CN111197132A

CN111197132A - 一种非热处理型的高强压铸铝合金及其制备方法

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Publication number: CN111197132A
Application number: CN202010023259.3A
Authority: CN
Inventors: 张煜琰; 长海博文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2020-05-26

Abstract

本发明提供了一种非热处理型高强压铸铝合金材料及其制备方法，涉及金属材料领域。该非热处理高强压铸铝合金，其化学成分按质量百分数计包括：Si的含量6‑10％，Zn的含量16‑21％，Fe的含量0.2‑0.8％，Cu的含量2.0‑4.0％，Mg的含量0.01‑0.3％，Ni的含量0.01‑0.2％，Ti的含量0.01‑0.2％，Sr的含量0.01‑0.05％，杂质元素含量≤0.15％，其余为Al。该压铸铝合金材料铸造性能优异、强度高、尺寸稳定性好，不添加稀土等元素，经济性好，具有优异的力学性能和显著的自然时效强化特性，特别适用于采用压铸工艺制造通讯、电子类薄壁复杂产品结构件的制造。

Description

一种非热处理型的高强压铸铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料及其制备成形领域，尤其涉及非热处理型的高强压铸铝合金及其制备方法和应用。

背景技术

随着电子通讯技术的发展，通讯、消费电子产品向小型化、轻量化、高集成度的方向发展，因此对产品的成形性，力学性能提出了更高的要求。目前，智能手机等消费电子产品逐渐从通过大量机加工变形铝合金材料来制备中板、中框的工艺转向由压铸直接成型为薄壁复杂结构件的趋势。因此，压铸件在智能手机、平板电脑等产品中的应用越来越多。以智能手机为代表的高集成度电子产品，其结构件形状复杂、壁薄、精度要求高、生产工序多，要求材料具有高强度的同时具有良好的成形性。传统的压铸件的强度较低，只有通过后续的固溶热处理的方式以提升其强度，但是在热处理过程中，压铸件的表面会形成鼓泡，薄壁复杂结构件会产生极大的变形，不仅影响其表面质量而且还极大的影响了其尺寸精度。由此可知传统压铸铝合金材料的铸件无法满足电子通讯产品所需的高强度高精度的要求。因此，开发一种不通过热处理强化的高性能的压铸铝合金材料十分必要。

目前，电子通讯行业常用的传统高强压铸铝合金材料主要有Al-Si-Mg系、Al-Si-Cu系以及Al-Mg-Cu系列。其中A360(Al-Si-Mg)合金，其铸态的抗拉强度≥305MPa，屈服强度≥170MPa。A380.0(Al-Si-Cu)合金，其铸态的抗拉强度≥325MPa，屈服强度≥160MPa。518合金(Al-Mg)其铸态的抗拉强度≥310MPa，屈服强度≥193MPa。以上的传统铸造铝合金材料在其铸态时的屈服强度都低于200MPa。

专利CN108624788A公开了一种高强韧铸造铝合金，合金的主要成分为：Si8.5-12％,Cu1.0-4.0％,Mg0.2-0.5％,La0.2％，该合金压铸件经过固溶和时效处理后的强度超过400MPa，屈服大于350MPa，延伸率大于1.5％。但该合金添加了昂贵的稀土元素La，成本较高。

专利CN106319306A公开了一种Al-Mg系高强韧铸造铝合金，合金的主要化学成分为：Mg4.2-5.3％,Si1.5-1.8％,Mn0.14-0.22％,Cu0.12-0.25％，Ti0.05-0.08％该合金压铸件后的铸态抗拉强度超过340MPa，屈服强度大于195MPa，延伸率大于10.2％。该合金虽然延伸率非常高但其铸态屈服强度低于200MPa，而且，铸造成型性远低于ADC12。

专利CN110157959A公开了一种高强韧铸造铝合金，合金的主要化学成分为：Si9.0-12.0％,Zn8.0-12.0％,Mg0.3-0.5％,Fe0.2-0.5％,Mn0.3-0.65％，Re0.05-0.1％该合金压铸件后的铸态抗拉强度达到370MPa，屈服强度达到275MPa，延伸率大于4.9％。该合金虽然延伸率非常高但其铸态屈服强度低于300MPa，而且，铸造成型性远低于ADC12。

上述高强高韧铸造铝合金材料虽然经热处理后可达300MPa以上，但所有的合金的铸态屈服强度都低于300MPa，同时多少添加了昂贵的稀土元素，成本高难于满足电子通讯产品的需求。鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的是提供一种非热处理型的高强压铸铝合金，其铸态屈服强度可达300MPa以上，并有良好的流动性，适合于压铸工艺来生产薄壁复杂结构件。本发明的另一个目的在于提供一种自然时效强化效果显著的新型高屈服强度压铸铝合金材料的制备方法，该方法简单，无需通过高温固溶热处理提高强度，可实现节能减排。

本发明实施例是采用如下技术方案实现的：

本发明实施例提供了一种高强度的压铸铝合金，其化学成分按质量百分数计包括：Si的含量6-10％，Zn的含量16-21％，Fe的含量0.2-0.8％，Cu的含量2.0-4.0％，Mg的含量0.01-0.3％，Ni的含量0.01-0.2，Ti的含量0.01-0.2，Sr的含量0.01-0.05％，杂质元素含量≤0.15％，其余为Al。

可选地，在本发明的其他实施方式中，上述Ti的含量为0.01-0.2％，优选为0.01-0.1％。

可选地，在本发明的其他实施方式中，上述杂质元素包括Cr，Na，Mn，中的一种或多种。

本发明还保护上述的压铸铝合金的制备方法，主要步骤包括熔炼和铸造。

进一步的，所述的熔炼的步骤包括：

(1)将称重配比好的纯铝或电解铝液投入熔炼炉中，加热到700-800℃；然后加入硅配比好的Si、Zn、Fe、Cu等原料，搅拌均匀；

(2)在700-760℃下，利用喷吹装置，通入惰性气体，将铝合金精炼剂均匀喷入熔体内部，进行除气、除渣处理30-40分钟；

(3)扒去浮渣,静置20-60分钟，得到铝合金熔体，用于后续铸造。

进一步的，所述的硅为工业硅、速溶硅或铝硅中间合金。

进一步的，所述的锌为纯锌其纯度为99.9％以上。

进一步的，所述的铁为铝铁中间合金或铁添加剂。

进一步的，所述的铜为纯铜或铝铜中间合金或铜添加剂。

进一步的，所述的纯镁的纯度为99.9％以上。

进一步的，所述的惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。

进一步的，所述铸造的步骤为：将上述熔炼步骤中制备好的熔体浇铸成重熔用合金锭或者用于压铸生产铸件，铸造温度为650-750℃。

本发明的另一目的在于保护上述的压铸铝合金材料在复杂结构、薄壁结构类零部件中的应用。

本发明的一种非热处理型的高强压铸铝合金，结合了亚共晶Al-Si系列和高强Al-Zn系列，以及高强Al-Cu系列合金的优点。由于Si含量位于Al-Si共晶成分附近具有良好的流动性，适合于压铸薄壁复杂结构件。合金中的Zn含量高达16-21％，属于高Zn铝合金，再配合上2-4％的高Cu含量，可形成大量的共晶，有效的降低了高Zn铝合金的开裂倾向。属于高Zn、高Cu含量的铝合金，Zn与Al、Cu、Mg可生成Al₂Mg₃Zn₃,MgZn₂,Al₂Cu，Q-AlCuMgSi等强化相，保证了合金拥有很高的强度，同时MgZn₂，Al₂Cu的自然时效强化效果极好，无需再通过高温固溶热处理和人工时效处理获得高强度。再加上该合金具有极佳的流动性，可用于压铸生产复杂结构零部件，与现有常规压铸铝合金相比具有如下突出的优点：

(1)本发明的高强铸造铝合金材料同时具有优异的力学性能和显著的自然时效强化特性。本发明的铝合金材料压铸成铸件之后的典型性能为：铸造成型后室温自然时效30天后屈服强度大于300MPa，30天以后基本稳定在310MPa左右，延伸率≥1.5％

(2)本发明的高强铸造铝合金材料铸造成形性能优异，无粘模倾向，可用于复杂薄壁零部件的工业化生产；

(3)本发明的铝合金材料，不需要通过后续高温固溶和人工时效热处理工序及添加昂贵的稀土元素来提高其强度，减少了工序，节约了加工制造成本。

(4)由于不需要做高温固溶及淬火处理，铸件的尺寸稳定性好，适用于高精度复杂薄壁零部件的生产制造。

具体实施方式

下面通过具体实施例来对本发明做进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

本发明实施例提供了一种非热处理型高强铸造铝合金材料，其化学成分按质量百分数计包括：Si的含量6-10％，Zn的含量16-21％，Fe的含量0.2-0.8％，Cu的含量2.0-4.0％，Mg的含量0.01-0.3％，Ni的含量0.01-0.2％，Ti的含量0.01-0.2％，Sr的含量0.01-0.05％，杂质元素含量≤0.15，其余为Al。

本实施例中，铝合金中添加的Si是为了改善铝液流动性的主要元素，添加量接近共晶成分7.5-11％，保障了合金具有良好的充填成型性，可生产薄壁复杂结构件。本申请中添加了大量的Zn和适当的Cu以及少量的Mg，可形成Al₂Mg₃Zn₃,MgZn₂,Al₂Cu，Q-AlCuMgSi等强化相，保证了合金拥有很高的强度，同时MgZn₂，Al₂Cu的自然时效强化效果极好，无需再通过高温固溶热处理和人工时效处理获得高强度。Fe的添加是避免粘模，虽然Fe会和Si形成针状或片状的β-AlFeSi相，降低合金的延伸率，但是对于亚快速凝固的压铸工艺，尤其对薄壁件来说，其冷却速率高达100℃/s以上，因此析出的β-AlFeSi相非常细小，对延伸率的影响极小。另外，本申请的化学成分中Ti元素可有效细化合金的晶粒配合上Sr的变质处理，既可减小晶粒尺寸又可细化共晶硅相，进而提高韧性。

此外，本申请还提供了一种上述高强压铸铝合金的制备方法，将称重配比好的纯铝或电解铝液投入熔炼炉中，加热到700-800℃；然后加入工业硅、速溶硅或铝硅中间合金，搅拌均匀；

在700-760℃下，投入铝合金精炼剂对熔体进行精炼处理，随后扒渣。

在700-740℃下加入纯镁(99.9％)和铝锶合金，搅拌均匀；进一步而言，

所述铝锶合金含Sr 5-15％。

以细小的气泡形式向铝合金熔体中通入高纯氮气或高纯氩气进行除气处理10-20分钟，扒渣，静置，除气精炼后静置10-120min，然后扒去浮渣得到铝合金熔体，可用于后续铸造。

所述铸造步骤为：将上述熔炼步骤中制备好的熔体浇铸成重熔用合金锭或者用于压铸生产铸件，铸造温度为640-720℃。

铸造成型后室温自然时效30天后屈服强度大于300MPa，30天以后基本稳定在310MPa左右，延伸率≥1.5％

实施例1：

首先制备4组合金的熔体,其中合金1、合金2为本发明新型高强压铸铝合金，合金3与ADC12作为对比：

合金1：Si9.5％，Zn20％，Mg0.05％，Fe0.8％，Cu3.0％，Ni0.05％，Ti0.08％其余为Al和少量不可避免的杂质。

合金2：Si8.5％，Zn17％，Mg0.05％，Fe0.7％，Cu3.5％，Ni0.05％，Ti0.08％其余为Al和少量不可避免的杂质。

合金3：Si9.0％，Zn14％，Mg0.05％，Fe0.8％，Cu2.5％，Mn0.15，Ni0.05％，Ti0.08％其余为Al和少量不可避免的杂质。

ADC 12：Si11％，Zn0.88％，Mg0.25％，Fe0.8％，Cu1.7％，Mn0.2％，Ni0.05％，Ti0.04％其余为Al和少量不可避免的杂质。

照如下步骤制备标准式样一批：

熔炼：将纯铝投入熔炼炉中，加热到760℃熔化，再加入配比好的硅、铁、铜等材料，搅拌均匀；在700-760℃下，利用喷吹装置，通入惰性气体，将铝合金精炼剂均均匀喷入熔体内部，进行除气、除渣处理30-40分钟，扒去浮渣,静置20-60分钟，并控制熔体温度至710℃，得到铝合金熔体。

铸造：按上述步骤制备铝合金熔体，使用280吨压铸机制备标准压铸试样一批，铸造温度为690℃。

将上述4组合金进行自然时效，测试其不同时效时间的力学性能。各合金成分及平均力学性能数据对比如表1。

表1不同合金自然时效过程中的力学性能对比

从表1的结果可以看出，本发明的高强铸造铝合金自然时效强化效果远高于传统材料，30天的放置即可将铸态屈服强度从230MPa提高到300MPa以上，并且其强度趋于稳定。由于不需要进行高温固溶，淬火以及人工时效处理，铸件尺寸精度高，形状稳定，能够满足通讯、电子类薄壁复杂结构产品对结构材料的需求。

实施例2：

按照上述熔炼步骤，制备一批本发明的高强压铸铝合金，采用直读光谱仪分析得到其成分为(质量分数)：Si9.5％，Zn18％，Mg0.1％，Fe0.8％，Cu2.5％，Ni0.04％，Ti0.08％。在合金熔体过热100℃时将其浇入预热至180℃的螺旋形流动性测试模具中。采用同样的方法制备ADC12合金的螺旋试样作为对比。

每种合金浇铸5个螺旋试样，测得长度取平均值。合金的流动性以相对ADC 12合金的流动长度的百分比来表征。ADC12合金螺旋试样的长度为1172mm，本实施例的合金的螺旋式样长度为1065mm。本实施例的合金的流动性为ADC 12合金的90.9％。因此，本发明合金具有良好的铸造流动性能，即合金压铸成形性能良好。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术研发人员，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的范围之内，任何的修改，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种非热处理型高强压铸铝合金材料，其特征在于，其化学成分按质量百分数计包括：Si的含量6-10％，Zn的含量16-21％，Fe的含量0.2-0.8％，Cu的含量2.0-4.0％，Mg的含量0.01-0.3％，Ni的含量0.01-0.2％，Ti的含量0.01-0.2％，Sr的含量0.01-0.05％，杂质元素含量≤0.15％，其余为Al。

2.根据权利要求1所述的非热处理型高强压铸铝合金，其特征在于，所述的Ti的含量为0.01-0.2％，优选为0.02-0.1％。

3.根据权利要求1所述的非热处理型高强压铸铝合金，其特征在于，所述杂质元素包括Cr、Na、Mn中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的非热处理型高强压铸铝合金的屈服强度300-310MPa，延伸率≥1.5％。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的高强压铸铝合金的制备方法，其特征在于，主要步骤包括熔炼和铸造。

所属的熔炼的步骤包括：

(1)将称重配比好的纯铝或电解铝液投入熔炼炉中，加热到700-800℃；然后加入配比好的硅、铁、铜等材料，搅拌均匀；

所述铸造的步骤为：将上述熔炼步骤中制备好的熔体浇铸成重熔用合金锭或者用于压铸生产铸件，铸造温度为650-750℃。

6.根据权利要求5所属的熔炼步骤，其特征在于，所述的硅为工业硅、速溶硅或铝硅中间合金；所述的铁为铝铁中间合金或铁添加剂；所述的铜为纯铜或铝铜中间合金或铜添加剂；所述的纯镁的纯度为99.9％以上；所述的惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。

7.根据如权利要求1-4所述的压铸铝合金，其特征在于，应用于生产复杂结构、薄壁结构类零部件。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，用于生产智能手机等消费电子类零部件和通讯机箱、散热器等类型的零部件。