CN105401005A - 一种Al-Si合金材料及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种Al-Si合金材料，主要成分及各成分的重量百分含量为Si：8.70-9.50%；Fe：0.50-0.60%；Cu：2.70-3.40%；Mn：0.30-0.50%；Mg：0.35-0.45%；Ti：0.05-0.10%；Sr：0.03-0.05%；Zn≤1.20%；其余为Al。本发明提出一种抗拉性能和硬度高的Al-Si合金材料，通过对该合金材料的主要成分及其含量的限定，克服了现有合金材料由于成分含量不合理导致力学性能低的问题，提高了铝合金材料的力学性能。本发明Al-Si合金制备方法采用常规的生产步骤，原料易得，成本低，易于实现。

Description

一种Al-Si合金材料及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料，尤其涉及一种Al-Si合金材料；本发明还涉及这种合金材料的生产方法。

背景技术

随着经济的不断发展，人们的生活水平和思想素质不断提高，对环境保护的意识也越来越强。在当今节能减排的主旋律下，低排放已成为市场需求必然的趋势。铝是最常用的轻金属之一，纯铝的比重小(约为2.7g/cm3)为铁的35％。铝合金的比强度与合金结构钢相当。铝及铝合金材料除密度小外，还具有一系列的优良性能：耐蚀性好、易成形、可表面处理、可回收再生回用等。目前铝合金铸件已在汽车、航天、医药等领域中获得广泛应用，随着铝合金产品性能提升的同时也正在逐步取代黑色金属制品。

产品轻量化已成为当今节能的一个新方向，尤其是交通运输工具上。根据文献研究，车身重量每降低1％，燃油消耗将会下降0.6％-1％。从现有情况来看，汽车采用全铝车身和碳纤维车身设计是大势所趋。但是，铝合金车身因其制造成本相对较低，更容易在普通车型中普及，未来发展的空间更大。目前SUV汽车大量生产，其四驱传动箱等铝铸件要求有良好的抗拉强度、硬度等力学性能，而目前国内对材料研发工作做得较少，还没有适合的标准材料满足使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力学性能好的Al-Si合金材料。

本发明的第二个目的在于提供上述合金材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的，一种Al-Si合金材料，主要成分及各成分的重量百分含量为Si：8.70-9.50％；Fe：0.50-0.60％；Cu：2.70-3.40％；Mn：0.30-0.50％；Mg：0.35-0.45％；Ti：0.05-0.10％；Sr：0.03-0.05％；Zn≤1.20％；其余为Al。

还包括不可避免的杂质，所述杂质及其重量百分含量为Ni≤0.30％；Sn≤0.10％；Ca≤0.003％；Sb≤0.005％；P≤0.002％；Pb≤0.20％。

其余未提到的杂质元素的总含量≤0.25％，其余未提到的单个杂质元素含量≤0.05％。

本发明的第二个目的是这样实现的，上述Al-Si合金材料的生产方法，所用原料包括铝锭和回炉料，铝锭的成分及各成分的重量百分含量为Si：8.70-9.20％；Fe：0.50-0.58％；Cu：2.80-3.30％；Mn：0.30-0.45％；Mg：0.37-0.47％；Ti：0.06-0.10％；Sr：0.04-0.06％；Zn≤1.00％；Ni≤0.20％；Sn≤0.07％；Ca≤0.003％；Sb≤0.005％；P≤0.002％；Pb≤0.10％；其余为Al；回炉料为一级回炉料，回炉料在原料中的重量百分含量≤40％；按照以下步骤进行：

(1)将铝锭和回炉料投入熔炼炉，熔化，等待铝水达到放水温度；

(2)放水前检测熔炼炉内铝水的化学成分和Sr元素的含量；

(3)将铝水放出到转水包内，若Sr元素的重量百分含量低于0.045％，则添加Al-Sr10中间合金，加入Al-Sr10中间合金后通入惰性气体进行旋转除气，以降低铝水含氢量，然后倒入保温炉；若Sr元素的重量百分含量不低于0.045％，则直接倒入保温炉；

(4)将铝水从转水包倒入保温炉后，再次检测Sr元素的含量，若Sr元素的重量百分比含量低于0.03％，则将铝水转出重复步骤(3)和(4)，直到Sr元素的重量百分比含量不低于0.03％，则进行压铸，形成Al-Si合金材料。

由于Sr元素为易烧损元素，根据监测，Sr元素在650-670℃温度下前3小时变化不大，随后会以每小时约为5％-8％的烧损变化，因此，超过4小时必须对其进行化学成分检测。

步骤(4)中，压铸时铝水的浇铸温度为650-670℃。

为了进一步提高合金材料的抗拉强度和硬度，将完成压铸的Al-Si合金材料进行低温时效处理，处理温度控制在170-180℃，保温7小时。

对于Al-Si压铸合金，国际上已有常用的标准及对应的成本含量做出规定，主要包括美国标准ASTMB85；日本标准JISH5302；德国标准DINEN1706；国标GB/T15115等。一般的根据含硅量将Al-Si合金分为三类，亚共晶Al-Si合金、共晶Al-Si合金和过共晶Al-Si合金。硅含量越高越能够提高铝水的流动性，有利于产品成型，也能提高产品的抗拉强度，但硅含量超过Al-Si合金二元共晶点后必须做变质处理降低板状初生硅和粗针状共晶硅的形成，否则将大大降低产品的力学性能。另外当硅含量超过二元共晶点，硅含量越高合金的熔炼温度也越高，能耗越多。过共晶Al-Si合金最突出的性能为耐磨性，主要用于活塞等摩擦工作状态下的产品，目前国内使用过共晶Al-Si合金材料非常少，市场使用率不高。

本发明针对汽车行业用得最多的亚共晶Al-Si合金进行研究。使用广泛的亚共晶Al-Si合金的硅含量一般在7-10％，对比常用的亚共晶Al-Si合金材料如A380、AlSi9Cu3(Fe)等材料的力学性能，最终选择了AlSi9Cu3(Fe)牌号成分作为本次研究基础。为了提高Al-Si合金的各种性能，通常通过加入其它合金元素改善其性能，采用较多的主要元素有Cu、Fe、Mg、Mn、Zn。合金元素Cu在Al-Si合金中能够增加合金的流动性且有一定的固溶强化效果，有着明显的时效强化效果，通常Al-Si合金中铜含量在1.5％-4.0％；合金元素Fe在Al-Si合金随含量增加会降低合金抗拉强度和断后延伸率，但Fe元素在0.5-0.8％之间能够有效的改善合金铝液与模具的粘接；合金元素Mg在Al-Si合金中随着成分比例增加合金的抗拉强度也随之增加，但随Mg元素含量越高也会降低合金抗腐蚀和焊接性；Mn元素的加入能够使Al-Mg化合物沉淀，改善Mg元素带来的合金抗腐蚀和焊接性降低，同时Al-Mn化合物也能够溶解杂质Fe，减小Fe元素的有害影响。Mn元素的增加能够提高Al-Si合金的抗拉强度但含量超过0.8％时会降低；Zn元素单独加入合金中存在应力腐蚀开裂，当Zn元素成分在低于1％时对合金的抗拉强度有一定的提高，且Zn元素能够改善合金抗腐蚀能力。

本发明研究人员通过对各种主要元素分析和不同元素成分比例分析，同时考虑到生产时铝锭与回炉料使用安全范围对铝锭成分进一步优化控制，最终得出一组能够满足使用要求的Al-Si合金材料的成分及各成分的重量百分含量。因为Fe元素在Al-Si合金中为杂质元素，考虑到实际生产铝液粘模的风险，由于Fe元素在生产过程中不会烧损且在精炼过程中容易带入，因此将Fe元素控制在0.50-0.58％范围；Cu元素对合金力学性能有较高的提升，将Cu元素控制在2.80-3.30％范围内；Mg和Mn元素在合金中有相辅相成，考虑到Mg元素在熔炼过程中有轻微烧损，因此将Mg元素成分控制到0.37-0.47％，Mn元素成分控制在0.30-0.45％；Zn元素在一定比例下对合金性能有利有弊控制在≤1.00％。

目前Al-Si合金常用变质剂主要有P和Sr两种元素，P元素变质会受到微量元素Ca的影响，而Sr元素与Ca为同一族元素，化学性质相同，变质效果不会受Ca元素影响。本发明选择了Sr元素作为变质剂进行变质处理。Sr属于表面活性元素，在结晶学上Sr能够改变金属间化合物金相，同时Sr变质的有效时间长，再现性好。由于Sr元素极易烧损，因此，本发明将Sr含量控制在0.03-0.05％，这样可以使初晶硅减少至最低限度，力学性能得到显著提高。另一种稀有金属元素Ti在Al-Si结晶时成为结晶的非自发核心，能够细化铸件组织，有利于提高合金力学性能。Ti元素在Al-Si合金中临界含量为0.15％，为控制其不超过临界点将Ti元素成分控制在0.06-0.10％。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明通过对铝合金中不同元素及不同含量对力学性能优劣的影响的研究，提出一种抗拉性能和硬度高的Al-Si合金材料，通过对该合金材料的主要成分及其含量的限定，克服了现有合金材料由于成分含量不合理导致力学性能低的问题，提高了铝合金材料的力学性能。

2、本发明从材料金相着手使用变质剂对合金进行变质处理，细化晶粒，从而提高了Al-Si合金材料的力学性能。

3、采用本发明Al-Si合金制备方法生产的Al-Si合金材料具有较强的力学性能和硬度，抗拉强度平均达到330MPa，断后延伸率平均达到2.0％以上，硬度可达95HB以上，可满足使用需求。

4、本发明Al-Si合金制备方法采用常规的生产步骤，原料易得，成本低，易于实现。

附图说明

图1为Sr元素同温度下烧损图。

图2为未添加Sr变质的铝合金材料金相组织图，100x，(金相组织为a(Al)+针状共晶硅+小块状初晶硅)。

图3为本发明添加Sr变质的铝合金材料金相组织图，100x(金相组织为a(Al)+点状、短杆状共晶硅)。

图4为本发明实施例生产的铝合金材料的试验力-时间曲线图。

具体实施方式

本发明实施例中，对合金成分的重量含量要求非常严格，其中生产中易带进的Fe元素的偏差控制在0.08％内；熔炼时易烧损的Mg元素的偏差控制在0.1％内、Sr元素的偏差控制在0.02％内。为了很好的控制这几种元素在合金材料中的含量，本发明采用以下方法：Fe元素作为生产环节最容易带进的成分，应在铝锭阶段以下限控制Fe元素，其次在熔炼、精炼等任何需接触铝水的铁质工具上刷隔热涂料以避免生产过程中引入Fe元素造成成分超标。Mg和Sr为易烧损元素，对于Mg元素从固态熔化为液态烧损率约为5％，故铝锭成分按上限控制即可满足一般生产。Sr从固态熔化为液态烧损率高达30％，生产过程中及难控制，Sr元素同温度下烧损变化参见图1，图1中纵坐标表示Sr元素的百分含量，横坐标表示不同阶段。由于Sr元素无论是在熔化、保温等环节都有烧损，因此铝锭可直接以比标准Sr含量高30％控制，即铝锭中Sr元素含量为0.04-0.065％，在熔炼完后将铝水放出到转水包内，若实测的Sr元素成分低于0.045％时必须添加Al-Sr10中间合金，同样按照30％烧损比例计算添加量。添加Al-Sr10中间合金必须满足以下条件：1、铝水温度680℃以上以保证Sr元素完好变质；2、因为Sr元素在熔化过程中会大量吸氢，因此加入Al-Sr10中间合金后采用惰性气体进行旋转除气，以减少铝水含氢量。

实施例1，一种Al-Si合金材料，所用原料包括铝锭和回炉料，采购的铝锭主要成分及各成分的重量百分含量为Si：8.90；Fe：0.52；Cu：3.30；Mn：0.42；Mg：0.40；Ti：0.09；Sr：0.05，Zn≤1.00，其余为Al；杂质包括；Ni≤0.20；Sn≤0.07；Ca≤0.003；Sb≤0.005；P≤0.002；Pb≤0.10。其余杂质的全部成分总和≤0.25，其余杂质中各个杂质≤0.05。回炉料比例为40％，回炉料为1级回炉料；按照以下步骤进行：

(1)将铝锭和回炉料投入熔炼炉，熔化，等待铝水达到730±10℃放水温度；

(2)放水前检测熔炼炉内铝水的化学成分和Sr元素的含量，化学成分为：Si：9.02；Fe：0.56；Cu：3.16；Mn：0.34；Mg：0.45；Ti：0.09；Sr：0.036，Zn：0.62；Ni：0.02；Sn：0.007；Ca：0.001；Sb:0.001；P:0.001；Pb：0.02。

(3)将铝水放出到转水包内，添加Al-Sr10中间合金；由于Sr元素从固态合金变为液态烧损量约为30％，因此以该烧损比例计算Al-Sr10中间合金的添加量，添加Al-Sr10中间合金时铝水温度在680°C以上，以保证Sr元素的变质效果；加入Al-Sr10中间合金后通入惰性气体进行旋转除气，以降低铝水含氢量，然后倒入保温炉；

(4)将铝水从转水包倒入保温炉后，再次检测Sr元素的含量，Sr元素的重量百分比含量为0.04％，进行压铸，形成Al-Si合金材料。压铸时铝水的浇铸温度为650-670℃。

将完成压铸的Al-Si合金材料进行低温时效处理，处理温度控制在170-180℃，保温7小时。

本实施例生产的Al-Si合金材料的性能检测如下：

1、产品成分实测值：

Si：8.95；Fe：0.55；Cu：3.01；Mn：0.34；Mg：0.43；Ti：0.09；Sr：0.041；Zn：0.64；Ni：0.02；Sn：0.008；Ca：0.001；Sb：0.002；P：0.001；Pb：0.02。

2、本实施例生产的铝合金材料的性能与常规铝合金材料的性能对比见表1：

表1本实施例铝合金材料与常规铝合金材料性能对比

3、采用本实施例生产的Al-Si合金材料拉力试验情况见下表2。

表2本实施例Al-Si合金材料制作的拉力试棒的力学性能

通过表2中的试验结果可以看出，本发明Al-Si合金材料压铸出的试棒通过175℃±5℃，保温7小时时效处理后，抗拉强度平均能够达到320Mpa以上，断后延伸率达到2.0％以上。

4、本实施例生产过程中Sr元素在660±3℃保温过程中的百分含量变化见图1。

试验情况：

1)铝锭中的Sr元素含量为0.05％，由铝锭在740-750℃下化为铝水时Sr元素含量约为0.032％，该过程中Sr元素烧损36％。

2)转水包(温度680-700℃)加入Al-Sr10中间合金，按照Sr元素0.45％配比，配比后成分检测Sr元素含量约为0.41％，该过程Sr元素烧损31％。

3)将铝水放入保温炉内温度控制在660℃±3℃,Sr元素前4小时变化不大，总和仅有5％，之后每小时会有5-8％烧损。

5、图2为未添加Sr变质剂的产品金相图，金相组织中主要为a(Al)+针状共晶硅+小块状初晶硅，该情况下的晶粒未达到完全细化；图3为本实施例中添加Sr元素变质对材料金相组织的变化图，金相组织主要为a(Al)+点状、短杆状共晶硅,晶粒得到进一步细化有利于提高材料的强度和韧性。

6、图4为本实施例生产的铝合金材料的力学性能图，该拉力试验曲线采用的试样直径为Ф5拉力试棒。从该拉力曲线看出试棒约在7KN处断裂，根据公式计算该试棒的抗拉强度约为350MPa。

实施例2，一种Al-Si合金材料，所用原料包括铝锭和回炉料，采购的铝锭主要成分及各成分的重量百分含量见表3。未提到的杂质的全部成分总和≤0.25，未提到的单个杂质元素成分≤0.05。回炉料使用比例≤40％，且只能为1级回炉料(一级回炉料：料饼、不因成分报废且无油污的废件)；按照以下步骤进行：

将铝锭和回炉料投入熔炼炉，熔化，等待铝水达到730±10℃的放水温度；

(2)放水前检测熔炼炉内铝水的化学成分和Sr元素的含量未0.37％；

(3)将铝水放出到转水包内，然后倒入保温炉；

(4)将铝水从转水包倒入保温炉后，再次检测Sr元素的含量，Sr元素的重量百分比含量为0.035％，进行压铸，形成Al-Si合金材料。压铸时铝水的浇铸温度为650-670℃。

将完成压铸的Al-Si合金材料进行低温时效处理，处理温度控制在170-180℃，保温7小时。

本实施例生产的Al-Si合金材料的性能见表4。

本实施例制备的Al-Si合金材料压铸出的试棒通过175℃±5℃，保温7小时时效处理后，抗拉强度平均能够达到330Mpa以上，断后延伸率达到2.5％以上。

实施例3，一种Al-Si合金材料，所用原料包括铝锭和回炉料，采购的铝锭主要成分及各成分的重量百分含量见表3。未提到的杂质的全部成分总和≤0.25，未提到的单个杂质元素成分≤0.05。回炉料使用比例≤40％，且只能为1级回炉料(一级回炉料：料饼、不因成分报废且无油污的废件)。制备方法同实施例1；本实施例制备的Al-Si合金材料的成分及其重量百分含量见表4。

实施例4，一种Al-Si合金材料，所用原料包括铝锭和回炉料，采购的铝锭主要成分及各成分的重量百分含量见表3；未提到的杂质的全部成分总和≤0.25，未提到的单个杂质元素成分≤0.05。回炉料使用比例≤40％，且只能为1级回炉料(一级回炉料：料饼、不因成分报废且无油污的废件)；制备方法同实施例2。本实施例制备的Al-Si合金材料的成分及其重量百分含量见表4；本实施例铝合金材料性能见表5；本实施例Al-Si合金材料制作的拉力试棒的力学性能见表6。

表3各实施例中铝锭的主要成分及其重量百分含量含量

表4各实施例制备的Al-Si合金材料的主要成分及其重量百分含量

表5本发明各实施例铝合金材料性能

实施例	抗拉强度(Mpa)	断后延伸率(％)	硬度(HB)
				实施例1	337	2.4	102
实施例2	328	2.1	98
				实施例3	316	2.5	101
实施例4	342	2.2	98

表6本发明各实施例Al-Si合金材料制作的拉力试棒的力学性能

本发明材料压铸出的试棒通过175℃±5℃，保温7小时时效处理后抗拉强度平均能够达到320Mpa以上，断后延伸率在该温度下时效有轻微降低平均也能够达到2.0％以上，可以满足SUV汽车的四驱传动箱等铝铸件要求。

Claims (6)

1.一种Al-Si合金材料，其特征在于：主要成分及各成分的重量百分含量为Si：8.70-9.50%；Fe：0.50-0.60%；Cu：2.70-3.40%；Mn：0.30-0.50%；Mg：0.35-0.45%；Ti：0.05-0.10%；Sr：0.03-0.05%；Zn≤1.20%；其余为Al。

2.如权利要求1所述的Al-Si合金材料，其特征在于：还包括不可避免的杂质，所述杂质及其重量百分含量为Ni≤0.30%；Sn≤0.10%；Ca≤0.003%；Sb≤0.005%；P≤0.002%；Pb≤0.20%。

3.如权利要求2所述的Al-Si合金材料，其特征在于：其余未提到的杂质元素的总含量≤0.25%，其余未提到的单个杂质元素含量≤0.05%。

4.如权利要求1-3任一项所述的Al-Si合金材料的生产方法，其特征在于：所用原料包括铝锭和回炉料，所述铝锭的成分及各成分的重量百分含量为Si：8.70-9.20%；Fe：0.50-0.58%；Cu：2.80-3.30%；Mn：0.30-0.45%；Mg：0.37-0.47%；Ti：0.06-0.10%；Sr：0.04-0.06%；Zn≤1.00%；Ni≤0.20%；Sn≤0.07%；Ca≤0.003%；Sb≤0.005%；P≤0.002%；Pb≤0.10%；其余为Al；所述回炉料为一级回炉料，所述回炉料在原料中的重量百分含量≤40%；按照以下步骤进行：

（1）将铝锭和回炉料投入熔炼炉，熔化，等待铝水达到放水温度；

（2）放水前检测熔炼炉内铝水的化学成分和Sr元素的含量；

（3）将铝水放出到转水包内，若Sr元素的重量百分含量低于0.045%，则添加Al-Sr10中间合金，加入Al-Sr10中间合金后通入惰性气体进行旋转除气，以降低铝水含氢量，然后倒入保温炉；若Sr元素的重量百分含量不低于0.045%，则直接倒入保温炉；

（4）将铝水从转水包倒入保温炉后，再次检测Sr元素的含量，若Sr元素的重量百分比含量低于0.03%，则将铝水转出重复步骤（3）和（4），直到Sr元素的重量百分比含量不低于0.03%，则进行压铸，形成Al-Si合金材料。

5.如权利要求4所述的Al-Si合金材料的生产方法，其特征在于：步骤（4）中，所述压铸时铝水的浇铸温度为650-670℃。

6.如权利要求4或5所述的Al-Si合金材料的生产方法，其特征在于：将完成压铸的Al-Si合金材料进行低温时效处理，处理温度控制在170-180°C，保温7小时。