CN108796317A - 适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金及其制备方法，该合金包括Si：5wt％‑8wt％；Cu：3.5wt％‑4wt％；Fe：0.40wt％‑0.80wt％；Mg：0.00wt％‑0.5wt％，其余杂质控制在0.05wt％以下，余量为Al；该铝合金熔体在650‑680℃这一温度区间进行50Hz机械振动处理，180‑240s后获得半固态浆料。与现有技术相比，本发明铝合金具有510‑630℃固液相区间，从而具备可半固态挤压铸造性能。在650‑680℃这一温度区间开始对该铝合金熔体进行50Hz机械振动处理，180‑240s后可获得半固态浆料。浆料进行挤压铸造，450℃/2h热处理，170℃/10h人工时效后，共晶硅颗粒呈颗粒密集型分布，Al2Cu成为材料中的最主要析出相，同时生成少量的Al5Cu2Mg8Si6和Al8Mg3FeSi2。析出相强化使其抗拉强度大于420MPa，屈服强度大于380MPa，导热系数大于160W/m·K。

Description

适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金及制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金，尤其是涉及一种适用于新能源汽车的超高强高导热热处理可半固态挤压铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
随着我国汽车节能减排政策的发布与实施，自2011年以来，我国新能源汽车呈现快速发展态势。然而，新能源乘用车目前能够使用的动力电池的单位比能量传统汽车使用液体燃料的单位比能量差距巨大，导致其续航里程较短。以特斯拉Model S为例，其总重达2108kg，仅电池重量就超过500kg，此外还有驱动电机增加整车重量；而传统汽车的发动机总重量一般为80-160kg。一辆70L汽油的汽车形式里程可达700-900Km，而载有500kg电池的电动车续航里程仅400Km。因此，新能源汽车对于车身重量的要求较传统能源汽车更为严格。轻量化设计成为新能源汽车减重降耗的主要措施。减重10％和15％分别可以节省6.3％和9.5％的电能消耗。
铝合金密度小、耐蚀性好、塑性优良，从生产成本、零件质量、材料利用、制造技术、机械性能、可持续发展等方面具有其他轻量化材料无可比拟的优越性，因此铝合金将成为新能源汽车工业中的首选轻量化材料。目前各类铝合金在汽车上使用比例大致为:铸铝77％，轧制材10％，挤压材10％，锻压材3％。新能源汽车用铝合金的部件主要有车身、车轮、底盘、防撞梁、地板、动力电池和座椅。
铸造铝合金主要用于制造新能源汽车发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件，如轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。但是，厚壁铸件在成形过程中容易产生气孔、夹渣等缺陷，导致其力学性能差，因此其应用领域受到限制。
铝合金半固态成形技术具有接近于传统压铸工艺的成本优势和接近于锻造性能两方面的优势，适合制造复杂汽车零部件及各类薄壁件，因此具有替代部分汽车用铝合金液态压铸件及锻件的潜力。半固态技术的最大特点是成形过程平稳、大大减少了常规铸造缺陷，如气孔、夹渣等；此外，通过合理的热处理工艺并配合系列的合金元素强化进一步强化材料综合性能，进而使成形件具有与变形铅合金相媲美的性能。
目前，半固态成形技术已经成功生产了很多汽车零部件，这些零件绝大多数是使用传统铸造铝合金A356，A357合金制造的。然而，随着新能源汽车产业的迅速发展，根据2017年工信部《节能与新能源汽车技术路线图》，到2020年，单车用铝量将从现在的100kg增加到190kg，到2030年增加到350kg。单纯使用A356和A357铝合金已经无法满足新能源汽车对于零部件强度、复杂几何尺寸、成本等综合性能要求，因而急需开发一款适用于新能源汽车的超高强高导热热处理可半固态挤压铸造铝合金。
通过在铝合金中添加8％左右的Si元素，以提高熔体流动性，增加固液相区间，从而拓宽半固态挤压铸造工艺的操作窗口，降低对熔体温度控制要求，但是这种铝合金材料的强度仍然较低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于新能源汽车的超高强高导热热处理可半固态挤压铸造铝合金及其制备方法。
本发明通过添加少量的Cu，Mg，Fe等合金化元素，同时控制添加量。如：过量Fe会形成针状相。以此来调控其铸态组织中第二相的含量，甚至是种类，进而影响热处理态中存在的析出相，在保证其具有良好的半固态压铸性能的前提下，显著提升其强度，从而成为下一代超高强高导热热处理可半固态挤压铸造铝合金。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金，其特征在于，该合金包括Si：5wt％-8wt％；Cu：3.5wt％-4wt％；Fe：0.40wt％-0.80wt％；Mg：0.00wt％-0.5wt％，其余杂质控制在0.05wt％以下，余量为Al；该铝合金熔体在650-680℃这一温度区间进行50Hz机械振动处理，180-240s后获得半固态浆料。
所述的合金包括Si：6wt％-7wt％；Cu：3.6wt％-3.8wt％；Fe：0.5wt％-0.6wt％；Mg：0.1wt％-0.4wt％，其余杂质控制在0.03wt％以下，余量为Al。
上述适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按配比计算所需中间合金的质量，进行备料，合金元素Fe以中间合金的形式添加，Cu、Mg、Si以单质的形式添加；
2)铝锭清洗干净并表面除油后，放入熔炼炉，熔化纯铝至680-730℃；
3)加入预热后的纯硅、纯铜和Fe中间合金保持10-15min；其中纯铜的加入方式是：将市售纯铜加工为边长为10mm的立方体，用金属铝箔将其全部包裹其中，预热至300-400℃，再投入铝液中，纯硅的加入方式为：将市售单晶硅硅块，预热至500℃后，用钟罩压入铝液下面，防止氧化，Fe中间合金的加入方式为：将市售Fe中间合金预压成厚度为2-3mm的薄片状板，再投入铝液中；
4)铝液降至680-700℃时压入经除油、预热的纯镁，纯镁的加入方式是：将Mg单质加工为边长为10mm的立方体，金属铝箔将其全部包裹其中，预热至200-250℃，用压板在300-500Mpa压力下将其完全压入铝液中，用氮气精炼，同时起到搅拌合金液的作用，加速硅块、铜块的熔化，通氮气10-15分钟后；
5)硅块、铜块全部熔化，即可扒渣进行变质，变质完成后，再进一次精炼，精炼后静置15-20分钟撇渣，制备该合金的半固体浆料，浇注，得到铝合金半固态挤压铸件。
步骤(4)所述的氮气精炼还可以采用无氯精炼剂替换。
步骤(5)所述的变质为：合金采用0.6-0.8％的Al-10Sr中间合金进行变质处理，加入温度为760-850℃，保温时间为30-60min；
变质完成后，再进行一次精练，精炼后降温至700℃保温、静置15-20min，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行撇渣，去除表面氧化皮和底部杂质。
所述的精炼采用的精炼剂为上海虹光金属熔炼厂，HGJ-2铝合金无钠精炼清渣剂。
步骤(5)撇渣后，将得到的半固体浆料温度降至650-680℃这一温度区间，随后将熔体倒入涂有BN涂层的不锈钢坩埚，将坩埚置于变频振动机上，频率为30-50Hz、水平和垂直振幅为5-8mm，机械振动180-240s后，获得半固态浆料。
步骤(5)得到的铝合金半固态挤压铸件采用的挤压铸造工艺为：模具温度为200-240℃，压射力为280KN，压射速度为0.3-0.9m/s，将半固态浆料倒入料筒中挤压铸造成型。
本发明的铝合金制备基本要求为：①严格控制Cu的含量在3.5-4.0wt％之间，使材料内部形成大量弥散的CuAl2第二相；②严格控制Mg的含量在0.05wt％-0.5wt％之间，使材料内部形成微量弥撒的Al5Cu2Mg8Si6和Al8Mg3FeSi2第二相；③将熔体温度降至650-680℃这一温度区间，以频率为30-50Hz、水平和垂直振幅为5-8mm，机械振动180-240s后，可获得半固态浆料；④对于铸件进行450℃/2h热处理，170℃/10h人工时效。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明所述铝合金的性能可以达到：抗拉强度大于420MPa，屈服强度大于380MPa，导热系数大于160W/m·K。
2.通过严格控制Cu和Si的总量在10wt％-12wt％，使该合金的种合金的固液相并存区间温度范围为510-630℃，即固液两相并存的可操作窗口区间达到了120K。工业生产中温度区间大会有利于人工或机械操作，提高操作的容错率并降低对环境温度的敏感性。Al-Si和Al-Cu系在共晶相凝固析出的温度处会释放结晶潜热，有效的减慢了还料整体的降温速率，对于实现控制凝固提髙了缓释作用，可使液态浆料在凝固过程中获得较多的可操作时间。因此，可以通过机械振动处理，在没有保温的情况下，制备流变半固态浆料。
3.通过严格控制Cu和Mg的总量在3.55wt％-4.5wt％之间，再通过450℃/2h热处理，170℃/10h人工时效，使大部分Cu和Mg元素都以第二相析出，形成以Al2Cu为主，Al5Cu2Mg8Si6和Al8Mg3FeSi2为辅的第二项强化。这些第二相可以有效提升材料的强度，使其抗拉强度大于420MPa，屈服强度大于380MPa。由于绝大部分Cu、Mg、Si和Fe元素不会固溶在Al基体内部，使得Al基体的晶格畸变较小，使得合金元素对Al的导热性能影响较小，其导热系数大于160W/m·K。
附图说明
图1为本发明超高强高导热热处理可半固态挤压铸造铝合金的应力应变曲线图；
图2为适用于新能源汽车的超高强高导热热处理可半固态挤压铸造铝合金的新能源汽车铸件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1-13：
一种新能源汽车的超高强高导热热处理可半固态挤压铸造铝合金，包括以下表1所述质量百分含量的成分，余量为铝及不可避免的杂质。
Si：5wt％-8wt％；Cu：3.5wt％-4wt％；Fe：0.40wt％-0.80wt％；Mg：0.05wt％-0.5wt％
表1为实施例1-13的铝合金中各元素含量表
Si Cu Fe Mg
1 5.25 3.50 0.4 0.12
2 5.80 3.75 0.65 0.18
3 5.24 3.80 0.70 0.16
4 5.80 4.00 0.80 0.24
5 6.20 3.60 0.50 0.20
6 6.70 3.80 0.71 0.35
7 6.34 3.89 0.80 0.42
8 6.90 3.96 0.72 0.45
9 7.23 3.12 0.65 0.35
10 7.55 3.58 0.85 0.18
11 7.54 3.32 0.58 0.47
12 7.89 3.85 0.76 0.25
上述各实施例所述的铝合金的制备方法为：
1)按配比计算所需中间合金的质量，进行备料，合金元素Fe以中间合金的形式添加，Cu、Mg、Si以单质的形式添加；
2)铝锭清洗干净并表面除油后，放入熔炼炉，熔化纯铝至680-730℃；
3)加入预热后的纯硅、纯铜和Fe中间合金保持10-15min；其中纯铜的加入方式是：将市售纯铜加工为边长为10mm的立方体，用金属铝箔将其全部包裹其中，预热至300-400℃，再投入铝液中，纯硅的加入方式为：将市售单晶硅硅块，预热至500℃后，用钟罩压入铝液下面，防止氧化，Fe中间合金的加入方式为：将市售Fe中间合金预压成厚度为2-3mm的薄片状板，再投入铝液中。
4)铝液降至680-700℃时压入经除油、预热的纯镁。纯镁的加入方式是：将Mg单质加工为边长为10mm的立方体，金属铝箔将其全部包裹其中，预热至200-250℃，用压板在300-500Mpa压力下将其完全压入铝液中。用氮气精炼(也可用其它精炼剂精炼，但精炼剂必须为无氯精炼剂)，同时起到搅拌合金液的作用，加速硅块、铜块的熔化，通氮气10-15分钟后，
5)硅块、铜块可全部熔化，即可扒渣进行变质，，合金采用0.6-0.8％的Al-10Sr中间合金进行变质处理，加入温度为760-850℃，保温时间为30-60min。变质完成后，再进行一次精练，精炼后降温至700℃保温、静置15-20min，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行撇渣，去除表面氧化皮和底部杂质。变质完成后，再进一次精炼，所述的铝合金专用精炼剂采用上海虹光金属熔炼厂，HGJ-2铝合金无钠精炼清渣剂。精炼后静置15-20分钟撇渣。将熔体温度降至650-680℃这一温度区间，随后将熔体倒入涂有BN涂层的1L不锈钢坩埚，将坩埚置于变频振动机上，频率为30-50Hz、水平和垂直振幅为5-8mm，机械振动180-240s后，可获得半固态浆料。采用挤压铸造工艺，模具温度为200-240℃，压射力为280KN，压射速度为0.3-0.9m/s。将半固态浆料倒入料筒中挤压铸造成型，得到铝合金半固态挤压铸件。
6)将步骤(5)得到的挤压铸造产品通过450℃/2h热处理，170℃/10h人工时效。
表1实施例1-13的铝合金铸件导热及力学性能
图1为实施例1的应力应变拉伸曲线图，从图中可以新能源汽车的超高强高导热热处理可半固态挤压铸造铝合金屈服强度高达380-400MPa，比普通的A356半固态压铸T6态铝合金其屈服强度230MPa提升65％，抗拉强度高达420-440MPa，比普通的A356半固态压铸T6态铝合金其屈服强度330MPa提升27％，解决新能源汽车的涡轮盘需要轻质高强的问题。
在具备超高强热处理可半固态挤压铸造性能的基础上，现有的普通压铸铝合金的导热性能约为90W/(m·K)，现有的高导热铝合金的压铸后导热性能也仅为140W/(m·K)，该发明的新能源汽车的超高强高导热热处理可半固态挤压铸造铝合金显著提升导热性能17％。

Claims (8)

1.一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金，其特征在于，该合金包括Si：5wt％-8wt％；Cu：3.5wt％-4wt％；Fe：0.40wt％-0.80wt％；Mg：0.00wt％-0.5wt％，其余杂质控制在0.05wt％以下，余量为Al；该铝合金熔体在650-680℃这一温度区间进行50Hz机械振动处理，180-240s后获得半固态浆料。
2.根据权利要求1所述的一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金，其特征在于，所述的合金包括Si：6wt％-7wt％；Cu：3.6wt％-3.8wt％；Fe：0.5wt％-0.6wt％；Mg：0.1wt％-0.4wt％，其余杂质控制在0.03wt％以下，余量为Al。
3.一种如权利要求1所述的适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按配比计算所需中间合金的质量，进行备料，合金元素Fe以中间合金的形式添加，Cu、Mg、Si以单质的形式添加；
2)铝锭清洗干净并表面除油后，放入熔炼炉，熔化纯铝至680-730℃；
3)加入预热后的纯硅、纯铜和Fe中间合金保持10-15min；其中纯铜的加入方式是：将市售纯铜加工为边长为10mm的立方体，用金属铝箔将其全部包裹其中，预热至300-400℃，再投入铝液中，纯硅的加入方式为：将市售单晶硅硅块，预热至500℃后，用钟罩压入铝液下面，防止氧化，Fe中间合金的加入方式为：将市售Fe中间合金预压成厚度为2-3mm的薄片状板，再投入铝液中；
4)铝液降至680-700℃时压入经除油、预热的纯镁，纯镁的加入方式是：将Mg单质加工为边长为10mm的立方体，金属铝箔将其全部包裹其中，预热至200-250℃，用压板在300-500Mpa压力下将其完全压入铝液中，用氮气精炼，同时起到搅拌合金液的作用，加速硅块、铜块的熔化，通氮气10-15分钟后；
5)硅块、铜块全部熔化，即可扒渣进行变质，变质完成后，再进一次精炼，精炼后静置15-20分钟撇渣，制备该合金的半固体浆料，浇注，得到铝合金半固态挤压铸件。
4.根据权利要求3所述的一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的氮气精炼还可以采用无氯精炼剂替换。
5.根据权利要求3所述的一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的变质为：合金采用0.6-0.8％的Al-10Sr中间合金进行变质处理，加入温度为760-850℃，保温时间为30-60min；
变质完成后，再进行一次精练，精炼后降温至700℃保温、静置15-20min，使夹杂物充分的上浮或者下沉，然后进行撇渣，去除表面氧化皮和底部杂质。
6.根据权利要求3所述的一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述的精炼采用的精炼剂为上海虹光金属熔炼厂，HGJ-2铝合金无钠精炼清渣剂。
7.根据权利要求3所述的一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)撇渣后，将得到的半固体浆料温度降至650-680℃这一温度区间，随后将熔体倒入涂有BN涂层的不锈钢坩埚，将坩埚置于变频振动机上，频率为30-50Hz、水平和垂直振幅为5-8mm，机械振动180-240s后，获得半固态浆料。
8.根据权利要求3所述的一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)得到的铝合金半固态挤压铸件采用的挤压铸造工艺为：模具温度为200-240℃，压射力为280KN，压射速度为0.3-0.9m/s，将半固态浆料倒入料筒中挤压铸造成型。
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