CN105177370A

CN105177370A - 一种铝硅合金及其半固态压铸产品

Info

Publication number: CN105177370A
Application number: CN201510603849.2A
Authority: CN
Inventors: 任怀德; 张莹; 王继成; 李谷南
Original assignee: Zhuhai Runxingtai Electrical Equipment Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Runxingtai Electrical Equipment Co Ltd
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2035-09-21
Also published as: CN105177370B

Abstract

本发明公开了一种铝硅合金及其半固态压铸产品，该铝硅合金是用于半固态压铸的铝硅合金，其中，各个组分的质量百分比为：硅，6.0～8.0％；铁，0.5～1.0％；铜，0.03～0.2％；锰，0.01～0.1％；镁，0.15～0.5％；锌，0.2～1.0％；铝，89.2～93.1％。使用该铝硅合金制备的压铸产品，与传统压铸合金制得的产品相比，其导热性能与力学性能有明显提升。

Description

一种铝硅合金及其半固态压铸产品

技术领域

本发明涉及半固态压铸生产领域，尤其涉及一种高性能的铝硅合金及其半固态压铸产品。

背景技术

半固态金属成型技术自1971年首次提出至今，已有30多年历史，该技术是一种介于固态成形与液态成形之间的金属成形技术，具有液态成形流动应力低，成形速度快，可成形复杂形状零部件的优点,使传统的铸造方式发生了深刻的变化。

虽然取得了较大的进展，但同时也发现了一些问题，目前，国内外半固态加工技术中应用的合金材料主要是铸造铝合金或变形铝合金，缺乏对半固态专用合金的研究和开发，成为半固态加工技术在工业生产中推广应用的短板。虽然传统的铸造合金在塑形方面得到明显的改进，但是强度几乎没有改进，也不能满足高强度的零部件的应用。

A356合金和A357合金是最早应用于半固态成形的铝合金，且其应用也最为广泛，多年的实践研究表明，这两种合金经半固态成形后，塑性得到了显著提高，但强度没有明显改进。目前，大多数关于半固态合金的设计是将现有的铸造合金或者变形合金进行成分的微调，希望在保持原有性能上，可以进一步提高其强度和延展率，但是效果并不明显。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明重点研究硅、镁、铜、锰、锌、镍元素以及铁元素含量和配比对新合金流动性、强度以及导热性的内在作用关系，建立合金元素含量与产品力学性能的控制模型，探寻影响合金综合性能的关键元素种类和含量范围，本发明的目的是提供一种用于半固态压铸的铝硅合金以及其压铸产品，该铝硅合金是应用于半固态压铸的铝硅合金，能够提高合金的综合性能，发挥半固态成形技术的优势。

根据本发明的一个方面，提供一种铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金包括下述组分，且各个组分的质量百分比为：硅，6.0～8.0％；铁，0.5～1.0％；铜，0.03～0.2％；锰，0.01～0.1％；镁，0.15～0.5％；锌，0.2～1.0％；铝，89.2～93.1％。

具体地，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，7.9％；铁，0.6％；铜，0.09％；锰，0.05％；镁，0.15％；锌，0.6％；铝，90.61％。

并且，所述铝硅合金还包括镍，其中镍的质量百分比是0～0.1％。

其中，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，6.0～8.0％；铁，0.5～1.0％；铜，0.03～0.1％；锰，0.01～0.09％；镁，0.2～0.5％；锌，0.2～1.0％；镍，0.05～0.1％；铝，89.4～93.0％。

其中，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，7.0～8.0％；铁，0.5～0.9％；铜，0.05～0.09％；锰，0.03～0.08％；镁，0.2～0.5％；锌，0.2～0.8％；镍，0.05～0.09％；铝，89.6～91.9％。

具体地，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，7.5％；铁，0.6％；铜，0.06％；锰，0.1％；镁，0.3％；锌，0.2％；镍，0.06％；铝，91.18％。

具体地，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，6.2％；铁，0.5％；铜，0.05％；锰，0.05％；镁，0.2％；锌，0.5％；镍，0.05％；铝，92.45％。

并且，所述铝硅合金还包括锡、铅，其中，锡的质量百分比为0～0.05％，铅的质量百分比为0～0.05％。

并且，所述铝硅合金是用于半固态压铸的铝硅合金。

根据本发明的另一个方面，提供一种半固态压铸产品，所述半固态压铸产品由上述的铝硅合金制成。

目前，应用较多的主要是Al-Si系列压铸铝合金。该合金微观组织主要由初生α-Al枝晶以及Al-Si共晶组织组成，合金化元素添加后会导致铝基体的晶格畸变，往往会降低该系合金的导热性能。此外，该系列合金中普遍存在的粗大片状初晶硅和针状共晶硅也会极大阻碍电子自由运动，大幅度降低热导率。研究发现，提高材料的热导率可通过添加微量元素的方式实现，根据本发明的铝硅合金，在铝硅合金的基础上，引入了铁，铜，锰，镁，锌等元素，组成多元合金。其中，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，6.0～8.0％；铁，0.5～1.0％；铜，0.03～0.2％；锰，0.01～0.1％；镁，0.15～0.5％；锌，0.2～1.0％；铝，89.2～93.1％。

铁、铜、锰、镁、锌等微量元素的添加，能够对铝硅合金中硅相进行变质处理，从而提高材料的热导率。其中，各组分的含量更是对该铝硅合金性能的综合考虑，各组分的作用及含量说明如下：

硅可以显著改善合金熔体的流动性，同时还可以提高合金的抗拉强度和硬度，但是硅有降低合金导热性能的倾向，是铝硅合金中重要的导热性能影响因素。优选地，将硅的质量百分比限定为6.0～8.0％。

硅的含量减少后，发现合金的流动性明显降低，但是可以通过添加其他有利元素改善流动性，有利元素有锰，硼等。

在本发明中，通过添加适量的锰，改善合金熔体的流动性。同时，锰元素也有减少粘模的作用，并且能改善铝硅合金的耐腐蚀性能，特别是在含有铜、硅的铝合金中可以改善其高温强度，但是过量则会形成金属硬点，其含量也需适量。优选地，将锰的质量百分比限定为0.01～0.1％。

铜可改善合金的力学性能和可加工性，特别是强度能够得到显著提高，但是铜含量的增加有降低抗腐蚀性的倾向，铜的含量对铝硅合金的腐蚀性能有较大的影响。优选地，将铜的质量百分比限定为0.03～0.2％。

镁的含量对铝硅合金的影响较大，镁含量的添加可减小固相分数对温度的敏感性，提高半固态成形的可控性，并提高铝合金的耐蚀性和强度，但是，含量增加会减少固液相温度区间和半固态成形区间，不利于半固态成形，也会降低合金伸长率。优选地，将镁的质量百分比限定为0.15～0.5％。

铁的含量不宜多，过量的铁能够形成金属硬点且降低耐腐蚀性，但是，少量添加的铁可以改善金属的粘模。优选地，将铁的质量百分比限定为0.5～1.0％。

锌是造成合金高温脆性的原因，但是少量的锌可以改善龟裂现象，需将锌的成分控制在1.0％以下。优选地，将锌的质量百分比限定为0.2～1.0％。

更具体地，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，7.9％；铁，0.6％；铜，0.09％；锰，0.05％；镁，0.15％；锌，0.6％；铝，90.61％。该铝硅合金能提高半固态浆料的固液比，并增加半固态压铸件的导热性能和力学性能。

镍在铝硅合金中的添加较为少见，但是，当镍与铁在铝合金中能形成耐热性好的金属相，以此提高铝硅合金的耐热性，降低其热膨胀系数，优选地，上述铝硅合金还包括镍，其中镍的质量百分比是0～0.1％。

镍元素的添加，使得铝硅合金性能得到进一步的提升，相应地，依照热力学原理，对其他各组分的金属元素进行调整，设计得到高导热，高性能的铝硅合金。

进一步地，对铜、锰和镁的含量进行限定，铜能够通过固溶强化，提高铝硅合金的强度，并且，在高温下，铜、镁、锰，镍之间能形成化合物，以提高其性能。

更优选地，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，7.0～8.0％；铁，0.5～0.9％；铜，0.05～0.09％；锰，0.03～0.08％；镁，0.2～0.5％；锌，0.2～0.8％；镍，0.05～0.09％；铝，89.6～91.9％。

在该配比下，铁、镁、镍、铜，锰等金属元素含量适量，能够形成不同成分的金属间化合物，不仅通过改变熔体凝固过程中的热场环境和原子扩散环境，影响合金熔体的流动性，并且显著提高其在半固态压铸成形中的性能。

此外，根据本发明的铝硅合金中还允许含有微量的锡，铅，这两种成分为主要的杂质元素。其中，锡的质量百分比为0～0.05％，铅的质量百分比为0～0.05％，锡，铅等杂质元素是各个原料中所含有的不可去除的杂质，但是在本发明中，将微量杂质的质量百分比控制为0.1％以内，并且对铝硅合金在半固态压铸中的用途不产生影响。

本发明提供一种应用于半固态压铸的铝硅合金，任何采用半固态压铸技术，使用上述铝硅合金生产的压铸产品，均在本发明的保护范围之内。

本发明的铝硅合金中，选择各组分含量的上述范围的有益效果在后面会通过实施例给出具体实验数据来说明。

下面是根据本发明的铝硅合金中所包括的各组分的优选取值示例。

优选示例一

根据本发明的铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，7.5％；铁，0.6％；铜，0.06％；锰，0.1％；镁，0.3％；锌，0.2％；镍，0.06％；铝，91.18％。

优选示例二

根据本发明的铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，6.2％；铁，0.5％；铜，0.05％；锰，0.05％；镁，0.2％；锌，0.5％；镍，0.05％；铝，92.45％。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明的基本思想是，通过研究铝硅合金中各元素对铝合金的影响以及影响的程度，采用正交试验方法确定各合金元素的成分，研制出半固态压铸用的铝硅合金，并把配置的合金制成半固态浆料，压铸生产出半固态产品。检测半固态产品的性能指标来验证本发明合金的性能。

本发明提供了一种半固态压铸用的铝硅合金，其中，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，6.0～8.0％；铁，0.5～1.0％；铜，0.03～0.2％；锰，0.01～0.1％；镁，0.15～0.5％；锌，0.2～1.0％；铝，89.2～93.1％。

实施例

给出了一种用于半固态压铸用的铝硅合金可能的组成成分和含量，表中数值均为质量百分比，X1～X8表示组分及含量各不相同的八种半固态压铸用的铝硅合金，需要说明的是，实施例组分总含量略微小于100％，可以理解为残余量是微量杂质或不能分析出的少量组分。具体成分如下表所示:

表1半固态压铸用铝硅合金可能的组成(X)

成分	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8
									硅	7.9	6.0	7.0	7.5	8.0	6.2	6.8	7.4
铁	0.6	0.9	1.0	0.6	0.75	0.5	0.7	0.8
									铜	0.09	0.115	0.03	0.065	0.1	0.05	0.2	0.07
锰	0.05	0.055	0.03	0.1	0.09	0.05	0.01	0.08
									镁	0.15	0.5	0.325	0.3	0.35	0.2	0.45	0.43
锌	0.6	1.0	0.8	0.2	0.6	0.5	0.3	0.9
									镍	0	0.075	0.1	0.06	0.09	0.05	0.07	0.03
铝	90.61	91.30	90.63	91.18	89.95	92.45	91.45	90.25
									锡	0	0.02	0.03	0	0.05	0	0.01	0.02
铅	0	0.03	0.05	0	0.02	0	0.01	0.02

测试例1

选取上述铝硅合金作为测试例，与传统的铸造铝合金A356，A357的性能参数进行对比。在进行性能对比时，选用三个性能参数：

(1)抗拉强度，表征合金材料变形阶段的最大应力。

(2)屈服强度，表征合金材料由弹性变形阶段进入塑性变形阶段时的特征参数。

(3)延伸率，表征金属材料的变形能力，可用来描述合金材料的塑性。

上述三个参数表征的是材料力学性能的基本参数，是本领域技术人员所熟知的，因此采用上述参数能够有力地说明本发明的铝硅合金的性能。

实验的具体过程为：将上述合金作为原始坯料，分别进行不同的加工处理，得到的产品进行性能测试。第一种加工方式为半固态压铸处理，第二种加工方式为半固态压铸并进行T6热处理。

具体实验结果如下表所示：

表2不同铝合金在不同加工状态下的性能对比

测试例2

选取上述X1、X4、X6和X8作为测试例，与常用的压铸材料ADC12铝合金，YL102铝合金经过相同的半固态压铸处理后，进行导热性能的对比。

具体实验结果如下表所示：

表3不同的铝合金半固态压铸产品导热性能对比

合金	X1	X4	X6	X8	ADC12	YL102
							导热系数(W/m·k)	144.1	147.3	150.1	145.8	98.5	117.2

实验结果分析：

由上述表2中的具体数据可知，与传统的压铸用铝硅合金相比，本发明提供的铝硅合金，经过加工处理之后，抗拉强度与屈服强度明显高于传统铸造合金，具体分析如下：

本发明提供的铝硅合金经过半固态压铸后，平均抗拉强度为285MPa，平均屈服强度为247MPa，相比于A356铝合金220MPa的抗拉强度，180MPa的屈服强度，其抗拉强度达到了29.5％的提升，屈服强度达到了37.2％的提升；相比于A357铝合金238MPa的抗拉强度，190MPa的屈服强度，其抗拉强度达到了19.7％的提升，屈服强度达到了30％的提升；并且延伸率平均达到5.35。

本发明提供的铝硅合金经过半固态压铸，以及T6热处理之后，平均抗拉强度为338MPa，平均屈服强度为307MPa，相比于A356铝合金280MPa的抗拉强度，220MPa的屈服强度，其抗拉强度达到了20.7％的提升，屈服强度达到了39.5％的提升；相比于A357铝合金327MPa的抗拉强度，268MPa的屈服强度，其抗拉强度达到了3.4％的提升，屈服强度达到了14.6％的提升；平均延伸率为5.1。

由上述表3中的具体数据可知，与传统的压铸用铝硅合金相比，本发明提供的铝硅合金，经过半固态压铸处理之后，其压铸产品的导热系数均高于140W/m·k，与传统压铸合金得到的产品相比，其导热系数有明显提高。上述四种铝硅合金的平均导热系数为146.8W/m·k，比铝合金ADC12的压铸产品的导热系数提高了49.0％，比铝合金YL102的压铸产品的导热系数提高了25.2％。

通过上表的测试结果，本发明提供了一种用于半固态压铸的铝硅合金，其先进性在于：

第一、明显改善的力学性能：本发明提供的铝硅合金经过不同的半固态压铸处理，得到的压铸产品力学性能明显优于传统的A356，A357铸造铝合金处理得到的压铸产品，抗拉强度与屈服强度均得到了明显的提高。

第二、良好的塑性：本发明提供的铝硅合金压铸得到的压铸产品，在具备较高力学强度的条件下，仍然保持较好的延伸率，并且不同的处理方式延伸率均大于5％，使铸件具备了较高的力学性能，证明该合金尤其适用于半固态压铸生产。

第三、良好的导热性能：本发明提供的铝硅合金压铸得到的压铸产品，导热系数超过140W/m·k，具备良好的导热性能。

本发明还提出了一种铝硅合金在半固态压铸方面的用途，该铝硅合金既可用于通讯散热壳体的半固态压铸生产，又可用于汽车、高铁等承重受力件的半固态压铸生产，是一种多用途的适合半固态压铸生产的铝合金材料。任何采用本发明提供的铝硅合金压铸得到产品均在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金包括下述组分，且各个组分的质量百分比为：硅，6.0～8.0％；铁，0.5～1.0％；铜，0.03～0.2％；锰，0.01～0.1％；镁，0.15～0.5％；锌，0.2～1.0％；铝，89.2～93.1％。

2.如权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，7.9％；铁，0.6％；铜，0.09％；锰，0.05％；镁，0.15％；锌，0.6％；铝，90.61％。

3.如权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金还包括镍，其中镍的质量百分比是0～0.1％。

4.如权利要求3所述的铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，6.0～8.0％；铁，0.5～1.0％；铜，0.03～0.1％；锰，0.01～0.09％；镁，0.2～0.5％；锌，0.2～1.0％；镍，0.05～0.1％；铝，89.4～93.0％。

5.如权利要求3所述的铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，7.0～8.0％；铁，0.5～0.9％；铜，0.05～0.09％；锰，0.03～0.08％；镁，0.2～0.5％；锌，0.2～0.8％；镍，0.05～0.09％；铝，89.6～91.9％。

6.如权利要求3所述的铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，7.5％；铁，0.6％；铜，0.06％；锰，0.1％；镁，0.3％；锌，0.2％；镍，0.06％；铝，91.18％。

7.如权利要求3所述的铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金的各个组分的质量百分比为：硅，6.2％；铁，0.5％；铜，0.05％；锰，0.05％；镁，0.2％；锌，0.5％；镍，0.05％；铝，92.45％。

8.如权利要求1所述的铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金还包括锡、铅，其中，锡的质量百分比为0～0.05％，铅的质量百分比为0～0.05％。

9.如权利要求1～8中任一项所述的铝硅合金，其特征在于，所述铝硅合金是用于半固态压铸的铝硅合金。

10.一种半固态压铸产品，其特征在于，所述半固态压铸产品由如权利要求1～8中任一项所述的铝硅合金制成。