CN113737067A - 铝合金及其制备方法和铝合金结构件 - Google Patents

Abstract

本申请提供了铝合金及其制备方法和铝合金结构件。该铝合金包括：72.16重量份～76.768重量份的铝；12重量份～14重量份的锌；9重量份～10重量份的硅；1.5重量份～2.5重量份的铜；0.01重量份～0.1重量份的镁；0.01重量份～0.05重量份的钛；0.1重量份～0.3重量份的锰；0.5重量份～0.7重量份的铁；0.01重量份～0.05重量份的镍；0.001重量份～0.03重量份的锶；和0.001重量份～0.01重量份的锆。该铝合金通过控制合金元素的组成及含量，在具有较高的机械强度高的同时，兼具延展性佳、铸造成型性优异、导热率高、热裂倾向性小、压铸良率高、成本低等优势，适用于对强度要求高的结构件，如3C产品结构件、汽车承重结构件等。

Description

铝合金及其制备方法和铝合金结构件

技术领域

本申请涉及材料技术领域，具体的，涉及铝合金及其制备方法和铝合金结构件。

背景技术

压铸是铝合金基本的成型方法之一，可用于复杂结构件产品设计。压铸铝合金最常用的是由日本工业标准JISH5302规定的Ai-Si-Cu系压铸用合金的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，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，压铸厚度0.6mm左右时结构件的热裂倾向性大，其生产良率低，导致产品的成本较高。

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具有较高的机械强度高、延展性佳、铸造成型性优异、导热率高、热裂倾向性小、压铸良率高或者成本低的铝合金。

在本申请的一个方面，本申请提供了一种铝合金。根据本申请的实施例，该铝合金包括：72.16重量份～76.768重量份的铝；12重量份～14重量份的锌；9重量份～10重量份的硅；1.5重量份～2.5重量份的铜；0.01重量份～0.1重量份的镁；0.01重量份～0.05重量份的钛；0.1重量份～0.3重量份的锰；0.5重量份～0.7重量份的铁；0.01重量份～0.05重量份的镍；0.001重量份～0.03重量份的锶；和0.001重量份～0.01重量份的锆。该铝合金通过控制合金元素的组成及含量，在具有较高的机械强度高的同时，兼具延展性佳、铸造成型性优异、导热率高、热裂倾向性小、压铸良率高、成本低等优势，适用于对强度要求高的结构件，如3C产品结构件、汽车承重结构件等。

在本申请的另一个方面，本申请提供了一种制备前面所述的铝合金的方法。根据本申请的实施例，该方法包括：将制备所述铝合金的反应原料加热融化，得到铝合金液；将所述铝合金液进行除渣处理、精炼处理和浇铸处理，以便得到所述铝合金。该方法操作简单、方便，易于工业化实施，且得到的铝合金兼具机械强度高、延展性佳、铸造成型性优异、导热率高、热裂倾向性小、压铸良率高、成本低等优势。

在本申请的又一个方面，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。

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。

在本申请的一个方面，本申请提供了一种铝合金。根据本申请的实施例，该铝合金包括：72.16重量份～76.768重量份的铝；12重量份～14重量份的锌；9重量份～10重量份的硅；1.5重量份～2.5重量份的铜；0.01重量份～0.1重量份的镁；0.01重量份～0.05重量份的钛；0.1重量份～0.3重量份的锰；0.5重量份～0.7重量份的铁；0.01重量份～0.05重量份的镍；0.001重量份～0.03重量份的锶；和0.001重量份～0.01重量份的锆。该铝合金通过控制合金元素的组成及含量，在具有较高的机械强度高的同时，兼具延展性佳、铸造成型性优异、导热率高、热裂倾向性小、压铸良率高、成本低等优势，适用于对强度要求高的结构件，如3C产品结构件、汽车承重结构件等。

具体的，根据本申请的实施例，本申请所述的铝合金通过控制锌、硅、铜、镁四种元素之间含量关系，兼顾控制钛的含量，可以明显降低铝合金的热裂倾向性，改善材料压铸性能且能兼顾铝合金的力学性能。

具体的，该铝合金中锌的具体重量份数可以为12重量份、13重量份、14重量份等。由于锌在铝中的固溶度高达31.6％，因此固溶态的锌可缓缓析出铝合金，形成自然时效强化，在本申请中，所述锌的具体重量份数与所述硅的具体重量份数相关，发明人经过大量研究后发现，在前面所述的配方中，当所述锌的具体重量份数在14重量份以下时，可以使得所述铝合金在自然时效之后具有较高的强度，同时可以使得该铝合金的热裂倾向性较低。

具体的，该铝合金中硅的具体重量份数可以为9重量份、9.5重量份、10重量份等。进一步优选的，硅的具体重量份数可以为9重量份～9.5重量份，其中，硅可明显改善所述铝合金的压铸流动性，降低所述铝合金的收缩性，以提高压铸性能，硅也会溶入铝中形成α-Al固溶体及共晶或亚共晶相，也可提高所述铝合金的力学性能，但当硅过多时，所述铝合金的流动性反而下降，热裂倾向性增大，而且该铝合金的塑性也有所影响，在本申请的上述铝合金中，硅的重量份数在上述范围内时，所述铝合金的流动性满足压铸需求，且此范围区间内的铝合金的铸造收缩应力明显小于金属晶粒间的结合力，热裂倾向性达到最小，该铝合金的热裂性较为稳定。

具体的，铝合金中铜的具体重量份数可以为1.5重量份、1.8重量份、2重量份、2.2重量份、2.5重量份等。所述铜的重量份数在上述范围内，铜可以融入铝中形成弥散的Al₂Cu相，提高铝合金的硬度、强度；另外，铜作为合金强化元素，也有助于改善所述铝合金的力学性能。

具体的，铝合金中钛的具体重量份数可以为0.01重量份、0.02重量份、0.03重量份、0.04重量份、0.05重量份等。所述钛的重量份数在上述范围内，钛可以起到硬质形核的作用，提高铝合金的形核率，从而细化铝合金的晶粒，进而提高铝合金的力学性能；另外，发明人经过大量的研究后发现，在本申请的上述铝合金的配方中，钛作为晶粒细化元素，其重量份数在前面所述的范围内，可以在所述晶粒细化作用较高的基础上，该铝合金的脆性较低，不易断裂，进而使得该铝合金的力学性能较佳同时兼具有较低的热裂倾向性。

具体的，铝合金中锰的具体重量份数可以为0.1重量份、0.2重量份、0.25重量份、0.3重量份等。所述锰的重量份数在上述范围内，所述锰可以与上面配方中的铁共同作用，使得所述铝合金在具有较佳流动性的同时，具有较高的塑性。

具体的，铝合金中铁的具体重量份数可以为0.5重量份、0.6重量份、0.7重量份等。所述铁的重量份数在上述范围内，可以较好地改善铝合金的的流动性，降低所述铝合金的粘模倾向。

具体的，铝合金中镍的具体重量份数可以为0.01重量份、0.02重量份、0.03重量份、0.04重量份、0.05重量份等。所述镍的重量份数在上述范围内，镍可以与铝形成硬质相AlNi颗粒，进而提高所述铝合金的强度；且上述重量份数范围内的所述镍，不会过多而导致割裂晶界，降低铝合金的塑性。

具体的，铝合金中锶的具体重量份数可以为0.001重量份、0.002重量份、0.005重量份、0.01重量份、0.02重量份、0.03重量份等。所述锶的重量份数在上述范围内，锶可以作为铝合金中的变质剂，从而可以细化α-Al固溶体以及针状的硅相，改善铝合金组织，净化晶界，减小铝合金内电子运动的阻力，从而进一步提升铝合金的导热性能和力学性能。

具体的，铝合金中锆的具体重量份数可以为0.001重量份、0.005重量份、0.01重量份等。所述锆的重量份数在上述范围内，在所述铝合金中会形成ZrAl₃相从该铝合金中析出，起到析出强化作用，进而提高该铝合金的力学性能；另外，在本申请中，发明人经过大量研究后发现，上述锆还可以起到净化熔体以提高铝合金的熔炼纯净度的作用，研究表明，铝合金熔炼过程精炼越充分，氧化夹杂越少，铝合金的热裂倾向性越小。

根据本申请的实施例，所述铜的重量份数与所述镁的重量份数之比可以为(25～120)：1，具体地，可以是25：1、50：1、75：1、100：1、120：1等。发明人经过了大量研究后发现，当所述铝合金中的铜与镁在上述比例范围内时，铝合金液的收缩性无明显波动，铝合金的热裂倾向性也没有增加，但当铜与镁的配比不在上述范围内时，铝合金会出现较高的热裂倾向性，严重影响该铝合金的压铸性能。

在本申请一个具体的实施例中，所述铝合金包括：73.15重量份～75.285重量份的所述铝；13重量份～14重量份的所述锌；9重量份～9.5重量份的所述硅；1.8重量份～2.2重量份的所述铜；0.04重量份～0.06重量份的所述镁；0.02重量份～0.05重量份的所述钛；0.2重量份～0.25重量份的所述锰；0.5重量份～0.6重量份的所述铁；0.03重量份～0.05重量份的所述镍；0.02重量份～0.03重量份的所述锶；和0.005重量份～0.01重量份的所述锆。由此，该铝合金中各组分之间相互配合，协同作用达到最佳，从而使得该铝合金的强度、延伸率、铸造成型性、导热率进一步提高，且更加不易发生热裂现象。

根据本申请的实施例，该铝合金还包括不可避免的杂质，基于所述铝合金的总质量，按照质量百分比计，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Cr、Co、Pb等)，在本申请中，铝合金中杂质元素单个元素的含量具体可以为0.01％、0.009％、0.008t％、0.007％、0.006％、0.005％、0.004％、0.003％、0.002％、0.001％等等，而杂质元素的总含量具体可以为0.1％、0.09％、0.08％、0.07％、0.06％、0.05％、0.04％、0.03％、0.02％、0.01％等。具体的，以铝合金中含有Cr、Co、Pb三种杂质元素为例，Cr、Co、Pb中每一种元素的含量均小于0.01％，而Cr、Co、Pb三种元素的含量之和小于0.1％。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，该铝合金满足以下条件的至少一种：抗拉强度不低于410MPa，具体可以为410MPa、420MPa、430MPa、440MPa、450MPa等；屈服强度不低于120MPa，具体可以为120MPa、130MPa、140MPa等；延伸率不低于4％，具体可以为4％、4.5％、5％等；导热率不低于120W/(m·K)，具体可以为120W/(m·K)、125W/(m·K)等；压铸流动性不小于1750mm，具体可以为1750mm、1760mm、1770mm、1780mm、1790mm、1800mm等；热裂倾向性系数HCS为115～135，具体可以为115、120、125、130、135等。具体的，该铝合金满足上述任意一个条件、任意两个条件、任意三个条件、任意四个条件、任意五个条件或者全部六个条件，一些具体实施例中，该铝合金可以满足上述全部六个条件。由此，该铝合金同时具备良好的强度、塑性、导热率和热裂倾向性，以使得本申请所述的铝合金，其试模打样压铸产品肉厚为0.58mm时，压铸良率在95％以上，压铸性能优越，无热裂现象，大大降低了铝合金的综合成本，可有效用于3C产品结构件、汽车承重结构件等的制造。

在本申请的另一个方面，本申请提供了一种制备前面所述的铝合金的方法。根据本申请的实施例，该方法包括：将制备所述铝合金的反应原料加热融化，得到铝合金液；将所述铝合金液进行除渣处理、精炼处理和浇铸处理，以便得到所述铝合金。该方法操作简单、方便，易于工业化实施，且得到的铝合金兼具机械强度高、延展性佳、铸造成型性优异、导热率高、热裂倾向性小、压铸良率高、成本低等优势。

根据本申请的实施例，该方法的具体工艺条件和参数不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行灵活选择。在本申请的一些具体的实施例中，该方法可以具体包括：经配料计算后，按所需量称取纯Al锭、纯Zn、纯Mg、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Ni中间合金及Al-Ti中间合金；将纯Al锭、Al-Si中间合金放入熔炼炉加热至全部熔化，间隔2min～3min搅拌熔体一次(共搅拌约3次～5次)；然后依次加入Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Ti中间合金及Al-Zr中间合金没入所述熔体中直至熔化；最后加入纯Zn锭，纯Mg锭，待其熔化后，搅拌，使成分均匀。将铝合金液搅拌均匀，检测并调整各元素成分含量直至达到要求的范围，再加入0.5％除渣剂除渣，0.5％精炼剂精炼除气，完成后扒渣静置10分钟～15分钟，然后降温至700℃左右开始浇铸成锭。该方法操作简单、方便，易于工业化实施，且且得到的铝合金兼具机械强度高、延展性佳、铸造成型性优异、导热率高、热裂倾向性小、压铸良率高、成本低等优势。

根据本申请的实施例，该方法还可以包括：将所述铝合金进行压铸成型处理，由此可以将铝合金加工成各种复杂形状，满足不同环境的使用要求。具体的，所述压铸成型满足以下条件的至少之一：模具温度为200℃～300℃(具体如200℃、220℃、250℃、280℃、300℃等)；给汤温度为670℃～720℃(具体如670℃、680℃、690℃、700℃、710℃、720℃等)；压射速度为1.9m/s～2.3m/s(具体如1.9m/s、2.0m/s、2.1m/s、2.2m/s、2.3m/s等)。该条件下更利于铝合金的成型。

在本申请的又一个方面，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。

根据本申请的实施例，所述铝合金结构件的厚度可以为0.3mm～0.85mm，具体可以是0.3mm、0.5mm、0.85mm等。由此，该结构件为薄壁结构件，特别适合IT产品或者作为3C产品结构件或汽车承重结构件等。

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

按照表1的配方，根据下述熔炼步骤和压铸参数获得铝合金压铸件：

经配料计算后，按所需量称取纯Al锭、纯Zn、纯Mg、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Ni中间合金及Al-Ti中间合金；将纯Al锭、Al-Si中间合金放入熔炼炉加热至全部熔化，间隔2min～3min搅拌熔体一次(共搅拌约3次～5次)；然后依次加入Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Ti中间合金及Al-Zr中间合金没入所述熔体中直至熔化；最后加入纯Zn锭，纯Mg锭，待其熔化后，搅拌，使成分均匀。将铝合金液搅拌均匀，检测并调整各元素成分含量直至达到要求的范围，再加入0.5％除渣剂除渣，0.5％精炼剂精炼除气，完成后扒渣静置10分钟～15分钟，然后降温至700℃左右开始浇铸成锭。待铸锭冷却后进行压铸，压铸参数可以为：模具温度为200℃～300℃；给汤温度为670℃～720℃；压射速度为1.9m/s～2.3m/s。

实施例2～37

按照表1的配方，实施例1的方法获得铝合金压铸件。

对比例1～16

按照表1的配方，实施例1的方法获得铝合金压铸件。

表1铝合金的配方(单位：重量份数)

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、屈服强度和延伸率，具体结果见表2。

2、压铸流动性测试

本测试用于测定上述实施例与对比例中获得的铝合金的流动性能。在模具温度为200℃～300℃、给汤温度为670℃～720℃、压射速度为1.9m/s～2.3m/s的条件下采用蚊香模具进行大气压铸，通过所得样件的长度评价其压铸流动性，长度越长表明流动性越好，一般来讲，流动性需大于ADC12流动性的90％才具有压铸薄壁件的可行性(最常见的商用压铸铝合金ADC12流动性1750)。具体结果见表2。

3、压铸热裂性测试：采用热裂棒法进行测试，得到其热裂倾向系数HCS，具体结果见表2。

4、导热率测试：采用NETZSCH激光导热仪LFA467测试所得，具体结果见表2。

表2性能测试结果

通过上述实施例和对比例的结果对比可知，本发明的铝合金在具有较高的机械强度高的同时，兼具延展性佳、铸造成型性优异、导热率高、热裂倾向性小。根据对比例1-16可知，如果各组分的含量不在本申请的保护范围之内，则铝合金的机械强度、延展性、铸造成型性、导热率、热裂倾向性无法兼顾，要么上述性能均不好，要么上述某一个或某两个性能好，另外的性能不佳，无法很好地平衡机械强度、延展性、铸造成型性、导热率、热裂倾向性。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，在具有较高的机械强度高的同时，兼具延展性佳、铸造成型性优异、导热率高、热裂倾向性小、压铸良率高、成本低等优势，适用于对强度要求高的结构件。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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：

72.16重量份～76.768重量份的铝；

12重量份～14重量份的锌；

9重量份～10重量份的硅；

1.5重量份～2.5重量份的铜；

0.01重量份～0.1重量份的镁；

0.01重量份～0.05重量份的钛；

0.1重量份～0.3重量份的锰；

0.5重量份～0.7重量份的铁；

0.01重量份～0.05重量份的镍；

0.001重量份～0.03重量份的锶；和

0.001重量份～0.01重量份的锆。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述硅的重量份数为9重量份～9.5重量份。

3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铜的重量份数与所述镁的重量份数之比为(25～120)：1。

4.根据权利要求3所述的铝合金，其特征在于，包括：

73.15重量份～75.285重量份的所述铝；

13重量份～14重量份的所述锌；

9重量份～9.5重量份的所述硅；

1.8重量份～2.2重量份的所述铜；

0.04重量份～0.06重量份的所述镁；

0.02重量份～0.05重量份的所述钛；

0.2重量份～0.25重量份的所述锰；

0.5重量份～0.6重量份的所述铁；

0.03重量份～0.05重量份的所述镍；

0.02重量份～0.03重量份的所述锶；和

0.005重量份～0.01重量份的所述锆。

5.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，满足以下条件的至少之一：

抗拉强度不低于410MPa；

屈服强度不低于120MPa；

延伸率不低于4％；

导热率不低于120W/(m·K)；

压铸流动性不小于1750mm；

热裂倾向系数HCS为115～135。

6.一种制备权利要求1～5中任一项所述的铝合金的方法，其特征在于，包括：

将制备所述铝合金的反应原料加热融化，得到铝合金液；

将所述铝合金液进行除渣处理、精炼处理和浇铸处理，以便得到所述铝合金。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括将所述铝合金进行压铸成型处理，所述压铸成型处理满足以下条件的至少之一：

模具温度为200℃～300℃；

给汤温度为670℃～720℃；

压射速度为1.9m/s～2.3m/s。

8.一种铝合金结构件，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1～5中任一项所述的铝合金形成的。

9.根据权利要求8所述的铝合金结构件，其特征在于，所述铝合金结构件的厚度为0.5mm～0.85mm。

10.根据权利要求8或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。