CN112779443A - 一种铝合金及铝合金结构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为9‑12％，Zn的含量为3.0‑5.0％，Cu的含量为1.5‑2.6％，Mn的含量0.4‑0.9％，Mg的含量为0.2‑0.6％，Fe的含量为0.05‑0.25％，Zr的含量为0.03‑0.35％，Ti的含量为0.05‑0.2％，Sr的含量为0.005‑0.04％，Ga的含量为0.01‑0.02％，Mo的含量为0.005‑0.01％，Cr的含量为0.001‑0.02％，Ni的含量为0.005‑0.3％，Al的含量为78.01‑85.624％，及不可避免的杂质元素。该铝合金通过控制合金元素的组成及含量，在具有高强度的同时，兼具延展性佳、压铸成型性优异等优势。
Description
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种铝合金及铝合金结构件。
背景技术
目前常用的Ai-Si-Cu系合金ADC12，其材料流动成型性能好、成型工艺窗口大、性价比高，已广泛用于铝合金压铸产品。ADC12具有密度低、比强度高等优点，可用于压铸壳体、小尺寸薄型产品或支架等，但其压铸的产品强度中等，其抗拉强度为230MPa～250MPa，断裂延伸率<3％，易导致产品变形等问题，难以满足未来手机、笔记本电脑等产品的强度需求。另外，Al-Zn系铝合金的力学性能虽然优良，但此系列铝合金的压铸性能一般，生产良率低，产品的成本较高。
因而，现有的铝合金的相关技术仍有待改进。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的一个目的在于提出一种强度高、延展性佳、压铸成型性优异的铝合金。
第一方面，本申请提供一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为9-12％，Zn的含量为3.0-5.0％，Cu的含量为1.5-2.6％，Mn的含量0.4-0.9％，Mg的含量为0.2-0.6％，Fe的含量为0.1-0.25％，Zr的含量为0.03-0.35％，Ti的含量为0.05-0.2％，Sr的含量为0.005-0.04％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.005-0.01％，Cr的含量为0.001-0.02％，Ni的含量为0.005-0.3％，Al的含量为78.01-85.624％，及不可避免的杂质元素。该铝合金通过控制合金元素的组成及含量，在具有高强度的同时，兼具延展性佳、压铸成型性优异等优势，适用于对强韧性要求高的结构件，如3C产品结构件、汽车承重结构件等。
第二方面，本申请提供一种铝合金结构件。根据本申请的实施例，该铝合金结构件的至少一部分是由前面所述的铝合金形成的。铝合金结构件具有前面所述的铝合金的全部特征和优点，在此不再一一赘述。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
第一方面，本申请提供一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为9-12％，Zn的含量为3.0-5.0％，Cu的含量为1.5-2.6％，Mn的含量0.4-0.9％，Mg的含量为0.2-0.6％，Fe的含量为0.1-0.25％，Zr的含量为0.03-0.35％，Ti的含量为0.05-0.2％，Sr的含量为0.005-0.04％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.005-0.01％，Cr的含量为0.001-0.02％，Ni的含量为0.005-0.3％，Al的含量为78.01-85.624％及不可避免的杂质元素。该铝合金通过控制合金元素的组成及含量，在具有高强度的同时，兼具延展性佳、压铸成型性优异等优势，适用于对强韧性要求高的结构件。
本申请所述铝合金中，Si的含量为9-12％，Si的具体含量可以为9.0％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％等；进一步优选的，Si的具体含量可以为10-12％。Si作为本申请铝合金的次主要成分，可以提高所述铝合金的流动性，同时也能在不牺牲铝合金导热性能的情况下，提升铝合金的强度。在本申请的上述铝合金中，Si的含量在上述范围内时，所述铝合金的流动性满足压铸需求，可与Mg、Fe生成Mg2Si及Al12Fe3Si强化相，有助于改善所述铝合金的力学性能。
本申请所述铝合金中，Zn的含量为3.0-5.0％，Zn的具体含量可以为3.0％、3.5％、4.0％、4.5％、5.0％等；进一步优选的，Zn的具体含量可以为3.5-5.0％。在本申请的上述铝合金中，Zn的含量在上述范围内时，Zn能有效溶解在α(Al)中形成固溶体，起到强化所述铝合金力学性能的作用，同时也可以改善铝合金的机械加工性能，提高所述铝合金的流动成型性。
本申请所述铝合金中，Cu的含量为1.5-2.6％，Cu的具体含量可以为1.5％、1.8％、2.0％、2.3％、2.6％等。在本申请的上述铝合金中，Cu的含量在上述范围内时，能够与Al形成固溶相，通过析出的Al2Cu相弥散分布到所述铝合金的晶界上，该析出相为强化相，可提升所述铝合金的强度及韧性。但当Cu含量过多时，反而会影响所述铝合金的断裂延伸率。本申请所述铝合金中，Mn的含量0.4-0.9％，Mn的具体含量可以为0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％等。Cr的含量为0.001-0.02％，Cr的具体含量可以为0.001％、0.005％、0.01％、0.015％、0.02％等。在本申请的上述铝合金中，Mn、Cr的含量在上述范围内时，能够固溶到Al合金基体中，起到强化所述铝合金基体的作用，同时也可以抑制初生Si和α-Al的晶粒生长，使得初生Si含量弥散分布到各晶粒之间，起到弥散强化的作用，从而提高所述铝合金的强度和韧性。其中，大部分Mn会偏析到所述铝合金的晶界处，与Fe结合形成针状的AlFeMnSi相，从而提高所述铝合金的整体强度。但当Mn含量过多时，大量的针状组织的形成会造成铝合金基体的割裂，铝合金的韧性会降低。
本申请所述铝合金中，Mg的含量为0.2-0.6％，Mg的具体含量可以为0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％等。Mg含量在上述范围内，能够与Zn结合形成MgZn2强化相，均匀弥散分布在铝合金的晶界处，铝合金的晶界能有所提升，可以保证所述铝合金的强度和韧性。
本申请所述铝合金中，Fe的含量为0.1-0.25％，Fe的具体含量可以为0.1％、0.15％、0.2％、0.25％等。Fe含量在上述范围内，可以降低铝合金在压铸成型时的粘膜性。但当Fe含量过多时，会形成针状物，增加热量传导，铝合金的导热性能降低。
本申请所述铝合金中，Zr的含量为0.03-0.35％，Zr的具体含量可以为0.03％、0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％等。Zr含量在上述范围内，能够固溶在铝合金基体中，在所述铝合金中形成Al3Zr粗大相、β′(Al3Zr)亚稳态相及Al3Zr(DO23)平衡相，可以改善所述铝合金的强度、韧性及耐蚀性。
本申请所述铝合金中，Ti的含量为0.05-0.2％，Ti的具体含量可以为0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.12％、0.15％、0.2％等。Ti含量在上述范围内，可以具有以下作用：一是细化晶粒，使得铝合金获得较高的强度和断裂延伸率，热膨胀系数小，且具有良好的压铸成型性；二是可以在铝合金中形成金属间化合物，使合金的组织发生复杂性变化，提升铝合金的强度；三是经过特定的热处理工艺Ti能够在一定程度上溶入a-Al固溶体中，在时效处理后产生沉淀强化，从而提高铝合金的强度。
本申请所述铝合金中，Sr的含量为0.005-0.04％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.005-0.01％，其中：Sr的具体含量可以为0.005％、0.01％、0.02％、0.03％、0.04％等，Ga的具体含量可以为0.01％、0.15％、0.02％等，Mo的具体含量可以为0.005％、0.007％、0.009％、0.01％等。发明人经过了大量研究后发现，当所述铝合金中的Sr、Ga、Mo在上述范围内时，Sr能够明显改善铝合金内部结构，同时能对共晶硅产生细化作用，Ga能够增加形核率，减小晶核长大速率，优化晶间结构，Mo能够与铝合金中的基体Al生成Mo3Al8强化相，在Sr、Ga、Mo的协同作用下，能够获得强度高、导热性好的铝合金。根据本申请的实施例，当Si的含量大于10％时，Mo3Al8相可以与大量的Si反应生成第二相产物MoSi2、Mo(Si,Al)2、Mo(Si,Al)2、Mo5Si3和Mo(Al,Si)3，上述第二相产物具有良好的高温抗氧化性，且能够起到弥散强化以及强韧化的作用，从而提高铝合金的强度和韧性。
本申请所述铝合金中，Ni的含量为0.005-0.3％，Ni的具体含量可以为0.005％、0.01％、0.02％、0.03％等。在本申请的上述铝合金中，Ni含量在上述范围内，能够提升铝合金的高温力学性能，且Ni在铝合金的固溶度小，容易在铝基体重饱和析出富Ni相颗粒，本申请所述铝合金中含有上述含量的Ni元素能形成稳定性高且晶格结构复杂的富镍相，如Al3Ni、Al7Cu4Ni、Al3CuNi等，有利于合金材料强度和断裂延伸率的提升，但Ni过量时，含量大于0.3％，材料导热及流动性降低，从而材料受力提前断裂，影响材料抗拉强度及断裂延伸率。另一方面，Ni含量在上述范围内，还能与Fe元素形成Al9FeNi等沉淀相，避免本申请所述铝合金中Fe针状物的产生。
根据本申请的实施例，本申请所述铝合金中含有0-0.35％的Er，其具体含量可以为0.005％、0.01％、0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％等。在本申请中，稀土Er在凝固过程中提供非均质形核，主要分布在铝合金的α(Al)相、相界、晶界以及枝晶间偏聚处，使枝晶组织和晶粒细化，对所述铝合金起到强化作用。大部分Er偏聚于合金的晶界处，部分以化合物(Al3Er等)的形式存在，弥散分布于基体中，产生弥散强化作用。在不超过0.35％的稀土Er的情况下，随着Er含量的增加，铝合金的屈服及抗拉强度提高。
根据本申请的实施例，Zr的含量与Ti的含量之比可以为(2-6)：1,具体地，可以是2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1等。本申请所述铝合金中，Ti和Zr两种元素都具有细化晶粒的作用，单独添加Ti、Zr均能够对合金产生晶粒细化作用，而本申请发明人经过大量实验研究发现，同时添加Ti和Zr，且Zr的含量与Ti的含量之比为(2-6)：1时，其对铝合金的细化作用明显比二者等量单独添加更加优异，这是因为Ti和Zr复合添加时不仅具有Ti、Zr单独添加时存在的Al3Zr和Al3Ti粒子充当形核质点，同时还形成大量的Al3(Ti,Zr)复相形核核心，这些粒子共同促进了晶粒的强烈细化。随着Ti、Zr复合含量的增加，形核核心的数量会不断增多，对合金的细化作用也逐渐增强，合金晶粒尺寸的细化程度及力学性能进一步的增加。
根据本申请的实施例，Zn的含量与Cu的含量之比可以为(1.2-2.5)：1，具体地，可以是1.2∶1、1.4∶1、1.6∶1、1.9∶1、2.2∶1、2.4∶1等。本申请发明人经过大量实验研究发现，当所述铝合金中的Cu与Zn在上述比例范围内时，Cu与Zn形成CuZn结合相，能够有效提升铝合金的强度，同时还可以保证铝合金的断裂延伸率。
根据本申请的实施例，当铝合金Zr大于等于0.05％时，Er的含量与Zr的含量之比可以为(0.01-0.5)：1，具体地，可以是0.01∶1、0.05∶1、0.1∶1、0.2∶1、0.3∶1、0.4∶1、0.5∶1等。本申请发明人经过大量实验研究发现，当所述铝合金中的Er与Zr在上述比例范围内时，所述铝合金具有良好的稳定性，铝合金的屈服强度明显增加，且可以保持断裂延伸率不降低。初步分析，可能是由于Er原子半径与Zr的接近，且两者均能有效细化晶粒，且Er能够与Al结合形成Al3Er相，同时也可和Zr结合形成热稳定性更好的Al3(ZrxEr1-x)相，从而能够提升铝合金的强度且保证断裂延伸率不下降；另外，随着Zr的增加，铝合金的自然时效稳定时间缩短，铝合金的稳定性增加。
根据本申请的实施例，所述铝合金为压铸铝合金，所述压铸铝合金的强度高、致密性好，可一体成型，无需进行CNC再加工，成本低。
根据本申请的实施例，该铝合金还包括不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中单个元素的含量不大于0.01％，且所述不可避免的杂质的总含量不大于0.02％。具体的，由于原料的纯度很难达到100％，且制备过程中也很可能引入杂质，因此铝合金中通常均含有不可避免的杂质(如B、Ca、Hf等)。由此，可以很好的保证铝合金的各项性能满足要求，不会对铝合金产生负面影响。
根据本申请的实施例，所述铝合金的抗拉强度不低于380MPa，具体可以为380MPa、390MPa、400MPa、410MPa、420MPa、430MPa、440MPa等；屈服强度不低于260MPa，具体可以为260MPa、270MPa、280MPa、290MPa、300MPa、310MPa等；断裂延伸率不低于4％，具体可以为4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％等；导热率不低于130W/(m·K)，具体可以为130W/(m·K)、135W/(m·K)、140W/(m·K)、145W/(m·K)、150W/(m·K)等；压铸流动性不小于90％，具体可以为95％、98％、100％、102％、105％、108％、110％等。由此，该铝合金同时具备良好的强度、塑性、导热率和压铸成型性，可有效用于3C产品结构件、汽车承重结构件等的制造。
根据本申请的实施例，所述铝合金的屈服强度为260-310Mpa，抗拉强度为380-440Mpa，断裂延伸率为4-7％，压铸流动性不小于90％，导热率为130-150W/(m·K)。
第二方面，本申请提供了一种铝合金结构件。根据本申请的实施例，该铝合金结构件的至少一部分是由前面所述的铝合金形成的。铝合金结构件具有前面所述的铝合金的全部特征和优点，在此不再一一赘述。
根据本发明的实施例，所述铝合金结构件包括3C产品结构件和汽车承重结构件中的至少一种。具体可以为手机中框、手机后盖、手机中板等结构件。由此，该结构件具有较好的力学强度、塑性和压铸性能，能够很好的满足用户对产品高强度的要求，提高用户体验。
下面详细描述本申请的实施例。
实施例1-51
按表1所示，铝合金成分以质量含量计：Si的含量为9-12％，Zn的含量为3.0-5.0％，Cu的含量为1.5-2.6％，Mn的含量0.4-0.9％，Mg的含量为0.2-0.6％，Fe的含量为0.1-0.25％，Zr的含量为0.03-0.35％，Ti的含量为0.05-0.2％，Sr的含量为0.005-0.04％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.005-0.01％，Cr的含量为0.001-0.02％，Ni的含量为0.005-0.3％，Er的含量为0-0.35％，Al的含量为77.66-85.624％，及不可避免的杂质元素。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，并搅拌均匀得到铝合金液，检测并调整各元素成分含量直至达到要求的范围，再加入除渣剂除渣，精炼剂精炼除气，完成后扒渣静置，然后降温浇铸成锭。待铸锭冷却后进行压铸，压铸参数可以为：给汤温度680-720℃温度下，压铸机速度1.6-2m/s，保温时间1-3s，得到铝合金压铸件。
对比例1-18
采用与实施例相同的方法制备压铸铝合金，不同的是，按照表1的组成配制铝合金原料。
性能测试：
1、力学性能测试：参照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》测试抗拉强度、屈服强度和断裂延伸率，具体结果见表2。
2、压铸流动性测试：
测试方法：在相同成型条件范围下，比较待测材料和标准材料ADC12压铸工艺下试样长度，压铸流动性＝待测材料长度/标准材料长度，以评价材料流动成型性能；
测试条件:蚊香模试验，大气压铸，720℃；
标准材料ADC12的组分为：Si10Zn0.8Cu1.8Fe0.7Mn0.15Mg0.2。
3、导热率测试：将铝合金制成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。
表2
由表2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在具有高强度的同时，能够兼具延展性佳、压铸成型性优异等优势。
根据对比例1-18可知，如果各组分的含量不在本申请的保护范围之内，则铝合金的拉伸强度、屈服强度、延展性、压铸成型性无法兼顾，如：对比例7、对比例11、对比例12虽然具有较高抗拉强度和屈服强度，但其断裂延伸率仅在2.2％左右，韧性较差，不能满足对强韧性要求高的产品需求。
综上可知，本发明的铝合金通过控制合金元素的组成及含量，能够兼顾具有较高的拉伸强度、屈服强度和断裂延伸率，同时还具有良好的压铸成型性，适用于对强韧性要求高的结构件。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
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9-12％，
Zn的含量为3.0-5.0％，
Cu的含量为1.5-2.6％，
Mn的含量0.4-0.9％，
Mg的含量为0.2-0.6％，
Fe的含量为0.1-0.25％，
Zr的含量为0.03-0.35％，
Ti的含量为0.05-0.2％，
Sr的含量为0.005-0.04％，
Ga的含量为0.01-0.02％，
Mo的含量为0.005-0.01％，
Cr的含量为0.001-0.02％，
Ni的含量为0.005-0.3％，
Al的含量为78.01-85.624％，及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金还含有Er，Er的含量为0-0.35％。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Zr：Ti的质量比为(2-6)：1。
4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Zn：Cu的质量比为(1.2-2.5)：1。
5.根据权利要求2所述的铝合金，其特征在于，Er：Zr的质量比为(0.01-0.5)：1。
6.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。
7.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的屈服强度不低于260Mpa，抗拉强度不低于380Mpa，断裂延伸率不低于4％，压铸流动性不小于90％，导热率不低于130W/(m·K)。
8.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的屈服强度为260-310Mpa，抗拉强度为380-440Mpa，断裂延伸率为4-7％，压铸流动性不小于90％，导热率为130-150W/(m·K)。
9.一种铝合金结构件，其特征在于，所述铝合金结构件的至少一部分是由权利要求1～8中任一项所述的铝合金形成的。
10.根据权利要求9所述的铝合金结构件，其特征在于，所述铝合金结构件包括3C产品结构件或者汽车承重结构件中的至少一种。
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