CN112575215B - 一种新能源汽车用高韧性铝合金材料及方法 - Google Patents

一种新能源汽车用高韧性铝合金材料及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新能源汽车用高强韧性铝合金材料及方法，本铝合金材料包括以下组分：镁、硅、锰、铜包覆石墨粒子、钪、锶、稀土金属元素、硼、钛、铝。本方法为：铜包覆石墨粒子研磨后分成三等份，分级添加；熔炼过程中选取适当时机加入各组分，最终，逐级冷却，经淬火、回火处理、水冷、吹干处理得到铝合金型材。铝合金材料的比重和膨胀系数都减小，具有质轻的优点，并且，韧性提高，符合新能源汽车对轻量化铝合金材料的需求；本生产工艺更加精细，充分确保最终获得的铝合金型材的品质。

Description

一种新能源汽车用高韧性铝合金材料及方法
技术领域
本发明涉及一种材料及方法，尤其涉及一种新能源汽车用高韧性铝合金材料及方法。
背景技术
新能源汽车与传统汽车不同，其采用电池作为动力驱动，受电池重量、续航里程限制等因素影响，在新能源汽车的设计及选材上，轻量化材料最受青睐，其中，铝合金型材由于开发周期短、模具费用低、结构可以任意变化，越来约受到汽车行业的重视，使得铝合金材料成为汽车轻量化的首选材料。然而，现如今随着新能源汽车的不断发展，对节能的需求越来越高，因此，降低铝合金材料的比重是研究重点，然而，随着铝合金材料的比重不断降低，铝合金材料韧性也随之降低，如何使铝合金材料兼具质轻和高韧性的优点，是亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料及方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新能源汽车用高韧性铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：镁1.8～2.5％、硅1.5～2.2％、锰0.5～0.8％、铜包覆石墨粒子3～6％、钪0.1～0.2％、锶0.5～1％、稀土金属元素4～5％、硼0.15～0.3％、钛0.2～0.4％，其余为铝。
进一步地，该铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：镁2～2.2％、硅1.8～2％、锰0.6～0.7％、铜包覆石墨粒子4～5％、钪0.1～0.2％、锶0.6～0.8％、稀土金属元素4.5～4.8％、硼0.2～0.25％、钛0.25～0.3％，其余为铝。
进一步地，稀土金属元素由镧、铈、钕、铕混合而成，按重量份计，镧、铈、钕、铕的混合比例为2：2：1：1。
进一步地，铜包覆石墨粒子的粒径为40～45um。
一种新能源汽车用高韧性铝合金材料的生产方法，具体包括如下步骤：
步骤一、预先将铜包覆石墨粒子，在氩气保护条件下进行研磨，利用筛网筛得粒径符合40～45um的铜包覆石墨粒子，并将铜包覆石墨粒子分成三等份，以备用；
步骤二、将铝锭、镁锭、锰块、硅粉、锶块、稀土元素、一份铜包覆石墨粒子投入到熔炼形成合金液A，熔炼温度控制在750～760℃之间，熔炼过程采用氩气保护；
步骤三、当得到合金液A后，迅速将第二份铜包覆石墨粒子、钪块加入到合金液A中，继续熔炼得到合金液B，保温20min，加入精炼剂，精炼剂采用喷射的方式喷入到合金液B中；
步骤四、将合金液B升温至800～900℃，然后加入研磨成粉状的硼粉和钛粉以及第三份铜包覆石墨粒子，待金属完全融化后，除去铝液表面上的精炼剂，并对金属熔液进行超声处理，除去浮渣，得到铝合金溶液；
步骤五、对铝合金溶液进行第一级冷却，冷却到700～750℃之间；
步骤六、经一级冷却后的铝合金溶液进行浇注，经铸造成型，清理，得到铸件A；
步骤七、继续对铸件A进行淬火处理，淬火处理的温度为650～750℃，然后将淬火处理后的铸件A降温进行回火处理，回火处理的温度为200℃；
步骤八、将铸件A放入到室温水中，使铸件A冷却到室温，最终，将铸件A吹干即制得铝合金型材。
本发明公开了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料及方法，该铝合金材料加入铜包覆石墨粒子，使得铝合金材料的比重和膨胀系数都减小，具有质轻的优点，符合新能源汽车对轻量化铝合金材料的需求；并且，加入硼与钛，用Al-Ti-B作为晶粒细化剂，进而提高本铝合金材料的韧性；进一步地，钪具有强烈的变质作用，能够细化焊缝熔化区的晶粒,形成很大的晶格应变，有效地阻止位错的移动和晶粒的长大，抑制再结晶，进而降低铝合金材料在焊接时的裂纹倾向性，进而改进铝合金材料的强度、形变性能。本方法采用分级添加铜包覆石墨粒子及分级冷却的方式进行铝合金型材的制备，生产工艺更加精细，充分确保最终获得的铝合金型材的品质。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料，以铝(Al)为基础，添加有镁(Mg)、硅(Si)、铜包覆石墨粒子、钪(Sc)、锶(Sr)、稀土金属元素、硼(B)、钛(Ti)；
其中，镁、硅是铝合金材料中常见的添加成分，镁硅同时加入铝合金中选择形成铝镁硅系列合金，强化相为硅化镁，铝合金具有极强铸造性能和抗腐蚀性能，本发明所公开的铝合金材料，将镁硅的添加总量适当提高，有利于铝合金材料抗拉和屈服性能的提高。
已知镁对铝的强化作用十分明显，每增加1％的镁，抗拉强度大约升高34MPa，锰的添加可起到充强化作用，因此加锰后，可降低镁含量，同时，可降低热烈倾向，另外，锰还可以使铝合金化合物均匀沉底，改善抗腐蚀性能和焊接性能。
加入铜包覆石墨粒子使得铝合金材料的物料性能发生改变，石墨粒子的添加使得铝合金材料的比重和膨胀系数都减小，具有质轻的优点，符合新能源汽车对轻量化铝合金材料的需求；由于铜包覆石墨粒子引入了铜离子，铜和铝形成连续固溶体，不会生产脆性相，提高铝镁硅系列合金的强度，因此，铜包覆石墨粒子具有增加强度的作用；同时，石墨粒子作为一种固体润滑剂，使得铝合金材料在制备过程中，各组分之间的摩擦明显减小，降低对金属的磨损，以及降低对铝合金材料终产品的品质影响。
铜包覆石墨粒子的添加引入了铜，铜和铝一方面形成连续固溶体，但多余的铜会在一定程度上造成铝合金材料在焊接过程中出现裂纹，由此，添加钪元素，钪具有强烈的变质作用，能够细化焊缝熔化区的晶粒,形成很大的晶格应变，有效地阻止位错的移动和晶粒的长大，抑制再结晶，进而降低铝合金材料在焊接时的裂纹倾向性，进而改进铝合金材料的强度、形变性能。
铝合金中添加的锶元素，能有效提高铝合金的强度和韧度；并且，Fe在铝中的存在形态有两种，一种是针状(或称片状)结构的β相(Al9Fe2Si2)，一种为粒状结构的α相(Al12Fe3Si)，不同的相结构，对铝合金有不同的影响，片状结构的β相要比粒状结构α相破坏性大的多，β相可使铝型材表面粗糙、机械性能、抗蚀性能变差，氧化后的型材表面发青，光泽下降，着色后得不到纯正色调，因此，加入适量的锶，使Fe由β相转变成α相，减少其有害作用。
同时，稀土元素能够与铝合金中有害杂质(如铁、镍等)结合，降低它们的强阴极性作用，并且能够优化合金组织结构，抑制阴极过程，从而提高合金基体的耐蚀性能。稀土元素与Al、Mg、Si等元素形成的金属间化合物呈球状和短棒状分布在晶界或界内，组织中有大量位错分布。当稀土含量大于0.3％，后一种存在形式开始占主导地位。这时，稀土元素与合金中的其他元素开始形成许多含稀土元素的新相，同时使第二相的形状、尺寸发生变化，可能使得第二相从长条状等形状转变成短棒状粒子出现，粒子的尺寸也变得比较细小，且呈弥散分布。大部分含稀土元素的第二相都出现了粒子化、球化和细化的特征，这种变化在一定程度上都强化了铝合金。
硼与钛形成TiB2，钛的添加量比硼多，熔体中有过剩钛存在，产生Al-Ti-B，可作为晶粒细化剂使用，使用Al-Ti-B作为晶粒细化剂时，晶粒细化相当有效，硼与钛的添加能引起的晶粒细化，进而提高本铝合金材料的韧性。
本发明还公开了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料的生产方法，具体包括如下步骤：
步骤一、预先将铜包覆石墨粒子，在氩气保护条件下进行研磨，利用筛网筛得粒径符合40～45um的铜包覆石墨粒子，并将铜包覆石墨粒子分成三等份，以备用；
步骤二、将铝锭、镁锭、锰块、硅粉、锶块、稀土元素、一份铜包覆石墨粒子投入到熔炼形成合金液A，熔炼温度控制在750～760℃之间，熔炼过程采用氩气保护；
步骤三、当得到合金液A后，迅速将第二份铜包覆石墨粒子、钪块加入到合金液A中，继续熔炼得到合金液B，保温20min，加入精炼剂，精炼剂采用喷射的方式喷入到合金液B中；
步骤四、将合金液B升温至800～900℃，然后加入研磨成粉状的硼粉和钛粉以及第三份铜包覆石墨粒子，待金属完全融化后，除去铝液表面上的精炼剂，并对金属熔液进行超声处理，除去浮渣，得到铝合金溶液；
步骤五、对铝合金溶液进行第一级冷却，冷却到700～750℃之间；
步骤六、经一级冷却后的铝合金溶液进行浇注，经铸造成型，清理，得到铸件A；
步骤七、继续对铸件A进行淬火处理，淬火处理的温度为650～750℃，然后将淬火处理后的铸件A降温进行回火处理，回火处理的温度为200℃；
步骤八、将铸件A放入到室温水中，使铸件A冷却到室温，最终，将铸件A吹干即制得铝合金型材。
下面结合具体的实施例对本发明所公开的新能源汽车用高韧性铝合金材料做进一步介绍。
【实施例一】
本实施例公开了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：镁1.8％、硅2.2％、锰0.6％、铜包覆石墨粒子3％、钪0.1％、锶0.8％、稀土金属元素5％、硼0.3％、钛0.4％，铝85.8％。
【实施例二】
本实施例公开了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：镁2.2％、硅2％、锰0.8％、铜包覆石墨粒子4％、钪0.2％、锶0.6％、稀土金属元素4.8％、硼0.25％、钛0.25％，铝84.9％。
【实施例三】
本实施例公开了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：镁2.5％、硅1.8％、锰0.5％、铜包覆石墨粒子5％、钪0.15％、锶0.5％、稀土金属元素4.5％、硼0.2％、钛0.35％，铝84.5％。
【实施例四】
本实施例公开了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：镁2％、硅1.5％、锰0.7％、铜包覆石墨粒子6％、钪0.18％、锶1％、稀土金属元素4.2％、硼0.15％、钛0.2％，铝84.07％。
【实施例五】
本实施例公开了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：镁1.9％、硅1.9％、锰0.65％、铜包覆石墨粒子4.5％、钪0.13％、锶0.7％、稀土金属元素4％、硼0.18％、钛0.3％，铝85.74％。
【实施例六】
本实施例公开了一种新能源汽车用高韧性铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：镁2.35％、硅2.1％、锰0.75％、铜包覆石墨粒子3.5％、钪0.19％、锶0.9％、稀土金属元素4.75％、硼0.27％、钛0.28％，铝84.91％。
根据本发明所公开的新能源汽车用高韧性铝合金材料的生产方法，按照实施例一至实施例六所公开的铝合金材料配比，制备铝合金型材，分别编号型材1、型材2、型材3、型材4、型材5、型材6，对型材1-6的比重、断裂韧性≥进行检测，具体检测结果见表1；选用市面上现有的用于新能源汽车的铝合金型材作为对照组，比重采用单位体积下的质量进行表征，选取相同体积(1cm3)的样本，然后使用分析天平进行称重；断裂韧性的检测为为20℃下的断裂韧性，选取形状大小一致的各样本，使用电子拉力试验机测试。
表1对照组及型材1-6质量及断裂韧性测试结果
Figure GDA0003204465360000071
通过表1的实验结果可知，型材1-6的单位重量及断裂韧性比现有市面上常见的新能源汽车用铝合金材料均得到提升，由此，表明本发明所公开的铝合金材料具有更好的比重性能和韧性。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种新能源汽车用高韧性铝合金材料，其特征在于：按质量百分比计，包括以下组分：镁1.8～2.5％、硅1.5～2.2％、锰0.5～0.8％、铜包覆石墨粒子3～6％、钪0.1～0.2％、锶0.5～1％、稀土金属元素4～5％、硼0.15～0.3％、钛0.2～0.4％，其余为铝；
所述新能源汽车用高韧性铝合金材料的生产方法具体包括如下步骤：
步骤一、预先将铜包覆石墨粒子，在氩气保护条件下进行研磨，利用筛网筛得粒径符合40～45um的铜包覆石墨粒子，并将铜包覆石墨粒子分成三等份，以备用；
步骤二、将铝锭、镁锭、锰块、硅粉、锶块、稀土元素、一份铜包覆石墨粒子投入到熔炼形成合金液A，熔炼温度控制在750～760℃之间，熔炼过程采用氩气保护；
步骤三、当得到合金液A后，迅速将第二份铜包覆石墨粒子、钪块加入到合金液A中，继续熔炼得到合金液B，保温20min，加入精炼剂，精炼剂采用喷射的方式喷入到合金液B中；
步骤四、将合金液B升温至800～900℃，然后加入研磨成粉状的硼粉和钛粉以及第三份铜包覆石墨粒子，待金属完全融化后，除去铝液表面上的精炼剂，并对金属熔液进行超声处理，除去浮渣，得到铝合金溶液；
步骤五、对铝合金溶液进行第一级冷却，冷却到700～750℃之间；
步骤六、经一级冷却后的铝合金溶液进行浇注，经铸造成型，清理，得到铸件A；
步骤七、继续对铸件A进行淬火处理，淬火处理的温度为650～750℃，然后将淬火处理后的铸件A降温进行回火处理，回火处理的温度为200℃；
步骤八、将铸件A放入到室温水中，使铸件A冷却到室温，最终，将铸件A吹干即制得铝合金型材。
2.根据权利要求1所述的新能源汽车用高韧性铝合金材料，其特征在于：其特征在于：按质量百分比计，包括以下组分：镁2～2.2％、硅1.8～2％、锰0.6～0.7％、铜包覆石墨粒子4～5％、钪0.1～0.2％、锶0.6～0.8％、稀土金属元素4.5～4.8％、硼0.2～0.25％、钛0.25～0.3％，其余为铝。
3.根据权利要求2所述的新能源汽车用高韧性铝合金材料，其特征在于：所述稀土金属元素由镧、铈、钕、铕混合而成，按重量份计，镧、铈、钕、铕的混合比例为2：2：1：1。
4.根据权利要求3所述的新能源汽车用高韧性铝合金材料，其特征在于：所述铜包覆石墨粒子的粒径为40～45um。
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