CN111945041A - 一种适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于新能源汽车的高强高导热可半固态挤压铸造铝合金,该合金包括Si:5wt%‑8wt%;Cu:1.5wt%‑3.0wt%;Fe:1.0wt%‑1.5wt%;Mg:0.05wt%‑0.5wt%,P:0.03wt%‑0.5wt%,其余杂质控制在0.05wt%以下,余量为Al。使其抗拉强度大于400MPa,屈服强度大于300MPa,导热系数大于160W/m·K。
Description
技术领域
本发明属于铝合金技术领域,尤其是涉及一种适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金密度小、耐蚀性好、塑性优良,从生产成本、零件质量、材料利用、制造技术、机械性能、可持续发展等方面具有其他轻量化材料无可比拟的优越性,因此铝合金将成为新能源汽车工业中的首选轻量化材料。目前各类铝合金在汽车上使用比例大致为:铸铝77%,轧制材10%,挤压材10%,锻压材3%。新能源汽车用铝合金的部件主要有车身、车轮、底盘、防撞梁、地板、动力电池和座椅。
铸造铝合金主要用于制造新能源汽车发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件,如轿车发动机缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。但是,厚壁铸件在成形过程中容易产生气孔、夹渣等缺陷,导致其力学性能差,因此其应用领域受到限制。
铝合金半固态成形技术具有接近于传统压铸工艺的成本优势和接近于锻造性能两方面的优势,适合制造复杂汽车零部件及各类薄壁件,因此具有替代部分汽车用铝合金液态压铸件及锻件的潜力。半固态技术的最大特点是成形过程平稳、大大减少了常规铸造缺陷,如气孔、夹渣等;此外,通过合理的工艺并配合系列的合金元素强化进一步强化材料综合性能,进而使成形件具有与变形铅合金相媲美的性能。
目前,半固态成形技术已经成功生产了很多汽车零部件,这些零件绝大多数是使用传统铸造铝合金A356,A357合金制造的。然而,随着新能源汽车产业的迅速发展,根据2017年工信部《节能与新能源汽车技术路线图》,到2020年,单车用铝量将从现在的100kg增加到190kg,到2030年增加到350kg。单纯使用A356和A357铝合金已经无法满足新能源汽车对于零部件强度、复杂几何尺寸、成本等综合性能要求,因而急需开发一款适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金及其制备方法。本发明通过在铝合金中添加5-8%左右的Si元素,以提高熔体流动性,增加固液相区间,从而拓宽半固态挤压铸造工艺的操作窗口,降低对熔体温度控制要求,但是这种铝合金材料的强度仍然较低。因此,必须添加少量的Cu,Mg,Fe等合金化元素,同时控制添加量。如:过量Fe会形成针状相。以此来调控其铸态组织中第二相的含量,甚至是种类,进而影响态中存在的析出相,在保证其具有良好的半固态压铸性能的前提下,显著提升其强度,从而成为下一代超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
根据本发明的第一个方面,本发明提供了一种超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金,该合金包括Si:5wt%-8wt%;Cu:1.5wt%-3.0wt%;Fe:1.0wt%-1.5wt%;Mg:0.05wt%-0.5wt%,P:0.03wt%-0.5wt%,其余杂质控制在0.05wt%以下,余量为Al。
优选的,所述的合金中Cu以纯铜的形式添加,具体是:将市售纯铜加工为边长为10mm的立方体,用金属铝箔将其全部包裹其中,预热至300-400℃,再投入铝液中。
优选的,所述的合金中Fe以Al-Fe中间合金的形式添加(例如Al-20Fe):将市售Fe中间合金预压成厚度为2-3mm的薄片状板,再投入铝液中。
优选的,所述的Mg以单质形式添加:将Mg单质加工为边长为10mm的立方体,金属铝箔将其全部包裹其中,预热至200-250℃,用压板在300-500Mpa压力下将其完全压入铝液中。
优选的,所述的合金中Si以单晶硅的形式添加,具体是:将市售单晶硅硅块,预热至500℃后,用钟罩压入铝液下面,防止氧化。
优选的,所述的合金中P以Al-P合金形式添加,具体是:将市售Al-P合金,预制为直径为3mm的细丝,添加时直接加入铝液中,并用在线除气设备旋转铝液搅拌10min。
根据本发明的第二个方面,本发明提供了一种超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金的制备方法,包括以下步骤:
1)按配比计算所需中间合金的质量,进行备料,合金元素Fe、P以中间合金的形式添加,Cu、Mg、Si以单质的形式添加;
2)铝锭清洗干净并表面除油后,放入熔炼炉,熔化纯铝至680-730℃;
3)加入预热后的纯硅、纯铜和Fe中间合金保持10-15min;其中纯铜的加入方式是:将市售纯铜加工为边长为10mm的立方体,用金属铝箔将其全部包裹其中,预热至300-400℃,再投入铝液中,纯硅的加入方式为:将市售单晶硅硅块,预热至500℃后,用钟罩压入铝液下面,防止氧化,Fe中间合金的加入方式为:将市售Fe中间合金预压成厚度为2-3mm的薄片状板,再投入铝液中。
4)铝液降至680-700℃时压入经除油、预热的纯镁。纯镁的加入方式是:将Mg单质加工为边长为10mm的立方体,金属铝箔将其全部包裹其中,预热至200-250℃,用压板在300-500MPa压力下将其完全压入铝液中;用氮气精炼(也可用其它精炼剂精炼,但精炼剂必须为无氯精炼剂),同时起到搅拌合金液的作用,加速硅块、铜块的熔化,通氮气10-15分钟后,硅块、铜块可全部熔化。
5)加入Al-P合金,在线除气设备旋转铝液搅拌10min,即可扒渣进行变质,变质完成后,再进一次精炼,精炼后静置15-20分钟撇渣,制备该合金的半固体浆料,浇注,得到铝合金半固态挤压铸件。
步骤(5)所述的变质,合金采用Al-10Sr中间合金进行变质处理,加入后Sr的含量为铝合金体系的0.6-0.8wt%;加入温度为760-850℃,保温时间为30-60min。变质完成后,再进行一次精练,精炼后降温至700℃保温、静置15-20min,使夹杂物充分的上浮或者下沉,然后进行撇渣,去除表面氧化皮和底部杂质。所述精炼采用铝合金专用精炼剂,采用上海虹光金属熔炼厂的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣剂。
步骤(5)将熔体温度降至650-680℃这一温度区间,随后将熔体倒入涂有BN涂层的1L不锈钢坩埚,将坩埚置于变频振动机上,频率为30-50Hz、水平和垂直振幅为5-8mm,机械振动180-240s后,可获得半固态浆料。
步骤(5)采用挤压铸造工艺,模具温度为200-240℃,压射力为280KN,压射速度为0.3-0.9m/s。将半固态浆料倒入料筒中挤压铸造成型,铸件取出,检测导热及力学性能。
本发明的铝合金制备基本要求为:①严格控制Cu的含量在1.5-3.0wt%之间,使材料内部形成大量弥散的CuAl2第二相;②严格控制Mg的含量在0.05wt%-0.5wt%之间,使材料内部形成微量弥撒的Al5Cu2Mg8Si6和Al8Mg3FeSi2第二相;③添加Al-P合金,对Si,Al2Cu,Al5Cu2Mg8Si6和Al8Mg3FeSi2进行变质,减少针状第二相以减少对导热性能的损失。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1.本发明所述铝合金的性能可以达到:抗拉强度大于400MPa,屈服强度大于300MPa,导热系数大于160W/m·K。
2.通过严格控制Si的总量在5wt%-8wt%,使该合金的种合金的固液相并存区间温度范围为500-650℃,即固液两相并存的可操作窗口区间达到了150K。工业生产中温度区间大会有利于人工或机械操作,提高操作的容错率并降低对环境温度的敏感性。Al-Si和Al-Cu系在共晶相凝固析出的温度处会释放结晶潜热,有效的减慢了还料整体的降温速率,对于实现控制凝固提髙了缓释作用,可使液态浆料在凝固过程中获得较多的可操作时间。因此,可以通过机械振动处理,在没有保温的情况下,制备流变半固态浆料。
3.未经过变质的Al-Si-Fe-Cu,组织中存在大量针状的Al-Si-Fe和Si相,严重割裂铝基体,使材料变脆。加入Al-P中间合金后,初生Al-Si-Fe和Si相的形态发生改变,由粗大的针状转变为细小的球状,初晶颗粒较为圆整,并且分布均匀。AlP是闪锌矿型结构,晶格常数为a=0.542nm,同时AlP和Si晶体结构相似,晶格常数相近(aAl=0.524nm,aAlP=0.545nm),也能作为Si结晶是的异质形核,使初晶和共晶Si得到有效细化,Al-P中间合金的变质效果具有长效性,加入变质剂静置30小时后精炼仍有优良的变质效果。
具体实施方式
实施例1-15
一种新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金,包括以下表1所述质量百分含量的成分,余量为铝及不可避免的杂质。
Si:5wt%-8wt%;Cu:1.5wt%-3.0wt%;Fe:1.0wt%-1.5wt%;Mg:0.05wt%-0.5wt%,P:0.03wt%-0.5wt%,其余杂质控制在0.05wt%以下,余量为Al。
表1为实施例1-12的铝合金中各元素含量表
上述各实施例所述的铝合金的制备方法为:
1)按配比计算所需中间合金的质量,进行备料,合金元素Fe、P以中间合金的形式添加,Cu、Mg、Si以单质的形式添加;
2)铝锭清洗干净并表面除油后,放入熔炼炉,熔化纯铝至680-730℃;
3)加入预热后的纯硅、纯铜和Fe中间合金保持10-15min;其中纯铜的加入方式是:将市售纯铜加工为边长为10mm的立方体,用金属铝箔将其全部包裹其中,预热至300-400℃,再投入铝液中,纯硅的加入方式为:将市售单晶硅硅块,预热至500℃后,用钟罩压入铝液下面,防止氧化,Fe中间合金的加入方式为:将市售Fe中间合金预压成厚度为2-3mm的薄片状板,再投入铝液中。
4)铝液降至680-700℃时压入经除油、预热的纯镁。纯镁的加入方式是:将Mg单质加工为边长为10mm的立方体,金属铝箔将其全部包裹其中,预热至200-250℃,用压板在300-500Mpa压力下将其完全压入铝液中。用氮气精炼(也可用其它精炼剂精炼,但精炼剂必须为无氯精炼剂),同时起到搅拌合金液的作用,加速硅块、铜块的熔化,通氮气10-15分钟后,硅块、铜块可全部熔化。
5)加入Al-P合金,在线除气设备旋转铝液搅拌10min,即可扒渣进行变质,合金采用Al-10Sr中间合金进行变质处理,加入温度为760-850℃,保温时间为30-60min。变质完成后,再进行一次精练,精炼后降温至700℃保温、静置15-20min,使夹杂物充分的上浮或者下沉,然后进行撇渣,去除表面氧化皮和底部杂质。变质完成后,再进一次精炼使用的是铝合金专用精炼剂,采用上海虹光金属熔炼厂的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣剂。精炼后静置15-20分钟撇渣。将熔体温度降至650-680℃这一温度区间,随后将熔体倒入涂有BN涂层的1L不锈钢坩埚,将坩埚置于变频振动机上,频率为30-50Hz、水平和垂直振幅为5-8mm,机械振动180-240s后,可获得半固态浆料。将半固态浆料倒入料筒中挤压铸造成型,得到铝合金半固态挤压铸件;所述挤压铸造工艺参数为:模具温度为200-240℃,压射力为280KN,压射速度为0.3-0.9m/s。
表1实施例制备的铝合金铸件导热及力学性能
表1为实施例1-12的力学及导热性能,可以看出新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金屈服强度高达300MPa,比普通的A356半固态压铸T6态铝合金其屈服强度230MPa提升65%,抗拉强度高达400MPa,比普通的A356半固态压铸T6态铝合金其屈服强度330MPa提升27%,解决新能源汽车的涡轮盘需要轻质高强的问题。
在具备超高强可半固态挤压铸造性能的基础上,现有的普通压铸铝合金的导热性能约为90W/(m·K),现有的高导热铝合金的压铸后导热性能也仅为140W/(m·K),该发明的新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金显著提升导热性能17%。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金,其特征在于,按照重量百分比计算,该合金由Si:5wt%-8wt%;Cu:1.5wt%-3.0wt%;Fe:1.0wt%-1.5wt%;Mg:0.05wt%-0.5wt%,P:0.03wt%-0.5wt%,其余杂质控制在0.05wt%以下,余量为Al。
2.根据权利要求1所述的适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金,其特征在于,所述的合金中Cu以纯铜的形式添加,具体是:将市售纯铜加工为边长为10mm的立方体,用金属铝箔将其全部包裹其中,预热至300-400℃,再投入铝液中。
3.根据权利要求1所述的适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金,其特征在于,所述的合金中Fe以中间合金的形式添加:将市售Fe中间合金预压成厚度为2-3mm的薄片状板,再投入铝液中。
4.根据权利要求1所述的适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金,其特征在于,所述的Mg以单质形式添加:将Mg单质加工为边长为10mm的立方体,金属铝箔将其全部包裹其中,预热至200-250℃,用压板在300-500MPa压力下将其完全压入铝液中。
5.根据权利要求1所述的适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金,其特征在于,所述的合金中Si以单晶硅的形势添加,具体是:将市售单晶硅硅块,预热至500℃后,用钟罩压入铝液下面,防止氧化。
6.根据权利要求1所述的适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金,其特征在于,所述的合金中P以Al-P合金形式添加,具体是:将市售Al-P合金,预制为直径为3mm的细丝,添加时直接加入铝液中,并用在线除气设备旋转铝液搅拌10min。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)按配比计算所需中间合金的质量,进行备料,合金元素Fe和P以中间合金的形式添加,Cu、Mg、Si以单质的形式添加;
2)铝锭清洗干净并表面除油后,放入熔炼炉,熔化纯铝至680-730℃;
3)加入预热后的纯硅、纯铜和Fe中间合金保持10-15min;其中纯铜的加入方式是:将市售纯铜加工为边长为10mm的立方体,用金属铝箔将其全部包裹其中,预热至300-400℃,再投入铝液中;纯硅的加入方式为:将市售单晶硅硅块,预热至500℃后,用钟罩压入铝液下面,防止氧化;Fe中间合金的加入方式为:将市售Fe中间合金预压成厚度为2-3mm的薄片状板,再投入铝液中;
4)铝液降至680-700℃时压入经除油、预热的纯镁;纯镁的加入方式是:将Mg单质加工为边长为10mm的立方体,金属铝箔将其全部包裹其中,预热至200-250℃,用压板在300-500Mpa压力下将其完全压入铝液中;用氮气精炼,同时起到搅拌合金液的作用,加速硅块、铜块的熔化,通氮气10-15分钟后,硅块、铜块可全部熔化;
5)加入Al-P合金,在线除气设备旋转铝液搅拌10min,即可扒渣进行变质,变质完成后,再进一次精炼,精炼后静置15-20分钟撇渣,制备该合金的半固体浆料,浇注,得到铝合金半固态挤压铸件。
8.根据权利要求7所述的适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金的制备方法,其特征在于,步骤(5)所述的变质,合金采用Al-10Sr中间合金进行变质处理,加入温度为760-850℃,保温时间为30-60min;变质完成后,再进行一次精练,精炼后降温至700℃保温、静置15-20min,使夹杂物充分的上浮或者下沉,然后进行撇渣,去除表面氧化皮和底部杂质。
9.根据权利要求8所述的适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金的制备方法,其特征在于,所述的精炼采用铝合金专用精炼剂,上海虹光金属熔炼厂的HGJ-2铝合金无钠精炼清渣剂。
10.根据权利要求7所述的适用于新能源汽车的超高强高导热可半固态挤压铸造铝合金的制备方法,其特征在于,步骤(5)撇渣后将熔体温度降至650-680℃,随后将熔体倒入涂有BN涂层的1L不锈钢坩埚,将坩埚置于变频振动机上,频率为30-50Hz、水平和垂直振幅为5-8mm,机械振动180-240s后,可获得半固态浆料;
步骤(5)采用挤压铸造工艺,模具温度为200-240℃,压射力为280KN,压射速度为0.3-0.9m/s。
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GR01 | Patent grant | ||
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