CN105088033A - 一种铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝合金及其制备方法，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，该铝合金含有以下元素：3-7％的Si，5-10％的Zn，1-5％的Cu，1-3％的Mg，0-0.3％的稀土元素，0-1％的添加元素，73.7-90％的Al，所述添加元素为Ti、Zr、Mn、Fe、Cd、Cr、B、Bi、Ni和Sr中的一种或两种以上。根据本发明的铝合金具有良好的铸造性能，铸造过程中不易产生裂纹，得到的铸件不仅强度高，而且韧性好，适于生产薄壁产品。

Description

一种铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金作为国民经济生产生活的主要结构材料，具有密度小、强度高、易成型加工、导电导热性好以及资源丰富等诸多特性，是国民经济中应用最为广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、交通、建材、石油、化工、电子、电力、国防等领域得到了广泛应用。
随着我国经济建设的飞速发展，尤其是汽车、电子、机械等支柱行业近年迅猛发展，对铝合金的材料性能及铸造特性都提出了越来越高的要求。特别是在消费电子领域，随着电子产品的轻型化和小型化，要求材料同时具有优异的铸造性能和合金强度。
现有的压铸铝合金主要为Al-Si-Cu系列合金，典型牌号有YL102、YL104、YL112、YL117、ADC12、A380等，虽然这些铝合金具有优异的铸造性能，但铝合金的机械性能，尤其是屈服强度和断裂强度已远不能满足目前的市场需求。因此，有必要开发既具有优异的铸造性能，又具有好的综合机械性能的铝合金。
CN102776426A公开了一种高纯高强高韧铝合金，以重量百分比计，该铝合金包括以下组分：Zn5-8.5wt％，Mg1.5-2.8wt％，Cu1.2-2.5wt％，Mn0.5-1.5wt％，Cd0.1-0.2wt％，Sr0.05-0.25wt％，Bi0.01-0.15wt％，Ti0.005-0.05wt％，Fe＜0.12wt％，Si＜0.1wt％，余量为铝。
CN100410406C公开了一种高强高韧铸造铝合金，该铝合金由以下组分按重量百分比组成：Cu4.5-7.0；V0.05-0.3；Mn0.3-0.45；Ti0.15-0.35；B0.005-0.06；Cd0.15-0.25；Zr0.05-0.2；Pr0.03-0.7；Al余量。
CN1204281C公开了一种用于航空结构件的高纯、高强铝合金，该铝合金的化学成分及含量的重量百分比为：Zn7-9％，Mg1.7-3.0％，Cu1.5-2.6％，Zr0.1-0.25％，Cr小于0.1％，Ti小于0.06％，Fe小于0.15％，Si小于0.12％，余量为Al。
上述铝合金虽然大大提升了合金的性能，但合金的铸造特性尤其是流动性仍然不理想，难以生产薄壁产品。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的铝合金很难兼顾合金强度和铸造性能的不足，提供一种铝合金及其制备方法，该铝合金不仅强度高韧性好，而且具有优异的铸造性能。
根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种铝合金，以该铝合金的总量为基准，以重量百分比计，该铝合金含有以下元素：
所述添加元素为Ti、Zr、Mn、Fe、Cd、Cr、B、Bi、Ni和Sr中的一种或两种以上。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种铝合金，以该铝合金的总量为基准，以重量百分比计，该铝合金含有以下元素：
余量为Al，
所述添加元素为Ti、Zr、Mn、Fe、Cd、Cr、B、Bi、Ni和Sr中的一种或两种以上。
根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种铝合金的制备方法，该方法包括将铝合金原料进行熔炼，冷却后得到铝合金，其中，所述铝合金原料的组成使得得到的铝合金为本发明提供的铝合金。
根据本发明的铝合金具有良好的铸造性能，铸造过程中不易产生裂纹，得到的铸件不仅强度高，而且韧性好，适于生产薄壁产品。
具体实施方式
本发明提供了一种铝合金，以该铝合金的总量为基准，以重量百分比计，该铝合金含有以下元素：
所述添加元素为Ti、Zr、Mn、Fe、Cd、Cr、B、Bi、Ni和Sr中的一种或两种以上。
以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，Si的含量优选为3-6％，如4-6％。
以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，Zn的含量优选为5.5-8％。
以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，Cu的含量优选为1-2.5％。
以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，Mg的含量优选为1-2％。
从进一步提高铝合金的韧性和流动性的角度出发，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，稀土元素的含量优选为0.01-0.2％，更优选为0.01-0.1％。
所述稀土元素优选为La和/或Ce。
从进一步提高合金的韧性的角度出发，所述添加元素优选含有Ti、Zr、B、Bi和Ni中的一种或两种以上元素。更优选地，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，选自Ti、Zr、B、Bi和Ni中的一种或两种以上的添加元素的总量为0.01-0.5％，如0.01-0.3％。
从进一步提高合金的强度的角度出发，所述添加元素优选含有Fe、Mn、Cd和Cr中的一种或两种以上元素。更优选地，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，选自Fe、Mn、Cd和Cr中的一种或两种以上的添加元素的总量为0.01-1％，如0.02-0.2％。
从进一步提高合金的耐腐蚀性能的角度出发，所述添加元素优选含有Sr。以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，Sr的含量优选为0.05-0.1％。
根据本发明的铝合金允许存在少量其它金属元素，如Li、Na、K、Be、Ca、Ba、Ga、In、Ge、Sn、Sb、Sc、Y、V、Nb、Mo、W、Tc、Ru、Co、Pd、Pt、Ag和Au中的一种、两种或三种以上。以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，上述其它金属元素的总量一般不高于1％，优选不高于0.5％，更优选不高于0.2％。所述其它金属元素可以来源于制备合金时合金原料中的杂质，也可以来源于制备合金时作为合金的一种组成元素而添加的原料。
根据本发明的铝合金中的铝元素的含量可以随合金元素的量进行相应调整。
在本发明的一个优选的实例中，以该铝合金的总量为基准，以重量百分比计，该铝合金含有以下元素：
余量为Al，
所述添加元素为Ti、Zr、Mn、Fe、Cd、Cr、B、Bi、Ni和Sr中的一种或两种以上。
在该优选的实例中，所述铝合金可以含有上述其它金属元素，也可以不含有上述其它金属元素。
本发明的铝合金可以采用常规的铝合金熔炼铸造工艺制备。一般地，将铝合金原料进行熔炼，冷却后得到本发明的铝合金。得到的铝合金可以进行铸造，以形成具有所需形状的成型体。
具体地，可以采用包括以下步骤的方法制备本发明的铝合金并进行铸造。
1、提供铝合金原料以及助熔剂。
(1)原料
按照预定的铝合金组成提供原料，铝合金中的各元素可以以纯金属的形式提供，也可以以中间合金的形式提供。一般地，铝和镁可以以纯金属的形式提供，硅和铜优选以与铝形成中间合金的形式提供。
(2)助熔剂
助熔剂一般包括覆盖剂、精炼剂和变质剂，所述覆盖剂、精炼剂和变质剂的种类和用量可以为本领域的常规选择。
具体地，所述覆盖剂用于防止熔体氧化烧损及吸气，例如：LFG-J00。相对于100重量份原料，覆盖剂的用量可以为0.01-0.2重量份。
所述精炼剂用于除气、除夹杂物，例如：JL-J301。相对于100重量份原料，精炼剂的用量可以为0.01-0.2重量份。
所述变质剂用于在合金液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，例如：LBZ-J0K。
相对于100重量份原料，变质剂的用量可以为0.01-0.1重量份。
2、将原料和覆盖剂加热熔融。
其中，铝合金中的镁以纯金属的形式(即，镁锭)提供时，优选将其余原料熔融后再加入镁锭并将其压入合金液的液面下方，以使其充分熔化而不烧损。
合金液的最终温度一般控制为750-770℃。
3、向步骤(2)得到的合金液中添加精炼剂，进行精炼，以清除合金液中的非金属夹杂物。
精炼可以在700-720℃的温度下进行，精炼的时间可以为5-30分钟。
通过精炼，合金液中的夹杂物、气体被带出，将夹杂物打渣捞出即可。
4、浇铸：将精炼液保温5-15分钟后浇铸在模具中，冷却后得到合金锭。
5、压铸：将得到的合金锭进行压铸，得到压铸体。其中，压铸给汤的温度可以为680-780℃；模具温度可以为100-300℃；料筒温度可以为30-200℃。
得到压铸体一般在环境温度下进行10-30天的时效处理。
根据本发明的铝合金流动性高，铸造性能好，铸造过程中不易产生裂纹，得到压铸体的强度高且韧性好，特别适用于制作薄壁制品。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但不因此限制本发明的范围。
以下实施例和对比例中，按照ISO6892-1中规定的方法制备试样，采用万能力学拉伸试验机进行拉伸测试。
以下实施例和对比例中，硬度根据GB/T4340.1-2009中规定的方法进行测试，采用的载荷为3kgf。
以下实施例和对比例中，流动性测试采用单螺旋流动性试样模具，横截面尺寸为：5.5mm×3mm，采用的给汤容量为30cm3，压射速度为0.8mm/s，浇铸温度为750℃。
实施例1-13用于说明本发明的铝合金。
实施例1
1、配料
1)原料：根据合金组成为Al81.5Si6Zn8Cu2.5Mg2(以铝合金的总量为基准，以重量百分比计)的配比准备好纯铝锭(纯度≥99.9重量％)、纯镁锭(纯度≥99.9重量％)、纯锌锭(纯度≥99.9重量％)、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金；
2)助熔剂：覆盖剂为LFG-J00，精炼剂为JL-J301，变质剂为LBZ-J0K。
相对于100重量份原料，覆盖剂的用量为0.01重量份，精炼剂的用量为0.01重量份，变质剂的用量为0.01重量份。
2、干燥
将准备好的原材料进行干燥，其中，Al、Mg和Zn在100℃±10℃温度下烘干，Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金在150℃±10℃温度下烘干。
3、熔融
首先在坩埚内壁涂覆被覆剂，然后预热至200-250℃，将称量好的纯铝锭、纯锌锭、Al-Si中间合金和Al-Cu中间合金置于坩埚中并加入覆盖剂加热熔化，待原料全部熔化后，保温10min。将原料液的温度升高至750℃，加入已称量好的纯镁锭并将加入的纯镁锭压入金属液的液面下方。然后继续加热，待各种原料充分熔化后，搅拌均匀，并将得到的合金熔液的最终温度控制在750-770℃之间。
4、精炼
将合金熔液的温度调整为处于700-720℃的范围内，用钟罩将精炼剂六氯乙烷分批压入熔液面下，进行10分钟的精炼。
精炼完成后，将钟罩取出，清理掉残留的氧化物，将熔液表面的夹杂物用打渣勺捞出。
5、浇铸
合金熔液经扒渣处理后，保温10min后进行浇注，冷却后得到合金锭。
6、压铸
将得到的合金锭进行压铸，其中，压铸温度为750℃；模具温度为200℃；料筒温度为150℃。得到的铸件在环境温度下进行15天的自然时效处理，从而得到本发明的铝合金，其拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例2
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al83.5Si4Zn8Cu2.5Mg2。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例3
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al84.5Si3Zn8Cu2.5Mg2。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例4
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al84.5Si4Zn8Cu2.5Mg1。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例5
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al83.48Si4Zn8Cu2.5Mg2La0.02。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例6
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al83.47Si4Zn8Cu2.5Mg2Ce0.03。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例7
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al83.1Si4Zn8Cu2.5Mg2Ti0.2Ce0.2。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例8
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al83.2Si4Zn8Cu2.5Mg2Zr0.2Ce0.1。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例9
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al82.8Si4Zn8Cu2.5Mg2Ti0.2Fe0.2B0.1Sr0.1Ce0.1。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例10
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al86Si4Zn5.5Cu2.5Mg2。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例11
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al86Si4Zn8Cu1Mg1。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例12
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al85.89Si4Zn5.5Cu2.5Mg2Mn0.1Bi0.01。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
实施例13
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al85.97Si4Zn5.5Cu2.5Mg2Cd0.01Ni0.01Cr0.01。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
对比例1
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al87.5Zn8Cu2.5Mg2。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
对比例2
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al86Si1.5Zn8Cu2.5Mg2。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
对比例3
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al78.5Si9Zn8Cu2.5Mg2。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
对比例4
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al81.5Si4Zn8Cu2.5Mg4。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
对比例5
采用与实施例1相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al89.5Si4Zn2Cu2.5Mg2。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
对比例6
采用与实施例4相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al84.8Si4Zn8Cu2.5Mg0.7。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
对比例7
采用与实施例11相同的方法制备铝合金，不同的是，合金组成为：Al86.5Si4Zn8Cu0.5Mg1。得到的铝合金的拉伸性能、硬度和流动性测试结果在表1中列出。
在铝合金中不含Si或Si的含量低时，如对比例1和对比例2所示，铝合金虽然具有较高的断裂延伸率，但是铝合金的流动性差，铸造过程中铸件容易开裂产生裂纹，导致最终得到的产品的强度不高。在铝合金中Si的含量过高时，如对比例3所示，铝合金虽然具有较好的流动性和较高的强度，但是铝合金的韧性较差，铸造过程中容易产生裂纹，不适于作为结构件使用。
在铝合金中Mg含量过高时，如对比例4所示，铝合金的断裂延伸率低，铸造过程中容易产生裂纹。
在铝合金中Zn含量过低时，如对比例5所示，铝合金的强度和硬度低，很难满足作为结构件的使用要求。
在铝合金中Mg含量过低时，如对比例6所示，铝合金的硬度很低，很难满足作为结构件的使用要求。
在铝合金中Cu含量过低时，如对比例7所示，铝合金的硬度很低，很难满足作为结构件的使用要求。
根据本发明的铝合金不仅强度高、韧性好，而且流动性高，易于进行铸造，铸件不易开裂，成型良率高，适于生产薄壁产品结构件。

Claims (12)

1.一种铝合金，以该铝合金的总量为基准，以重量百分比计，该铝合金含有以下元素：
所述添加元素为Ti、Zr、Mn、Fe、Cd、Cr、B、Bi、Ni和Sr中的一种或两种以上。
2.一种铝合金，以该铝合金的总量为基准，以重量百分比计，该铝合金含有以下元素：
余量为Al，
所述添加元素为Ti、Zr、Mn、Fe、Cd、Cr、B、Bi、Ni和Sr中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金，其中，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，该铝合金中Si的含量为3-6％。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的铝合金，其中，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，该铝合金中Zn的含量为5.5-8％。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的铝合金，其中，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，Cu的含量为1-2.5％。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的铝合金，其中，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，所述稀土元素的含量为0.01-0.1％。
7.根据权利要求1或6所述的铝合金，其中，所述稀土元素为La和/或Ce。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的铝合金，其中，所述添加元素含有选自Ti、Zr、B、Bi和Ni中的一种或两种以上的元素，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，选自Ti、Zr、B、Bi和Ni中的一种或两种以上的添加元素的总量为0.01-0.5％。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的铝合金，其中，所述添加元素含有选自Fe、Mn、Cd和Cr中的一种或两种以上的元素，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，选自Fe、Mn、Cd和Cr中的一种或两种以上的添加元素的总量为0.01-1％。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的铝合金，其中，所述添加元素含有Sr，以铝合金的总量为基准，以重量百分比计，Sr的含量为0.05-0.1％。
11.一种铝合金的制备方法，该方法包括将铝合金原料进行熔炼，冷却后得到铝合金，其中，所述铝合金原料的组成使得得到的铝合金为权利要求1-10中任意一项所述的铝合金。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，该方法还包括将得到的铝合金进行铸造。
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