CN103469023B - 一种用于汽车板材的铝合金的熔炼及压铸工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于汽车板材部件的、具有优异力学性能的压铸铝合金的熔炼及压铸工艺，包括原料准备、熔炼、压铸等工艺过程，具体是通过简单的合金元素以及适量的配比进行原料准备，得到了具有优异压铸和时效性能的铝合金体系，同时采取了合适的原料和熔炼工艺，以保证了合金的压铸性能，再者选择了最佳的压铸工艺参数以获得性能优异的铝合金。

Description

一种用于汽车板材的铝合金的熔炼及压铸工艺

技术领域

本发明涉及铝及其合金的技术领域，特别是提供一种用于汽车板材部件的、具有优异力学性能的铝合金的熔炼及压铸工艺。

背景技术

铝及其合金因具有优异的力学性能、抗腐蚀性能、成型性能而自古受到青睐，同时加之2.17g/cm²的低密度，铝合金是典型的被使用的结构型轻合，在汽车、船舶、运输机、家电制品、电子通讯设备、建材等各个领域都被广泛使用。特别是为了应对日益严重的能源短缺和环境污染等问题，必须尽量节约燃油的消耗以及严格控制二氧化碳等气体的排放，而交通运输产品的质量没减轻10%，就可以使得油耗下降至少5%，相应地的气体排放也自然能够得到有效的控制，而将具有高的比强度和比刚度以及其他优异性能的铝合金用于相应产品的制造，无疑是解决上述问题最为可行的方法。

其中的Al-Mg-Si系合金因优异的挤压性能、相对高的强度和耐腐蚀性能而成为车身、门板、行李舱隔板等面板型构件的主要选择。然而由于铝合金的熔炼、热处理时效工艺的各个步骤涉及到很多参数，如何选择最为优化的成分和与成分相适应的熔炼、热处理工艺步骤和参数，从而开发出具有更优异性能的铝合金一直是相关研究人员最为关注的研究课题。

压力铸造是现今铝及其合金的铸造方法中技术含量较高的先进制备方法之一，其成本相对较低，且生产效率高，制备得到的铝合金产品表面质量好、尺寸精度高，能够满足汽车工业部件对于铝合金产品的要求标准。

发明内容

本发明的目的即在于提供一种铝合金的配方，并通过合理的熔炼和压力铸造工艺得到铝合金，最后经过相应的热处理时效工艺得到具有优异性能的铝合金产品。

本发明中的用于汽车板材的铝合金的熔炼及压铸工艺，包括如下步骤：

1）原料准备：合金的成分配比为（wt.%）：Si3.5-4.0、Mg1.5-1.8、Cu0.05-0.1、Cr0.04-0.06、Fe≤0.02、Mn≤0.03，余量为铝和不可避免的杂质，同时满足Si/Mg的比值在2.2-2.5之间；其中上述合金成分来自于纯度为99.9%的纯铝、硅含量为12-15%的铝硅合金、铬含量为10-12的铝铬合金、电解铜、工业纯镁等原料，如果有Mn来自于10-12%的铝锰合金原料。

2）熔炼：先将上述各原料预热至至少150℃，然后将纯铝置于熔炼炉中加热升温至750-780℃，随后加入铝铬合金和电解铜并持续搅拌直至铝铬合金和电解铜全部熔化，之后降温至700-730℃并加入铝硅合金并持续搅拌直至铝硅合金全部熔化，随后降温至650-670℃并将工业纯镁按压至熔体底部维持至少3-5min，之后搅拌熔体并再次升温至750-780℃同时加入精炼剂进行精炼，静置10-15min后，检验熔体成分合格后完成熔炼。

3）压铸：将成分合格的熔体降温至680-700℃后压铸到经过预热至至少200℃的模具的型腔中，其中充型开始时的熔体流速为0.2-0.4m/s、铸造压力为70-75MPa，充型率超过60%后，提高熔体的流速至2-2.5m/s、铸造压力为85-90MPa，直至充型压铸结束。

4）固溶-淬火处理：将压铸铸件经过冷轧和/或热轧加工后得到铝合金板材，将铝合金板材在570-600℃条件下盐浴固溶处理1.5min后进行水淬冷却，板材出炉入水的时间小于2秒且冷却水的温度小于20℃。

5）两级时效：首先将经固溶-淬火处理的铝合金板材在100-120℃的条件下盐浴保温2.5-3h，随后再将铝合金板材在50-60℃的条件下盐浴保温120-150h，从而得到所述的Al-Mg-Si合金。

其中，合金元素含量优选的，所述硅的含量为3.8；

进一步优选的，所述镁的含量为1.6；

进一步优选的，所述铜的含量为0.07；

进一步优选的，所述铬的含量为Cr0.05；

进一步优选的，所述铁的含量小于0.005，更优选为0；

进一步优选的，所述锰的含量小于0.01。

进一步优选的，Si/Mg的比值为2.3。

其中，压铸时，所述的充型开始时的熔体流速为0.3m/s；

进一步优选的，所述的充型开始时的铸造压力为73MPa；

进一步优选的，所述的充型率超过60%后，提高熔体的流速至2.3m/s；

进一步优选的，所述的充型率超过60%后，铸造压力为88MPa。

其中，两级时效时，优选的，首先将经固溶-淬火处理的铝合金板材在110℃的条件下盐浴保温2.8h；

进一步优选的，随后再将铝合金板材在55℃的条件下盐浴保温130h。

本发明的优点在于：（1）合理地设计了合金的成分，通过简单的合金元素以及适量的配比，得到了具有优异压铸和时效性能的铝合金；（2）采取了合适的原料和熔炼工艺，保证了合金的性能；（3）选择了最佳的压铸工艺参数以获得性能优异的铝合金；（4）采用了最为有效的两级时效工艺和参数，最大限度地提高了铝合金的性能。

具体实施方式

实施例1-6，以及对比例1-11：

1）原料准备：按表1的合金的成分配比准备原料，其中合金元素来自于纯度为99.9%的纯铝、硅含量为12-15%的铝硅合金、铬含量为10-12的铝铬合金、电解铜、工业纯镁等原料，如果有Mn来自于10-12%的铝锰合金原料。

2）熔炼：先将上述各原料预热至180℃，然后将纯铝置于熔炼炉中加热升温至760℃，随后加入铝铬合金和电解铜并持续搅拌直至铝铬合金和电解铜全部熔化，之后降温至720℃并加入铝硅合金并持续搅拌直至铝硅合金全部熔化，随后降温至660℃并将工业纯镁按压至熔体底部维持至少4min，之后搅拌熔体并再次升温至770℃同时加入精炼剂进行精炼，静置12min后，检验熔体成分合格后完成熔炼。

3）压铸：将成分合格的熔体降温至690℃后压铸到经过预热至200℃的模具的型腔中，其中充型开始时的熔体流速为0.2m/s、铸造压力为70MPa，充型率超过60%后，提高熔体的流速至2m/s、铸造压力为85MPa，直至充型压铸结束。

4）固溶-淬火处理：将压铸铸件经过冷轧和/或热轧加工后得到铝合金板材，将铝合金板材在580℃条件下盐浴固溶处理1.5min后进行水淬冷却，板材出炉入水的时间小于2秒且冷却水的温度小于20℃。

5）两级时效：首先将经固溶-淬火处理的铝合金板材在100℃的条件下盐浴保温2.5h，随后再将铝合金板材在50℃的条件下盐浴保温120h，从而得到所述的Al-Mg-Si合金。

由表1的结果可知，硅的含量不能过低，否则将会使得提高强度的效果不足，以及流动性的变差从而影响压铸性能，导致力学性能的明显变差。而硅的含量过高则会导致延伸率的急剧下降和屈服强度的显著降低。

镁含量过低难于与硅协同发挥提高强度的作用，从而导致拉伸强度和屈服强度的显著下降。而镁含量过高会导致延伸率降低以及屈服强度的不足。

铜含量过低会使得延伸率严重的不足，同时屈服强度也明显不足，而铜含量过高对于合金体系的拉伸强度和延伸率并未做出更多贡献，反而拖累屈服强度的大幅下降。此外，适量的铜还能促进镁硅强化相的形成，是合金体系重要的元素。

铬含量过低难于发挥其晶粒细化的作用，从而导致拉伸强度的降低，同时延伸率、屈服强度等性能也不够理想。铬含量过高则可能与硅、锰等合金元素形成脆性金属件化合物，从而大幅降低强度和塑性等各项力学性能。此外，适量的铬还能促进镁硅强化相的形成，也是合金体系重要的元素。

铁作为主要的杂质元素必须严格限制其含量，如果超过0.02，例如对比例9中的0.04，则明显降低强度和塑性等各项力学性能，优选在0.005以下，当然如果能控制在更低更好。

锰虽然通常主要作为晶粒细化的合金元素使用，但本申请中更主要利用的是其对于铁元素的协同溶解作用，因此控制其含量在0.03以下，根据铁的含量，也可以为0.01以下。

硅镁比是必须严格控制的，过高的硅镁比则有过多的硅析出在晶界，从而影响合金的力学性能。而过低的硅镁比则难于充分形成强化相，以获得相应的力学性能。

表1

明显的，本申请中的合金体系，预料不到的获得了优异的压铸性能，其压铸产品具有优异的抗拉强度、延伸率和屈服强度等力学性能。

实施例5-8，以及对比例12-19，合金的化学成分与实施例2相同，主要考察了压铸过程中的工艺参数的最优化选择，参数的选取以及性能结果参见表2。

表2

虽然压铸过程中采用低速、高速两种不同的熔体流速以控制气孔等缺陷是本领域中公知的技术，但由表2的结果可知，如何选择熔体流速和铸造压力还是有很大的影响：

对于低速阶段的熔体流速和铸造压力，应当控制熔体流速在0.2-0.4m/s之间，过低的熔体流速会导致熔体降温过快而影响熔体的压铸性能，从而最终恶化合金的力学性能，并且也不利于生产效率的提高。而过高的熔体流速则会导致湍流的出现而容易卷入气体和氧化物夹杂，同时会导致局部熔体的快速凝固而产生气孔等缺陷。铸造压力的增大能够明显改善材料的力学性能，这主要得益于压力增大所产生的合金致密性的提高和缺陷的减少，为了保证这一效果，铸造压力至少应为70MPa，但过大的铸造压力并不会获得更多的性能改观，反而会导致设备、模具等过快的损耗，因此铸造压力的上限设定为75MPa。

对于高速阶段的熔体流速和铸造压力，应当控制熔体流速在2-2.5m/s之间，铸造压力在85-90MPa之间，其对于压铸过程和合金力学性能的影响与低速阶段的类似，不再赘述。

明显的，本申请中的合金体系，具有最适于其的压铸工艺参数，有违于最优化参数的都可能导致合金性能的下降。

实施例9-10，以及对比例20-28，合金的化学成分与实施例2相同，主要考察了两级时效中的参数的最优化选择，参数的选取以及性能结果参见表3。

表3

由表3的结果可知，两级时效对于强化相的析出具有重要影响，未经一级时效的合金在力学性能上严重的恶化，可见一级时效后的二级时效将极大的促使强化相的长大。而一级时效的温度和时间也必须选取适当，时效的温度过低，以及时效的时间过短，都会导致强化相的析出得不足，而使得拉伸强度和屈服强度的严重不足；时效温度过高，会促使强化相部分地分解，从而也不利于强度的提高；而时效的时间过长并无益于性能的提高，反而会影响生产效率的优化。二级时效温度和时间的影响趋势趋同于一级时效，但明显的其时效时间的不足对于屈服强度的影响尤为明显。

综上，本发明首先是合理设计了Al-Mg-Si合金体系的成分，使并不专长于压铸的合金体系具有优异的压铸性能，同时优化选取了压铸的工艺参数和随后的时效工艺步骤和参数，从而获得最佳的合金力学性能。

Claims (5)

1.一种用于汽车板材的铝合金的熔炼及压铸工艺，其具有如下的工艺步骤：

1)原料准备：合金的成分配比为(wt.％)：Si 3.5-4.0、Mg 1.5-1.8、Cu 0.05-0.1、Cr 0.04-0.06、Fe≤0.02、Mn≤0.03，余量为铝和不可避免的杂质，同时满足Si/Mg的比值在2.2-2.5之间；其中上述合金成分来自于纯度为99.9％的纯铝、硅含量为12-15％的铝硅合金、铬含量为10-12的铝铬合金、电解铜、工业纯镁原料，如果有Mn来自于10-12％的铝锰合金原料；

2)熔炼：先将上述各原料预热至至少150℃，然后将纯铝置于熔炼炉中加热升温至750-780℃，随后加入铝铬合金和电解铜并持续搅拌直至铝铬合金和电解铜全部熔化，之后降温至700-730℃并加入铝硅合金并持续搅拌直至铝硅合金全部熔化，随后降温至650-670℃并将工业纯镁按压至熔体底部维持至少4min，之后搅拌熔体并再次升温至750-780℃同时加入精炼剂进行精炼，静置10-15min后，检验熔体成分合格后完成熔炼；

3)压铸：将成分合格的熔体降温至680-700℃后压铸到经过预热至至少200℃的模具的型腔中，其中充型开始时的熔体流速为0.2-0.4m/s、铸造压力为70-75MPa，充型率超过60％后，提高熔体的流速至2-2.5m/s、铸造压力为85-90MPa，直至充型压铸结束。

2.根据权利要求1所述的铝合金的熔炼及压铸工艺，其特征在于：所述的充型开始时的熔体流速为0.3m/s。

3.根据权利要求1所述的铝合金的熔炼及压铸工艺，其特征在于：所述的充型开始时的铸造压力为73MPa。

4.根据权利要求1所述的铝合金的熔炼及压铸工艺，其特征在于：所述的充型率超过60％后，提高熔体的流速至2.3m/s。

5.根据权利要求1所述的铝合金的熔炼及压铸工艺，其特征在于：所述的充型率超过60％后，铸造压力为88MPa。