CN108517446A - 一种用于真空压铸的高韧性铝合金及其产品的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料领域，并公开了一种用于真空压铸的高韧性铝合金。按照质量百分比计，该铝合金包括以下组分：硅7.0％～8.5％，混合稀土0.10％～0.40％，锰0.3％～0.8％，铜0.2％～0.6％，镁0.3％～0.6％，锶0.01％～0.03％，铁≤0.18％，杂质≤0.20％，余量为铝。本发明还公开了该高韧性铝合金产品的制备方法，其包括选取原料并进行配比，将原料混合后熔炼获得合金熔体，将合金熔体真空压铸成形获得所需的产品。通过本发明，获得的铝合金力学性能好，韧性高，强度高，铝合金产品制备方法简单，具备高韧性和高强度，应用于汽车结构件等零件的生产。

Description

一种用于真空压铸的高韧性铝合金及其产品的制备方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，更具体地，涉及一种用于真空压铸的高韧 性铝合金及其产品的制备方法。

背景技术

压力铸造简称压铸，是一种高速高效的先进铸造成形工艺，是铝合金 汽车零部件、电器元件等铸件的主要成形方法之一。但是通常现有压铸生 产的铝合金铸件内部气孔多，韧性很差，并无法进行固溶热处理或焊接成 形，也不能进行过多的机加工。因此压铸件在汽车的重要保安零件，如底 盘悬架上的副车架、车门立柱等结构受力件上的应用受到严重限制。真空 压铸作为一种新型的压铸工艺，是在铝液进入型腔之前将型腔内的空气抽出而形成一定的真空度后压铸成形的，目前真空压铸的真空系统设备及工 艺以逐渐成熟，已开始应用于生产中。虽然真空压铸可以大幅度减少铝合 金压铸件内部的气孔等缺陷，但是在真空压铸工艺下又只能采用现有的压 铸铝合金时铸件的伸长率仍然很低，不能满足结构受力件对高韧性的要求。 因此，新型压铸用铝合金材料的研究开发需求是十分迫切的。

工业生产中应用最多的韧性较好的压铸铝合金材料为Al-Mg-Si系，如 国内YL302，日本ADC5、ADC6以及美国518等牌号压铸铝合金，因为上述 合金具有良好的耐腐蚀性、较高的强度及韧性，但是由于Mg含量较高，一 般含4％～6％Mg，Mg在熔炼及压铸过程中很容易氧化，带入夹杂物；其次应 用比较多的是具有良好抗冲击性能和抗疲劳强度的Al-Si-Mg系合金，如 YL104、ADC3、A360等，Al-Si-Mg系合金需通过固溶强化和时效处理才能提高其力学性能，但如前所述，压铸件一般不能进行固溶热处理，同时对 于薄壁复杂零件而言，固溶处理将导致零件的严重变形；而另一类传统的 压铸Al-Si-Cu系合金，如YL112，ADC12等，该类合金中加入的Cu含量较 高，一般在1％～5％Cu，Cu虽然可以提高压铸件的强度，但却降低了铸件的 韧性，而且过多Cu的加入会降低铸件的耐腐蚀性能；因此，现有的Al-Si-Cu 系、Al-Si-Mg系及Al-Mg系压铸铝合金均不属于高强度、高韧性的压铸铝 合金材料，无法满足高强度、高韧性、抗冲击、耐腐蚀等复杂薄壁的汽车 结构受力件的要求，不能应用于轿车上的安保零件，无法满足轿车轻量化 的发展。

此外，由于压铸时铝合金熔液在高速高压下以喷射状态流入型腔，为 了防止铝液粘模及腐蚀损坏模具，现有压铸铝合金中的Fe含量一般都在1％ 以上，但是Fe与合金中的Al和Si会生成针状的FeAl₃、Al-Fe-Si等中间 化合物，此类中间化合物的存在严重削弱了压铸件的力学性能，尤其是断 裂韧性。综上所述，研究开发新型压铸用铝合金材料、或真空压铸用高韧 性铝合金等是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于真空压 铸的高韧性铝合金及其产品的制备方法，该铝合金降低了Fe含量，增加Mn 的含量，使得该铝合金韧性高的同时又不会因为Fe很少而粘模，适用于真 空压铸，此外，该铝合金的产品的制备方法中采用非Fe的坩埚防止增铁， 确保Fe<0.18％，通过采用模具型腔的真空度在5kPa以下的真空度实现真空 压铸，由此解决制备获得的铝合金材料或产品力学性能差和韧性低的技术 问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于真空压铸 的高韧性铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，该铝合金包括以下组 分：

硅7.0％～8.5％，混合稀土0.10％～0.40％，锰0.3％～0.8％，铜0.2％～0.6％，镁0.3％～0.6％，锶0.01％～0.03％，铁≤0.18％，杂质≤0.20％，余 量为铝。

进一步优选地，所述混合稀土包括轻稀土元素铈和镧。

进一步优选地，所述杂质包括硼、锌、铬、镍、铅、锡、钙和钒中的 一种或多种。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的铝合金产品的制备方 法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取纯铝、纯铜、纯镁、中间合金和混合稀土作为制备铝合金的 原材料，其中，所述中间合金包括铝锶合金、铝硅合金和铝锰合金，所述 混合稀土为65％Ce-35％La；

(b)将所述原材料混合并进行熔炼，熔炼过程中采用非铁坩埚进行熔 炼，以此获得合金熔体，该熔炼的温度为740℃～760℃；

(c)将所述合金熔体浇注到压铸机中进行真空压铸，以此获得所需产 品。

进一步优选地，在步骤(b)中，获得所述合金熔体后，对该合金熔体 采用旋转吹氩气或氮气进行精炼，以此实现对所述合金熔体的除气除杂， 其中，所述旋转吹惰性气体过程中，所述合金熔体的温度为710℃～730℃。

进一步优选地，在步骤(c)中，所述真空压铸的模具型腔的真空度在 5kPa以下，熔体浇注温度为650℃～690℃，压铸机压射压力为60MPa～ 70MPa，压射速度为4.0m/s～5.5m/s。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述铝锶合金为Al-10％Sr，所述铝硅 合金为Al-20％Si或Al-22％Si，所述铝锰合金为Al-15％Mn或Al-10％Mn。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：

1、本发明通过控制铝合金中各组分的质量百分比，使得获得的铝合金 具有优异的力学性能及良好的铸造性能，主要由于强化元素Si的最适宜范 围和稀土元素的配合，以及熔炼过程中采用非铸铁坩埚而严格控制含Fe量， 使该铝合金在强度高的同时具有很好的韧性，同时其抗拉强度、屈服强度 都大幅提升，硬度高，伸长率大，而且无需固溶热处理，可以用于轿车等 的安保零件，满足轿车等的轻量化发展需求；

2、本发明提供的铝合金产品的制备方法，利用现有的压铸机及真空压 铸系统及方法，通过明确控制型腔在5kPa以下的较低真空度，制备过程简 单，操作方便，且获得的铝合金产品，力学性能优异，无气孔缺陷。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施 例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例 仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明 各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互 组合。

一种压力铸造用的压铸铝合金材料，所述铝合金为Al-Si-RE-Mn系，， 相当于传统Al-Si-Mg系压铸合金基础上的新的改良系，按照质量百分比计： 硅：7.0％-8.5％、混合稀土(RE)：0.10％-0.40％、锰：0.3％-0.8％、铜： 0.2％-0.6％、镁：0.3％-0.6％、锶：0.01％-0.03％、铁：≤0.18％、不可避免 的杂质≤0.20％，余量为铝。

所述混合稀土(RE)由轻稀土元素铈(Ce)和镧(La)组成。

所述不可避免的杂质含有：硼、锌、铬、镍、铅、锡、钙、钒。

所述铝合金材料可以为(质量百分数)：硅：7.0％、混合稀土(RE)： 0.20％、锰：0.8％、铜：0.6％、镁：0.3％、锶：0.01％、铁：≤0.18％、不 可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

所述铝合金材料可以为(质量百分数)：硅：8.0％、混合稀土(RE)： 0.40％、锰：0.5％、铜：0.4％、镁：0.45％、锶：0.02％、铁：≤0.18％、 不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

所述铝合金材料可以为(质量百分数)：硅：8.5％、混合稀土(RE)： 0.10％、锰：0.3％、铜：0.2％、镁：0.6％、锶：0.03％、铁：≤0.18％、不 可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

本发明还提供一种压铸铝合金产品的制备方法，该方法包括下列步骤：

第一步：根据设计的合金成分准备原料及配料。原材料分别为纯铝、 纯铜、纯镁以及Al-20％Si或Al-22％Si、Al-15％Mn或Al-10％Mn、Al-10％Sr 中间合金和65％Ce-35％La混合稀土。

第二步：对合金原料进行熔炼。将准备好的原料放入熔炼炉中进行熔 炼，采用非铁的石墨材料坩埚或碳化硅材料坩埚或混合材料坩埚熔炼。熔 炼温度为740℃～760℃。原料熔炼完成后，调节熔体温度至710℃～730℃， 然后采用旋转吹氩气或氮气的方式对合金熔体进行除气除杂的精炼处理， 精炼10min～15min，得到高质量的熔体。

第三步：压铸成形。将合金熔体浇注入压铸机的压室内，立即真空压 铸成形得到零件。真空压铸的模具型腔的真空度在5kPa以下，熔体浇注温 度控制在650℃～690℃。压铸机压射压力为60MPa～70MPa，压射速度为 4.0m/s～5.5m/s。

铝合金中的成分变化对材料的力学性能有着重要的影响：

当铝合金中Si含量提高，Si在Al-Si合金形成细小Si相这一第二相， 在铝基体中阻碍位错运动，起增强效果,材料的抗拉强度、屈服强度升高， 但是Si相又比较硬、脆，会使伸长率下降。同时Si含量增加、熔点降低， 可以提高材料的铸造性能，如流动性提高、热裂倾向降低等。当Si的含量 低于7.0％时，起增强作用的Si相偏少，合金的强度偏低，而伸长率增加； 当高于8.5％时，材料的强度提高而伸长率或韧性降低，因而最佳的Si含 量控制在7.0％～8.5％。

在合金中加入Ce/La混合稀土，Ce及La元素在铝基体中的溶解度都很 小，凝固过程中会被排出到固相前沿聚集，形成成分过冷，可以起到细化 晶粒作用；而且Ce及La元素与氧或气体元素的亲和力大，可以起到除气 除杂的作用。但由于压铸过程中金属铝液的冷却速度较快，混合稀土含量 低时的细化作用并不明显，而过多的Ce/La易导致金属元素的偏析，甚至 出现富含稀土的金属间化合物，因此混合稀土RE的含量控制在0.10％～0.40％。

Fe可以降低压铸过程中的铝液粘模倾向，但在凝固过程中Fe会与合金 中的Al和Si生成针状的FeAl₃、Al-Fe-Si中间化合物，割裂基体组织，恶 化材料的力学性能，特别是降低韧性，所以本发明的特点之一是铝合金中 的Fe要严格控制在0.18％以下。保障的方法一是控制原材料中的Fe，二 是采用非Fe的熔炼坩埚，以防止在熔炼过程中铝液增Fe。

因Fe的含量降低导致了压铸过程中粘模倾向增加，为减少粘模腐蚀的 风险，本实施例中加入适量的Mn，Mn元素的性质与Fe相近，可起到防粘 模的作用，但又不会生成有害的化合物。Mn的含量低于0.3％时，对减少 粘模的作用有限，而高于0.8％时，材料的力学性能会降低，所以本发明的 特点是Mn的合适加入量为0.3％～0.8％。

Cu在铝基体中的固溶度较大，可接到固溶强化作用，加入Cu可以提高 材料的强度，但减小伸长率，过高的Cu会降低铝合金的韧性及耐蚀性能， 在此合金中Cu的含量控制在0.20％～0.60％。

其它杂质元素如锌，硼，铬，镍，铅，锡，钙，锶，钒等均为杂质， 应严格控制其含量，否则会严重降低合金的力学性能，特别是伸长率，上 述杂质元素的总含量控制在0.20％以下，尤其锌的含量应控制在0.10％以 下。

下面将结合具体的实施例对本发明进行进一步地说明。

按照表1中所述的配方制造所示的1～5组共5个实施例的Al-Si-RE-Mn 系压铸铝合金材料。表1中还包括了各个压铸铝合金材料的力学性能。

上述铝合金材料的制备方法是：

将表1所述配比的原材料放入非Fe的坩埚熔炼炉中进行熔炼，熔炼温 度为740℃～760℃。原料熔炼完成后，调节熔体温度至710℃～730℃，然 后采用旋转吹氩气或氮气的方式对合金熔体进行除气除杂的精炼处理，精 炼10min～15min，得到铝合金熔体。将合金熔体浇注入压铸机的压室内， 立即真空压铸成形得到零件。浇注温度控制在650℃～690℃。压铸机压射 压力为60MPa～70MPa，压射速度为4.0m/s～5.5m/s，真空压铸的模具 型腔的真空度在5kPa以下。按照上述熔炼工艺及压铸工艺参数，对于壁厚 4mm的平板试样，测得5组不同成分的材料的力学性能(抗拉强度、屈服强 度、伸长率和硬度)如表1所示。

表1五个不同成分配比的压铸铝合金材料及其力学性能

另外，针对常用的Al-Si-Cu系压铸铝合金ADC12、A380；Al-Si-Mg系 AlSi10MgFe压铸铝合金进行了对比试验，结果如表2所示。结果表明本发 明提供的铝合金材料屈服强度、特别是伸长率高于传统产品，其抗拉强度 及硬度与传统产品接近。

表2本发明压铸合金与普通压铸合金的力学性能对比

此外，在实验中也对各主要成分在不同含量下所制造的铝合金材料的 力学性能进行了测试。

首先，对于Si元素，按照上述熔炼工艺及压铸工艺参数，对于壁厚4mm 的平板试样，测得的不同Si含量的铝合金的力学性能，如表3所示。结果 显示当Si的含量低于7.0％时，合金的强度偏低，其屈服强度低于185MPa, 而伸长率较高；当Si的含量高于8.5％时，材料的强度提高而韧性较差， 其伸长率低于5％，因而最佳的Si含量控制在7.0％～8.5％。

表3不同Si含量的压铸铝合金的材料成分及力学性能

其次，对于混合稀土RE元素，按照上述熔炼工艺及压铸工艺参数，对 于壁厚4mm的平板试样，测得的不同RE含量的铝合金的力学性能，如表4 所示。结果表明，当RE含量低于0.10％时其作用有限，屈服强度等力学性 能偏低；而RE含量高于0.4％时，过多的RE易导致金属元素的偏析，甚至 析出富稀土化合物，影响材料的韧性等性能，伸长率降低，因而RE含量控 制在0.10％～0.40％。

表4不同混合稀土RE含量的压铸铝合金的材料成分及力学性能

再其次，对于Mn元素，按照上述熔炼工艺及压铸工艺参数，对于壁厚 4mm的平板试样，测得的不同Mn含量的铝合金的力学性能，如表5所示。 结果表明，Mn的含量低于0.3％时，不能完全平衡Fe的有害作用，铝合金 的韧性偏低，且对减少粘模的作用有限；而高于0.8％时，材料的强度及伸 长率等性能会降低，所以Mn的合适加入量为0.3％～0.8％。

表5不同Mn含量的压铸铝合金的材料成分及力学性能

最后，对于Cu元素，按照上述熔炼工艺及压铸工艺参数，对于壁厚4mm 的平板试样，测得的不同Cu含量的材料的力学性能，如表6所示。当Cu 含量增大时，抗拉强度、屈服强度和硬度变化不是很大，但是伸长率在降 低，Cu含量>0.60％时，伸长率会显著降低。因而Cu含量控制在0.20％～ 0.60％。

表6不同Cu含量的压铸铝合金的材料成分及力学性能

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于真空压铸的高韧性铝合金，其特征在于，按照质量百分比计，该铝合金包括以下组分：

硅7.0％～8.5％，混合稀土0.10％～0.40％，锰0.3％～0.8％，铜0.2％～0.6％，镁0.3％～0.6％，锶0.01％～0.03％，铁≤0.18％，杂质≤0.20％，余量为铝。

2.如权利要求1所述的一种用于真空压铸的高韧性铝合金，其特征在于，所述混合稀土包括轻稀土元素铈和镧。

3.如权利要求1或2所述的一种用于真空压铸的高韧性铝合金，其特征在于，所述杂质包括硼、锌、铬、镍、铅、锡、钙和钒中的一种或多种。

4.一种权利要求1-3任一项所述的铝合金产品的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取纯铝、纯铜、纯镁、中间合金和混合稀土作为制备铝合金的原材料，其中，所述中间合金包括铝锶合金、铝硅合金和铝锰合金，所述混合稀土为65％Ce-35％La；

(b)将所述原材料混合并进行熔炼，熔炼过程中采用非铁坩埚进行熔炼，以此获得合金熔体，该熔炼的温度为740℃～760℃；

(c)将所述合金熔体浇注到压铸机中进行真空压铸，以此获得所需产品。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，获得所述合金熔体后，对该合金熔体采用旋转吹氩气或氮气进行精炼，以此实现对所述合金熔体的除气除杂，其中，所述旋转吹惰性气体过程中，所述合金熔体的温度为710℃～730℃。

6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述真空压铸的模具型腔的真空度在5kPa以下，熔体浇注温度为650℃～690℃，压铸机压射压力为60MPa～70MPa，压射速度为4.0m/s～5.5m/s。

7.如权利要求4-6任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述铝锶合金为Al-10％Sr，所述铝硅合金为Al-20％Si或Al-22％Si，所述铝锰合金为Al-15％Mn或Al-10％Mn。