CN113981278B - 一种高导电耐热压力铸造铝合金 - Google Patents

一种高导电耐热压力铸造铝合金 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高导电耐热压力铸造铝合金及其制备方法。所述高导电耐热压力铸造铝合金采用压力铸造或挤压铸造工艺制备，其主要成分及其质量百分比含量为：镍1.8‑3.8％，铁0.25～0.30％，锆0.006～0.15％，铬0.0015～0.025％，钒0.001～0.02％，锌≤0.01％，钛≤0.005％，铜≤0.02％，硅≤0.01％，其它不可避免的微量杂质元素≤0.1％，剩余为铝。本发明通过添加并调控合金元素Ni，在尽可能减小对导电性能的破坏下，通过形成Al3Ni共晶相提高其屈服强度；添加微量元素Fe、Zr、Cr、V形成高温稳定的细小和弥散的金属间化合物，及细化晶粒，提高合金高温强度，以实现高导电性和良好的高温强度，且铸造成形性能好，特别适用于制造具有轻量化、高导电、一定的高温强度要求的零部件，在汽车、通讯等领域中有着十分广阔的应用前景。

Description

一种高导电耐热压力铸造铝合金
技术领域
本发明涉及铝合金材料的制备领域，具体是指一种高导电、高温(>150℃)强度较高的压力铸造铝合金材料及其制备方法。
背景技术
铝合金材料具有比强度高、良好的耐蚀性、导电导热性能优良，且加工性能优异，已广泛应用于汽车、航空航天、机械制造等多个领域。铸造铝合金在工业领域中的应用广泛，通常满足于机械强度、耐蚀或者高导电/导热性能之一。但在某些特殊情况下，会涉及强度和导电、强度和导热等双重或多重性能的要求，例如，电机转子不仅需要良好的导电性，也需要兼具良好的高温屈服强度，防止高温工作环境下强度不足发生变形及带来的旋转失稳。开发高导电、较高的高温强度的铝合金，将进一步扩大铝合金材料的应用范围。
根据金属电子理论，铝的导电率与电子的自由程成正比，而影响电子自由程的关键因素是杂质散射，杂质散射越强，则电子的自由程就越短。因此，在铝合金中纯铝的导电性最优，但其屈服强度通常不到50MPa，当材料温度升高后，其强度降低导致变形加大，难以满足一些零部件(如电机)的使用要求。若加入其他合金元素，则可以有效提高屈服强度，但随着合金元素含量的增加，在杂质散射作用下合金的导电率下降。例如A356合金是应用最为广泛的铸造铝合金，在多种合金元素的作用下，其铸态屈服强度可以达到200MPa，但其导电率则小于40％IACS。因此，要获得高导电、高温下良好屈服强度的铸造铝合金，需要对合金元素种类、含量进行优化设计与调控。
为了得到具有良好导电和高温强度较高的铸造铝合金，需要添加其他元素，在不显著降低材料导电性的同时，形成高温下稳定的强化相。Al-Ni合金的共晶成分约为Al-6wt％Ni，在低Ni含量(与Si相比)下便能使Al-Ni合金具有优异的铸造性能；此外，Al-Ni合金中形成的Al3Ni共晶相，提高合金屈服强度，在同时添加Fe元素时形成高温稳定的Al9FeNi相，能够保证在高温下较高的力学性能；添加Zr元素可以在高温下形成L12结构的Al3Zr粒子，促进形核细化晶粒，提高合金屈服强度，同时在高温下防止晶粒粗化；Cr元素可以抑制合金再结晶防止晶粒粗化，同时由于其原子半径与Fe相近，可以取代Fe相中部分的Fe原子，改变其形貌；V元素与Zr元素作用类似，联合添加V、Zr比单独添加Zr元素细化晶粒效果更好，同时能够有效抑制再结晶。
本发明针对现有铸造铝合金无法满足兼有高导电和高温屈服强度双重要求的问题，设计和发明了一种高导电性、高温下较高屈服强度的压力铸造铝合金材料。主要是通过调控Ni的含量，同时添加微量元素Fe、Zr、Cr、V，确保铝合金具有高导电性和良好的高温强度。
发明内容
本发明的目的在于针对现有压力铸造或铸造铝合金导电性能不足的现状，通过添加并调控合金元素Ni，在尽可能减小对导电性能的破坏下，通过形成Al3Ni共晶相(如图1所示)提高其屈服强度，同时添加合适的微量元素Fe、Zr、Cr、V，形成高温下稳定的细小和弥散的金属间化合物，提高合金的热稳定性，以实现高导电性和良好的高温强度。
本发明的目的可以通过如下措施来实现：
一种高导电耐热压力铸造铝合金材料，其特征在于，采用压力铸造或挤压铸造工艺制备的合金材料；其主要成分及其质量百分比含量为：镍1.8-3.8％，铁0.25～0.30％，锆0.006～0.15％，铬0.0015～0.025％，钒0.001～0.02％，锌≤0.01％，钛≤0.005％，铜≤0.02％，硅≤0.01％，其它不可避免的微量杂质元素≤0.1％，剩余为铝。
上述高导电耐热压力铸造铝合金采用工业纯铝、Al-Ni10中间合金、Al-Fe10中间合金、Al-Zr10中间合金、Al-Cr10中间合金、Al-V10中间合金配制而成。
本发明合金与现有铸造铝合金相比具有如下突出的优点：
1、本发明的高导电耐热压力铸造铝合金材料同时具有较高的导电率、高温屈服强度、常温和高温伸长率。所设计的合金导电率可达50％～55％IACS；室温下铸态抗拉强度可达160～200MPa、屈服强度可达80～100MPa、伸长率可达13％～18％；150℃下铸态抗拉强度可达140～180MPa、屈服强度可达75～90MPa、伸长率可达22％～28％。
2、本发明的高导电耐热压力铸造铝合金材料含有镍1.8～3.8％，合金凝固区间为20～30℃，与接近共晶成分的铝镍合金相比，仍然具有良好的流动性与低的热裂倾向，但具有更高含量的初生α-Al相，因而合金导电率与伸长率更高。
3、本发明的高导电耐热压力铸造铝合金材料通过Zr、Cr、V等多元微合金化，形成多种高温稳定的金属间化合物，由于每种元素含量较少，形成金属间化合物尺寸小、弥散分布，同时，利用Zr和V联合细化α-Al晶粒，充分防止高温α-Al基体的屈服和变形；
4、本发明的高导电耐热压力铸造铝合金材料通过工业纯铝、Al-Ni10中间合金、Al-Fe10中间、Al-Zr10中间合金、Al-Cr10中间合金、Al-V10中间合金配制而成，Fe、Ni、Zr、Cr、V元素熔炼过程中稳定性好，熔体成分控制较容易。
5、本发明的高导电耐热压力铸造铝合金材料不需要经过热处理便能使合金的导电率、强度达到电机转子等电动交通工具零部件使用要求。
附图说明
图1是含3.5wt.％Ni合金的扫描电镜照片
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，本发明实施方式不仅限于此。
实施例一
步骤一：配料
成分 规格 质量百分比用量
工业纯Al 纯度99.85％，其余为杂质元素 57.7％
Al-Ni10 10.00％Ni，0.001％杂质元素，其余为铝 38％
Al-Fe10 10.00％Fe，0.001％杂质元素，其余为铝 3％
Al-Zr10 10.00％Zr，0.001％杂质元素，其余为铝 1％
Al-Cr10 10.00％Cr，0.001％杂质元素，其余为铝 0.15％
Al-V10 10.00％V，0.001％杂质元素，其余为铝 0.15％
步骤二：熔炼
在熔化炉中加入纯铝锭，随后每小时升温150℃，升温至740℃，待合金全部融化后，加入Al-Ni10中间合金，融化后搅拌5min，确保合金成分均匀。随后加入Al-Fe10、Al-Zr10、Al-Cr10、Al-V10中间合金，融化后搅拌5min，随后按照千分之四的比例向铝液中加入商用固体精炼剂，在740～760℃下精炼，并用高纯氩气进行除气，静置15分钟后扒渣。
步骤三：压力铸造
模具预喷脱模剂并预热到170℃，控制铝液温度在710℃～730℃范围内进行压铸。
通过上述步骤获得的合金材料含有镍3.741％，铁0.295％，锆0.092％，铬0.013％，钒0.013％，其他元素≤0.005％，其余为铝。铸件室温铸态和150℃铸态导电率、力学性能如表1所示。
表1实例1合金的导电、力学性能
Figure GDA0003563849660000051
实施例二
步骤一：配料
Figure GDA0003563849660000052
Figure GDA0003563849660000061
步骤二：熔炼
在熔化炉中加入纯铝锭，随后每小时升温150℃，升温至740℃，待合金全部融化后，加入Al-Ni10中间合金，融化后搅拌5min，确保合金成分均匀。随后加入Al-Fe10、Al-Zr10、Al-Cr10、Al-V10中间合金，融化后搅拌5min，随后按照千分之四的比例向铝液中加入商用固体精炼剂，在740～760℃下精炼，并用高纯氩气进行除气，静置15分钟后扒渣。
步骤三：压力铸造
模具预喷脱模剂并预热到180℃，控制铝液温度在720℃～740℃范围内进行压力铸造。
通过上述步骤获得的合金材料含有镍2.473％，铁0.278％，锆0.085％，铬0.015％，钒0.016％，其他元素≤0.005％，其余为铝。铸件室温铸态和150℃铸态导电率、力学性能如表2所示。
表2实例2合金的导电、力学性能
Figure GDA0003563849660000062
实施例三
步骤一：配料
成分 规格 质量百分比用量
工业纯Al 纯度99.85％，其余为杂质元素 77.6％
Al-Ni10 10.00％Ni，0.001％杂质元素，其余为铝 18％
Al-Fe10 10.00％Fe，0.001％杂质元素，其余为铝 3％
Al-Zr10 10.00％Zr，0.001％杂质元素，其余为铝 1％
Al-Cr10 10.00％Cr，0.001％杂质元素，其余为铝 0.2％
Al-V10 10.00％V，0.001％杂质元素，其余为铝 0.2％
步骤二：熔炼
在熔化炉中加入纯铝锭，随后每小时升温150℃，升温至740℃，待合金全部融化后，加入Al-Ni10中间合金，融化后搅拌5min，确保合金成分均匀。随后加入Al-Fe10、Al-Zr10、Al-Cr10、Al-V10中间合金，融化后搅拌5min，随后按照千分之四的比例向铝液中加入商用固体精炼剂，在740～760℃下精炼，并用高纯氩气进行除气，静置15分钟后扒渣。
步骤三：挤压铸造
模具预喷脱模剂并预热到170℃，控制铝液温度在720℃～750℃范围内进行挤压铸造。
通过上述步骤获得的合金材料含有镍1.725％，铁0.287％，锆0.087％，铬0.017％，钒0.018％，其他元素≤0.005％，其余为铝。铸件室温铸态和150℃铸态导电率、力学性能如表2所示。
表3实例3合金的导电、力学性能
Figure GDA0003563849660000071
Figure GDA0003563849660000081

Claims (8)

1.一种高导电耐热压力铸造铝合金材料，其特征在于：适用于采用压力铸造或挤压铸造工艺制备的合金材料；其主要成分及其质量百分比含量为：镍1.8-3.8％，铁0.25～0.30％，锆0.006～0.15％，铬0.0015～0.025％，钒0.001～0.02％，锌≤0.1％，钛≤0.005％，铜≤0.02％，硅≤0.01％,其它不可避免的微量杂质元素≤0.1％，剩余为铝。
2.根据权利要求1所述的一种高导电耐热压力铸造铝合金材料，其特征在于，上述高导电耐热压力铸造铝合金材料通过工业纯铝、Al-Ni10中间合金、Al-Fe10中间合金、Al-Zr10中间合金、Al-Cr10中间合金、Al-V10中间合金配制而成。
3.根据权利要求1或2所述高导电耐热压力铸造铝合金材料，其特征在于：所述合金室温条件下抗拉强度为160-200MPa，150℃高温条件下抗拉强度为140-180MPa。
4.根据权利要求1或2所述高导电耐热压力铸造铝合金材料，其特征在于：所述合金室温条件下屈服强度为80-100MPa，150℃高温条件下屈服强度为75-90MPa。
5.根据权利要求1或2所述高导电耐热压力铸造铝合金材料，其特征在于：所述合金室温条件下伸长率为13％-18％，150℃高温条件下伸长率为22％-28％。
6.根据权利要求1或2所述高导电耐热压力铸造铝合金材料，其特征在于：所述合金导电率为50％IACS-55％IACS。
7.一种权利要求1所述高导电耐热压力铸造铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)依次加入纯铝锭、铝镍中间合金、铝铁中间合金、铝锆中间合金、铝铬中间合金、铝钒中间合金进行熔炼；
(2)加入精炼剂搅拌，通入高纯氩气，进行除气、扒渣处理；
(3)保温后进行压力铸造或挤压铸造。
8.根据权利要求7所述的高导电耐热压力铸造铝合金材料的制备方法，其特征在于：合金可以进行压力铸造或挤压铸造成形。
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