CN111378878B - 一种高延展性非热处理压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一方面，本发明提供了一种高延展性非热处理压铸铝合金，按照质量百分比计算，包括如下成分：包括如下成分：2%～9%的Mg，0.01～1.0%的Sc，0～1.0%的Si，0～2.0%的Fe，0.1～2.0%的Mn，0～0.5%的Ti以及85.1～97.6%的Al，其中，Fe和Si为杂质元素，该铝合金材料兼具高延展性及优良的力学性能。另一方面，本发明提供一种稀土铝合金材料的制备方法，包括依次进行的配料、成分均匀化、熔炼以及压铸成型等步骤，弥补了现有技术的空白，有利于实现大规模工业化生产，可用于制造汽车结构件、支架以及车身安全件等，制备而成的铝合金产品相较于现有的产品，具有明显的竞争优势。

Description

一种高延展性非热处理压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属合金技术领域，具体涉及一种高延展性非热处理压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金是一类有色金属结构材料，其具有密度低、强度高、可塑性好、导电导热性能优异以及抗蚀的优点，在航空航天、汽车制造、3C产品、船舶以及化学工业中得以广泛应用。随着轻量化的发展趋势，对铝合金材料的需求日益增加；在汽车制造领域中，整体车身以及配件均采用铝合金材料是汽车轻量化的发展方向，因而对铝合金材料的力学性能和铸造性能提出了更高的要求。
生产车身结构件的材料需要兼具高延展性和良好的力学性能，铝合金材料的力学性能需满足：抗拉强度>220MPa，屈服强度>120MPa，延伸率>10%。目前，汽车工业上应用较多的压铸铝合金主要为Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg、Al-Mg-(Si)等，根据使用条件又可分为热处理强化和非热处理强化两大类。常规压铸铝合金(如ADC12和A380)因在基体组织上存在大量针状相，易割裂基体、破坏合金整体性，从而降低合金的强度和韧性，尤其延伸率一般不超过2%。国外主要有以SF36为代表的热处理强化高强韧压铸Al-Si合金，以及以Mg59为代表的非热处理高强韧压铸Al-Mg-Si合金，但SF36铝合金具有工艺难度大、制造成本高、热处理易发生变形和鼓泡的缺点，Mg59合金具有铸造性能差、性能厚度效应明显、合金熔炼易发生烧损的缺点。
因此，迫切需要研发一种兼具高延展性和良好力学性能的铝合金材料，相较于现有铝合金材料，具有明显的竞争优势。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明提供了一种高延展性非热处理压铸铝合金及其制备方法，通过引入Sc元素以改善Al-Mg合金力学性能低、铸造性能不理想、流动性差的缺点，具有产业化价值。
本发明通过以下技术方案实现目的：一种高延展性非热处理压铸铝合金，按照质量百分比计算，包括如下成分：2%～9%的Mg，0.01～1.0%的Sc，0～1.0%的Si，0～2.0%的Fe，0.1～2.0%的Mn，0～0.5%的Ti以及85.1～97.6%的Al，其中，Fe和Si为杂质元素。
优选的，按照质量百分比计算，包括如下成分：5.0%的Mg，0.2%的Mn，0.1%的Ti，0.02%的Sc以及94.1%的Al，并且Fe的含量低于0.4%，Si的含量低于0.1%。
本发明的高延展性非热处理压铸铝合金制备方法，具体包括如下步骤：
S1、按照质量百分比配制各个原料；
S2、对各个原料进行前处理，并预热去除湿气；
S3、将配制好的Al料装入熔炼装置中，加热升温熔炼；
S4、当步骤S3升温至680～700℃时加入Mn料，充分搅拌混合均匀得到熔体A；
S5、熔炼装置升温至760℃以上时，熔炼装置升温至760℃以上时，向熔体A中加入Sc料或Sc料和Ti料，并充分搅拌混合均匀得到熔体B，然后对熔炼装置停止加热，并充分搅拌混合均匀得到熔体B，然后对熔炼装置停止加热；
S6、当熔炼装置降温至720℃以下时，向熔体B中加入Mg料，并充分搅拌混合均匀得到合金熔液；
S7、对合金熔液进行精炼；
S8、对精炼后的合金熔液进行扒渣；
S9、对扒渣后的合金熔液进行压铸成型，得到高延展性非热处理压铸铝合金材料。
进一步的，所述Al料为Al锭，Mn料为Al-10Mn中间合金，所述Sc料为Al-2Sc中间合金，所述Sc料和Ti料为Al-Ti-2Sc中间合金，所述Mg料为Mg锭。
进一步的，在所述步骤S2中，预热温度为200℃。
进一步的，在所述的步骤S7中，采用旋转除气机对合金熔液进行精炼，所述的精炼剂为氩气或氮气，气压为15～25bar，精炼时间为15min。
进一步的，在所述的步骤S8中，所述的扒渣是使用扒渣勺打捞液面浮渣直至液面澄清。
进一步的，所述压铸成型采用冷式压铸工艺，浇注温度为680～730℃。
本发明的有益效果为：本发明在Al-Mg合金的基础上引入了Sc元素，延续了Al-Mg合金的高延展性，并且利用Sc元素特性去改善Al-Mg合金力学性能低和铸造性能差的缺点。第一，Sc不但具有除杂净化的作用，而且具有表面活性作用，能够富集于合金表面并与Al2O3、MgO等氧化物形成致密的复合氧化物层，既能防止氧化提升合金材料的耐蚀性能，又能降低合金材料的表面张力以提升流动性和铸造性能，减少铸件缺陷，提高气密性。第二，Sc和Al作用生成共格的微细Al3Sc或Al3（Sc、Zr）金属间化合物，能够弥散并均匀分布于合金的各部分，从而成为最强的晶粒细化剂、再结晶抑制剂和最佳的焊接剂，有利于提高合金材料的综合力学性能。本发明的铝合金材料能够满足车身结构件对力学性能的要求，减轻产品质量，具有产业化价值。
附图说明
图1为对比例和实施例中的铝合金压铸成型为标准试棒的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例和附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明较佳的实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
对比例一
该例为市售的A356铝合金，属于铸造铝合金，A356铝合金的抗拉强度为295MPa，延伸率为3%，硬度为80HBW。A356铝合金主要应用于制造各种外壳、航空机泵部品、航空机接头、汽车变速器、高耐热性支应力部材、机械工具部件等领域中。
对比例的A356铝合金按照质量百分比计算，包括如下成分：7.44%的Si， 0.33%的Mg， 余量为Al和不可避免的杂质，杂质元素Fe的质量百分比为0.16%。
对比例二
该例为市售的ACD12铝合金，属于Al-Si-Cu系合金。ACD12铝合金主要应用于制造盖子、缸体类等，是国内常见的一种压铸铝合金。
ACD12铝合金按照质量百分比计算，包括如下成分：11%的Si，0.25%的Mg，0.8%的Zn，1%的Fe，0.4%的Mn，0.2%的Ni以及200ppm的Ca，其余为Al和不可避免的杂质。
对比例三
该例为莱茵公司市售的SF36-T6铝合金，属于热处理强化高强韧压铸Al-Si合金。SF36 -T6铝合金采用高真空压铸成型工艺以及T6热处理工艺制备而成，主要用于制造汽车的结构件。
SF36-T6铝合金按照质量百分比计算，包括如下成分：10.5%的Si，0.25%的Mg，0.05%的Fe，0.6%的Mn以及100ppm的Sr，其余为Al和杂质，并且杂质含量不能超过200ppm。
对比例四
该例为莱茵公司市售的SF36-T7铝合金，属于热处理强化高强韧压铸Al-Si合金。SF36 –T7铝合金采用高真空压铸成型工艺以及T7热处理工艺制备而成，主要用于制造汽车的结构件。
SF36-T7铝合金的成分与SF36-T6铝合金相同，仅是热处理工艺不相同。
对比例五
该例为莱茵公司市售的Mg-59铝合金，属于非热处理高强韧压铸Al-Mg-Si合金，该合金在铸态条件下具有高强度和高延伸率，能够用于制造汽车的零部件。Mg-59铝合金最大的特点是具有非常细小的共晶组织，共晶组织需要在压铸过程中采用特殊的工艺实现，并且这个特殊工艺并未对外公开。
Mg-59铝合金按照质量百分比计算，包括如下成分：2%的Si，5%的Mg，0.05%的Fe，0.8%的Mn以及100ppm的Sr，其余为Al和杂质，并且杂质含量不能超过200ppm。
实施例一
本实施例公开了一种高延展性非热处理压铸铝合金，按照质量百分比计算，包括如下成分：5.0%的Mg，0.2%的Mn，0.1%的Ti，0.02%的Sc以及94.1%的Al，并且Fe的含量低于0.4%，Si的含量低于0.1%。
本实施例还公开了一种高延展性非热处理压铸铝合金的制备方法，选取市售的纯Al锭（纯度为99.9%）、纯Mg锭（纯度为99.9%）、Al-10Mn中间合金以及Al-Ti-2Sc中间合金作为原料。熔炼装置配设有炉体的坩埚。
具体制备方法包括如下步骤：
S1、按照质量百分比配制各个原料；
S2、对各个原料进行前处理，并预热至200℃以去除湿气；
S3、将配制好的纯Al锭装入坩埚中，加热升温熔炼；
S4、当坩埚升温至700℃时加入Al-10Mn中间合金，停止加热并人工搅拌5min以混合均匀，得到熔体A；
S5、步骤S3人工搅拌结束后，继续加热升温，当坩埚升温至760℃时，向熔体A中加入Al-Ti-2Sc中间合金，停止加热并人工搅拌10min以混合均匀，得到熔体B；
S6、当坩埚降温至720℃以下时，向熔体B中加入纯Mg锭，人工搅拌10min以混合均匀，静置15min，得到合金熔液；
S7、对合金熔液进行精炼；
S8、对精炼后的合金熔液进行扒渣；
S9、对扒渣后的合金熔液进行压铸成型，得到高延展性非热处理压铸铝合金材料。
对上述步骤需要说明的是，熔炼的顺序依次为Al，Mn，Sc和Ti，Mg；首先熔炼Al，是因为纯Al锭为基质原料；其次熔炼Mn，目的是降低熔炼过程中杂质元素Fe的含量；接下来，加入Al-Ti-2Sc中间合金以同时添加Sc元素和Ti元素，是为了保证元素扩散和熔化效率；由于纯Mg锭在熔炼过程中极易发生烧损，因此，最后添加Mg以防止出现氧化夹渣等问题。
在所述的步骤S7中，采用旋转除气机对合金熔液进行精炼，所述的精炼剂为氩气或氮气，气压为20bar，精炼时间为15min。
在所述的步骤S8中，所述的扒渣是使用扒渣勺打捞液面浮渣直至液面澄清。
在所述的步骤S9中，所述压铸成型采用冷式压铸工艺，浇注温度为680℃，模具温度控制在200℃以上。
实施例二
本实施例公开了一种高延展性非热处理压铸铝合金，按照质量百分比计算，包括如下成分：8.6%的Mg，1.0%的Mn，0.3%的Ti，0.05%的Sc以及89.5%的Al，并且Fe的含量低于0.4%，Si的含量低于0.1%。
本实施例的高延展性非热处理压铸铝合金制备方法参照实施例一。
实施例三
本实施例公开了一种高延展性非热处理压铸铝合金，按照质量百分比计算，包括如下成分：3.7%的Mg，2.0%的Mn，0.5%的Ti，0.5%的Sc以及92.7%的Al，并且Fe的含量低于0.4%，Si的含量低于0.1%。
本实施例的高延展性非热处理压铸铝合金制备方法参照实施例一。
实施例四
本实施例公开了一种高延展性非热处理压铸铝合金，按照质量百分比计算，包括如下成分：6.4%的Mg，2.0%的Mn，1.0%的Sc以及90.1%的Al，并且Fe的含量低于0.4%，Si的含量低于0.1%。
实施例的高延展性非热处理压铸铝合金制备方法参照实施例一，但毋需添加Ti料，Sc元素以Al-2Sc中间合金的形式添加。
将对比例一至对比例五和实施例一至实施例四的铝合金材料压铸成为如图1所示的标准试棒，将标准试棒切割后，在拉伸试验机上按照GB/T228.1-2010进行力学测试，所得性能参数详见下表1：
表1为对比例和实施例的标准试棒力学性能参数
Figure 81265DEST_PATH_IMAGE001
由上表可知，本发明的高延展性非热处理压铸铝合金相较于对比例的铝合金材料具有明显的竞争优势，其中，实施例一为最佳实施例。实施例一的铝合金延伸率高达19%，明显优越于对比例一至对比例五，但同样具有优良的力学性能，且制备工艺简单、成本较低，有望大规模应用于汽车工业及其他行业的结构件中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高延展性非热处理压铸铝合金，其特征在于，按照质量百分比计算，包括如下成分：5.0％的Mg，0.02％的Sc，低于0.1％的Si，低于0.4％的Fe，0.2％的Mn，0.1％的Ti以及94.1％的Al，其中，Fe和Si为杂质元素；
所述高延展性非热处理压铸铝合金采用如下方法制备，具体包括如下步骤：
S1、按照质量百分比配制各个原料；
S2、对各个原料进行前处理，并预热去除湿气；所述预热温度为200℃；
S3、将配制好的Al料装入熔炼装置中，加热升温熔炼；
S4、当步骤S3升温至680～700℃时加入Mn料，充分搅拌混合均匀得到熔体A；
S5、熔炼装置升温至760℃以上时，向熔体A中加入Sc料和Ti料，并充分搅拌混合均匀得到熔体B，然后对熔炼装置停止加热；
S6、当熔炼装置降温至720℃以下时，向熔体B中加入Mg料，并充分搅拌混合均匀得到合金熔液；
S7、对合金熔液进行精炼；采用旋转除气机对合金熔液进行精炼，所述的精炼剂为氩气或氮气，气压为15～25bar，精炼时间为15min；
S8、对精炼后的合金熔液进行扒渣；所述的扒渣是使用扒渣勺打捞液面浮渣直至液面澄清；
S9、对扒渣后的合金熔液进行压铸成型，所述压铸成型采用冷式压铸工艺，浇注温度为680～730℃，得到高延展性非热处理压铸铝合金材料。
2.一种高延展性非热处理压铸铝合金，其特征在于，按照质量百分比计算，包括如下成分：8.6％的Mg，0.05％的Sc，低于0.1％的Si，低于0.4％的Fe，1.0％的Mn，0.3％的Ti以及89.5％的Al，其中，Fe和Si为杂质元素；
所述高延展性非热处理压铸铝合金采用如下方法制备，具体包括如下步骤：
S1、按照质量百分比配制各个原料；
S2、对各个原料进行前处理，并预热去除湿气；所述预热温度为200℃；
S3、将配制好的Al料装入熔炼装置中，加热升温熔炼；
S4、当步骤S3升温至680～700℃时加入Mn料，充分搅拌混合均匀得到熔体A；
S5、熔炼装置升温至760℃以上时，向熔体A中加入Sc料和Ti料，并充分搅拌混合均匀得到熔体B，然后对熔炼装置停止加热；
S6、当熔炼装置降温至720℃以下时，向熔体B中加入Mg料，并充分搅拌混合均匀得到合金熔液；
S7、对合金熔液进行精炼；采用旋转除气机对合金熔液进行精炼，所述的精炼剂为氩气或氮气，气压为15～25bar，精炼时间为15min；
S8、对精炼后的合金熔液进行扒渣；所述的扒渣是使用扒渣勺打捞液面浮渣直至液面澄清；
S9、对扒渣后的合金熔液进行压铸成型，所述压铸成型采用冷式压铸工艺，浇注温度为680～730℃，得到高延展性非热处理压铸铝合金材料。
3.一种高延展性非热处理压铸铝合金，其特征在于，按照质量百分比计算，包括如下成分：3.7％的Mg，0.5％的Sc，低于0.1％的Si，低于0.4％的Fe，2.0％的Mn，0.5％的Ti以及92.7％的Al，其中，Fe和Si为杂质元素；
所述高延展性非热处理压铸铝合金采用如下方法制备，具体包括如下步骤：
S1、按照质量百分比配制各个原料；
S2、对各个原料进行前处理，并预热去除湿气；所述预热温度为200℃；
S3、将配制好的Al料装入熔炼装置中，加热升温熔炼；
S4、当步骤S3升温至680～700℃时加入Mn料，充分搅拌混合均匀得到熔体A；
S5、熔炼装置升温至760℃以上时，向熔体A中加入Sc料和Ti料，并充分搅拌混合均匀得到熔体B，然后对熔炼装置停止加热；
S6、当熔炼装置降温至720℃以下时，向熔体B中加入Mg料，并充分搅拌混合均匀得到合金熔液；
S7、对合金熔液进行精炼；采用旋转除气机对合金熔液进行精炼，所述的精炼剂为氩气或氮气，气压为15～25bar，精炼时间为15min；
S8、对精炼后的合金熔液进行扒渣；所述的扒渣是使用扒渣勺打捞液面浮渣直至液面澄清；
S9、对扒渣后的合金熔液进行压铸成型，所述压铸成型采用冷式压铸工艺，浇注温度为680～730℃，得到高延展性非热处理压铸铝合金材料。
4.一种高延展性非热处理压铸铝合金，其特征在于，按照质量百分比计算，包括如下成分：6.4％的Mg，1.0％的Sc，低于0.1％的Si，低于0.4％的Fe，2.0％的Mn以及90.1％的Al，其中，Fe和Si为杂质元素；
所述高延展性非热处理压铸铝合金采用如下方法制备，具体包括如下步骤：
S1、按照质量百分比配制各个原料；
S2、对各个原料进行前处理，并预热去除湿气；所述预热温度为200℃；
S3、将配制好的Al料装入熔炼装置中，加热升温熔炼；
S4、当步骤S3升温至680～700℃时加入Mn料，充分搅拌混合均匀得到熔体A；
S5、熔炼装置升温至760℃以上时，向熔体A中加入Sc料和Ti料，并充分搅拌混合均匀得到熔体B，然后对熔炼装置停止加热；
S6、当熔炼装置降温至720℃以下时，向熔体B中加入Mg料，并充分搅拌混合均匀得到合金熔液；
S7、对合金熔液进行精炼；采用旋转除气机对合金熔液进行精炼，所述的精炼剂为氩气或氮气，气压为15～25bar，精炼时间为15min；
S8、对精炼后的合金熔液进行扒渣；所述的扒渣是使用扒渣勺打捞液面浮渣直至液面澄清；
S9、对扒渣后的合金熔液进行压铸成型，所述压铸成型采用冷式压铸工艺，浇注温度为680～730℃，得到高延展性非热处理压铸铝合金材料。
5.根据权利要求1～4任一项所述高延展性非热处理压铸铝合金，其特征在于，抗拉强度大于270MPa，屈服强度大于140MPa，延伸率大于18％。
6.一种制备权利要求1～5任一项所述的高延展性非热处理压铸铝合金的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、按照质量百分比配制各个原料；
S2、对各个原料进行前处理，并预热去除湿气；所述预热温度为200℃；
S3、将配制好的Al料装入熔炼装置中，加热升温熔炼；
S4、当步骤S3升温至680～700℃时加入Mn料，充分搅拌混合均匀得到熔体A；
S5、熔炼装置升温至760℃以上时，向熔体A中加入Sc料和Ti料，并充分搅拌混合均匀得到熔体B，然后对熔炼装置停止加热；
S6、当熔炼装置降温至720℃以下时，向熔体B中加入Mg料，并充分搅拌混合均匀得到合金熔液；
S7、对合金熔液进行精炼；采用旋转除气机对合金熔液进行精炼，所述的精炼剂为氩气或氮气，气压为15～25bar，精炼时间为15min；
S8、对精炼后的合金熔液进行扒渣；所述的扒渣是使用扒渣勺打捞液面浮渣直至液面澄清；
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7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述Al料为Al锭，Mn料为Al-10Mn中间合金，所述Sc料和Ti料为Al-Ti-2Sc中间合金，所述Mg料为Mg锭。
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