CN110551925A

CN110551925A - 提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法

Info

Publication number: CN110551925A
Application number: CN201910560443.9A
Authority: CN
Inventors: 钟鼓; 万里; 路通; 汪学阳; 黄志垣; 肖博
Original assignee: GUANGDONG HONGTU (NANTONG) DIE-CASTING Co Ltd; Guangdong Hongtu Technology Holdings Co Ltd
Current assignee: GUANGDONG HONGTU (NANTONG) DIE-CASTING Co Ltd; Guangdong Hongtu Technology Holdings Co Ltd
Priority date: 2019-06-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2019-12-10
Anticipated expiration: 2039-06-26
Also published as: CN110551925B

Abstract

本发明提供提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法,实现得到既容易回收利用、又兼具高强韧性能的铸造铝合金材料，通过合理的成分设计，添加Ce+La混合稀土元素和增加超声振动相结合的方法，细化富Fe相，减小Fe相对力学性能的危害，保证铝合金中的Fe含量在大于0.20%，小于等于0.5%时仍然具有高的强韧性，提高Fe含量容许度，使高强韧铸造铝合金在保持良好的压铸成型性能的同时，能够满足大型复杂薄壁结构件对高强韧压铸铝合金材料的需求，同时能够回收利用、降低成本。

Description

提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体是涉及提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法。

背景技术

由于汽车轻量化的需要及铸造新技术的发展，特别是近年来电动汽车的蓬勃发展，铸造铝合金复杂结构件取代部分钢制件、铝锻件或多部件组合已成为一种必然趋势。铝合金结构件属于承载件，对合金材料提出了更高的要求，不同于传统压铸合金的延伸率较低，结构件用铝合金材料需同时具有高强度和高韧性，且兼顾良好成形性能。目前结构件用铝合金材料为满足强韧性的要求，大部分基于较低的Fe含量设计。中国专利（专利申请公布号CN108034870A）公布了一种高强韧压铸铝合金，其成分为Si：8.0~9.0%，Mg 0.2~0.3%，Mn：0.3~0.5%， Cu：0.1~0.2%，Fe：0.15~0.2%，Y： 0.4~0.6%，Er：0.2~0.3%，Ti： 0.01~0.02%，B：0.03~0.06%，余量为Al，该压铸铝合金的抗拉强度≥300MPa，延伸率≥6%，同时控制Fe含量在0.15~0.2%范围内；中国专利（专利申请公布号CN108103368A）公布了一种新型高强韧铸态铝合金，其成分为Si：9.3~10.5%，Mg： 0.39~2.70%:Cu：0.0~1.0%，Zn≤0.15%，Ti≤ 0.1%，Fe≤ 0.1%，余量为Al，该新型高强韧铸态铝合金的抗拉强度≥269MPa，延伸率≥9.1%，同时要求Fe含量≤ 0.1%；中国专利（专利申请公布号CN106967909A）公布了一种高强韧Al-Mg-Si系铝合金，其成分及质量百分比为Mg：0.6~0.9%，Si：0.4~0.6%，Li：0.3~0.5%，Zr：0.005~0.015%，B：0.001~0.003%，RE(包括Pr、Nd等稀土元素)：0.01~0.03%， Fe≤ 0.1%，Mn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，该高强韧Al-Mg-Si系铝合金抗拉强度≥316MPa，延伸率≥12.3%，同样的该铝合金的Fe含量要求≤0.1%。但是由于基于合金低Fe设计，使得现有合金必须采用纯度较高的原铝和高品位硅等原料配制，且产生的废料难以二次重熔再用，使铝合金在汽车轻量化中的使用成本明显增加，严重制约了其应用推广。要降低结构件用高强韧铝合金对高纯原铝等原料的依赖，需将其对Fe含量的容许度提高到0.25%以上；而要使得结构件用高强韧铝合金材料具有1-2次重熔再用能力，需将其对Fe含量的容许度提高到0.5%左右。

一般情况下，铝合金中存在一定量的杂质Fe，其来源主要是两个方面，一方面是原材料中含有少量的Fe，另一方面是在熔炼和铸造过程中使用的坩埚等熔炼工具多是铁质的，将Fe带入铝液中。在铝硅合金中，主要是以AlSiFe金属间化合物形式存在，常见的有α-铁相和β-铁相两种，α-铁相的形貌为汉字状或骨骼状，β-铁相为针状，针状的β-铁相对合金的力学性能是有害的，汉字状或骨骼状的α-铁相的有害作用不明显。通常更容易以针状的铁相形式出现，当铝合金中的含Fe量增加使针状Fe相的数量和尺寸达到一定程度时，会使铝合金的力学性能尤其是伸长率明显下降。因此，需要通过抑制针状Fe相的形成或促进β-铁相向α-铁相转化，降低Fe相的有害作用，以提高汽车结构件用高强韧铝合金对Fe含量的容许度。稀土元素可改变合金组织中富Fe相形貌，使之由不规则的长针状转化为规则的颗粒状，从而改善合金力学性能。Al和Si与Ce的电负性差大于Al和Si与Fe的电负性差，Ce与Al、Si所形成的金属间化合物要比Fe与Al和Si形成的金属间化合物稳定性高，RE与Fe的交互作用较强，与Si的作用较弱，易形成Al-Fe-RE化合物。中国专利（专利申请公布号CN103820683A）中公开了一种高Fe铝硅合金中Fe相多元复合细化变质处理的方法，其中Fe的质量百分比为0.8%~2.0%，通过添加Al-Ti-C、Mn及RE将高Fe铝硅合金中Fe相细化与变质处理合为一体，减小Fe相的有害作用，但是在该专利中需要同时加入Al-Ti-C、Mn及Ce+La混合稀土，增加了铝硅合金的制备成本；中国专利（专利申请公布号CN108048679A）中公开了一种细化富Fe析出相的高Fe含量铝合金的制备方法，通过加入金属元素Mn、Mg、Ca中一种或多种，然后加入晶粒细化剂进行变质，并且加入电磁搅拌，但是由于磁场对铝合金熔体的搅拌作用不如对黑色金属熔体的强，很难将Fe相搅拌均匀。以上减小富Fe相有害作用的方法都存在不足之处，提出一种新的减小富Fe相有害作用、提高Fe含量容许度的方法，对于降低成本促进铝合金压铸结构件在不同档次汽车上的规模化应用、提升我国汽车轻量化水平具有重要的理论价值和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有铸造铝合金中的Fe含量低，对原料纯度要求高，难以二次重熔再用，通过添加Ce+La混合稀土和增加超声振动相结合的方法，改变富Fe相的形貌，降低针状Fe相的有害作用，保证铝合金中的Fe含量在大于0.20%，小于等于0.5%时仍然具有高的强韧性，提高Fe含量容许度。

本发明是通过以下技术方案实现的；

根据上述的提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法，所述结构件用铝合金中各组分的质量百分比含量为Si：9.0~11.0%， Mg：0.2~0.6%，Mn：0.3~0.6%，0.2< Fe≤0.50%，Zn：0.05~0.07%，Cu：0.02~0.05%，Sr：0.006~0.025%，余量为Al元素。

具体包括以下步骤：

A．将结构件用铝合金中各组分按上述的质量百分比配制好的铝合金进行熔炼，将Ce+La混合稀土在100℃～150℃进行预热；当熔炼温度≥760℃时，向熔体中加入预热后的Ce+La混合稀土进行熔体处理，所述Ce+La混合稀土，其Ce+La元素的总含量为10-15%。令铝合金中的Fe质量百分数是a₁，加入的Ce+La混合稀土与待处理铝合金中Fe的质量比b₁，则按照下述比例进行配制铝合金材料：当0.2＜a₁≤0.3时，0<b₁≤0.5；当 0.3< a₁≤0.5时，0.5< b₁≤1；

B．将混合稀土压入合金液中搅拌均匀，在730℃时按Sr的收得量为0.006~0.025%加入Al-Sr中间合金，在熔体温度达710℃～720℃时通入氩气，通入氩气的时长为10min，通完氩气后进行扒渣，静置10～15min；

C．进行超声振动处理，振动时间为3min，振动停止后得到铝合金熔；

D．将得到的铝合金熔体压铸成型，铸造温度为680℃，将成型铝合金在480～510℃固溶处理3h～5h，水淬后，再在160～180℃时效处理4h～6h，随炉冷却后得到Fe含量容许度高的高强韧铝合金。

本发明进一步改进在于：超声振动的频率为20～80kHz。

本发明的原理是向铝合金熔体中加入Ce+La混合稀土和增加超声振动相结合的方法，改变富Fe相的形貌，降低β-Fe相的有害作用，保证铝合金中的Fe含量在大于0.20%，小于等于0.5%时仍然具有高的强韧性，提高材料对Fe含量容许度。

Ce+La混合稀土的作用及机理：

（1）可改变合金组织中富Fe相的形貌，使之由不规则的长针状转化为规则的颗粒状，从而改善合金力学性能，Al和Si与Ce的电负性差大于Al和Si与Fe的电负性差，Ce与Al、Si所形成的金属间化合物要比Fe与Al和Si形成的金属间化合物稳定性高，RE与Fe的交互作用较强，与Si的作用较弱，易形成Al-Fe-RE化合物。

（2）可消除β-铁相的危害作用，其机理是：

1)稀土优先与Fe生产细小共晶组织化合物，减小β-铁相的形成机会；

2)通过改变Fe相在合金中的形貌，使β-铁相转变为对合金性能危害较小的α-铁相；

3)细化粗针状β-铁相，减小其危害。

（3）超声振动的作用及机理：

（1）超声波由于其空化效应和声流效应，金属液的流动加剧，局部形成的气泡破裂出现较大的瞬时压力，细化合金的二次枝晶间距和富Fe相，部分晶粒从树枝晶转变为等轴晶；

2)超声处理后，过冷度增大，促进了α-铁相的形成。

本发明的有益技术效果：本发明提供提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法，实现得到既容易回收利用、又兼具高强韧性能的铸造铝合金材料，通过合理的成分设计，添加Ce+La混合稀土元素和增加超声振动相结合的方法，细化富Fe相，减小Fe 相对力学性能的危害。本发明所提供一种提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法，使高强韧铸造铝合金在保持良好的压铸成型性能的同时，能够满足大型复杂薄壁结构件对高强韧压铸铝合金材料的需求，同时能够回收利用、降低成本，与常规铸造铝合金制备方法相比具有以下的优点：

（1）本发明制备的铸造铝合金，无需采用高纯度原料制备，且易于回收利用，同时满足当前汽车行业大型薄壁结构件对高强韧压铸铝合金材料的需求，可降低生产成本；

（2）本发明制备的铸造铝合金通过引入Ce+La混合稀土和增加超声振动细化富Fe相，使Fe含量在0.20~0.5%（不含0.20%）时，仍能保持较高的强度和韧性；

（3）本发明的工艺流程简单，所需设备简单，成本较低，无污染物的排放，属于一种环保型技术。

附图说明

图1为带有超声振动的熔炼装置。

图2为未加Ce+La混合稀土的金相组织。

图3为添加Ce+La混合稀土并进行超声振动处理的金相组织。

图4为添加Ce+La混合稀土未进行超声振动处理的金相组织。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

根据上述的提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法，所述结构件用铝合金中各组分的质量百分比含量为Si：9.0~11.0%，Mg：0.2~0.6%，Mn：0.3~0.6%，0.2< Fe≤0.50%，Ti： 0.05~0.15%，Zn：0.05~0.07%，Cu：0.02~0.05%，Sr：0.006~0.025%，余量为Al元素。

提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法，包括以下步骤：

A．将结构件用铝合金中各组分按上述的质量百分比配制好的铝合金进行熔炼，将Ce+La混合稀土在100℃～150℃进行预热；当熔炼温度≥760℃时，向熔体中加入预热的Ce+La混合稀土进行熔体处理，所述Ce+La混合稀土，其Ce+La元素的总含量为10-15%。令铝合金中的Fe质量百分数是a₁，加入的Ce+La混合稀土与待处理铝合金中Fe的质量比b₁，则按照下述比例进行配制铝合金材料：当0.2＜a₁≤0.3时，0<b₁≤0.5；当 0.3< a₁≤0.5时，0.5< b₁≤1；

C．进行超声振动处理，振动时间为3min，超声振动的频率为20～80kHz，振动停止后得到铝合金熔；

本发明通过带有超声振动的熔炼装置实现，该装置的结构如图1所示，该装置包括底座1、温度控制单元2、热电偶3、支杆4、升降控制器5、换能器6、变幅杆7、超声振动头8、超声发生控制器9、坩埚10。超声发生装置包括超声发生控制器9、换能器6、变幅杆7及超声振动头8，可根据需要对铝液进行超声振动并控制振动的频率、功率以及时间，当施加振动时，将超声振动头浸入铝液中。坩埚10由耐热材料制成，盛放熔融的铝液。温度控制单元2用于监测铝液的温度并根据要求的温度对铝合金液进行调节。热电偶3安装在温度控制单元2上，并对铝合金液的温度进行监测。升降控制器5可根据需要调节超声振动头的高度。

实施例1

按照质量百分比Mg： 0.2%，Si： 9.0%，Mn： 0.4%， Fe： 0.25%，Ti： 0.05%，Zn： 0.05%，Cu： 0.02%，Sr：0.006%，余量为Al配制合金并进行熔炼，在730℃时按Sr的收得量为0.006%加入Al-Sr中间合金，在熔体710℃～720℃时通入氩气，时长为10min，通完氩气后，进行超声振动处理，振动时间为3min，超声振动的频率为20～80kHz，振动停止后得到铝合金熔体，将得到的铝合金压铸成型，铸造温度为680℃，将铝合金在480℃固溶处理5h，水淬后，在170℃时效处理6h，其金相组织如图2所示。

实施例2

按照质量百分比Mg： 0.2%，Si： 9.0%，Mn： 0.4%， Fe： 0.25%，Ti： 0.05%，Zn： 0.05%，Cu： 0.02%，Ce+La混合稀土： 0.1%，Sr：0.006%，余量为Al配制合金并进行熔炼，当熔炼温度≥760℃时，向熔体中加入Ce+La混合稀土，并将混合稀土压入合金液中搅拌均匀，在温度为730℃时按Sr的收得量为0.006%加入Al-Sr中间合金，在熔体710℃～720℃时通入氩气，时长为10min，通完氩气后，进行超声振动处理，振动时间为3min，超声振动的频率为20～80kHz，振动停止后得到铝合金熔体，将得到的铝合金压铸成型，铸造温度为680℃，将铝合金在480℃固溶处理5h，水淬后，在170℃时效处理6h，其金相组织如图3所示，为了对比加Ce+La混合稀土与超声振动的效果，同时浇注未超声振动的合金，其金相组织如图4所示。

实施例3

按照质量百分比Mg： 0.3%，Si： 10.0%，Mn： 0.3%， Fe： 0.35%，Ti： 0.05%，Zn： 0.07%，Cu： 0.03%，Ce+La混合稀土： 0.30%，Sr：0.01%，余量为Al配样并进行熔炼，当熔炼温度≥760℃时，向熔体中加入Ce+La混合稀土，并将混合稀土压入合金液中搅拌均匀，在温度在730℃时按Sr的收得量为0.01%加入Al-Sr中间合金，在熔体710℃～720℃时通入氩气，通入氩气的时长为10min，通完氩气后，进行超声振动处理，振动时间为3min，超声振动的频率为20～80kHz，振动停止后得到铝合金熔体，将得到的铝合金压铸成型，铸造温度为680℃，将铝合金在500℃固溶处理4h，水淬后，在180℃时效处理4h。

实施例4

按照质量百分比Mg： 0.6%，Si：11.0%，Mn： 0.4%， Fe： 0.45%，Ti： 0.15%，Zn： 0.05%，Cu： 0.02%，Ce+La混合稀土： 0.45%，Sr：0.02%，余量为Al配样并进行熔炼，当熔炼温度≥760℃时，向熔体中加入Ce+La混合稀土，并将混合稀土压入合金液中搅拌均匀，在温度在730℃时按Sr的收得量为0.02%加入Al-Sr中间合金，在熔体710℃～720℃时通入氩气，通入氩气的时长为10min，通完氩气后，进行超声振动处理，振动时间为3min，超声振动的频率为20～80kHz，振动停止后得到铝合金熔体，将得到的铝合金压铸成型，铸造温度为680℃，将铝合金在510℃固溶处理3h，水淬后，在170℃时效处理5h。

实施例5

按照质量百分比Mg： 0.6%，Si：11.0%，Mn： 0.6%， Fe： 0.5%，Ti： 0.10%，Zn： 0.05%，Cu： 0.05%，Ce+La混合稀土： 0.4%，Sr：0.025%，余量为Al配样并进行熔炼，当熔炼温度≥760℃时，向熔体中加入Ce+La混合稀土，并将混合稀土压入合金液中搅拌均匀，在温度在730℃时按Sr的收得量为0.025%加入Al-Sr中间合金，在熔体710℃～720℃时通入氩气，通入氩气的时长为10min，通完氩气后，进行超声振动处理，振动时间为3min，超声振动的频率为20～80kHz，振动停止后得到铝合金熔体，将得到的铝合金压铸成型，铸造温度为680℃，将铝合金在510℃固溶处理5h，水淬后，在180℃时效处理6h。

表1 实施例1-5稀土微合金化高强韧铸造铝合金材料的力学性能数据

以上实施例表明当该铝合金中Fe含量在0.20~0.5%（不含0.20%）时，通过添加Ce+La混合稀土和增加超声振动相结合的方法，改变富Fe相的形貌，降低针状Fe相的有害作用，保证铝合金中Fe含量在0.20~0.5%（不含0.20%）时仍然具有高的强韧性。

采用本发明制备的汽车结构件用高强韧铝合金具有力学性能良好、铁相晶粒细小、RE亚稳相细小等突出特点。因此，本发明。制备的高强韧铸造铝合金能够满足当前汽车行业的大型复杂薄壁结构件对于高强韧压铸铝合金材料的需求，大大提高产品的生产效率，并降低生产成本。

以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限本发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims

1.提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法，其特征在于，所述结构件用铝合金中各组分的质量百分比含量为Si：9.0~11.0%， Mg：0.2~0.6%，Mn：0.3~0.6%，0.2< Fe≤0.50%，Ti： 0.05~0.15%，Zn：0.05~0.07%，Cu：0.02~0.05%，Sr：0.006~0.025%，余量为Al元素。

2.根据权利要求1所述提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A．将权利要求1中配制好的铝合金进行熔炼，将Ce+La混合稀土在100℃～150℃进行预热；当熔炼温度≥760℃时，向熔体中加入预热后的Ce+La混合稀土进行熔体处理，所述Ce+La混合稀土，其Ce+La元素的总含量为10-15%，令铝合金中的Fe质量百分数是a₁，加入的Ce+La混合稀土与待处理铝合金中Fe的质量比b₁，则按照下述比例进行配制铝合金材料：当0.2＜a₁≤0.3时，0<b₁≤0.5；当 0.3< a₁≤0.5时，0.5< b₁≤1；

C．进行超声振动处理，振动时间为3min，振动停止后得到铝合金熔体；

3.根据权利要求1或2所述提高汽车结构件用高强韧铝合金Fe含量容许度的方法，其特征在于，所述步骤C中的超声振动的频率为20～80kHz。