CN106319306A - 一种高强度高韧性压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种高强度高韧性压铸铝合金及其制备方法。该高强度高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.2wt%～5.3wt%；Si：1.5wt%～1.8wt%；Mn：0.14wt%～0.22wt%；Cu：0.12wt%～0.25wt%；Ti：0.05wt%～0.08wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。本发明较好地解决了现有Al‑Mg系合金铸造性能差、不容易压铸成型的难题。所开发的高强度高韧性压铸铝合金自然时效后20℃下，铸件的屈服强度为180‑200 MPa之间，抗拉强度为340‑350 MPa之间，延伸率为10‑15%之间。该合金可用于汽车和通讯行业形状复杂且对强度要求较高的零部件上面，与常规Al‑Si、Al‑Cu系列合金相比，在韧性上面有明显的优势。

Description

一种高强度高韧性压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种高强度高韧性压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
压力铸造作为一种液态精确成型方法，具有生产效率高、经济指标优良、铸件尺寸精度高和互换性好等优点，在制造业获得了广泛的应用和迅速的发展。铝合金在所有压铸合金中应用最为广泛，但因强韧性不够理想导致其应用范围受到较大的限制，特别不适用于汽车、摩托车等结构受力和碰撞的零件。本发明的申请人在先申请CN 105112748A，公开了一种高强度铸造铝合金及其制备方法，该铝合金成分为Al-Cu-Si-Mg-Mn-Zr-Ti，其与常规铝铜系列合金相比，在强度上面具有明显的优势，抗拉强度达320-370MPa，延伸率在2-6%之间，但由于延伸率较低，因此不能很好地满足汽车、通讯行业对结构件抗拉强度250MPa、延伸率6%的实际使用要求。因此，开发优化新型高强韧压铸铝合金乃当务之急。
随着铝合金的应用越来越广泛，工业产品对铝合金压铸件的要求也是不断提高，不仅要求压铸铝合金具有良好的延性和强度，而且希望铝合金具有良好的成形和后处理性能。Al-Si系合金虽然有较好的流动性，但是强度和塑性都不太高，因此，对于高强度要求的结构件，现有Al-Si系合金满足不了强度要求。
为了制备延伸率大于10%、抗拉强度高于300MPa的高强度高韧性铝合金。本发明申请人的团队研究发现：Al-Mg系合金延伸率较高，但只有当Mg含量高于4%时延伸率才能到10%以上，由于Mg元素固溶强化和时效强化，Mg元素还能够提高合金的力学性能。虽然Al-Mg系合金具有非常好的强度、塑性和韧性，还有优良的抗腐蚀性和表面处理特性，以及很好的机加工性，但是其压铸成形性能较差，容易热裂和充型不完整。
因此，如何改善Al-Mg系合金的流动性是本发明的主要目的。本发明主要是通过加入适量的Si元素提高合金的流动性，加入适量的Cu元素提高固溶强化效果和自然时效能力，避免后续热处理工序。Fe元素含量对塑性影响是最大的，形成的针状相对塑性降低很明显；提高Mn元素含量，代替Fe元素解决粘模问题；加入Ti元素主要是细化晶粒，提高合金的强度和塑性。
发明内容
1、本发明的目的。
本发明的一目的是解决目前Al-Mg系合金铸造性能差、不易压铸成型的技术难题而提供一种高强度高韧性压铸铝合金，Al-Mg-Si-Mn-Cu-Ti铝合金，该合金可用于汽车和通讯行业形状复杂且对强度要求较高的零部件上面，相对常规铝合金，有高韧性和铸造流动性好的优点，具有良好的应用前景。
本发明的另一目的是提供一种高强度高韧性压铸铝合金的制备方法。
2、本发明所采用的技术方案。
实现本发明一目的所采用的技术方案为：一种高强度高韧性压铸铝合金，所述的高强度高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.2wt%～5.3wt%；Si：1.5wt%～1.8wt%；Mn：0.14wt%～0.22wt%；Cu：0.12wt%～0.25wt%；Ti：0.05wt%～0.08wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
作为本发明的一优选技术方案：所述高强度高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.2wt%～4.8wt%；Si：1.5wt%～1.8wt%；Mn：0.14wt%～0.152wt%；Cu：0.12wt%～0.13wt%；Ti：0.05wt%～0.08wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
作为本发明的一优选技术方案：所述高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.8wt%～5.3wt%；Si：1.5wt%～1.8wt%；Mn：0.15wt%～0.22wt%；Cu：0.13wt%～0.25wt%；Ti：0.05wt%～0.08wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
作为本发明的一优选技术方案：所述高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.2wt%；Si：1.8wt%；Mn：0.15wt%；Cu：0.13wt%；Ti：0.05wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
作为本发明的一优选技术方案：所述高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.8wt%；Si：1.5wt%；Mn：0.14%；Cu：0.12wt%；Ti：0.05wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
作为本发明的一优选技术方案：所述高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：5.3wt%；Si：1.8wt%；Mn：0.22wt%；Cu：0.25wt%；Ti：0.08wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
实现本发明另一目的所采用的技术方案为：一种高强度高韧性压铸铝合金的制备方法，其包括制备步骤如下：
1）备料和炉子清理：根据合金成分比例备料，料备完炉子需要清洗干净，合金元素以纯合金或中间合金形式加入，Cu元素以Al-Cu中间合金形式加入，Si元素以单质或则Al-Si中间合金形式加入，Mg元素以纯Mg或则Al-Mg中间合金形式加入，Mn元素是以Al-Mn中间合金形式加入，Ti元素以Al-Ti中间合金形式加入；
2）熔化铝锭：纯铝锭表面清洗干净后，将纯铝锭放入井式炉坩埚内进行加热熔炼，铝液温度控制在690-710℃之间；
3）加入中间合金：待铝液温度达到700℃时，将烘干后的Al-Cu中间合金、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金加入到铝液中，铝液升温至750℃，将Al-Mn中间合金加入到铝液中，保温5分钟后，加入Al-Ti中间合金，保温15分钟，保证加入的中间合金全部熔化；
4）精炼：铝液温度达到750℃时，开始加入铝合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中用精炼勺上下搅拌5分钟至合金精炼充分；精炼降温至730℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣；
5）变质：铝液温度730℃时进行变质处理，加入Al-Ti-B变质剂进行变质，搅拌充分后静置10分钟。静置后拔渣，去除表面氧化皮和底部杂；
6）自然时效：将精炼、变质后的铝液温度降至700℃准备浇注，采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中，模具冷却后，铸件取出，常温下放置48h自然时效后，检测力学性能。
3、本发明的有益效果。
1）本发明较好地解决了现有Al-Mg系合金铸造性能差、不容易压铸成型的难题。所开发的高强度高韧性压铸铝合金自然时效后20℃下，铸件的屈服强度为180-200 MPa之间，抗拉强度为340-350 MPa之间，延伸率为10-15%之间。该合金可用于汽车和通讯行业形状复杂且对强度要求较高的零部件上面，与常规Al-Si、Al-Cu系列合金相比，在韧性上面有明显的优势。
2）本发明针对现有的Al-Mg系合金，立足于合金元素的固溶强化和时效热处理强化，通过加入适量的Cu、Mn、Ti等微量元素，合理配比合金元素的种类和比例，制备Al-Mg-Si-Mn-Cu-Ti多元化铝合金，通过合金元素的协同作用制备高强韧性铸造铝合金。
具体实施方式
为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。
实施案例1
以25kg为例，根据Al-4.2Mg-1.8Si-0.15Mn-0.13Cu-0.05Ti配比为例，计算出中间合金的质量，进行备料。
1）准备原材料和炉子清理，炉子需要清洗干净，避免残留的合金影响合金的性能。现根据合金成分比例备料，合金元素可以以纯合金和中间形式加入，Cu元素以Al-Cu中间合金加入，Si元素以单质或则Al-Si中间合金加入，Mg元素是以纯Mg或则Al-Mg中间合金加入，Mn元素是以Al-Mn中间合金加入，Ti元素以Al-Ti中间合金加入。
2）铝锭表面清洗干净后，将纯铝锭放入井式炉坩埚内，加热坩埚进行熔炼，铝液温度控制在690-710℃之间。
3）待铝液温度达到700℃时，将烘干后的Al-Cu中间合金、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金，加入到铝液中，铝液升温至750℃，将Al-Mn中间合金加入到铝液中，保温5分钟后，加入Al-Ti中间合金，保温15分钟，保证加入的中间合金全部熔化。
4）铝液温度达到750℃时，开始加入铝合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中用精炼勺上下搅拌5分钟至合金精炼充分。精炼降温至730℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣。
5）铝液温度730℃时进行变质处理，加入Al-Ti-B变质剂进行变质，搅拌充分后静置10分钟。静置后拔渣，去除表面氧化皮和底部杂质。
6）将精炼、变质后的铝液温度降至700℃准备浇注，采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中，模具冷却后，铸件取出。
7）常温下放置48h自然时效后，检测力学性能。
该高强度铸造合金20℃下铸件的屈服强度188.7MPa，抗拉强度343.0MPa，延伸率14.8%。
实施案例2
以25kg为例，根据Al-4.8Mg-1.5Si-0.14Mn-0.12Cu-0.05Ti配比为例，计算出中间合金的质量，进行备料。
1）准备原材料和炉子清理，炉子需要清洗干净，避免残留的合金影响合金的性能。现根据合金成分比例备料，合金元素可以以纯合金和中间形式加入，Cu元素以Al-Cu中间合金加入，Si元素以单质或则Al-Si中间合金加入，Mg元素是以纯Mg或则Al-Mg中间合金加入，Mn元素是以Al-Mn中间合金加入，Ti元素以Al-Ti中间合金加入。
2）铝锭表面清洗干净后，将纯铝锭放入井式炉坩埚内，加热坩埚进行熔炼，铝液温度控制在690-710℃之间。
3）待铝液温度达到700℃时，将烘干后的Al-Cu中间合金、Al-Si合金、Al-Mg合金加入到铝液中，铝液升温至750℃，将Al-Mn中间合金加入到铝液中，保温5分钟后，加入Al-Ti中间合金，保温15分钟，保证加入的中间合金全部熔化。
4）铝液温度达到750℃时，开始加入铝合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中用精炼勺上下搅拌5分钟至合金精炼充分。精炼降温至730℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣。
5）铝液温度730℃时进行变质处理，加入Al-Ti-B变质剂进行变质，搅拌充分后静置10分钟。静置后拔渣，去除表面氧化皮和底部杂质。
6）将精炼、变质后的铝液温度降至700℃准备浇注，采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中，模具冷却后，铸件取出。
7）常温下放置48h自然时效后，检测力学性能。
该高强度铸造合金20℃下铸件的屈服强度196.0MPa，抗拉强度348.6MPa，延伸率12.5%。
实施案例3
以25kg为例，根据Al-5.3Mg-1.8Si-0.22Mn-0.25Cu-0.08Ti配比为例，计算出中间合金的质量，进行备料。
1）准备原材料和炉子清理，炉子需要清洗干净，避免残留的合金影响合金的性能。现根据合金成分比例备料，合金元素可以以纯合金和中间形式加入，Cu元素以Al-Cu中间合金加入，Si元素以单质或则Al-Si中间合金加入，Mg元素是以纯Mg或则Al-Mg中间合金加入，Mn元素是以Al-Mn中间合金加入，Ti元素以Al-Ti中间合金加入。
2）铝锭表面清洗干净后，将纯铝锭放入井式炉坩埚内，加热坩埚进行熔炼，铝液温度控制在690-710℃之间。
3）待铝液温度达到700℃时，将烘干后的Al-Cu中间合金、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金加入到铝液中，铝液升温至750℃，将Al-Mn中间合金加入到铝液中，保温5分钟后，加入Al-Ti中间合金，保温15分钟，保证加入的中间合金全部熔化。
4）铝液温度达到750℃时，开始加入铝合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中用精炼勺上下搅拌5分钟至合金精炼充分。精炼降温至730℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣。
5）铝液温度730℃时进行变质处理，加入Al-Ti-B变质剂进行变质，搅拌充分后静置10分钟。静置后拔渣，去除表面氧化皮和底部杂质。
6）将精炼、变质后的铝液温度降至700℃准备浇注，采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中，模具冷却后，铸件取出。
7）常温下放置48h自然时效后，检测力学性能。
该高强度铸造合金20℃下铸件的屈服强度195.7MPa，抗拉强度347.2MPa，延伸率10.2%。

Claims (7)

1.一种高强度高韧性压铸铝合金，其特征在于：所述的高强度高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.2wt%～5.3wt%；Si：1.5wt%～1.8wt%；Mn：0.14wt%～0.22wt%；Cu：0.12wt%～0.25wt%；Ti：0.05wt%～0.08wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
2.根据权利要求1所述的高强度高韧性压铸铝合金，其特征在于：所述高强度高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.2wt%～4.8wt%；Si：1.5wt%～1.8wt%；Mn：0.14wt%～0.152wt%；Cu：0.12wt%～0.13wt%；Ti：0.05wt%～0.08wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
3.根据权利要求1所述的高强度高韧性压铸铝合金，其特征在于：所述高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.8wt%～5.3wt%；Si：1.5wt%～1.8wt%；Mn：0.15wt%～0.22wt%；Cu：0.13wt%～0.25wt%；Ti：0.05wt%～0.08wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
4.根据权利要求1所述的高强度高韧性压铸铝合金，其特征在于：所述高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.2wt%；Si：1.8wt%；Mn：0.15wt%；Cu：0.13wt%；Ti：0.05wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
5.根据权利要求1所述的高强度高韧性压铸铝合金，其特征在于：所述高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：4.8wt%；Si：1.5wt%；Mn：0.14%；Cu：0.12wt%；Ti：0.05wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
6.根据权利要求1所述的高强度高韧性压铸铝合金，其特征在于：所述高韧性压铸铝合金各组成成分为：Mg：5.3wt%；Si：1.8wt%；Mn：0.22wt%；Cu：0.25wt%；Ti：0.08wt%，其余为铝和其它杂质元素，其它杂质元素含量小于0.005%。
7.一种制备如权利要求1～6任一项所述高强度高韧性压铸铝合金的方法，其特征在于：包括制备步骤如下：
1）备料和炉子清理：根据合金成分比例备料，料备完炉子需要清洗干净，合金元素以纯合金或中间合金形式加入，Cu元素以Al-Cu中间合金形式加入，Si元素以单质或则Al-Si中间合金形式加入，Mg元素以纯Mg或则Al-Mg中间合金形式加入，Mn元素是以Al-Mn中间合金形式加入，Ti元素以Al-Ti中间合金形式加入；
2）熔化铝锭：纯铝锭表面清洗干净后，将纯铝锭放入井式炉坩埚内进行加热熔炼，铝液温度控制在690-710℃之间；
3）加入中间合金：待铝液温度达到700℃时，将烘干后的Al-Cu中间合金、Al-Si中间合金、Al-Mg中间合金加入到铝液中，铝液升温至750℃，将Al-Mn中间合金加入到铝液中，保温5分钟后，加入Al-Ti中间合金，保温15分钟，保证加入的中间合金全部熔化；
4）精炼：铝液温度达到750℃时，开始加入铝合金专用精炼剂进行精炼，精炼过程中用精炼勺上下搅拌5分钟至合金精炼充分；精炼降温至730℃保温、静置5分钟，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行拔渣；
5）变质：铝液温度730℃时进行变质处理，加入Al-Ti-B变质剂进行变质，搅拌充分后静置10分钟，静置后拔渣，去除表面氧化皮和底部杂；
6）自然时效：将精炼、变质后的铝液温度降至700℃准备浇注，采用金属型重力浇注工艺，浇注模具在烘箱中升温至200℃，用料勺将铝液加入到模具之中，模具冷却后，铸件取出，常温下放置48h自然时效后，检测力学性能。
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