CN103361526B - 一种高强度铝合金及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度铝合金及其生产方法，化学式为AlaZnb？SicTidMeNf，其中M表示铜、锰、镁中的一种或多种元素的组合，N表示镧或铈中的一种或两种组合，a、b、c、d、e、f为重量百分数，53≤a≤58，34≤b≤39，3≤c≤6，0﹤d﹤0.1，1≤e≤3，f﹤0.1。生产方法为：将原材料配比后，升温到200摄氏度以上，预热2小时以上，消除金属中的杂质气体；投入到感应熔炉中进行冶炼，冶炼温度为700-900℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到600-800℃；采用压铸机，将合金熔体压铸到金属模具中，得到所述的高强度铝合金的样品。本发明铝合金具有铸造性能优异、机械强度高、尺寸稳定特性，适用于制造电子产品结构件。<!--1-->
Description
技术领域：
本发明涉及铝合金技术领域，具体地说涉及适用于制造电子产品零部件，具有铸造能力强、机械强度高、成本低廉的高强度铝合金及其生产方法。
背景技术：
随着电子产品向小型化、智能化、轻型化方向的发展，对电子产品的结构件也提出了越来越高的要求。传统的镁、铝、锌、铜合金由于材料本身的一些特性，已难于满足电子产品发展的需求，例如：镁合金虽然具有质轻、比强度大的特点，但材料韧性、耐腐蚀能力及铸造能力相对较差，难于用于制造壁厚小于0.6mm的薄壁件且强韧性性较高的产品；普通铝合金虽然耐腐蚀性好、并可以进行颜色丰富的表面处理，但是铸造件的机械强度低，材料流动性差，难于生产薄壁件，而且生产的薄壁件平面度低；锌合金虽然具有优异的铸造性能，但材料强度低、耐腐蚀性差，难于用于制造耐腐蚀高强度结构件；铜合金虽然强度高、耐腐蚀性好，但存在铸造能力差、材料成本高昂，产品精度较低，一致性差的特点。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高强度铝合金及其生产方法，该高强度铝合金具有铸造性能优异、机械强度高、尺寸稳定等性能，此合金材料适用于制造壁厚小于0.6mm、精度高、强度好的产品结构件，特别是电子产品结构件。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种高强度铝合金，它的化学式为AlaZnbSicTidMeNf，其中M表示铜、锰、镁中的一种或多种元素的组合，N表示镧或铈中的一种或两种组合，a、b、c、d、e、f为重量百分数，53≤a≤58，34≤b≤39，3≤c≤6，0﹤d﹤0.1，1≤e≤3，f﹤0.1。
作为上述技术方案的优选，所述高强度铝合金的杂质元素中铁的重量百分含量小于0.6%。
作为上述技术方案的优选，所述高强度铝合金的合金组织具有两个物相或两个物相以上的组织结构。
一种高强度铝合金的生产方法，包括下述步骤：
（1）将化学式为AlaZnbSicTidMeNf的高强度铝合金中的元素根据重量百分数进行配比，其中M表示铜、锰、镁中的一种或多种元素的组合，N表示镧或铈中的一种或两种组合，a、b、c、d、e、f为重量百分数，53≤a≤58，34≤b≤39，3≤c≤6，0﹤d﹤0.1，1≤e≤3，f﹤0.1，其中，铜、硅、钛、锰、稀土元素分别采用AlCu、AlSi、AlTi、AlMn、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；
（2）原材料配比后，升温到200摄氏度以上，预热2小时以上，消除金属中的杂质气体；
（3）将上述原材料投入到感应熔炉中进行冶炼，冶炼温度为700-900℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到600-800℃；
（4）采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，得到所述的高强度铝合金的样品。
作为上述技术方案的优选，步骤（3）中将原材料投入到感应熔炉中进行冶炼，冶炼温度为800℃，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
本发明的有益效果在于：通过调整筛选合金中铝和锌的含量，并加入适量的钛、硅、铜、锰、镁及稀土元素，获得了塑性、韧性、硬度和强度等综合性能优异的高强度铝合金。
本发明中高强度铝合金通过铸造工艺获得，高强度铝合金的合金组织具有两个物相或两个物相以上的组织结构。
本发明通过对铝合金中成分的设计，使得所发明的合金具有典型的两相结构，一相是锌溶于铝的固溶体相（ａ相），一种是铝溶于锌的固溶体相（η相），η相通常以ａ相形成共析体，η相锌含量较高，熔点低，流动性好，而ａ相熔点高，属于强化相，首先凝固，流动性相对较差。低熔点物相的存在，有效的改善了材料的铸造性能，本发明通过合理数量的低熔点物相的选择，允许采用压力铸造的形式生产壁厚小于0.6mm的薄壁铸件，而传统的铸造铝合金只能获得壁厚大于0.6mm以上铸件；ａ相是锌在铝中的固溶体相，而且在低温下固溶的锌含量显著的小于在高温条件下的固溶量，因此是有效的固溶强化相，本发明通过合理的选择铝和锌的含量和比例，获得了具有高机械强度的铝合金基体；本发明中，铝含量为大于等于53%，小于等于58%，锌含量为大于等于34%，小于等于39%。本发明的铝合金，有效合理的筛选了铜、硅、镁元素，作为进一步改善合金机械性能的合金化元素。铝硅合金具有很好的铸造性能和抗蚀性，适量硅含量的加入可以有效提高合金熔体的流动性，并可以降低材料的热膨胀系数，改善合金铸造过程中的热裂倾向；同时，硅在合金中以硬质颗粒的形式弥散分布存在，可以有效提高合金材料的强度，本发明研究发现，3-6%的硅含量对本发明的铝合金具有最佳的综合性能。铜在本发明的合金中，会与锌元素形成CuZn4相，具有150的维氏硬度，属于硬脆相，具有固溶强化的作用，可以改善合金的硬度和强度，从而可以有效改善铸件的抗变形能力；同时，可以增强铝镁硅相的固溶强化效果，提高材料的强度。镁元素是有效提高铝合金强度的合金化元素，通常与硅形成MgSi相，可以形成有效的强化相；但是过高的镁含量会降低合金的蠕变强度和塑性，并增加合金的热裂性。锰元素与素可以铝元素形成MnAl6相，弥散的分布于合金熔体中，阻止铝合金的再结晶过程，起到细化晶粒的作用；同时，锰元素可以与熔体当中的杂质铁元素形成（Fe，Mn）Al6相，有效的消除铁元素。铝合金中铁元素会严重的影响合金的力学性能，尤其是材料的塑性和韧性，同时，铁与铝元素形成Al5Fe2硬质相，并形成浮渣，夹杂物与铸件中会影响铸件的外观质量，铁含量在本发明中超过0.6%，会急剧影响材料的塑性和韧性，并显著降低材料的耐腐蚀性。本发明通过试验验证，1-3%的铜锰硅元素可以获得最佳的合金综合性能的改善，杂质铁含量优选小于0.6%。
钛元素可以与铝元素形成非自发TiAl2晶核，可以有效的细化本发明合金的晶粒组织，晶粒的细化有利于改善合金的塑性和韧性，并可以提高材料性能的稳定性和一致性，是本发明重要的合金化元素，但钛含量过高会损坏材料的机械性能，本发明中，钛含量小于0.1%，钛元素在本发明中以铝钛中间合金的形式加入。
稀土元素是铝合金重要的合金化元素，熔铸时可以有效的降低熔体的过冷度，细化晶粒，并可以降低合金熔体的中的有害气体杂质，减低熔体的表面张力，提高材料的流动性，有利于改善材料的工艺性能和材料的机械性能，但含量过高时，又会粗化晶粒，损害合金的机械性能。本发明中，稀土元素优选为镧和铈，含量为小于0.1%。
本发明中，铜（Gu）、硅（Si）、锰（Mn）、钛（Ti）等元素熔点显著高于合金中的主体元素铝和锌，而稀土元素易于氧化，因此本发明中，铜、硅、锰、钛、稀土优选采用中间合金的形式加入，并在冶炼过程中进行充分的搅拌混合。
由于本发明的合金，具有良好的流动性，并具有很好的固溶强化效果，因此优选金属模压力铸造的形式进行合金制备，以便获得更佳的合金性能和复杂精密的产品结构。
附图说明：
图1是本发明的高强度铝合金与传统的铝合金比较的拉伸应力应变曲线图。
图2是本发明的实施例5的显微组织金相图。
图3是对比实施例1的显微组织金相图。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。另外，在本说明书中，只要没有特别说明，则含量均表示质量百分含量。
实施例1：按Al53Zn39Si5.5Ti0.09（Cu2.4）（La0.01）合金成分进行合金配比，其中铜、硅、钛、稀土元素采用AlCu、AlSi、AlTi、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度测试，结果分别列于表1。
实施例2：按Al57Zn35Si5.5Ti0.09（Cu2.4）（La0.01）合金成分进行合金配比，其中铜、硅、钛、稀土元素采用AlCu、AlSi、AlTi、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度测试，结果分别列于表1。
实施例3：按Al57Zn37.5Si3Ti0.09（Cu2.4）（La0.01）合金成分进行合金配比，其中铜、硅、钛、稀土元素采用AlCu、AlSi、AlTi、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度测试，结果分别列于表1。
实施例4：按Al58Zn34Si4.9Ti0.09（Cu3）（La0.01）合金成分进行合金配比，其中铜、硅、钛、稀土元素采用AlCu、AlSi、AlTi、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度测试，结果分别列于表1。
实施例5：按Al56Zn36Si5.4Ti0.03（Cu2.2Mn0.2Mg0.1）（La0.02Ce0.05）合金成分进行合金配比，其中铜、硅、钛、锰、稀土元素采用AlCu、AlSi、AlTi、AlMn、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度及显微组织的测试与观察，测试结果分别列于表1，合金显微组织结构示于图2。
实施例6：按Al56Zn36Si5.4Ti0.03（Cu2.2Mn0.2Mg0.1）（La0.02Ce0.05）合金成分进行合金配比，其中铜、硅、钛、锰、稀土元素采用AlCu、AlSi、AlTi、AlMn、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为200mm×100mm×0.5mm完整的平板样品，平板的平面度为小于0.1mm。而将对比实施例5中的合金熔体，注入该模具，则无法获得完整的该平板样品。
此实施例说明，本发明的铝合金具有优异的铸造能力和良好的尺寸稳定性及抗变形能力。
以下结合传统的实施例进行比较，进一步说明本发明的高强度铝合金的优点。
对比实施例1：按Al53Zn39.1Si5.5（Cu2.4）合金成分进行合金配比，其中铜、硅采用AlCu、AlSi的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度及显微组织的测试与观察，测试结果分别列于表1，合金显微组织示于图3。
对比实施例2：按Al57Zn32Si8.5Ti0.09（Cu2.4）（La0.01）合金成分进行合金配比，其中铜、硅、钛、稀土元素采用AlCu、AlSi、AlTi、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度测试，结果分别列于表1。
对比实施例3：按Al57Zn32Si5.5Ti0.09（Cu5.4）（La0.01）合金成分进行合金配比，其中铜、硅、钛、稀土元素采用AlCu、AlSi、AlTi、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度测试，结果分别列于表1。
对比实施例4：按Al45Zn47Si5.5Ti0.09（Cu2.4）（La0.01）合金成分进行合金配比，其中铜、硅、钛、稀土元素采用AlCu、AlSi、AlTi、AlRe的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度测试，结果分别列于表1。
对比实施例5：按Al85Zn1Si11Cu3Mn0.5Ni0.5Mg0.3Fe0.6合金成分进行合金配比，其中铜、硅、锰、铁、镍元素采用AlCu、AlSi、AlMn、AlFe、AlNi的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99%；原材料配比后，升温到200摄氏度以上进行预热2小时以上，以便消除金属中的杂质气体。
将消除杂质气体后的原材料投入到感应熔炉中，熔炼功率45KW，进行冶炼，冶炼温度为
800℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，获得尺寸为100mm×10mm×1.5mm的样品。
对样品分别在硬度计、万能力学拉伸试验机、显微镜进行硬度、拉伸强度测试，结果分别列于表1。
表1
根据表1绘制拉伸应力应变曲线，如图1所示，其中曲线1为本发明高强度铝合金拉伸应力应变曲线，曲线2为传统铝合金拉伸应力应变曲线。从实施例和对比实施例的试验结果可以看出，如图2和图3所示，钛和稀土元素对本发明的铝合金具有显著的细化作用。实施例5中的合金，晶粒仅有几个微米，甚至存在纳米晶粒，而对比实施例1中，晶粒尺寸分布不均匀，而且晶粒尺寸粗大，某些晶粒尺寸可达几十微米。晶粒细化后，从表1中可以看出，对合金的硬度和强度影响较小，而显著的改善了合金延伸率，因此本发明的铝合金具有相对较好的塑性和韧性。
从表1的数据可以看出，本发明所选择的铝锌元素比例，使得合金具有良好的硬度和强度，铸态的硬度既可以达到145HV以上，而传统的铝合金（对比实施例5），虽然具有良好的塑性变形能力，但合金的硬度和机械强度相对偏低，从而铸件抵抗变形的能力相对较低。
从实施例1-5和对比实施例1-5可以看出，本发明的高强度铝合金中适量的加入铜、硅、锰、镁等合金元素，具有良好的强化作用，但过量的合金化元素的引入，则会显著的合金的延伸率，如对比实施例2和3所示。
Claims (4)
1.一种高强度铝合金，其特征在于：所述高强度铝合金的化学式为AlaZnbSicTidMeNf，其中M表示铜、锰、镁中的一种或多种元素的组合，N表示镧或铈中的一种或两种组合，a、b、c、d、e、f为重量百分数，53≤a≤58，34≤b≤39，3≤c≤6，0﹤d﹤0.1，1≤e≤3，f﹤0.1；所述高强度铝合金的合金组织具有两个物相的组织结构：一相是锌溶于铝的固溶体相，一相是铝溶于锌的固溶体相。
2.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金，其特征在于：所述高强度铝合金的杂质元素中铁的重量百分含量小于0.6％。
3.一种高强度铝合金的生产方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)将化学式为AlaZnbSicTidMeNf的高强度铝合金中的元素根据重量百分数进行配比，其中M表示铜、锰、镁中的一种或多种元素的组合，N表示镧或铈中的一种或两种组合，a、b、c、d、e、f为重量百分数，53≤a≤58，34≤b≤39，3≤c≤6，0﹤d﹤0.1，1≤e≤3，f﹤0.1，其中，铜、硅、钛、锰、稀土元素分别采用AlCu、AlSi、AlTi、AlMn、AlRE的形式进行配比，其他元素采用纯金属的形式配比，原材料纯度均大于99％；
(2)原材料配比后，升温到200摄氏度以上，预热2小时以上，消除金属中的杂质气体；
(3)将上述原材料投入到感应熔炉中进行冶炼，冶炼温度为700-900℃，并进行充分搅拌混合，冶炼完成后，将熔汤温度调整到600-800℃；
(4)采用压铸机，将上述合金熔体压铸到金属模具中，得到所述的高强度铝合金的样品。
4.根据权利要求3所述的高强度铝合金的生产方法，其特征在于：步骤(3)中将原材料投入到感应熔炉中进行冶炼，冶炼温度为800℃，冶炼完成后，将熔汤温度调整到750℃。
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- 2013-07-16 CN CN201310297996.2A patent/CN103361526B/zh active Active
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