CN109295351A - 一种压铸铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料及铸造领域，并公开了一种压铸铝合金。按照质量百分比计，该铝合金包括以下组分：锰0.25％～0.60％，锡0.05％～0.20％，硅8.5％～9.0％，镁0.20％～0.30％，锑0.05％～0.20％，锆0.12％～0.20％，铁≤0.20％，杂质≤0.20％，余量为铝。本发明还公开了该压铸铝合金产品的铸造方法，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，将合金熔体浇注入压铸机高压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，具有高韧性和高强度，产品制造方法简单，应用于摩托车轮毂等零件的生产。

Description

一种压铸铝合金及其制备方法和应用

技术领域：

本发明属于金属材料及铸造领域，具体的涉及一种压铸铝合金及其制备方法和应用。

背景技术：

摩托车车轮是重要的保安件，对其安全性要求较高。轮毂用铝合金要求较高的强度、韧性和良好的铸造性。据数据统计，目前铝制摩托车轮毂已经超过了80％。摩托车轮毂的铸造方法主要有金属型重力铸造法、金属型低压铸造法和挤压铸造法。目前，金属型重力铸造在摩托车铝合金轮毂的生产制造中占了95％以上。

金属型重力铸造法的成型过程是在常压下，金属液在重力作用下填充金属模具型腔而得到铸件的方法。由于金属液冷却较快，可能会产生夹渣、缩孔或缩松等缺陷，所以在模具设计和铸造工艺等方面要多加考虑，以提高铸件的质量。该方法的优点是生产成本低，设备及方法简单。但是由于重力铸造过程中的凝固不受外力影响，故要得到高质量的铸件，需要在轮辋部分设置冒口，利用浇口和冒口的补缩功能使得冷却凝固遵循顺序凝固的原则，这样就降低了铝合金材料的利用率，且生产效率较低。因此，为了获得高的生产效率及提高材料的利用率，世界各国正在开发利用高压铸造的方法生产摩托车轮毂。

高压铸造简称压铸，是一种高速高效的先进铸造成形工艺，是铝合金汽车、摩托车零部件、电器元件等铸件的主要成形方法之一。它是将铝液浇注入压铸机的压射室中，利用冲头将压射室中的铝液快速压射进入模具型腔中，获得所需要的零件形状。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。因此压铸件在摩托车受力零件的应用一直受到严重限制。需要开发与压铸工艺相适应的新型铝合金材料及工艺。

摩托车轮毂在传统的金属型重力铸造法中采用的是牌号为ZL101A(或ASTM标准的A356)铝合金。ZL101A或A356铝合金是一种Al-Si-Mg铝合金，其中含Si6.5％～7.5％及少量Mg。但该铝合金只适用于重力铸造，不适合于压铸成形方法。

目前一般工业用压铸铝合金主要有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2％～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；还有一类韧性较好的压铸铝合金材料为Al-Mg系，如国内YL302，日本ADC5、ADC6以及美国518等牌号压铸铝合金，这类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。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，无法满足摩托车轮毂对高强度、高韧性、抗冲击、耐腐蚀性能的要求，无法满足摩托车制造工业的发展。

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，现有压铸牌号铝合金中的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。然而作为轮毂材料，对韧性(或材料的伸长率)的要求是很高的。综上所述，研究开发新型摩托车轮毂用压铸铝合金材料是十分必要的。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种压铸铝合金，通过降低Fe含量，适当增加Mn含量来提高该压铸铝合金的韧性以满足摩轮的性能要求。此外，该铝合金的产品的铸造方法中采用不含Fe的坩埚以防止增铁，通过高压压铸机压铸成形，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。

本发明的另一个目的是提供该压铸铝合金的制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种压铸铝合金，按照质量百分比计，包括以下组分：

锰0.25％～0.60％，锡0.05％～0.20％，硅8.5％～9.0％，镁0.20％～0.30％，锑0.05％～0.20％，锆0.12％～0.20％，铁≤0.20％，杂质≤0.20％，余量为铝。

作为上述技术方案的优选，所述杂质包括铬、硼、锌、镍、铅、钙和钒中的一种或多种。

所述铝合金材料可以为(质量百分数)：锰：0.25％、锡:0.20％，硅：8.5％、镁：0.20％、锑:0.05％，锆:0.20％，铁：≤0.20％，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)：锰：0.45％、锡:0.10％，硅：8.7％、镁：0.25％、锑:0.10％，锆:0.16％，铁：≤0.20％，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)：锰：0.60％、锡:0.05％，硅：9.0％、镁：0.30％、锑:0.20％，锆:0.12％，铁：≤0.20％，不可避免的杂质≤0.20％，余量为铝。

一种压铸铝合金的制备方法，包括下列步骤：

(1)选取纯铝、纯锡、纯镁和中间合金作为制备铝合金的原材料，其中，所述中间合金包括Al-5％Sb、Al-10％Zr、Al-20％Si、Al-10％Mn；

(2)将所述原材料混合并进行熔炼，该熔炼的温度为730℃～750℃，获得合金熔体；熔炼过程中采用不含Fe的碳化硅材料坩埚、石墨材料坩埚或混合材料坩埚进行熔炼；

(3)将所述合金熔体浇注到压铸机的压射室中进行压铸成形，以此获得压铸铝合金。

作为上述技术方案的优选，在步骤(2)中，合金熔炼后，对熔炼后制得的合金熔体采用旋转吹氮气进行精炼，以此实现对所述合金熔体的除气除杂，其中，所述旋转吹气体过程中，合金熔体的温度为720℃～740℃。

作为上述技术方案的优选，在步骤(3)中，所述零件的压铸模具的预热温度为200℃～250℃；铝合金熔体的浇注温度为660℃～680℃，压铸机压射速度为3.0m/s～5.0m/s，压射压力为40MPa～60MPa。

作为上述技术方案的优选，该压铸铝合金可用于摩托车轮毂。

铝合金中的成分变化对材料的力学性能有着重要的影响：

本发明的合金含Fe量要严格控制在0.20％以下。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0.2％时，对减少粘模的作用有限，而高于0.6％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0.25％～0.60％。

传统压铸合金中1％左右含量的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0.20％以下。保障的方法一是控制原材料中的Fe，二是采用不含Fe的熔炼坩埚，以防止在熔炼过程中铝液增Fe。

Sn在铝基体中的固溶度较大，可起到固溶强化作用，加入Sn可以提高材料的强度，但减小伸长率，过高的Sn会降低铝合金的韧性及耐蚀性能，在此合金中Sn的含量控制在0.05％～0.20％。

在Al-Si合金中Si<12.6％时为亚共晶Al-Si合金，Si形成细小共晶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。若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9.0％时，材料的强度提高而伸长率或韧性降低，因而本发明的Si含量控制在8.5％～9.0％。

本合金中加入少量Sb，可对共晶Si相具有变质作用，将粗大的板片状共晶Si转变为细小的杆状或点状共晶Si，减小Si相对基体的割裂作用，提高合金的强度及韧性。

此外，本合金中加入少量Zr，主要是对初晶-Al相进行细化处理，将粗大的树枝晶-Al相细化，减小晶粒尺寸，增强基体的强化效果，提高合金的强度及韧性。

其它杂质元素如铬，镍，锌，硼，铅，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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(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，主要取决于强化元素Sn、变质元素Sb和Zr的配合，以及合金元素Si的最适宜范围，并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，可以用于摩托车轮毂的压铸，满足高速生产摩轮的发展需求。

(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压铸成形方法，通过明确控制压铸模具预热温度及压铸参数，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，无气孔等缺陷。

具体实施方式：

为了更好的理解本发明下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。

按照表1所示的配方制备Al-Mn-Sn-Si压铸铝合金材料，记为实施例1-4。

实施例中的压铸铝合金的制备方法为：

将表1所述配比的原材料放入不含Fe的坩埚熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为730℃～750℃。原料熔炼完成后，调节熔体温度至720℃～740℃，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8min～12min，得到铝合金熔体。将合金熔体浇注入压铸机的压室内，立即压铸成形得到零件。浇注温度控制在660℃～680℃。压铸机压射速度为3.0m/s～5.0m/s，压射压力为40MPa～60MPa，压铸模具的预热温度为200℃～250℃。

表1

按照上述熔炼工艺及压铸工艺参数，对于壁厚4mm左右的摩轮本体试样，测得不同成分的材料的力学性能，测试结果如表2所示。

表2

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3所示。

表3

从表3可以看出，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。

1、Mn元素的含量对压铸铝合金性能的影响

对于Mn元素，按照本发明所述熔炼工艺及压铸工艺参数，对于壁厚4mm左右的摩轮本体试样，测得的不同Mn含量的铝合金的力学性能，如表4所示。

表4

结果表明，Mn的含量低于0.25％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0.6％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0.25％～0.60％。

2、Sn元素的含量对压铸铝合金性能的影响

对于Sn元素，按照本发明所述熔炼工艺及压铸工艺参数，对于壁厚4mm左右的摩轮本体试样，测得的不同Sn含量的铝合金的力学性能，如表5所示。

表5

结果表明，Sn的含量低于0.05％时，对合金的固溶强化作用有限，铝合金的强度偏低；而高于0.2％时，材料的强度及伸长率等变化不大，所以Sn的合适加入量为0.05％～0.20％。

3、Si元素的含量对压铸铝合金性能的影响

对于Si元素，按照本发明所述熔炼工艺及压铸工艺参数，对于壁厚4mm左右的摩轮本体试样，测得的不同Si含量的铝合金的力学性能，如表6所示。

表6

结果表明：当Si的含量低于8.5％时，合金的强度偏低，其屈服强度低于160MPa，而伸长率较高；当Si的含量高于9.0％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8.5％～9.0％。

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 (9)

1.一种压铸铝合金，其特征在于，以质量百分比计，包括以下组分：

锰0.25％～0.60％，

锡0.05％～0.20％，

硅8.5％～9.0％，

镁0.20％～0.30％，

锑0.05％～0.20％，

锆0.12％～0.20％，

铁≤0.20％，

杂质≤0.20％，

余量为铝。

2.如权利要求1所述的一种压铸铝合金，其特征在于，所述杂质为铬、硼、锌、镍、铅、钙和钒中的一种或多种。

3.如权利要求1或2所述的一种压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取纯铝、纯锡、纯镁和中间合金作为制备铝合金的原材料；

(2)将所述原材料混合并进行熔炼，获得合金熔体；熔炼过程中采用不含Fe的碳化硅材料坩埚、石墨材料坩埚或混合材料坩埚进行熔炼；

(3)将所述合金熔体浇注到压铸机的压射室中进行压铸成形，制得压铸铝合金。

4.如权利要求3所述的一种压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述中间合金为Al-5％Sb、Al-10％Zr、Al-20％Si、Al-10％Mn。

5.如权利要求3所述的一种压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述熔炼的温度为730℃～750℃

6.如权利要求3所述的一种压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述合金熔炼后，对熔炼后制得的合金熔体采用旋转吹氮气进行精炼，以此实现对所述合金熔体的除气除杂。

7.如权利要求6所述的一种压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述旋转吹氮气过程中，合金熔体的温度为720℃～740℃。

8.如权利要求3所述的一种压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，压铸模具的预热温度为200℃～250℃；合金熔体的浇注温度为660℃～680℃，压铸机压射速度为3.0m/s～5.0m/s，压射压力为40MPa～60MPa。

9.如权利要求1所述的一种压铸铝合金的应用，其特征在于，该压铸铝合金应用于制造摩托车轮毂。