和滑移变形的阻碍而强化合金。

Al-Cu合金中B的作用主要是作为结晶核心，细化晶粒而提高力学性能。而且在高温熔炼、高温浇铸和重熔时不减小其晶粒细化作用。

根据以上分析，本发明所说的汽车用铸造铝合金配方以质量分数表示为：Si：≤0.40％、Fe：≤0.30％、Zn：≤0.30％、Mg：≤0.05％、Sn：≤0.01％、Cu：4.6％-5.3％、Mn：0.3％-0.5％、Ti：0.15％-0.35％、V：0.05％-0.3％、Zr：0.05％-0.2％、B：0.01％-0.03％，Al余量(补足至100％)。

本发明所述汽车用铸造铝合金的制备方法如下：

(1)将质量为总用量95％的铝锭以及铝锰合金、铝钛合金、铝锆合金、铝钒合金混合，升温至750-820℃熔化；

(2)加入已预热至150-300℃的电解铜，使电解铜充分熔解；

(3)充分搅拌并取样进行过程成分检测、调整至工艺要求；

(4)合金液过热至820-850℃，保温10-30min；

(5)加入剩余5％且已预热至150-300℃的铝锭，调整温度至730-750℃；

(6)加入轧制铝钛硼合金，充分搅拌；

(7)通入99.999％高纯氩气精炼，表面撒熔体质量0.5‰-1.5‰的清渣剂，精炼后将浮渣处理干净；

(8)静置5-15min；

(9)在700-720℃进行铸造，并取试样检测；

(10)检测合格后成品包装入库。

本发明取得的有益效果如下：

1、本合金材料具有高强高韧：经检测达到QT450-10和201Z.5合金材料标准，优于201Z.2合金。本合金在T5状态下，国标金属型单铸试棒的抗拉强度平均值可以达到460Mpa以上，延伸率平均值可以达到16％以上，硬度平均值HB≥115。

2、与201Z.2合金相比，壁厚敏感程度低。本合金在T5状态下，国标金属型单铸试棒的抗拉强度最大值为可以达到470Mpa，最小值达到438Mpa，试样抗拉强度的最小值为最大值的93％；延伸率可以达到20.0％，最小值达到12.5％，延伸率的最小值为最大值的62.5％；硬度的最大值HB＝124，最小值HB＝110；

3、与201Z.5和201Z.2合金相比，制造成本降低40％以上。201Z.5和201Z.2合金采用99.95％及上的精铝锭生产，本合金采用99.75％的重熔用铝锭生产，并可以通过洗炉工艺在非专用熔炉批量生产，适用于多数合金生产企业多品种大批量的生产模式，降低了生产成本。

4、与201Z.5和201Z.2合金相比，杂质含量放宽，Si≤0.05放宽到Si≤0.40，Fe≤0.10放宽到Fe≤0.30，Zn≤0.10放宽到Zn≤0.30。杂质含量放宽以后，原材料适用范围增加。本合金原材料使用品位在99.70％以上的重熔用铝锭，并可以通过洗炉工艺进行合金转组在非专用熔炉批量生产，适用于多数合金生产企业多品种大批量的生产模式。

5、与201Z.5合金相比，严格控制了B含量，由B含量0.005-0.06调整为0.01％-0.03％。因为铝合金晶粒细化理论中有一个Zr毒化B晶粒细化功能的共识，本产品通过合理优化合金成分，达到了很好的合金的晶粒细化效果。

6、本合金不再添加镉(Cd)元素，合金生产职业危害大幅降低、作业环境大幅改善。

7、本合金不再添加镉(Cd)元素，符合欧盟等区域对材料中重金属的控制(Rohs标准)，具备作为高新技术材料出口的能力。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明。

实施例1

一种汽车用铸造铝合金，其组成以质量分数表示为：

Si：0.35％、Fe：0.26％、Zn：0.22％、Mg：0.042％、Sn：0.006％、Cu：5.05％、Mn：0.42％、Ti：0.23％、V：0.21％、Zr：0.11％、B：0.016％、Al：93.086％。

所述汽车用铸造铝合金的制备方法如下：

(1)将质量为总用量95％的铝锭、铝锰合金、铝钛合金、铝锆合金、铝钒合金混合，升温至750-820℃熔化；

(2)加入已预热至150-300℃的电解铜，使电解铜充分熔解；

(3)充分搅拌并取样进行过程成分检测、调整至工艺要求；

(4)合金液过热至820-850℃，保温10-30min；

(5)加入剩余5％且已预热至150-300℃的铝锭，调整温度至730-750℃；

(6)加入轧制铝钛硼合金，充分搅拌；

(7)通入99.999％高纯氩气精炼，表面撒熔体质量0.5‰-1.5‰的清渣剂(清渣剂由河北省清苑县四通铝业有限公司生产，代号为2号清渣剂。公司地址；河北省清苑县望亭乡东安村)，精炼后将浮渣处理干净；

(8)静置5-15min；

(9)在700-720℃进行铸造，并取试样检测；

(10)检测合格后成品包装入库。

实施例2

一种汽车用铸造铝合金，其组成以质量分数表示为：

Si：0.09％、Fe：0.12％、Zn：0.02％、Mg：0.012％、Sn：0.002％、Cu：4.76％、Mn：0.35％、Ti：0.18％、V：0.12％、Zr：0.18％、B：0.021％、Al：94.145％。

合金的制备方法与实施例1相同。

实施例3

一种汽车用铸造铝合金，其组成以质量分数表示为：

Si：0.21％、Fe：0.08％、Zn：0.10％、Mg：0.022％、Sn：0.004％、Cu：5.22％、Mn：0.45％、Ti：0.26％、V：0.24％、Zr：0.13％、B：0.024％、Al：93.26％。

合金的制备方法与实施例1相同。

Claims (2)

1.一种汽车用铸造铝合金，其特征在于合金配方组成以质量分数表示为：Si：≤0.40％、Fe：≤0.30％、Zn：≤0.30％、Mg：≤0.05％、Sn：≤0.01％、Cu：4.6％-5.3％、Mn：0.3％-0.5％、Ti：0.15％-0.35％、V：0.05％0.3％、Zr：0.05％-0.2％、B：0.01％-0.03％，Al余量(补足至100％)。

2.一种如权利要求1所述的汽车用铸造铝合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将质量为总用量95％的铝锭、铝锰合金、铝钛合金、铝锆合金、铝钒合金混合，升温至750-820℃熔化；

(2)加入已预热至150-300℃的电解铜，电解铜充分熔解；

(3)充分搅拌并取样进行过程成分检测、调整至工艺要求；

(4)合金液过热至820-850℃，保温10-30min；

(5)加入剩余5％且已预热至150-300℃的铝锭，调整温度至730-750℃；

(6)加入轧制铝钛硼合金，充分搅拌；

(7)通入99.999％高纯氩气精炼，表面撒熔体质量0.5‰-1.5‰的清渣剂，精炼后将浮渣处理干净；

(8)静置5-15min；

(9)在700-720℃进行铸造，并取试样检测；

(10)检测合格后成品包装入库。