CN109055830A - 一种高强韧铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种高强韧铝合金，其成分组成按质量百分数计为：硅7％～10％，锰0.2％～1.0％，铈0.1％～0.7％，镁0.35％～0.65％，锶0.02％～0.04％，铁≤0.20％，不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。从而通过优化设计合金成分及其制备工艺，在提高铝合金韧性的同时避免由于铁含量的减少而导致的粘模问题，使其适用于真空压铸。

Description

一种高强韧铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料领域，具体地说，是一种适用于真空压铸成形的高强韧铝合金及其制备方法。

背景技术

电子技术的发展日新月异，通讯类电子部件的需求也日益剧增，如通讯射频模块、无线传输模块，基于重量、制造成本、导热等综合要求，这些部件通常使用铝合金构件。随着集成电路的愈加复杂，电子产品的发热量越来越大，温度过高会导致这些电子产品运行缓慢、耗电增加，因此对这些铝合金构件的散热性能要求也越来越高。

早期这些构件的常用加工方法是：使用铝合金坯料，通过机械加工(如车、铣、钻、磨等)达到所需的形状和尺寸，这种工艺生产的腔体虽性能优良，但是材料损耗大，资源浪费严重，加工周期长，能源消耗大，成本高且不环保。压铸是目前主要的铝合金成形铸造工艺，其生产效率高，可以使用二次合金，因此，通讯类铝合金构件逐渐采用压铸工艺生产。

虽然使用压铸铝合金成形提高了这些构件的生产效率、材料利用率，降低了制造成本，但是为了保证压铸成形的流动性，常用的压铸铝合金往往含有较多的Si元素，例如，最常用的ADC12含有9.5～11.5％Si，AC-AlSi12Fe铝合金含有10.5～13.5％Si，由于晶格畸变对自由电子的运动产生较大的阻力，导致常用铝合金的导热性不高，ADC12和AC-AlSi12Fe压铸铝合金导热系数分别只有96W/mK和110W/mK，使得这些构件散热性能降低。

在金属材料中，起导热作用的主要有两个部分：其一是自由电子，电子受热后，运动速度加快，并做无规则的布朗运动，其中部分热电子会和冷电子碰撞交换能量，使冷电子也作高速运动，不断重复，热量便传导开来，自由电子越多，受到的散射越少，平均自由程就越长，金属的导热性就越好；其二是晶格震动，金属材料原子实(原子核+内层电子)虽然无法自由运动，但是其以晶格的格点为中心做规律的振动。且一个原子实的振动，会带动相邻的原子实做相似的运动，通过传递，整个晶格的原子实都在做振动，形成类似于波的集体振动，称为格波，温度越高，原子实振动越剧烈。高温区的原子实振动速度较快，带动低温区的原子实振动，使低温区原子实振动加快，温度便传播开来。当纯金属中引入其他合金元素后，会产生缺陷，对电子的自由运动和晶格的振动产生阻碍，而大大降低合金的热导率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高强韧铝合金及其制备方法，针对现有技术的不足，通过优化设计合金成分及其制备工艺，在提高铝合金韧性的同时避免由于铁含量的减少而导致的粘模问题，使其适用于真空压铸。

本发明的另一目的在于提供一种高强韧铝合金及其制备方法，其采用模具型腔的真空度在10kPa以下来实现真空压铸，得以解决传统制得的铝合金材料或产品力学性能差和韧性低的技术问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为一种高强韧铝合金，其成分组成按质量百分数计为：硅7％～10％，锰0.2％～1.0％，铈0.1％～0.7％，镁0.35％～0.65％，锶0.02％～0.04％，铁≤0.20％，不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

优选地，硅含量为8.2％～9.2％。

优选地，锰含量为0.4％～0.80％。

优选地，铈的含量为0.20％～0.50％。

优选地，所述不可避免的杂质包括硼、锌、铬、镍、铅、锡、钙和钒中的一种或多种。

优选地，锌的含量小于0.10％。

根据本发明的一实施例，所述高强韧铝合金的原料由纯铝、纯镁以及Al-20％Si或Al-22％Si、Al-15％Mn或Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金以及Al-15％Ce中间合金配制而成。

一种高强韧铝合金的制备方法，其包括步骤：

S100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Al-15％Ce中间合金；

S200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，采用不含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720℃～740℃，获得合金熔体；以及

S300压铸成型，将所述合金熔体浇注到压铸机中进行真空压铸，制得产品。

根据本发明的一实施例，在所述步骤S200中，获得所述合金熔体后，对所述合金熔体采用旋转吹氮气的方式进行精炼，得以对所述合金熔体除气除杂，其中，所述旋转吹气体过程中，所述合金熔体的温度为700℃～720℃。

根据本发明的一实施例，精炼时间为10min～15min。

根据本发明的一实施例，在所述步骤S300中，真空压铸的模具型腔的真空度在10kPa以下，熔体浇注温度为660℃～680℃，压铸机压射压力为40MPa～60MPa，压射速度为3.5m/s～5.0m/s。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)铝合金增加Mn的含量，降低了Fe含量，使得该铝合金韧性高的同时又不会因为Fe少而粘模，适用于真空压铸，此外，通过采用模具型腔的真空度在10kPa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。

(2)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Ce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，确保Fe<0.20％，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；

(3)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10kPa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

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

一种压力铸造用的高强韧铝合金，所述铝合金为Al-Si-Mn-Ce系，其成分组成按质量百分数计为：硅7％～10％，锰0.2％～1.0％，铈0.1％～0.7％，镁0.35％～0.65％，锶0.02％～0.04％，铁≤0.20％，不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

所述不可避免的杂质包括硼、锌、铬、镍、铅、锡、钙和钒中的一种或多种。

所述铝合金材料得以为(质量百分数)：8.2％硅、0.8％锰、0.20％铈、0.35％镁、0.02％锶、铁≤0.20％、不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

所述铝合金材料得以为(质量百分数)：8.7％硅、0.5％锰、0.40％铈、0.45％镁、0.03％锶、铁≤0.20％、不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

所述铝合金材料得以为(质量百分数)：9.2％硅、0.4％锰、0.50％铈、0.65％镁、0.04％锶、铁≤0.20％、不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

优选地，所述高强韧铝合金的成分组成按质量百分数计为：硅8.2％-9.2％，锰0.4％-0.8％，铈0.20％-0.50％，镁0.35％～0.65％，锶0.02％～0.04％，铁≤0.20％，不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

硅：8.2％-9.2％、锰：0.4％-0.8％、铈(Ce)：0.20％-0.50％、镁：0.35％-0.65％、锶：0.02％-0.04％、铁：≤0.20％、不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

所述高强韧铝合金的制备方法包括下列步骤：

(a)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Al-15％Ce中间合金；

(b)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，采用不含Fe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720℃～740℃。原料熔炼完成后，调节熔体温度至700℃～720℃，然后采用旋转吹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；

(c)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10kPa以下，熔体浇注温度控制在660℃～680℃，压铸机压射压力为40MPa～60MPa，压射速度为3.5m/s～5.0m/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：

本发明最佳的Si含量控制在8.2％～9.2％。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，,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8.2％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9.2％时，材料的强度提高而伸长率或韧性降低。

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，从而需要将所述高强韧铝合金中的Fe严格控制在0.20％以下。不仅要控制原材料中的Fe，还要采用不含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，本发明中加入适量的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0.4％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，优选地，Mn的加入量范围为0.4％～0.8％。

在合金中加入稀土Ce，Ce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；Ce的另一作用是对共晶Si相具有变质作用，使其变得细小。而且Ce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，稀土含量低时的细化作用并不明显，而过多的Ce易导致金属元素的偏析，甚至出现富含Ce的金属间化合物，因此稀土Ce的含量控制在0.20％～0.50％。

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。

实施例1至实施例5

按照表1中所示的各组分含量配方制造实施例1～5的Al-Si-Mn-Ce系压铸铝合金材料，制备的铝合金性能见表1所示。

所述高强韧铝合金的制备方法，包括步骤：

将表1所配比原材料放入不含Fe的坩埚熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为720℃～740℃；原料熔炼完成后，调节熔体温度至700℃～720℃，然后采用旋转吹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660℃～680℃。其中，压铸机压射压力为40MPa～60MPa，压射速度为3.5m/s～5.0m/s，真空压铸的模具型腔的真空度在10kPa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实施例1～5的铝合金成分配比及其力学性能

此外，针对常用的Al-Si-Cu系压铸铝合金ADC12、A380以及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

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。

实施例6至实施例11

首先，对于Si元素，按照实施例1～5的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8.2％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9.2％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8.2％～9.2％。

表3实施例6～11不同Si含量的压铸铝合金的材料成分及力学性能

实施例12至实施例17

对于Mn元素，按照实施例1～5的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4所示。结果表明，Mn的含量低于0.4％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0.4％～0.8％。

表4实施例12～17的不同Mn含量的压铸铝合金的材料成分及力学性能

实施例18～23

对于稀土Ce元素，按照实施例1～5所述的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Ce含量的铝合金的力学性能，如表5所示。结果表明，当Ce含量低于0.20％时其作用有限，屈服强度等力学性能偏低；而Ce含量高于0.5％时，过多的Ce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Ce含量控制在0.20％～0.50％。

表5实施例18～23的不同Ce含量的压铸铝合金的材料成分及力学性能

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种高强韧铝合金，其特征在于，其成分组成按质量百分数计为：硅7％～10％，锰0.2％～1.0％，铈0.1％～0.7％，镁0.35％～0.65％，锶0.02％～0.04％，铁≤0.20％，不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的高强韧铝合金，其特征在于，硅含量为8.2％～9.2％。

3.根据权利要求2所述的高强韧铝合金，其特征在于，锰含量为0.4％～0.80％。

4.根据权利要求3所述的高强韧铝合金，其特征在于，铈的含量为0.20％～0.50％。

5.根据权利要求1～4中任一所述的高强韧铝合金，其特征在于，所述不可避免的杂质包括硼、锌、铬、镍、铅、锡、钙和钒中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的高强韧铝合金，其特征在于，锌的含量小于0.10％。

7.根据权利要求6所述的高强韧铝合金，其特征在于，其原料由纯铝、纯镁以及Al-20％Si或Al-22％Si、Al-15％Mn或Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金以及Al-15％Ce中间合金配制而成。

8.一种如权利要求1～7所述的高强韧铝合金的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S100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Al-15％Ce中间合金；

S200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，采用不含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720℃～740℃，获得合金熔体；以及

S300压铸成型，将所述合金熔体浇注到压铸机中进行真空压铸，制得产品。

9.根据权利要求8所述的高强韧铝合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤S200中，获得所述合金熔体后，对所述合金熔体采用旋转吹氮气的方式进行精炼，得以对所述合金熔体除气除杂，其中，所述旋转吹气体过程中，所述合金熔体的温度为700℃～720℃，精炼时间为10min～15min。

10.根据权利要求9所述的高强韧铝合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤S300中，真空压铸的模具型腔的真空度在10kPa以下，熔体浇注温度为660℃～680℃，压铸机压射压力为40MPa～60MPa，压射速度为3.5m/s～5.0m/s。