CN112048649A - 铝合金及其制备方法和汽车铸件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金及其制备方法和汽车铸件，该铝合金的化学成分按质量百分比包括：Si：11‑13.5％，Cu:0.5‑3％，Mg：0.4‑1.0％，Mn:0.3‑1.0％，Cr：0.01‑0.1％，Fe：0.4‑0.8％，P：0‑0.05％，Sb：0.01‑0.1％，无法避免的杂质总和≤0.25％，余量为Al。该铝合金通过特定的选择合金元素Si、Cu、Mg、Mn、Cr、Fe、Sb和P等，并且对元素配比进行了优化，进而使得制备得到的铝合金能够满足轻量化汽车零部件对铸件更高强度和韧性的性能要求，同时无需添加稀土元素，不增加原材料的成本。

Description

铝合金及其制备方法和汽车铸件

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体而言，涉及一种铝合金及其制备方法和汽车铸件。

背景技术

近年来，巨大的能源消耗和严重的环境污染越来越引起世界各国的重视，以节能减排为主要目标的轻量化已经成为汽车行业发展的重要方向和国际大趋势，而实现汽车轻量化最为行之有效的途径就是材料的轻量化。数据表明，汽车重量每减轻10％，可降低燃油消耗6％-8％，温室气体排放量下降4％，具有显著的经济效益和环境效益。

Al-Si系铸造铝合金具有良好的流动性，广泛用作缸体、缸盖及各种壳体类零部件，是目前用量最大的铸造铝合金。随着汽车轻量化的发展，要求铸造铝合金具有更高的强度和韧性，以满足进一步轻量化的要求。但目前常用的Al-Si系铸造铝合金强度、韧性偏低，满足不了汽车受力件的更高要求。

专利CN105803272B公开了一种高强韧铸造铝合金，该合金成分的质量百分比为Si4.5～6.5％，Mg1.5～2.5％，Cu1.5～2.5％，Zr0.01～0.02％，B0.002～0.004％，Eu0.01～0.03％，Re0.1～0.3％，余量为Al。合金热处理后抗拉强度达到340MPa，屈服强度达到270MPa。然而，该合金添加了稀土元素Eu和Re，增加了材料成本。

专利CN110629079A公开了一种用于新能源汽车的铝合金材料，该合金成分的质量百分比为Si9.0～11.5％，Fe0～0.4％，Cu0～0.1％，Mn0.3～0.8％，Mg0.15～0.4％，Zn0～0.1％，Cr0～0.05％，Ti0.02～0.2％，Ca0～0.05％，P0～0.05％，Sr0.01～0.03％，余量为Al。该合金是亚共晶铝硅合金，主要用于变形加工，具有良好的耐疲劳性和焊接性能。但是力学性能偏低，合金热处理后抗拉强度达到180MPa，屈服强度达到120MPa，延伸率达到8％，不能满足汽车铸件更高的力学性能要求。

专利CN108754250A公开了一种高强度压铸铝合金，该合金成分的质量百分比为Si8.0～9.0％，Mg1.0～1.5％，Zn4.0～5.0％，Fe0.6～0.9％，Mn0～0.15％，Cu2.0～3.0％，Ni0～0.15％，Ti0.08～0.12％，余量为Al。该合金自然时效70天后抗拉强度可达到405MPa，而屈服强度则仅为达到270MPa，延伸率仅为3.2％。同时由于添加了4.0～5.0％的Zn元素，合金密度变大，影响了轻量化的效果。

因此，现有技术缺少满足轻量化要求的且同时具有高强度高韧性的Al-Si系铸造铝合金。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金及其制备方法和汽车铸件。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供了一种铝合金，铝合金的化学成分按质量百分比包括：Si：11-13.5％，Cu:0.5-3％，Mg：0.4-1.0％，Mn:0.3-1.0％，Cr：0.01-0.1％，Fe：0.4-0.8％，P：0-0.05％，Sb：0.01-0.1％，无法避免的杂质总和≤0.25％，余量为Al。

可选地，铝合金的化学成分按质量百分比包括：Si：11.5-12.5％，Cu:0.5-2％，Mg：0.5-0.9％，Mn:0.3-0.8％，Cr：0.02-0.09％，Fe：0.4-0.7％，P：0.01-0.05％，Sb：0.02-0.08％，无法避免的杂质总和≤0.25％，余量为Al。

可选地，铝合金为压铸铝合金，优选地，铝合金的抗拉强度大于或等于425MPa，铝合金的屈服强度大于或等于360MPa，铝合金的断后伸长率大于或等于2.5％。

第二方面，本发明还提供了上述铝合金的制备方法，其包括：按照铝合金的化学成分配置原料制备铝合金。

可选地，该制备方法包括：在铝、硅、铜、锰、铬、铁、镁的原料的熔体中加入变质中间合金进行变质处理，其中，变质中间合金包括锑的中间合金和磷的中间合金中的至少一种；再将变质处理后的熔体依次进行精炼和铸造。

可选地，锑的合金中间体为铝锑中间合金，磷的合金中间体为磷铜中间合金。

可选地，铝锑中间合金中，锑的含量为4～10％；磷铜中间合金中，磷的含量6～14％。

可选地，加入变质中间合金时，熔体的温度为750-780℃，变质时间为15-45min。

可选地，铝的原料为纯铝锭，硅的原料为铝硅中间合金或速溶硅，铜的原料为铝铜中间体或纯铜，锰的原料为铝锰中间合金或锰添加剂，铬的原料为铝铬中间合金或铬添加剂，铁的原料为铝铁中间合金或铁添加剂。

可选地，精炼包括：在变质后的熔体中通入精炼剂和惰性气体，进行除气除渣精炼，优选地，精炼时间为5-15min，精炼完成后扒去浮渣。

可选地，惰性气体为氮气或氩气。

可选地，铸造包括：将精炼后的熔体控制在680-760℃后，静置10-30min，然后进行压铸、低压铸造或重力铸造。

可选地，该制备方法还包括在铸造后进行T6热处理，优选地，T6热处理包括：在450-500℃保温4-8h，淬火；然后在165-200℃时效处理6-12h。

第三方面，本发明还提供了一种汽车铸件，其材质为上述铝合金。

本发明的上述方案之一具有以下有益效果：该铝合金结合了Al-Si系和Al-Cu系铸造铝合金的优点，通过特定的选择合金元素Si、Cu、Mg、Mn、Cr、Fe、Sb和P等，并且对元素配比进行了优化，进而使得制备得到的铝合金能够满足轻量化汽车零部件对铸件更高强度和韧性的性能要求，同时无需添加稀土元素，不增加原材料的成本。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明提供的一种铝合金及其制备方法和汽车铸件进行具体说明。

本发明的一些实施方式提供了一种铝合金，铝合金的化学成分按质量百分比包括：Si：11-13.5％，Cu:0.5-3％，Mg：0.4-1.0％，Mn:0.3-1.0％，Cr：0.01-0.1％，Fe：0.4-0.8％，P：0-0.05％，Sb：0.01-0.1％，无法避免的杂质总和≤0.25％，余量为Al。

发明人经过大量实践和研究，通过Si、Cu、Mg、Mn、Cr、Fe、Sb和P等合金元素的选择以及其配比的科学设计，创造性地发现制备得到的铝合金能够满足轻量化汽车零部件对铸件更高强度和韧性的性能要求，同时无需添加稀土元素，不增加原材料的成本。而实现以上效果的原因可能在于：

将Si含量控制在Al-Si合金共晶成分附近，进而使合金在铸造时能够具有良好的流动性。同时Si与Mg反应会析出Mg₂Si粒子，由于Mg和Si的质量百分比小于1.73，进而使得合金中保留有一定量的过剩Si，共同起到提高合金的强度的作用。当Si的含量低于11.5％时，过剩Si数量少，强化作用不够；当Si的含量超过13.5％时，会导致合金的塑性下降。

Cu在合金中起到固溶强化作用，同时在热处理时与Al反应析出Al₂Cu、Q-AlCuMgSi等强化相，提高合金的强度。当Cu浓度不到0.5％时，强化效果不明显，含量超过3％时，Al₂Cu数量增多，合金的脆性增加，抗应力腐蚀性能下降，而且导致合金密度增加。

Mg与Si反应析出Mg₂Si化合物，提高合金强度。同时由于Mg的密度小，有利于降低合金的密度。Mg浓度不到0.4％时，强化效果较弱；含量超过1.0％时，熔体的流动性下降，铸件中夹杂等缺陷数量增加。

合金中Fe元素含量小于0.4％，不利于铸件脱模。Fe与Si反应形成针片状Al₉Si₂Fe₂、Al₈FeMg₃Si₆等相，这些针片状含Fe相随Fe含量的增加而显著长大，当Fe含量大于0.8％时，严重降低合金的韧性。

Mn能够改善合金的热烈倾向，并与铝合金中的杂质Fe形成A13(Fe、Mn)、A1FeMnSi等化合物，降低含Fe相的有害作用。因为合金中Fe含量高，Mn含量少于0.3％时降低含Fe相的有害作用有限。Mn含量大于0.5％时合金流动性下降，铸造性能变差。

Cr元素在合金中形成(CrFe)A17相，可以降低Fe元素的有害作用，提高合金的力学性能。同时，添加过多的Cr与Si反应生产A1CrSi，在时效时会抑制Mg2Si的析出，对合金强度造成不利影响。

Sb元素加入Al熔体后形成AlSb化合物。AlSb和Si晶格常数接近，均为立方晶系，可以作为Si的结晶核心。在压铸条件下可以显著细化共晶硅，提高合金强度和韧性，尤其是韧性。当Sb含量过低，变质作用不明显，Sb含量达到0.1％后，继续增加Sb含量，共晶硅不会进一步细化。

铝硅合金发生非平衡凝固时，Si含量12％～13.5％时容易形成粗大的初晶硅，降低合金韧性，通过添加适量P元素细化初晶硅。

需要说明的是，上述各种元素并不是单独起作用，而是整体之间各种金属元素相互配合形成具有高强度和高韧性的合金。

进一步地，为了进一步提升铝合金的性能，发明人通过研究和实践后，对铝合金的化学成分进行了优化，一些较佳的实施方式中，铝合金的化学成分按质量百分比包括：Si：11.5-12.5％，Cu:0.5-2％，Mg：0.5-0.9％，Mn:0.3-0.8％，Cr：0.02-0.09％，Fe：0.4-0.7％，P：0.01-0.05％，Sb：0.02-0.08％，无法避免的杂质总和≤0.25％，余量为Al。

一些实施方式中，上述铝合金为压铸铝合金，较佳地，该铝合金的抗拉强度大于或等于425MPa，最高可达470MPa以上，铝合金的屈服强度大于或等于360MPa，最高可达410Mpa以上，铝合金的断后伸长率大于或等于2.5％，最高可达3.5％。

本发明的一些实施方式还提供了上述铝合金的制备方法，其包括：按照铝合金的化学成分配置原料制备铝合金。

具体地，上述铝合金的制备方法可包括：

S1、熔炼：按照上述合金的化学成分中各元素的质量百分比将对应的原料称好备用。将铝原料加入熔化炉中加热，全部熔化后依次加入硅、铜、锰、铬、铁、镁等对应的原料，全部材料熔化后搅拌均匀。

一些实施方式中，铝原料为纯铝锭，硅的原料为铝硅中间合金或速溶硅，铜的原料为铝铜中间体或纯铜，锰的原料为铝锰中间合金或锰添加剂，铬的原料为铝铬中间合金或铬添加剂，铁的原料为铝铁中间合金或铁添加剂。

S2、变质处理：在熔化搅拌均匀的熔体中加入变质中间合金进行变质处理。

具体地，变质中间合金包括锑的中间合金和磷的中间合金中的至少一种。锑的合金中间体为铝锑中间合金，磷的合金中间体为磷铜中间合金。其中，铝锑中间合金中，锑的含量为4～10wt％；磷铜中间合金中，磷的含量6～14wt％。需要说明的是，在步骤S1中称量原料时，需要除去本步骤中的中间合金中的铝和铜的含量，以达到对铝合金最终化学成分的控制。

一些实施方式中，加入变质中间合金时，熔体的温度为750-780℃，变质时间为15-45min。即在完成步骤S1后，将熔体升温至750-780℃进行变质处理。

S3、精炼：通入精炼剂和惰性气体，对铝合金熔体进行除气除渣精炼处理，精炼时间5-15min，扒去浮渣。

一些实施方式中，惰性气体为氮气或氩气。氮气或氩气的纯度≥99.99％。

一些实施方式中，精炼剂选自RJ1-1、RJ1-2、RJ2-1中的至少一种。

S4、铸造：将步骤S3获得的熔体降温至在680-760℃，并静置10-30min，然后进行压铸、低压铸造或重力铸造生产。

优选地，静置后选自压铸。

S5、T6热处理：在450-500℃保温4-8h，淬火；然后在165-200℃时效处理6-12h。

通过多种合金元素的选择以及合适的配比设计，再通过熔体处理，使合金在液态时具有良好的流动性和压铸成型性能。同时在制备方法上采用高温变质、降温铸造的方法，严格控制强化析出相的尺寸，使材料在热处理后具有优异的力学性能。

进一步地，本发明的一些实施方式还提供了一种汽车铸件，其材质为上述铝合金。由于该铝合金具有上述强度和韧性和轻量化方面的优异性能，进而使得其能够适合汽车零部件，进而材质为上述铝合金的汽车铸件具有很好的性能和市场前景。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1-6

实施例1-6的化学成分如表1所示，其具体的制备工艺均如下，实施例2制备时，变质处理步骤不加入P-Cu中间合金。

(1)熔炼：按照化学成分配比，将纯铝锭加入熔化炉中加热，待完全熔化后，依次加入配好的硅、铜、锰、铬、铁、镁等对应的材料，全部材料熔化后搅拌均匀。

(2)变质处理：将步骤(1)制备的熔体升温至780℃，加入Al-Sb中间合金和P-Cu中间合金进行变质，变质时间15min，其中，Al-Sb中间合金中，Sb的含量为4wt％；P-Cu中间合金中，P的含量14wt％。

(3)精炼：通入精炼剂RJ1-1和氩气，对铝合金熔体进行除气除渣精炼处理，精炼时间10min，扒去浮渣。

(4)压铸：将步骤(3)获得的熔体降温至在730℃，并静置15min，然后使用630吨压铸机制备试样。

(5)T6热处理：在495℃保温5h，淬火；然后在185℃时效处理10h。

对比例1

对比例为传统的ADC12合金，其化学成分如表1所示。

表1铝合金的化学组成(wt％)

实施例	Si	Cu	Mg	Mn	Fe	Cr	Ni	Sb	P	Al
											实施例1	11.5	0.5	0.6	0.5	0.5	0.025		0.02	0.01	Bal.
实施例2	11.4	1.8	0.7	0.7	0.6	0.1		0.04		Bal.
											实施例3	11.5	1.9	0.6	0.4	0.65	0.06		0.03	0.01	Bal.
实施例4	12.4	2.5	0.5	0.35	0.4	0.025		0.018	0.05	Bal.
											实施例5	11.8	3.0	0.8	0.8	0.8	0.1		0.1	0.25	Bal.
实施例6	13.5	2.3	1.0	0.45	0.6	0.1		0.04	0.25	Bal.
											对比例
ADC12	11.5	0.5	3.2	0.25	0.4		0.4	0.02		Bal.

实施例7

本实施例与实施例1不同之处，仅在于制备工艺不同，本实施例的制备工艺为：

(1)熔炼：按照化学成分配比，将纯铝锭加入熔化炉中加热，待完全熔化后，依次加入配好的硅、铜、锰、铬、铁、镁等对应的材料，全部材料熔化后搅拌均匀。

(2)变质处理：将步骤(1)制备的熔体升温至750℃，加入Al-Sb中间合金和P-Cu中间合金进行变质，变质时间45min，其中，铝锑中间合金中，锑的含量为10wt％；磷铜中间合金中，磷的含量6wt％。

(3)精炼：通入精炼剂RJ2-1和氮气，对铝合金熔体进行除气除渣精炼处理，精炼时间6min，扒去浮渣。

(4)压铸：将步骤(3)获得的熔体降温至在680℃，并静置12min，然后使用630吨压铸机制备试样。

(5)T6热处理：在460℃保温6h，淬火；然后在170℃时效处理11h。

实施例8

本实施例与实施例1不同之处，仅在于制备工艺不同，本实施例的制备工艺为：

(1)熔炼：按照化学成分配比，将纯铝锭加入熔化炉中加热，待完全熔化后，依次加入配好的硅、铜、锰、铬、铁、镁等对应的材料，全部材料熔化后搅拌均匀。

(2)变质处理：将步骤(1)制备的熔体升温至765℃，加入Al-Sb中间合金和P-Cu中间合金进行变质，变质时间25min，其中，铝锑中间合金中，锑的含量为10wt％；磷铜中间合金中，磷的含量6wt％。

(3)精炼：通入精炼剂RJ1_2和氮气，对铝合金熔体进行除气除渣精炼处理，精炼时间13min，扒去浮渣。

(4)压铸：将步骤(3)获得的熔体降温至在710℃，并静置25min，然后使用630吨压铸机制备试样。

(5)T6热处理：在500℃保温4h，淬火；然后在190℃时效处理7h。

实施例9

试验例

对实施例1-6和对比例制备得到的合金进行性能测试，其中，抗拉强度和屈服强度的测试标准参照《GB/T16865-2013》，断后伸长率的测试标准参照《GB/T16865-2013》，其结果如表2所示。

表2铝合金的性能

从表2的结果中可以看出，本发明实施例的铝合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均高于传统的ADC12合金。

综上所述，本发明实施例结合了Al-Si系和Al-Cu系铸造铝合金的优点，选择了特定的合金元素组成，并优化了合金元素Si、Cu、Mg、Mn、Cr、Fe的配比，再通过熔体处理，使合金在液态时具有良好的流动性和压铸成型性能。同时在制备方法上采用高温变质、降温铸造的方法，严格控制强化析出相的尺寸，使材料在热处理后具有优异的力学性能，抗拉强度能够达到470MPa，屈服强度能够达到410MPa，断后伸长率达到3.5％，综合性能明显优于常规的ADC12等铸造铝合金。同时无需严格控制Fe的含量，不添加稀土元素，不增加原材料的成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝合金，其特征在于，所述铝合金的化学成分按质量百分比包括：Si：11-13.5％，Cu:0.5-3％，Mg：0.4-1.0％，Mn:0.3-1.0％，Cr：0.01-0.1％，Fe：0.4-0.8％，P：0-0.05％，Sb：0.01-0.1％，无法避免的杂质总和≤0.25％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的化学成分按质量百分比包括：Si：11.5-12.5％，Cu:0.5-2％，Mg：0.5-0.9％，Mn:0.3-0.8％，Cr：0.02-0.09％，Fe：0.4-0.7％，P：0.01-0.05％，Sb：0.02-0.08％，无法避免的杂质总和≤0.25％，余量为Al。

3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金为压铸铝合金，优选地，所述铝合金的抗拉强度大于或等于425MPa，所述铝合金的屈服强度大于或等于360MPa，所述铝合金的断后伸长率大于或等于2.5％。

4.如权利要求1～3任一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于，其包括：按照所述铝合金的化学成分配置原料制备所述铝合金。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，其包括：在铝、硅、铜、锰、铬、铁、镁的原料的熔体中加入变质中间合金进行变质处理，其中，变质中间合金包括锑的中间合金和磷的中间合金中的至少一种；

再将变质处理后的熔体依次进行精炼和铸造。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述锑的合金中间体为铝锑中间合金，所述磷的合金中间体为磷铜中间合金；

优选地，铝锑中间合金中，锑的含量为4～10wt％；磷铜中间合金中，磷的含量6～14wt％；

优选地，加入变质中间合金时，所述熔体的温度为750-780℃，变质时间为15-45min；

优选地，铝的原料为纯铝锭，硅的原料为铝硅中间合金或速溶硅，铜的原料为铝铜中间体或纯铜，锰的原料为铝锰中间合金或锰添加剂，铬的原料为铝铬中间合金或铬添加剂，铁的原料为铝铁中间合金或铁添加剂。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述精炼包括：在变质后的熔体中通入精炼剂和惰性气体，进行除气除渣精炼，优选地，精炼时间为5-15min，精炼完成后扒去浮渣；

优选地，惰性气体为氮气或氩气。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述铸造包括：将精炼后的熔体控制在680-760℃后，静置10-30min，然后进行压铸、低压铸造或重力铸造。

9.根据权利要求5～8任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括在铸造后进行T6热处理，优选地，所述T6热处理包括：在450-500℃保温4-8h，淬火；然后在165-200℃时效处理6-12h。

10.一种汽车铸件，其特征在于，其材质为权利要求1～3任一项所述的铝合金或如权利要求4～9任一项所述的制备方法制备得到的铝合金。