CN112391562B - 一种铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

为克服现有压铸铝合金材料存在难以兼顾压铸所需的工艺性要求的问题，本发明提供了一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为8～11％，Cu的含量为2～3％，Mg的含量为0.7～1.1％，Mn的含量为0.7～1.5％，Sr的含量为0.01～0.015％，Cr的含量为0.01～0.015％，Fe的含量为0～0.4％，Ti的含量为0.02～0.1％，Ga的含量为0.01～0.02％，B的含量为0.004～0.02％，Zn的含量为0～2％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％。同时，本发明还公开了上述铝合金的制备方法。本发明提供的铝合金拥有较高的屈服强度和导热性能，且在不牺牲强度的前提下保证有较好的延伸率。

Description

一种铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于压铸铝合金技术领域，具体涉及一种铝合金及其制备方法。
背景技术
压铸是利用高压强制将金属熔液压入形状复杂的金属模内的精密铸造法。经由压铸而铸成的压铸件之尺寸公差甚小，表面精度较高，在大多数的情况下，压铸件不需再车削加工即可装配应用。
铝合金的压铸对铝合金的材料力学性能，如屈服强度、抗拉强度、延伸率、熔体的流动性等具有较高的要求，现有的压铸铝合金材料在进行压铸时，对成型工艺的控制条件精度依赖性较高，受工艺参数的微小波动影响较大，难以兼顾压铸的强度要求和延伸率要求。
发明内容
针对现有压铸铝合金材料存在难以兼顾压铸所需的工艺性要求的问题，本发明提供了一种铝合金及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：
Si的含量为8～11％，Cu的含量为2～3％，Mg的含量为0.7～1.1％，Mn的含量为0.7～1.5％，Sr的含量为0.01～0.015％，Cr的含量为0.01～0.015％，Fe的含量为0～0.4％，Ti的含量为0.02～0.1％，Ga的含量为0.01～0.02％，B的含量为0.004～0.02％，Zn的含量为0～2％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％。
可选的，所述铝合金包括如下质量百分比的组分：
Si的含量为9～10.8％，Cu的含量为2.5～2.8％，Mg的含量为0.7～1.1％，Mn的含量为0.9～1.3％，Sr的含量为0.01～0.015％，Cr的含量为0.01～0.015％，Fe的含量为0～0.4％，Ti的含量为0.03～0.1％，Ga的含量为0.01～0.015％，B的含量为0.004～0.01％，Zn的含量为0～2％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％。
可选的，所述铝合金中，Ti与B的质量比例为(5～10):1。
可选的，所述铝合金中，Ga的质量百分比含量大于Sr的质量百分比含量。
可选的，所述铝合金中，Si与Cu的质量含量满足以下条件：
Wt(Si)＝(Wt(Cu)-0.2)×(3～5)。
可选的，所述铝合金中，Mn与Cu的质量含量满足以下条件：
Wt(Cu)＝(Wt(Mn)-0.3)×(2.5～4)。
可选的，所述其他元素包括Zr、Ni、Ce、Sc、Er中的一种或多种。
另一方面，本发明提供了如上所述的铝合金的制备方法，包括以下操作步骤：
按照铝合金中各元素配比称取所需比例的原料，在熔炼炉中加入原料进行熔炼，经过除渣和精炼除气处理后进行浇铸得到铝合金铸锭，再将铝合金铸锭压铸成型。
可选的，所述除渣操作中，往熔融的金属中加入除渣剂，所述除渣剂包括DSG铝合金除渣除气剂；
所述精炼除气操作中，精炼温度为700～710℃，往熔融的金属中加入精炼剂，所述精炼剂包括六氟乙烷、铝精炼剂ZS-AJ01C中的一种或多种。
可选的，对压铸成型的铝合金进行人工时效处理，处理温度为100～200℃，处理时间为1.5～3h。
根据本发明提供的铝合金，通过调整铝合金中各强化元素的配比控制，使得铝合金拥有较高的屈服强度和导热性能，且在不牺牲强度的前提下保证有较好的延伸率。按本发明提供的配方熔炼压铸得到的铝合金，屈服强度约240～260MPa，抗拉强度约380～410MPa，延伸率3～6％，导热率约130-142W/(k·m)。且该铝合金材料对工艺要求较低，应用于压铸工艺中具有良好的工艺适应性。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的铝合金的金相照片；
图2是本发明实施例1提供的铝合金的SEM照片；
图3是图2中十字标记处的SEM-衍射图谱。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：
Si的含量为8～11％，Cu的含量为2～3％，Mg的含量为0.7～1.1％，Mn的含量为0.7～1.5％，Sr的含量为0.01～0.015％，Cr的含量为0.01～0.015％，Fe的含量为0～0.4％，Ti的含量为0.02～0.1％，Ga的含量为0.01～0.02％，B的含量为0.004～0.02％，Zn的含量为0～2％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％。
根据本发明提供的铝合金，通过调整铝合金中各强化元素的配比控制，使得铝合金拥有较高的屈服强度和导热性能，且在不牺牲强度的前提下保证有较好的延伸率。按本发明提供的配方熔炼压铸得到的铝合金，屈服强度约240～260MPa，抗拉强度约380～410MPa，延伸率3～6％，导热率约130-142W/(k·m)。且该铝合金材料对工艺要求较低，应用于压铸工艺中具有良好的工艺适应性。
在一些优选的实施例中，所述铝合金包括如下质量百分比的组分：
Si的含量为9～10.8％，Cu的含量为2.5～2.8％，Mg的含量为0.7～1.1％，Mn的含量为0.9～1.3％，Sr的含量为0.01～0.015％，Cr的含量为0.01～0.015％，Fe的含量为0～0.4％，Ti的含量为0.03～0.1％，Ga的含量为0.01～0.015％，B的含量为0.004～0.01％，Zn的含量为0～2％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％。
在具体的实施例中，所述铝合金由如下质量百分比的组分组成：
Si的含量为9～10.8％，Cu的含量为2.5～2.8％，Mg的含量为0.7～1.1％，Mn的含量为0.9～1.3％，Sr的含量为0.01～0.015％，Cr的含量为0.01～0.015％，Fe的含量为0～0.4％，Ti的含量为0.03～0.1％，Ga的含量为0.01～0.015％，B的含量为0.004～0.01％，Zn的含量为0～2％，余量为Al。
在其他具体的实施例中，Si的含量为9％、9.8％、10％、10.5％或10.8％，Cu的含量为2.5％、2.6％或2.8％，Mg的含量为0.7％、0.8％、0.9％、1％或1.1％，Mn的含量为0.9％、1％、1.1％、1.2％或1.3％，Sr的含量为0.01％、0.013％、0.015％或0.02％，Cr的含量为0.01％、0.013％或0.015％，Fe的含量为0、0.1％、0.2％、0.3％或0.4％，Ti的含量为0.03％、0.04％、0.05％或0.06％，Ga的含量为0.01％、0.013％或0.015％，B的含量为0.004％、0.005％、0.006％、0.007％或0.008％，Zn的含量为0、0.3％、0.6％、0.9％、1.3％、1.7％或2％。
本发明所涉及的材料中，Si与Al形成共晶硅和初生Si，在Sr元素的作用下形成弥散的初生Si和细小的α-Al晶粒，提升材料的强度和流动性。
Cu与Al形成固溶相，同时也通过析出的Al2Cu分弥散分布到晶界上。
其中材料中随着Mg含量的增加，屈服强度也随之增加，延伸率逐步减少，同时在Mg含量达到0.7％以上时开始出现以Al2Cu为主的弥散强化相(粒径在10μm以下)，并随着Mg元素含量的提升，合金该相的出现的范围逐步增大，在Mg含量超过1.1％时，合金达到该类强化相会急剧晶粒急剧增大，延伸率下降较大。
Mn和Cr固溶到铝合金基体中，抑制初生Si和α-Al的晶粒长大，使得初生Si含量弥散分布到各晶粒之间。
Ti和B弥散分布到晶粒之间，使得初晶硅能够均匀的分布到α-Al中，同时也极大的抑制了α-Al的长大(粒径相对于不添加Ti和B缩小了三分之一)。
其中，Zn的含量过高时，易固溶到合金中，从而影响了Cu，Mn和Mg元素的固溶，会影响的析出的第二相，对材料的导热性能变化较大。
Fe的含量过高时，会导致材料变脆，影响到材料的延展性能。
需要说明的是，铝合金的力学性能、导热性和延伸率是上述元素的综合作用结果，任一元素偏移本发明提供的范围均偏离了本发明的发明意图，导致铝合金在力学性能、导热性或延伸率上的降低，从而不利于铝合金作为压铸材料的使用。
在一些实施例中，所述铝合金中，Ti与B的质量比例为(5～10):1。
发明人通过进一步试验发现，Ti-B在该比例下，保证了材料的高强度和较高的导热效果，原因是由于Ti元素在该含量范围内，均匀分布到共晶硅的周边，提升了强度，同时该比例下B元素的添加在保证高强度的同时也保证了良好的导热效果。
在一些实施例中，所述铝合金中，Ga的质量百分比含量大于Sr的质量百分比含量。
在一些实施例中，所述铝合金中，Si与Cu的质量含量满足以下条件：
Wt(Si)＝(Wt(Cu)-0.2)×(3～5)。
该比例下，α-Al在生成的共晶硅和Al2Cu相互作用下，形成晶粒的直径较小，限制其晶粒长大。
在一些实施例中，所述铝合金中，Mn与Cu的质量含量满足以下条件：
Wt(Cu)＝(Wt(Mn)-0.3)×(2.5～4)。
Si、Cu和Mn在该比例下，通过Ti-B的引诱，形成了新型的球状Si7Mn6Cu相，均匀分布在晶界处，极大强化了合金的强度和延伸率。
在上述配比条件下，铝合金中形成强度较高的α固溶体，此时在Ti、Ga和B的作用下，形成细小强化相均匀分布在共晶硅和α固溶体之间，在保证材料延伸率的时候，极大的提升了材料的屈服强度，效果最佳。
在一些实施例中，所述其他元素包括Zr、Ni、Ce、Sc、Er中的一种或多种。
Zr、Ni、Ce、Sc、Er为有害元素，在所述铝合金中需尽量通过减少杂质的方式避免，优选实施中，所述铝合金不包括上述其他元素。
Ni作为杂质元素，是因为其固溶到合金中的α固溶体中，会对Cu，Mn和Mg产生较大的影响，导致该类元素偏析严重，从而使材料变脆。
Zr、Ce、Er、Sc元素是材料产生不可固溶的第二相，使得材料成分分布不均匀，导致材料变脆。
本发明的另一实施例提供了如上所述的铝合金的制备方法，包括以下操作步骤：
按照铝合金中各元素配比称取所需比例的原料，在熔炼炉中加入原料进行熔炼，经过除渣和精炼除气处理后进行浇铸得到铝合金铸锭，再将铝合金铸锭压铸成型。
所述原料包括含铝料、含硅料、含镁料、含铁料、含锶料、含钛料、含硼料、含铜料、含锰料、含镓料、含铬料和含锌料。所述原料选自含上述元素的合金或单质。
在一些实施例中，所述除渣操作中，往熔融的金属中加入除渣剂，所述除渣剂包括DSG铝合金除渣除气剂。
所述精炼除气操作中，精炼温度为700～710℃，往熔融的金属中加入精炼剂并搅拌实现精炼除气，所述精炼剂包括六氟乙烷、铝精炼剂ZS-AJ01C中的一种或多种。
在一些实施例中，对压铸成型的铝合金进行人工时效处理，处理温度为100～200℃，处理时间为1.5～3h。
经过人工时效，使得Al合金产生了沉淀硬化，可通过测试其力学性能观察其效果。当铝合金处于100～200℃之间时，加快了Al2Cu相的析出，强化了晶界强度，从而提升了合金的强度和硬度。
在一些实施例中，所述浇铸操作的温度为680℃～720℃。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
表1
Figure GDA0003158596820000061
Figure GDA0003158596820000071
注：表1中各配比均以重量百分比计，另外，不可避免的杂质元素总重量小于0.1％。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括以下操作步骤：
按表1所示，铝合金成分以质量含量计为：Si的含量为9.5％，Cu的含量为2.7％，Mg的含量为1％，Mn的含量为1.2％，Sr的含量为0.013％，Cr的含量为0.012％，Fe的含量为0％，Ti的含量为0.04％，Ga的含量为0.014％，B的含量为0.005％，Zn的含量为0％，余量为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质含量低于0.1％，根据上述铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质加入熔炼炉进行熔炼，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作，精炼温度为700～710℃，浇铸得到铝合金铸锭。然后将铝合金铸锭经过7d自然时效后得到铝合金。
实施例2-7、9-25、27-34
实施例2-7、9-25、27-34用于说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：
采用表1中实施例2-7、9-25、27-34所示的铝合金成分，根据上述铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质加入熔炼炉进行熔炼，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作，精炼温度为700～710℃，浇铸得到铝合金铸锭。然后将铝合金铸锭经过7d自然时效后得到铝合金。
对比例1
本对比例用于对比说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括以下操作步骤：
按表1所示，铝合金成分以质量含量计为：Si的含量为7.8％，Cu的含量为2.7％，Mg的含量为1％，Mn的含量为1.2％，Sr的含量为0.013％，Cr的含量为0.012％，Fe的含量为0％，Ti的含量为0.04％，Ga的含量为0.014％，B的含量为0.005％，Zn的含量为0％，余量为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质含量低于0.1％，根据上述铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质加入熔炼炉进行熔炼，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作，精炼温度为700～710℃，浇铸得到铝合金铸锭。然后将铝合金铸锭经过7d自然时效后得到铝合金。
对比例2-13
对比例2-13用于说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：
采用表1中对比例2-13所示的铝合金成分，根据上述铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质加入熔炼炉进行熔炼，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作，精炼温度为700～710℃，浇铸得到铝合金铸锭。然后将铝合金铸锭经过7d自然时效后得到铝合金。
性能测试
对上述实施例1制备得到的铝合金进行扫描电子显微镜成像，得到的SEM照片如图1和图2所示，对图2中作十字形标记处进行衍射，得到SEM衍射图谱如图3所示，分析得到图2中十字形标记处的成分如表2所示。
表2
Element Wt％ At％
CK 02.52 05.94
OK 01.42 02.52
MgK 00.81 00.95
AlK 71.05 74.60
SiK 07.69 07.76
MnK 12.40 06.39
CuK 04.11 01.83
Matrix Correction ZAF
可知，在图2该处形成了球状Si7Mn6Cu相，并均匀分布在晶界处，利于提高铝合金的强度和延伸率。
对上述实施例1-7、9-25、27-34和对比例1-13制备得到的铝合金进行如下性能测试：
拉伸强度测试：采用GBT 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法，测试屈服强敌、抗拉强度、延伸率。
热导率测试：制成φ12.7×3mm的铸锭导热圆片，在待测试样的两面均匀喷涂石墨涂层；将处理好的试样放入激光导热仪中进行测试。按照《ASTM E1461闪光法测定热扩散系数的标准方法》，进行激光导热测试。
得到的测试结果填入表3。
表3
Figure GDA0003158596820000091
Figure GDA0003158596820000101
对比实施例1-7、9-25、27-34和对比例1-13的测试结果可知，相对于本发明提供元素范围外的铝合金，本发明提供的铝合金具有较好的力学强度，能够满足压铸工艺的要求，同时兼顾较好的热传导性能、延伸率和压铸成型性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铝合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：
Si的含量为8～11％，Cu的含量为2～3％，Mg的含量为0.7～1.1％，Mn的含量为0.7～1.5％，Sr的含量为0.01～0.015％，Cr的含量为0.01～0.015％，Fe的含量为0～0.4％，Ti的含量为0.02～0.1％，Ga的含量为0.01～0.02％，B的含量为0.004～0.02％，Zn的含量为0～2％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％，所述铝合金中，Ti与B的质量比例为(5～10):1。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金包括如下质量百分比的组分：
Si的含量为9～10.8％，Cu的含量为2.5～2.8％，Mg的含量为0.7～1.1％，Mn的含量为0.9～1.3％，Sr的含量为0.01～0.015％，Cr的含量为0.01～0.015％，Fe的含量为0～0.4％，Ti的含量为0.03～0.1％，Ga的含量为0.01～0.015％，B的含量为0.004～0.01％，Zn的含量为0～2％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中，Ga的质量百分比含量大于Sr的质量百分比含量。
4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中，Si与Cu的质量含量满足以下条件：
Wt(Si)＝(Wt(Cu)-0.2)×(3～5)。
5.根据权利要求4所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中，Mn与Cu的质量含量满足以下条件：
Wt(Cu)＝(Wt(Mn)-0.3)×(2.5～4)。
6.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述其他元素包括Zr、Ni、Ce、Sc、Er中的一种或多种。
7.如权利要求1～6任意一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
按照铝合金中各元素配比称取所需比例的原料，在熔炼炉中加入原料进行熔炼，经过除渣和精炼除气处理后进行浇铸得到铝合金铸锭，再将铝合金铸锭压铸成型。
8.根据权利要求7所述的铝合金的制备方法，其特征在于，所述除渣操作中，往熔融的金属中加入除渣剂，所述除渣剂包括DSG铝合金除渣除气剂；
所述精炼除气操作中，精炼温度为700～710℃，往熔融的金属中加入精炼剂，所述精炼剂包括六氟乙烷、铝精炼剂ZS-AJ01C中的一种或多种。
9.根据权利要求7所述的铝合金的制备方法，其特征在于，对压铸成型的铝合金进行人工时效处理，处理温度为100～200℃，处理时间为1.5～3h。
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