CN108034870A - 一种高强高韧的压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强高韧的压铸铝合金及其制备方法，合金化学组成的质量分数为Si：8.0‑9.0%，Mg：0.2‑0.3%，Mn：0.3‑0.5%，Cu：0.1‑0.2%，Fe：0.15‑0.2%，Y：0.4‑0.6%，Er：0.2‑0.3%，Ti：0.01‑0.02%，B：0.03‑0.06%，余量为Al。采用稀土Y、Er和低Ti/B的Al‑1Ti‑3B对合金基体晶粒、共晶硅相和有害铁相进行高效复合细化变质处理，获得了均匀细小的铸态组织。本发明压铸合金抗拉强度≥300MPa、延伸率≥6%，力学性能较商用ADC12、YL104等压铸合金有较大幅度提高，可满足汽车等行业结构件的性能要求。

Description

一种高强高韧的压铸铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属材料技术领域，涉及一种高强高韧的压铸铝合金及制备方法。

背景技术

压铸铝合金件作为非结构件，在电气仪表、汽车摩托车、通讯等领域应用广泛。随着汽车、机械等领域对铸件薄壁轻量化要求越来越高，一些如汽车车身等高承载、薄壁结构件改由铝合金压力铸造成形，这要求压铸铝合金具高强度高韧性。然而，当前国内外应用广泛的Al-Si-Cu系（国内YL112、YL113，日本ADC12、ADC10，美国A380等）、Al-Si-Mg系（国内YL104，日本ADC3、美国A360等）普通压铸（非真空压铸）铝合金一般抗拉强度为220-240MPa、延伸率≤3%，远满足不了高强度高韧性的性能要求，尤其是塑性差。现有普通压铸铝合金强韧性差的原因主要有：1）含Fe量高：为防止压铸过程中粘模，国内压铸铝合金含Fe量高（Fe≤1.3%)，合金中形成的大量有害铁相AlSiFe严重降低合金的强度和塑性。2）不能热处理提高压铸件的力性：压铸使金属液以高速喷射状态充填型腔，易在金属液中卷入气体，产生铸件皮下气孔，一经热处理易造成铸件表面鼓泡或变形。

为满足压铸结构件的高强高韧要求，国外通过降低合金中铁含量、真空压铸减少压铸件内含气量、T6固溶时效热处理强化，开发了一些新型高强韧Al-Si-Mg系压铸铝合金，如德国相继开发了低铁（Fe＜0.15%)的Aural-2、Aural-3、Salifont36 等AlSiMgMn系合金，但这些合金需在真空压铸后，通过T6热处理方能获得良好力学性能。由于真空压铸工艺和设备繁杂，国内压铸行业仍主要以普通压铸为主，为此，迫切需要立足于国内普通压铸工艺，研发无需热处理强化的高强高韧压铸铝合金，以满足承受高载荷结构件的性能要求。

近几年，国内立足于普通压铸工艺，通过调整化学成分，提高压铸铝合金的铸态力学性能。但现已开发的Al-Mg-Si系新型高强高韧压铸合金因熔炼困难、铸造性能差，不适合薄壁结构件的压铸。

近共晶铝硅合金具优异的铸造性能，是压力铸造高强高韧结构件的首选合金系，目前已公开了一些该类高强高韧合金，但合金铸态强度或塑性仍未达到高韧性的要求。中国专利（专利申请公布号CN103243245A)公布的一高强度和高塑性压铸铝合金，其成分为Si：11-12%，Cu：0.2%，Fe：0.2%，Mn：0.5-0.85%，Mg：0.1%，Zn：0.5%，Ti：0.1-0.2%，该合金铸态抗拉强度达330MPs，但延伸率≤5%；中国专利（专利申请公布号CN105316542A)公布的高强度高韧性压铸铝合金成分为Si：7.5-8.5%，Mn：0.3-0.4%，Mg：0.2-03%，RE：0.1-0.2%，Sr：0.01-0.02%，Fe≤0.15%，Ti≤0.10%，Cu≤0.05%，该合金铸态延伸率达7%，但抗拉强度较低（250MPa左右）；中国专利（专利申请公布号CN104561691A)公开的一高塑性压铸铝合金，其成分为Si：7.5-14.5%，Mg：0.5-0.8%，Mn：0.2-0.5%，Ti：0.1-0.4%，RE：0.01-1.5%，Fe：0.6-1.3%，P≤100ppm，Sr：100-600ppm，合金延伸率高达20%，但强度有待进一步提高；中国专利（专利申请公布号CN106636787A)公开的高韧性压铸铝合金成分为：Si：9-10%，Cu：0.1-0.3%，Mn：0.2-0.3%，Ce：0.1-0.3%，具高强度高塑料（抗拉强度≥310Mpa，延伸率≥7%），但因合金中极低铁、锰量而存在压铸粘模工艺问题。

综上所述，针对高强高韧压铸铝合金的研究现状，迫切需要在普通压铸工艺下，通过优化Al-Si系压铸合金成分、高效细化变质处理改善合金的组织结构，开发铸造性能优良、高强度高塑性压铸铝合金，以满足高承载、薄壁压铸结构件的性能要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铸造性能优良、无需热处理强化的高强高韧压铸铝合金及其制备方法。

本发明通过以下技术方案实现。

在Al-Si-Mg系压铸合金基础上，通过优化合金成分实施本发明目的。具体为调整Si量至8.0-9.0%、降低Fe量至0.15-0.2%，以减少共晶硅相和富铁相对合金韧性的影响；增加Mn量，Mn部分替代Fe以防粘模；微量添加Cu、Y、Er强化合金基体；Y、Er、Al-1Ti-3B对合金高效复合细化变质处理。

本发明所述的一种高强高韧压铸铝合金，其化学组成的质量分数为Si：8.0-9.0%，Mg：0.2-0.3%，Mn：0.3-0.5%，Cu：0.1-0.2%，Fe：0.15-0.2%，Y：0.4-0.6%，Er：0.2-0.3%，Ti：0.01-0.02%，B：0.03-0.06%，余量为Al。

本发明合金中重稀土Y、Er既是细化变质剂，同时又是合金基体强化元素；采用Al-1Ti-3B、Al-10Y、Al-10Er对压铸铝合金细化变质处理，稀土Y、Er细化变质共晶硅相和有害铁相，使共晶硅呈纤维状、片状或骨架状的有害富铁相AlFeSi呈细小块状或颗粒状，低Ti/B的Al-1Ti-3B细化剂对基体α-Al进行高效细化处理；细化变质后合金中Y：0.4-0.6%、Er：0.2-0.3%、Ti：0.01-0.02%、B：0.03-0.06%。

本发明所述的一种高强高韧压铸铝合金的制备方法，其步骤如下。

（1）以纯铝、Al-20Si、Al-10Mn、Al-10Fe、Al-1Ti-3B、Al-10Y、Al-10Er中间合金及纯镁、纯铜为原材料，根据本发明铸造合金化学组成的质量分数配料。

(2) 采用电阻炉、石墨坩埚熔炼合金；将配好的合金原料纯铝、Al-20Si、Al-10Mn、Al-10Fe干燥后，放入预热的石墨粘土坩埚中随炉加热熔化；熔体温度690-700℃，用预热300℃的石墨钟罩压入纯镁。

(3）合金熔体温度730℃时，加入纯铜，搅拌后用预热300℃的石墨钟罩压入铝箔包裹的Cl₆C₂进行第一次精炼；扒渣后熔体温度升至740℃，先后加入烘干的Al-1Ti-3B、Al-10Y和Al-10Er中间合金进行细化变质处理，预热石墨棒充分搅拌2-3分钟。

（4）熔体温度740℃，用预热300℃的石墨钟罩压入铝箔包裹的Cl₆C₂进行第二次精炼；静置10分钟、扒渣后，700-710℃浇入预热180-200℃的压铸模压铸成型；保压3-5min开模取出铸件；压铸件经自然时效48-72小时后，测试合金铸件力学性能。

本发明具有以下特点。

（1）本发明在Al-Si-Mg系压铸合金基础，重点优化了Si、Fe、Mn含量；微量添加了Cu、Y、Er、Ti、B作为合金强化或细化变质元素。

（2）本发明以Al-1Ti-3B、Al-10Y、Al-10Er对合金进行细化变质处理，稀土Y、Er替代变质剂Sr既变质共晶Si，又能变质有害富铁相AlFeSi，同时避免了细化元素B与变质元素Sr间相互“毒化”及Sr变质加剧熔体吸气现象；本细化剂Al-1Ti-3B替代Al-5Ti-1B，避免了Al-5Ti-1B存在的硅化钛毒化Ti、B细化效果现象。与广泛使用的亚共晶Al-Si铸造合金细化变质剂Al-5Ti-1B+Al-10Sr相比，本发明的细化变质效果更好。

（3）本发明合金的铸态拉伸强度≥300MPa、延伸率≥6%.力学性能较现有ADC12、YL104等压铸合金有较大幅度提高，可满足汽车等行业压铸结构件的性能要求。

附图说明

图1为实施例1压铸合金的铸态组织。

图2是实施例3压铸合金的铸态组织。

图3为压铸合金的拉伸试样。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明工艺方法作进一步说明。本发明技术方案不局限于所列举具体实施例，还包括本发明合金成分间的各组合。

实施例1。

（1）选用纯铝、Al-20Si、Al-10Mn、Al-10Fe、Al-1Ti-3B、Al-10Y、Al-10Er中间合金及纯镁、纯铜为原材料，按Si：8.0%，Mg：0.2%，Mn：0.3%，Cu：0.1%，Y：0.4%，Er：0.2%，Fe：0.2%，Ti：0.015%，B：0.045%，余量为Al配料。

（2)采用电阻炉、石墨坩埚熔炼合金；将配好的合金原料纯铝、Al-20Si、Al-10Mn、Al-10Fe干燥后，放入预热的石墨粘土坩埚中随炉加热熔化；熔体温度690-700℃，用预热300℃的石墨钟罩压入纯镁。

（3）合金熔体温度730℃时，加入纯铜，搅拌后用预热300℃的石墨钟罩压入铝箔包裹的Cl₆C₂进行第一次精炼；扒渣后熔体温度升至740℃，先后加入烘干的Al-1Ti-3B、Al-10Y和Al-10Er进行细化变质处理，预热石墨棒充分搅拌3-5分钟。

（4）熔体温度740℃，用预热300℃的石墨钟罩压入铝箔包裹的Cl₆C₂进行第二次精炼；静置10分钟，扒渣；700-710℃浇入预热180-200℃的压铸拉伸模，J1113压铸机压铸成型。

（5）保压3-5min开模取出拉伸试样。

（6）合金试样自然时效48-72小时后，截取金相样并测试合金力学性能。

（7）光学显微镜观察试棒铸态组织，如图1所示，获得均匀细小的α-Al枝晶组织、共晶硅及富铁相呈颗粒分布。电子拉伸机测试试棒铸态力学性能，拉伸试棒如图3所示，拉伸速率0.5mm/min，本实施例合金的抗拉强度为301.5MPa、延伸率6.3%。

实施例2。

（1）选用纯铝、Al-20Si、Al-10Mn、Al-10Fe、Al-1Ti-3B、Al-10Y、Al-10Er中间合金及纯镁、纯铜为原材料，按Si：8.5%，Mg：0.3%，Mn：0.5%，Cu：0.2%，Y：0.5%，Er：0.2%，Fe：0.15%，Ti：0.015%，B：0.045%，余量为Al配料。

合金熔炼及合金试样的制备、组织观察及性能测试与实施例1一致。实施例2铸态组织特征与实施例1相同，合金的抗拉强度为305MPa，延伸率6.1%。

实施例3。

（1）选用纯铝、Al-20Si、Al-10Mn、Al-10Fe、Al-1Ti-3B、Al-10Y、Al-10Er中间合金及纯镁、纯铜为原材料，按Si：9%，Mg：0.3%，Mn：0.4%，Cu：0.15%，Y：0.6%，Er：0.3%，Fe：0.2%，Ti：0.015%，B：0.045%，余量为Al配料。

（2）合金熔炼及合金试样的制备、组织观察及性能测试与实施例1一致。实施例3铸态组织如图2所示，同样获得了均匀细小的α-Al枝晶组织、共晶硅及富铁相呈颗粒分布，与实施例1相比，共晶硅相增多。合金的铸态抗拉强度为308.2MPa，延伸率6.0%。

Claims (2)

1.一种高强高韧的压铸铝合金，其特征是化学组成的质量分数为：Si：8.0-9.0%，Mg：0.2-0.3%，Mn：0.3-0.5%，Cu：0.1-0.2%，Fe：0.15-0.2%，Y：0.4-0.6%，Er：0.2-0.3%，Ti：0.01-0.02%，B：0.03-0.06%，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种高强高韧的压铸铝合金的制备方法，其特征是按如下步骤：

（1）以纯铝、Al-20Si、Al-10Mn、Al-10Fe、Al-1Ti-3B、Al-10Y、Al-10Er中间合金及纯镁、纯铜为原材料，根据本发明铸造合金化学组成的质量分数配料；

(2) 采用电阻炉、石墨坩埚熔炼合金；将配好的合金原料纯铝、Al-20Si、Al-10Mn、Al-10Fe干燥后，放入预热的石墨粘土坩埚中随炉加热熔化；熔体温度690-700℃，用预热300℃的石墨钟罩压入纯镁；

(3）合金熔体温度730℃时，加入纯铜，搅拌后用预热300℃的石墨钟罩压入铝箔包裹的Cl₆C₂进行第一次精炼；扒渣后熔体温度升至740℃，先后加入烘干的Al-1Ti-3B、Al-10Y和Al-10Er中间合金对合金熔体进行细化变质处理，预热石墨棒充分搅拌2-3分钟；

（4）熔体温度740℃，用预热300℃的石墨钟罩压入铝箔包裹的Cl₆C₂进行第二次精炼；静置10分钟、扒渣后，700-710℃浇入预热180-200℃的压铸模压铸成型；保压3-5min开模取出铸件；压铸件经自然时效48-72小时后，测试合金铸件力学性能。