CN111139381B - 一种铝合金结构件材料及其制备方法 - Google Patents

一种铝合金结构件材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金结构件材料,涉及铝合金铸造领域,本发明具体限定了合金中不同元素的含量,通过合金化、除渣、除气、预热和铸造等制造工艺,制备得到的铝合金结构件材料具有优越的铸造性能和充型能力,及较好的高温耐腐蚀性和高温性能稳定性、良好的传热性。本发明中铝合金力学性能可以达到抗拉强度≥220MPa、屈服强度≥110MPa、伸长率≥12%,将其应用于汽车电池包壳体,可一次铸造成形,相对于不锈钢,可以省去盒底焊接工艺,且适用寿命长,从而促进高性能结构件用铝合金材料的国产化生产,对推动汽车轻量化发展具有重大意义。

Description

一种铝合金结构件材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金铸造领域,特别是涉及一种铝合金结构件材料及其制备方法。
背景技术
随着环保和节能需求的日益提高,汽车轻量化设计已经成为世界汽车发展的潮流。汽车轻量化的发展,离不开材料、成型技术、设备、结构设计等相关领域的发展。其中结构件压铸工艺及结构件用材料制造技术是汽车轻量化发展的关键。
在汽车制造行业中,高性能铝合金结构件材料主要应用于新能源汽车电池包壳体结构件中,电池壳体是新能源汽车动力电池的承载件,一般是安装在车体下部,主要用于保护锂电池在受到外界碰撞、挤压时不会损坏。汽车动力电池包壳体采用铝合金材料,使得包壳体具有易加工成型、高温耐腐蚀性、良好的传热性和导电性的特点。铝合金壳体可一次铸造成形,相对于不锈钢,可以省去盒底焊接工艺。但因高性能铝合金结构件材料的制作难度大、技术含量高,长久以来,国内结构件用铝合金材料一直依赖于进口,被德国莱茵菲尔德铝业垄断,使得制造成本和使用成本始终居高不下,限制了该类材料在普通车型上的广泛应用和推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金结构件材料及其制备方法,以解决上述现有技术存在的问题,使具有优越的铸造性能和充型能力,及较好的高温耐腐蚀性和高温性能稳定性、良好的传热性和导电性。该合金力学性能可以达到:在铸态条件下,抗拉强度≥220MPa、屈服强度≥110MPa、伸长率≥12%。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供一种铝合金结构件材料,按百分含量计,包括以下组分:
Si9.1-10.0%,Fe≤0.15%,Mg≤0.06%,Zn≤0.05%,Mn0.35-0.60%,Cu≤0.03%,Ni≤0.03%,Sn≤0.05%,Pb≤0.1%,Ti0.06-0.15%,Ca≤0.002%,Sr0.015-0.025%,Cr≤0.03%,Na≤0.001%,P≤0.001%,Cd≤0.01%,Li≤0.001,Zr0.10-0.20%,B≤0.0025%,Hg≤0.1%,Mo0.015-0.035%,余量为Al和不可避免的杂质。
上述铝合金结构件材料由以下原料组成:
A00 86.66%,工业硅9.60%,铝钛中间体1%,铝锆中间体1.5%,铝锶杆0.22%,电解锰0.52%,铝钼中间体0.50%。
本发明还提供一种上述铝合金结构件材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)合金化:将A00铝、工业硅、铝钛中间体、铝锶杆、电解锰和铝钼中间体分别熔融后加入到合金铸造炉体内,在770-810℃条件下进行搅拌得到混合物;
(2)炉内除渣:调整炉内温度到740-760℃,在步骤(1)中所得混合物中加入铝锆中间体合金进行充分搅拌,进行炉内除渣,使铝渣呈松散状态;
(3)炉内除气:调整炉内温度到710-750℃,在氮气条件下进行炉内除气;
(4)预热:对除气箱和模具进行预热处理,浇壶烘烤20-30min;
(5)浇铸:710-720℃温度条件下,在氮气保护气氛中对铝合金材料进行浇铸。
进一步地,所述步骤(3)中合金铸造炉的氮气出口压力为0.40-0.60Mpa;
进一步地,所述步骤(3)中除气时间不少于30min;
进一步地,步骤(4)中对除气箱进行预热处理的温度为350-450℃;
进一步地,步骤(4)中,模具预热温度为45-65℃;
进一步地,步骤(5)中浇铸速率为40-50HZ;
进一步地,步骤(5)中除气机转速为400-440RPM,氮气流量为15-25LPM;
进一步地,步骤(5)中在浇铸过程中采用20ppi泡沫陶瓷过滤板进行全过程过滤。
本发明公开了以下技术效果:
本发明通过合金化、除渣、除气、预热和铸造等制造工艺,制备得到的铝合金结构件材料具有优越的铸造性能和充型能力,及较好的高温耐腐蚀性和高温性能稳定性、良好的传热性和导电性。选用纯净度较高的电解铝、工业硅等材料,保证杂质Fe、Ca、P等元素尽可能少的带入,在净化处理方面,采用将铝液中非金属夹杂物、氧化物及含气量的杂质高效去除的技术,保证铝液具有较高的纯净度,同时限定最优的Mo及其余元素含量,得到的铝合金力学性能可以达到抗拉强度≥220MPa、屈服强度≥110MPa、伸长率≥12%,将其应用于汽车电池包壳体,可一次铸造成形,相对于不锈钢,可以省去盒底焊接工艺,且适用寿命长,从而促进高性能结构件用铝合金材料的国产化生产,对推动汽车轻量化发展具有重大意义。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
实施例1
配方如表1所示:
表1
Figure BDA0002359818440000051
制备方法:
(1)合金化:将A00铝、工业硅、铝钛中间体、铝锶杆、电解锰和铝钼中间体分别熔融后加入到合金铸造炉体内,在770℃条件下进行搅拌得到混合物;
(2)炉内除渣:调整炉内温度到740℃,在步骤(1)中所得混合物中加入铝锆中间体合金进行充分搅拌,进行炉内除渣,使铝渣呈松散状态;
(3)炉内除气:调整炉内温度到710℃,在氮气条件下进行炉内除气;
(4)预热:对除气箱和模具进行预热处理,浇壶烘烤20min;
(5)浇铸:710℃温度条件下,在氮气保护气氛中对铝合金材料进行浇铸。
所述步骤(3)中合金铸造炉的氮气出口压力为0.40Mpa;
所述步骤(3)中除气时间不少于30min;
步骤(4)中对除气箱进行预热处理的温度为350℃;
步骤(4)中模具预热温度为45℃;
步骤(5)中浇铸速率为40HZ;
步骤(5)中除气机转速为400RPM,氮气流量为15LPM;
步骤(5)中在浇铸过程中采用20ppi泡沫陶瓷过滤板进行全过程过滤。
实施例2
A00 86.16%,工业硅9.60%,铝钛中间体1.5%,铝锆中间体1.5%,铝锶杆0.22%,电解锰0.52%,铝钼中间体0.50%。
制备方法:
(1)合金化:将A00铝、工业硅、铝钛中间体、铝锶杆、电解锰和铝钼中间体分别熔融后加入到合金铸造炉体内,在790℃条件下进行搅拌得到混合物;
(2)炉内除渣:调整炉内温度到750℃,在步骤(1)中所得混合物中加入铝锆中间体合金进行充分搅拌,进行炉内除渣,使铝渣呈松散状态;
(3)炉内除气:调整炉内温度到730℃,在氮气条件下进行炉内除气;
(4)预热:对除气箱和模具进行预热处理,浇壶烘烤25min;
(5)浇铸:715℃温度条件下,在氮气保护气氛中对铝合金材料进行浇铸。
所述步骤(3)中合金铸造炉的氮气出口压力为0.50Mpa;
所述步骤(3)中除气时间不少于30min;
步骤(4)中对除气箱进行预热处理的温度为400℃;
步骤(4)中,模具预热温度为55℃;
步骤(5)中浇铸速率为45HZ;
步骤(5)中除气机转速为420RPM,氮气流量为20LPM;
步骤(5)中在浇铸过程中采用20ppi泡沫陶瓷过滤板进行全过程过滤。
实施例3
A00 86.66%,工业硅9.00%,铝钛中间体1.3%,铝锆中间体1.8%,铝锶杆0.22%,电解锰0.52%,铝钼中间体0.50%。
制备方法:
(1)合金化:将A00铝、工业硅、铝钛中间体、铝锶杆、电解锰和铝钼中间体分别熔融后加入到合金铸造炉体内,在810℃条件下进行搅拌得到混合物;
(2)炉内除渣:调整炉内温度到760℃,在步骤(1)中所得混合物中加入铝锆中间体合金进行充分搅拌,进行炉内除渣,使铝渣呈松散状态;
(3)炉内除气:调整炉内温度到750℃,在氮气条件下进行炉内除气;
(4)预热:对除气箱和模具进行预热处理,浇壶烘烤30min;
(5)浇铸:720℃温度条件下,在氮气保护气氛中对铝合金材料进行浇铸。
所述步骤(3)中合金铸造炉的氮气出口压力为0.60Mpa。
所述步骤(3)中除气时间不少于30min。
步骤(4)中对除气箱进行预热处理的温度为450℃。
步骤(4)中模具预热温度为65℃。
步骤(5)中浇铸速率为50HZ。
步骤(5)中除气机转速为440RPM,氮气流量为25LPM。
步骤(5)中在浇铸过程中采用20ppi泡沫陶瓷过滤板进行全过程过滤。
对实施例1-3中铝合金进行力学性能检测,结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002359818440000071
Figure BDA0002359818440000081
同时,实施例1-3中铝合金成分设计不含有Cu、Mg等可以通过热处理改变合金组织性能的元素,在铸件产品使用过程中不会随环境温度的变化而产生性能改变,减少普通铸件需进行热处理强化的情况。
对实施例1-3中铝合金耐腐蚀性能进行检测,结果如表2所示。
表2
Figure BDA0002359818440000082
通过上述性能检测可以看出,实施例1的铝合金耐腐蚀性能最好。
实施例4
对实施例1中的铝合金进行XRD分析,得到铝合金中化学成分如表3所示。
表3
Figure BDA0002359818440000083
Figure BDA0002359818440000091
实施例1中所用AlMo5铝钼中间体中Mo元素的含量为5%,即铝合金中Mo元素的含量为0.025%。
通过调整铝钼中间体的投料比例来调节铝合金中Mo元素的含量,从而验证不同Mo元素含量铝合金的力学性能水平;A00铝的投料比例随铝钼中间体的投料比例进行相应调整,使投料总计为100%。
对比例1
铝合金中不加Mo元素,制备方法同实施例1;
对比例2
铝合金中Mo的含量为0.015%,制备方法同实施例1;
对比例3
铝合金中Mo的含量为0.035%,制备方法同实施例1;
对比例4
铝合金中Mo的含量为0.045%,制备方法同实施例1;
对比例5-8
铝合金中Mo的含量为0.05%,加入不同含量的V进行性能验证,制备方法同实施例1;
不同Mo元素添加量和V元素添加量的铝合金材料力学性能如表4所示。
表4
Figure BDA0002359818440000092
Figure BDA0002359818440000101
通过对比,Mo含量在0.015%、0.025%、0.035%时抗拉强度、屈服强度及延伸率效果最好,力学性能最佳;V的加入改善效果不明显。
由实施例1-3和对比例1-8可以看出,实施例1中铝合金的力学性能、以及耐高温、耐腐蚀效果优良。
Sr的作用主要是改善Si在合金中的形态,但过量Sr会增加合金的吸气倾向。严格控制微量元素Ca、Na、P等杂质元素的范围,结合已有专利技术《再生铸造铝合金锭杂质Li元素含量限定方法》,制定合理的控制范围,最终确定成分配方如下:
Figure BDA0002359818440000102
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种铝合金结构件材料,其特征在于,按百分含量计,包括以下组分:
Si9.1-10.0%,Fe≤0.15%,Mg≤0.06%,Zn≤0.05%,Mn0.35-0.60%,Cu≤0.03%,Ni≤0.03%,Sn≤0.05%,Pb≤0.1%,Ti0.06-0.15%,Ca≤0.002%,Sr0.015-0.025%,Cr≤0.03%,Na≤0.001%,P≤0.001%,Cd≤0.01%,Li≤0.001,Zr0.10-0.20%,B≤0.0025%,Hg≤0.1%,Mo0.015-0.035%,余量为Al和不可避免的杂质;
所述的铝合金结构件材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)合金化:将A00铝、工业硅、铝钛中间体、铝锶杆、电解锰和铝钼中间体分别熔融后加入到合金铸造炉体内,在770-810℃条件下进行搅拌得到混合物;
(2)炉内除渣:调整炉内温度到740-760℃,在步骤(1)中所得混合物中加入铝锆中间体合金进行充分搅拌,进行炉内除渣,使铝渣呈松散状态;
(3)炉内除气:调整炉内温度到710-750℃,在氮气条件下进行炉内除气;
(4)预热:对除气箱和模具进行预热处理,浇壶烘烤20-30min;
(5)浇铸:710-720℃温度条件下,在氮气保护气氛中对铝合金材料进行浇铸。
2.根据权利要求1所述的铝合金结构件材料,其特征在于,按百分含量计,由以下原料组成:
A00铝86.66%,工业硅9.60%,铝钛中间体1%,铝锆中间体1.5%,铝锶杆0.22%,电解锰0.52%,铝钼中间体0.50%。
3.根据权利要求1所述的铝合金结构件材料,其特征在于,所述步骤(3)中合金铸造炉的氮气出口压力为0.40-0.60Mpa。
4.根据权利要求1所述的铝合金结构件材料,其特征在于,所述步骤(3)中除气时间不少于30min。
5.根据权利要求1所述的铝合金结构件材料,其特征在于,步骤(4)中对除气箱进行预热处理的温度为350-450℃。
6.根据权利要求1所述的铝合金结构件材料,其特征在于,步骤(4)中,模具预热温度为45-65℃。
7.根据权利要求1所述的铝合金结构件材料,其特征在于,步骤(5)中除气机转速为400-440RPM,氮气流量为15-25LPM。
8.根据权利要求1所述的铝合金结构件材料,其特征在于,步骤(5)中在浇铸过程中采用20ppi泡沫陶瓷过滤板进行全过程过滤。
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