CN110117740A - 一种铝合金压铸件高强韧材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金压铸件高强韧材料，合金材料的化学成分组成包括：Si的含量为10.0‑12.0％，Zn的含量7.0‑9.0％，Cu的含量为1.5‑2.5％，Mg的含量为0.8‑1.1％，Mn的含量为0.3‑0.5％，Fe的含量为0.3‑0.5％，Be的含量为0.05～0.2％，Sr的含量为0.01～0.05％，杂质元素含量≤0.15％，其余为Al。

Description

一种铝合金压铸件高强韧材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其是涉及一种铝合金压铸件高强韧材料及其制备方法。

背景技术

汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一,随着汽车燃油效率和节能环保的要求不断提高，新能源汽车已成为全球汽车发展的主流。我国《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)》明确新能源汽车是未来发展的重点，能源高效利用与续航里程成为其关键。采用轻质高强的材料是实现汽车工业中轻量化的重要方法之一，其中铝合金比强度比刚度高、耐蚀性能好、易加工成型等特点，成为汽车轻量化的首选材料。据统计，铝合金铸件约占汽车用铝量的77％，其中压铸件占铝合金铸件的80％以上，典型部件包括发动机缸体、缸盖、离合器壳、油底壳、发动机托架等。由于压铸件不能热处理强化，且存在缩松和缩孔的问题，铸件性能普遍不高，减重效果受限。因此，受限于压铸铝合金材料和压铸组织性能调控特性，现有的压铸件已无法满足新能源汽车、通讯基站等领域的轻量化要求，开发一种不通过热处理强化的高性能压铸铝合金材料十分必要。

专利CN102796925B公开了一种压力铸造用的高强韧压铸铝合金，其主要成分为Mg4.5％-6.3％、Si 1.4％-2.8％、Mn 0.4％-1.0％，制备的压铸铝合金构件无需热处理强化，其抗拉强度可到340MPa，伸长率6～8％。专利CN101914709B公开了一种高强韧铸造铝合金，合金的主要成分为：Mg 9.5％～11.0％，Ti 0.1％～0.4％，RE 0.1％～0.3％，Si 0.15％～0.30％，所获铸件经过固溶和时效后强度超过300MPa，伸长率达到8.6％以上。专利CN105803272B公开了一种高强韧铸造铝合金及其制备方法，其成分及质量百分比为：Si4.5～6.5％，Mg 1.5～2.5％，Cu 1.5～2.5％，Zr 0.01～0.02％，B 0.002～0.004％，Eu0.01～0.03％，Re 0.1～0.3％，铸件经过固溶和时效热处理后抗拉强度超过340MPa，伸长率达9％。专利CN100347322C公开了一种高强韧挤压铸造铝合金材料，其主要成分为：Cu4.5～5.5％，Mn 0.3～0.6％，Ti 0.05～0.25％，B 0.01～0.05％，V 0.05～0.20％，Zr0.05～0.20％，RE 0.05～0.15％，所获铸件经固溶和时效热处理后抗拉强度可超过440MPa，伸长率达20％以上。

上述高强韧铸造铝合金中，专利CN102796925B和CN105803272B均为Al-Mg系列铸造铝合金，其Mg含量较高时熔体容易烧损，易出现氧化夹杂等缺陷。此外，专利CN102796925B中Mg含量较低，合金的流动性能和压铸性能受限。专利CN105803272B需后续固溶等热处理来提高铸件性能。CN105803272B和CN100347322C分别为Al-Si-Mg-Cu和Al-Cu系列，前者Si含量较低，后者铸造性能不佳，均不适用于压铸工艺生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铝合金压铸件高强韧材料及其制备方法，该合金具有铸造流动性能好，特别适用于压铸工艺，也适用于重力铸造、低压铸造等铸造工艺，制备的铸件强度高，韧性好，可应用于对铸件的结构、形状、壁厚及强韧性均有较高要求的通讯、汽车等领域，具有良好的应用前景。

4、一种铝合金压铸件高强韧材料，按照重量比计，合金材料的化学成分组成包括：Si的含量为10.0-12.0％，Zn的含量7.0-9.0％，Cu的含量为1.5-2.5％，Mg的含量为0.8-1.1％，Mn的含量为0.3-0.5％，Fe的含量为0.3-0.5％，Be的含量为0.05～0.2％，Sr的含量为0.01～0.05％，杂质元素含量≤0.15％，其余为Al。

进一步，所属其它杂质元素包括以下元素中的一种或几种：Cr、Ni、Ti、Na。一种高强度高韧性的压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)清洗干净炉膛，根据合金成分比例准备原材料；

(2)将工业纯铝、Si或Al-Si中间合金、紫铜或Al-Cu中间合金、电解锰或Al-Mn中间合金、Al-Fe中间合金等一起放入炉内，升温至720～750℃；

(3)待合金全部熔化后，调整铝液温度至680-700℃，加入用铝箔包装好的Zn锭、Mg锭和Al-Be中间合金；采用高纯惰性气体作为载体将精炼剂喷入熔体中，除气除杂，静置15分钟后扒渣；

(4)将准备好的Al-Sr变质剂加入铝熔体中，并用工具充分搅拌熔体，静置保温30分钟后铸造成锭或直供压铸成型或其它铸造成型设备，制备高强高韧铸造铝合金材料或铸件。

本发明的技术效果：

本发明的一种铝合金压铸件高强韧材料含有Al-Si共晶点附近的Si含量，含有Al-Si系列合金中铸造性能最佳的主要成分，保障了合金拥有良好的流动性和铸造成型性能，特别适合于压铸工艺。合金中含有较高含量的Zn、Mg元素和中等含量的Cu元素，这三种元素为合金主要强化元素，可形成MgZn₂、Al₂Mg₃Zn₃、Al₂Cu、Al₂CuMg等强化相，可大幅提高合金强度；同时，较高Zn含量的合金铸造成型后即可获得淬火组织，避免了传统高强韧铝合金材料需要通过高温固溶处理强化的繁杂工艺和压铸铝合金铸件高温热处理表面起泡的问题，大幅简化了生产流程和降低了生产成本。此外，较高的Zn含量也提高了Cu在铝合金中的最大溶解度，降低合金的热裂倾向；Fe能有效改善铝合金铸件的粘模特性，对提高模具寿命具有积极的作用，但影响合金的塑性，其含量需严格控制；Mn的存在不仅能有效改善富铁相的形态和弥补Fe含量不足对粘模特性的影响，而且还能抑制晶粒长大，从而改善合金塑性；Be能改善铝熔体中氧化膜的结构，对于减少熔体烧损和夹杂具有积极的作用，但Be是一种有毒的合金元素，添加含量也需严格控制；Sr是共晶硅相最为有效的变质剂，但Sr含量过高容易引起吸氢，须严格控制其含量。因此，本发明的铝合金材料合金成分中含有最佳Si含量，确保合金压铸的成型性能，含有合适的Fe、Mn元素含量，以平衡合金粘模特性与塑性之间的矛盾，含有较高含量的Zn、Mg、Cu等元素，确保合金的自强化和高强度，Be、Sr合金元素能减少夹杂和细化共晶硅组织，以改善合金的塑性。该成分制备的合金材料不仅具有良好的铸造性能和自淬火性能，还具有高强度、高韧性等优点，室温抗拉强度350-400MPa，屈服强度240-290MPa，延伸率3.3-6.0％，硬度100-130HV，特别适合于压铸工艺。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1：

根据Al-11.0Si-7.5Zn-1.6Cu-0.35Fe-0.32Mn-0.9Mg-0.055Be-0.01Sr配比为例，计算出35t合金所需原材料的质量，进行备料。

(1)清洗干净炉膛，根据合金成分比例准备原材料；

(2)将工业纯铝、Al-Si中间合金、紫铜、电解锰、Al-Fe中间合金等一起放入炉内，升温至750℃；

(3)待合金全部熔化后，调整铝液温度至700℃，加入用铝箔包装好的Zn锭、Mg锭和Al-Be中间合金；采用高纯惰性气体作为载体将精炼剂喷入熔体中，除气除杂，静置15分钟后扒渣；

(4)将准备好的Al-Sr变质剂加入铝熔体中，并用工具充分搅拌熔体，静置保温30分钟后铸造成锭或直供压铸成型或其它铸造成型设备，制备高强高韧铸造铝合金材料或铸件。

(5)测试合金锭的化学成分和力学性能，观察合金金相组织。

实施例2：

根据Al-12.0Si-9.0Zn-2.0Cu-0.5Fe-0.4Mn-0.85Mg-0.08Be-0.02Sr配比为例，计算出35t合金所需原材料的质量，进行备料。

(1)清洗干净炉膛，根据合金成分比例准备原材料；

(2)将工业纯铝、Al-Si中间合金、Al-Cu、Al-Mn、Al-Fe中间合金等一起放入炉内，升温至730℃；

(3)待合金全部熔化后，调整铝液温度至700℃，加入用铝箔包装好的Zn锭、Mg锭和Al-Be中间合金；采用高纯惰性气体作为载体将精炼剂喷入熔体中，除气除杂，静置15分钟后扒渣；

(4)将准备好的Al-Sr变质剂加入铝熔体中，并用工具充分搅拌熔体，静置保温30分钟后铸造成锭或直供压铸成型或其它铸造成型设备，制备高强高韧铸造铝合金材料或铸件。

(5)测试合金锭的化学成分和力学性能，观察合金金相组织。

实施例3：

根据Al-10.0Si-7.0Zn-1.5Cu-0.3Fe-0.5Mn-1.0Mg-0.1Be-0.03Sr配比为例，计算出35t合金所需原材料的质量，进行备料。

(1)清洗干净炉膛，根据合金成分比例准备原材料；

(2)将工业纯铝、Al-Si中间合金、Al-Cu、金属锰、Al-Fe中间合金等一起放入炉内，升温至720℃；

(3)待合金全部熔化后，调整铝液温度至700℃，加入用铝箔包装好的Zn锭、Mg锭和Al-Be中间合金；采用高纯惰性气体作为载体将精炼剂喷入熔体中，除气除杂，静置15分钟后扒渣；

(4)将准备好的Al-Sr变质剂加入铝熔体中，并用工具充分搅拌熔体，静置保温30分钟后铸造成锭或直供压铸成型或其它铸造成型设备，制备高强高韧铸造铝合金材料或铸件。

(5)测试合金锭的化学成分和力学性能，观察合金金相组织。

实施例4：

根据Al-11.7Si-8.0Zn-2.5Cu-0.4Fe-0.4Mn-1.1Mg-0.2Be-0.05Sr配比为例，计算出35t合金所需原材料的质量，进行备料。

(1)清洗干净炉膛，根据合金成分比例准备原材料；

(2)将工业纯铝、Si、Al-Cu、Al-Mn、Al-Fe中间合金等一起放入炉内，升温至700℃；

(3)待合金全部熔化后，调整铝液温度至700℃，加入用铝箔包装好的Zn锭、Mg锭和Al-Be中间合金；采用高纯惰性气体作为载体将精炼剂喷入熔体中，除气除杂，静置15分钟后扒渣；

(4)将准备好的Al-Sr变质剂加入铝熔体中，并用工具充分搅拌熔体，静置保温30分钟后铸造成锭或直供压铸成型或其它铸造成型设备，制备高强高韧铸造铝合金材料或铸件。

(5)测试合金锭的化学成分和力学性能，观察合金金相组织。

实施例1～4铝合金的化学成分对比见表1。

表1实施例1～4中铝合金的化学成分(wt.％)

实施例	Si	Zn	Cu	Fe	Mn	Mg	Be	Sr	杂质元素	Al
											1	10.89	7.51	1.62	0.38	0.35	0.87	0.051	0.0087	0.13	余量
2	11.96	8.90	2.05	0.50	0.42	0.80	0.074	0.017	0.10	余量
											3	10.25	7.06	1.51	0.32	0.50	0.94	0.089	0.028	0.11	余量
4	11.80	7.91	2.53	0.42	0.40	1.08	0.193	0.039	0.12	余量

在实施例1-4中，其它杂质元素可以是：Cr、Ni、Ti、Na。

实施例1～4铝合金的化学成分对比见表2。

表2实施例1～4中铝合金的力学性能

实施例	抗拉强度/MPa	屈服抗拉强度/MPa	伸长率/％	显微硬度/HV
					1	350	245	5.98	112
2	385	270	4.37	118
					3	355	240	5.72	105
4	395	285	3.86	129

上述实施例中，实施例1和实施例3中Zn、Cu的含量相对较低，而Mg的含量与实施例2和实施例4中的相差不大，其强化效果更为显著，屈服强度和硬度增大，但塑性下降；同时，在保证(Mn+Fe)含量超过0.7％的情况下，其含量的提高也会降低合金的塑性，如实施例2和4。因此，提高合金的屈服强度的同时，必然会牺牲合金的塑性。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (3)

1.一种铝合金压铸件高强韧材料，其特征在于，按照重量比计，铝合金材料的化学成组成包括：Si的含量为10.0-12.0％，Zn的含量7.0-9.0％，Cu的含量为1.5-2.5％，Mg的含量为0.8-1.1％，Mn的含量为0.3-0.5％，Fe的含量为0.3-0.5％，Be的含量为0.05～0.2％，Sr的含量为0.01～0.05％，杂质元素含量≤0.15％，其余为Al。

2.根据权利要求1所述的铝合金压铸件高强韧材料，其特征在于，所属其它杂质元素包括以下元素中的一种或几种：Cr、Ni、Ti、Na。

3.一种铝合金压铸件高强韧材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)清洗干净炉膛，根据合金成分比例准备原材料；

(2)将工业纯铝、Si或Al-Si中间合金、紫铜或Al-Cu中间合金、电解锰或Al-Mn中间合金、Al-Fe中间合金等一起放入炉内，升温至720～750℃；；

(3)待合金全部熔化后，调整铝液温度至680-700℃，加入用铝箔包装好的Zn锭、Mg锭和Al-Be中间合金；采用高纯惰性气体作为载体将精炼剂喷入熔体中，除气除杂，静置15分钟后扒渣；

(4)将准备好的Al-Sr变质剂加入铝熔体中，并用工具充分搅拌熔体，静置保温30分钟后铸造成锭或直供压铸成型或其它铸造成型设备，制备高强高韧铸造铝合金材料或铸件。