CN111979456B - 一种含Zn的中强高韧压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含Zn的中强高韧压铸铝合金及其制备方法，属于金属材料领域。所述压铸铝合金按重量比计的化学组成如下：Si含量为10.0‑13.0%，Zn含量4.1‑7.1%，Fe含量为0.5‑0.8%，Mn的含量为0.1‑0.4%，Sr含量为0.02‑0.04%，Mg含量≤0.01%，Cu含量≤0.01%，其他杂质元素含量≤0.15%，其余为Al；制备方法如下：熔炼、取样测试和调整合金成分、加入中间合金后精炼、除渣、浇铸；本发明通过热力学计算，确定形成Al‑Si‑Al(FeMn)Si三元共晶时的Si、Fe、Mn的含量范围，以减小Mn、Fe对合金塑性的不利影响；本发明成分设计简单，无需热处理，制备工艺简单。

Description

一种含Zn的中强高韧压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其是涉及一种含Zn的中强高韧压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
铸造铝合金具有优异铸造成型和气密性、低热膨胀系数及良好焊接性和机械加工特性等优点，广泛应用于汽车摩托车、航空航天、通讯等领域。其中汽车领域铸造铝合金用量占总用铝量的85%以上，典型部件包括发动机缸体、缸盖、离合器壳、油底壳、发动机托架等。
目前，铸造铝合金主要包括Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系，其中Al-Si系列铸造铝合金最为常用，用量约占铝合金铸件总量的85%以上，典型牌号包括A356、ADC12、A380、A319、SF36等。其中以A356为代表的亚共晶Al-Si合金具有中等强度和塑性，经过热处理后，伸长率可达到10%以上，但由于合金中Si含量较低（～7%），不适合于压铸成型；以德国SF36（国内牌号为AlSi10MnMg）为代表的共晶Al-Si合金，具有良好的压铸成型性能和综合力学性能，压铸态抗拉强度230MPa以上，屈服120MPa以上，伸长率12%以上，应用前景广阔，但合金中含有一定量的Mg，因此限制了合金塑性的进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种具有中等强度、高塑性，无需热处理，适合于压铸成型的铸造铝合金材料及制备方法。
本发明的技术方案是：一种含Zn的中强高韧压铸铝合金，按照重量比计，压铸铝合金的化学成分组成包括：Si的含量为10.0-13.0%，Zn的含量4.1-7.1%，Fe的含量为0.5-0.8%，Mn的含量为0.1-0.4%，Sr的含量为0.02-0.04%，Mg含量≤ 0.01%，Cu含量≤ 0.01%，其他杂质元素含量≤0.15%，其余为Al。
一种含Zn的中强高韧压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
（1）按比例配料，将其中70-90%质量分数的铝锭，全部的Si锭、Fe剂、Mn剂投入熔炼炉中，升温至760-800℃；
（2）待炉中原料完全熔化后，加入Zn锭和剩下质量分数的铝锭，并搅拌熔体，同时炉内温度降至700-720℃；
（3）在熔体中部取样测试合金成分，对比设计成分与实测成分，调整合金成分至设计范围内；
（4）用钛制工具将铝箔包好、预热过的Al-Sr中间合金压入熔体内部，并缓慢搅拌熔体；
（5）以高纯氮气为载体将精炼剂喷入熔体中，静置30-60分钟后扒渣，铸造成锭或浇入保温炉直供铸压铸单元，制备中强高韧铸造铝合金或铸件。
本发明的有益效果：
1、本发明压铸铝合金制备所需成分主要包括Al、Si、Zn、Fe、Mn和Sr等元素，除了Sr以外，其他组成均为廉价的常用元素；本发明所设计Sr的添加量仅为熔体质量的0.01%-0.03%，含量低，成本也不高。因此，本发明所提供的制备工艺简单，成本低。合金中不含Mg、Cu等热处理强化元素，合金主要靠细晶、析出相和固溶强化，无需热处理，制备工艺简单。
2、本发明成分设计简单、合理：Si用于提高合金的流动性，含量位于Al-Si共晶成分点附近，保障了合金具有最佳的铸造性能，非常适用于压铸工艺，也适用于其他铸造方法，如低压铸造、重力铸造、挤压铸造、差压铸造等；
由于Zn与Al的原子半径非常接近，Zn在Al中有着很高的固溶度，如275℃时的溶解度高达31.6%，因此，Zn的主要作用是与Al形成固溶体，并在压铸等铸造过程中形成淬火组织，即高温固溶组织（T4组织），该组织具有优异的塑性和韧性；
根据Al-Si-Fe三元平衡相图，Fe的平衡浓度约为0.8%，即当Fe含量低于0.8%时，熔体即会从压铸模具中熔蚀一定含量的Fe，即粘模现象，对铸件精度和模具寿命造成不利的影响；国内外标准对压铸铝合金中Fe的含量进行了限制，为0.8-1.4%，但高Fe含量对合金塑性危害很大，含量控制在0.8-0.9%之间；此外，Fe对富铁相形态和尺寸也有显著的影响，当富铁相与Al-Si共晶形成三元共晶时，富铁相的尺寸最小，对合金塑性的影响也最小；本发明中利用与Fe的化学性质相近的Mn，可部分替代Fe的作用，同时也能促进富铁相形态的有益转变；
综上所述，本发明通过热力学计算，确定形成Al-Si-Al(FeMn)Si三元共晶时的Si、Fe、Mn的含量范围，以减小Mn、Fe对合金塑性的不利影响；Sr是最为常用和有效的共晶硅变质剂，促进共晶硅由粗大的针片状向细小的纤维状转变，进一步提高合金塑性。
附图说明
图1为实施例1-4铝合金的力学性能；
图2实施例1的扫描电子显微图，其中白色颗粒为富铁相，灰色颗粒为共晶硅，球状物相为铝基体。
具体实施方式
下面通过非限制性实施例，进一步阐述本发明，理解本发明。
实施例1：
设计成分为：Al-10%Si-5.5%Zn-0.6%Fe-0.3%Mn-0.02%Sr；即由10％的Si、5.5%的Zn、0.6%的Fe、0.3%的Mn、0.02％的Sr和余量为Al组成。
（1）按比例配料，将其中85%质量分数的铝锭，全部的Si锭、Fe剂、Mn剂等投入熔炼炉中，升温至780℃；
（2）待炉中原料完全熔化后，加入剩下的铝锭和Zn锭，并搅拌熔体，同时炉内温度降至700℃；
（3）在熔体中部取样测试合金成分，对比设计成分与实测成分，调整合金成分至设计范围内；
（4）用钛制工具将铝箔包好、预热过的Al-Sr中间合金压入熔体内部，并缓慢搅拌熔体；
（5）以高纯氮气为载体将精炼剂喷入熔体中，静置30分钟后扒渣，铸造成锭，制备中强高韧铸造铝合金。
实施例2：
设计成分为：Al-12%Si-4.1%Zn-0.8%Fe-0.15%Mn-0.03%Sr，即由12％的Si、4.1%的Zn、0.8%的Fe、0.15%的Mn、0.03％的Sr和余量为Al组成。
（1）按比例配料，将其中90%质量分数的铝锭，全部的Si锭、Fe剂、Mn剂等投入熔炼炉中，升温至800℃；
（2）待炉中原料完全熔化后，加入剩下的铝锭和Zn锭，并搅拌熔体，同时炉内温度降至720℃；
（3）在熔体中部取样测试合金成分，对比设计成分与实测成分，调整合金成分至设计范围内；
（4）用钛制工具将铝箔包好、预热过的Al-Sr中间合金压入熔体内部，并缓慢搅拌熔体；
（5）以高纯氮气为载体将精炼剂喷入熔体中，静置60分钟后扒渣，铸造成锭，制备中强高韧铸造铝合金。
实施例3：
设计成分为：Al-11%Si-7.0%Zn-0.5%Fe-0.4%Mn-0.02%Sr，即由11％的Si、7.0%的Zn、0.5%的Fe、0.4%的Mn、0.02％的Sr和余量为Al组成。
（1）按比例配料，将其中70%质量分数的铝锭，全部的Si锭、Fe剂、Mn剂等投入熔炼炉中，升温至760℃；
（2）待炉中原料完全熔化后，加入剩下的铝锭和Zn锭，并搅拌熔体，同时炉内温度降至710℃；
（3）在熔体中部取样测试合金成分，对比设计成分与实测成分，调整合金成分至设计范围内；
（4）用钛制工具将铝箔包好、预热过的Al-Sr中间合金压入熔体内部，并缓慢搅拌熔体；
（5）以高纯氮气为载体将精炼剂喷入熔体中，静置45分钟后扒渣，浇入保温炉，直供压铸成型设备，制备中强高韧铸造铝合金铸件。
实施例4：
设计成分为：Al-10.5%Si-6.0%Zn-0.6%Fe-0.25％Mn-0.01％Sr，即由10.5％的Si、6.0%的Zn、0.6%的Fe、0.25%的Mn、0.01％的Sr和余量为Al组成。
（1）按比例配料，将其中75%质量分数的铝锭，全部的Si锭、Fe剂、Mn剂等投入熔炼炉中，升温至770℃；
（2）待炉中原料完全熔化后，加入剩下的铝锭和Zn锭，并搅拌熔体，同时炉内温度降至720℃；
（3）在熔体中部取样测试合金成分，对比设计成分与实测成分，调整合金成分至设计范围内；
（4）用钛制工具将铝箔包好、预热过的Al-Sr中间合金压入熔体内部，并缓慢搅拌熔体；
（5）以高纯氮气为载体将精炼剂喷入熔体中，静置60分钟后扒渣，浇入保温炉，直供压铸成型设备，制备中强高韧铸造铝合金铸件。
实施例1-4铝合金的力学性能见图1，压铸态抗拉强度230MPa以上，屈服130MPa以上，伸长率可达15%以上。
如图2所示，为实施例1的扫描电子显微图，其中白色颗粒为富铁相，灰色颗粒为共晶硅，球状物相为铝基体本发明的中强高韧压铸铝合金，其组织主要有Al-Si-AlFeSi三元共晶组成，共晶硅平均粒径～2μm，富铁相平均粒径～2.5μm，压铸态抗拉强度235-300MPa，屈服强度135-180MPa，延伸率15-22.0%。

Claims (1)

1.一种含Zn的中强高韧压铸铝合金，其特征在于，按照重量比计，压铸铝合金的化学成分由以下成分组成：Si的含量为10.0-13.0％，Zn的含量4.1-7.1％，Fe的含量为0.5-0.8％，Mn的含量为0.1-0.4％，Sr的含量为0.02-0.04％，Mg含量≤0.01％，Cu含量≤0.01％，其他杂质元素含量≤0.15％，其余为Al；
所述的压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按比例配料，将其中70-90％质量分数的铝锭，全部的Si锭、Fe剂、Mn剂投入熔炼炉中，升温至760-800℃；
(2)待炉中原料完全熔化后，加入Zn锭和剩下质量分数的铝锭，并搅拌熔体，同时炉内温度降至700-720℃；
(3)在熔体中部取样测试合金成分，对比设计成分与实测成分，调整合金成分至设计范围内；
(4)用钛制工具将铝箔包好、预热过的Al-Sr中间合金压入熔体内部，并缓慢搅拌熔体；
(5)以高纯氮气为载体将精炼剂喷入熔体中，静置30-60分钟后扒渣，铸造成锭或浇入保温炉直供铸压铸单元，制备中强高韧铸造铝合金或铸件。
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