CN114150237A - 一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金技术领域，尤其是涉及一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料及其制备方法，该合金包括Si：2.0wt％‑5.0wt％；Mg：5.0wt％‑7.0wt％；Zr：0.2wt％‑0.6wt％；Sm：0.1wt％‑0.5wt％；Gd：0.5wt％‑0.8wt％；Cu：0.8wt％‑1.2wt％；Zn：0.6wt％‑1.0wt％；Fe：<0.5wt％，碳化硅晶须：3.0wt％‑7.0wt％，Ti、B、Ca等不可避免的杂质总和控制在0.1wt％以下，余量为Al。本发明使得材料的屈服强度达到410‑510MPa，抗拉强度达到310‑350MPa,同时其延伸率不低于12％。

Description

一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料及 其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，尤其是涉及一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料及其制备方法。
背景技术
新能源汽车用铝合金的部件主要有车身、车轮、底盘、防撞梁、地板、动力电池和座椅。车身包括用高性能铝型材制作的车身骨架和用高精铝板制作的蒙皮及车门，铝合金车轮、底盘包括高强度大截面铝型材结构件和铝合金锻件，用铝型材制作的防撞梁保险杠、新能源客车地板、锂离子电池、铝离子电池(包括电池正极铝箔、电池铝壳和电池铝托盘)、新能源客车座椅系统等。铝合金材料在新能源汽车上的应用，因不同的车企理念，不同的车型设计而有所不同，全铝车身新能源车的用铝量很大。
同时，目前ADC12铝合金远远满足不了汽车结构件对延伸率6％以上的要求，现有Al-Mg系合金存在强度低、铸造性能差，不易压铸成型等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料及其制备方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料，以重量百分比计算，Si：2.0wt％-5.0wt％；Mg：5.0wt％-7.0wt％；Zr：0.2wt％-0.6wt％；Sm：0.1wt％-0.5wt％；Gd：0.5wt％-0.8wt％；Cu：0.8wt％-1.2wt％；Zn：0.6wt％-1.0wt％；Fe：<0.5wt％，碳化硅晶须：3.0wt％-7.0wt％，不可避免的杂质总和控制在0.1wt％以下，余量为Al。所述的不可避免的杂质为Ti、B、Ca等杂质。
优选地，以重量百分比计算，Si：3.51wt％；Mg：6.01％；Zr：0.26wt％；Sm：0.401wt％；Gd：0.649％；Cu：1.01wt％；Zn：0.81wt％；Fe：<0.5wt％，碳化硅晶须：4.9wt％，不可避免的杂质总和控制在0.1wt％以下，余量为Al。
本发明的改进点在于，铝合金材料的铸锭中的Zr以ZrAl3初晶和固溶体两种形式存在；均匀化处理的铸锭中,球形的ZrAl3在基体上呈共格与非共格形式弥散析出,尺寸约为10～30nμ,热轧变形后,ZrAl3大都钉轧在位错线和小角晶界上,其形态和尺寸没有明显改变；淬火后,可观察到大量存在的亚结构和亚晶粒,球形ZrAl3质点分布在亚晶界,晶内以及位错线上,非共格的ZrAl3周围有η相非均质成核；与含Cr的该系合金相比较,可看到E相尺寸远大于含Zr合金中的ZrAl3质点,而ZrAl3周围非均质成核的η相的尺寸和数量要比E相周围的小得多，可以圆满地解释Zr对铝合金细化晶粒,提高再结晶温度,以及提高强度和抗应力腐蚀性能的作用。所述的合金中Zr和Al形成ZrAl3化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒，Zr亦能细化铸造组织。透射电镜分析表明，ZrAl3可使合金中的错位密度增高，抑制亚晶界的移动，在ZrAl3粒子周围发现了尺寸较大的η相。
优选的，所述的合金中Si、Cu、Fe、Zn以单质的形式添加，Mg、Sm、Gd分别以Al-Mg、Al-Sm-Gd中间合金的形式添加，Zr以ZrH2的形式添加，碳化硅晶须以SiC的形式添加。
根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按配比计算所需中间合金、单质金属的质量，进行备料；
2)铝锭表面清洗干净后，将铝锭放入熔炼炉或中频炉内进行熔炼，加热至800-810℃，完全融化后保温30-35分钟；
3)待铝液温度达到810-850℃时，将烘干后的Si、Cu加入到铝液中，充分搅拌3分钟，随后保温静置10-15分钟后再搅拌3-5分钟；随后重复以上步骤，分别加入Fe和Zn；
4)Zn加入到铝液中并搅拌、保温、再搅拌完成后，加入ZrH2并充分搅拌10-15分钟，此时铝液温度应保持在800℃以上；
5)待铝液温度稳定在830-840℃，加入Al-Sm-Gd中间相合金，随后充分搅拌10-15分钟；
6)降温至760-780℃，加入Al-Mg合金并充分搅拌，此过程中要注意Mg的烧损，根据实际情况及时补充Al-Mg中间合金；
7)升温至800-810℃，加入SiC，充分搅拌10-15分钟；
8)原料全部熔化后，进行精炼、拔渣，得到上述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料。
9)对所需的铸件进行挤压铸造成型。
优选的，所述的合金中Si、Cu、Fe、Zn以单质的形式添加，具体是：将市售Si、Cu、Fe、Zn单质进行粉碎处理，将处理后的细屑烘干后分三批次投入铝液中，第一批次投入Si、Cu，第二批次投入Fe，第三批次投入Zn。每次投入一批次后将铝液充分搅拌3分钟，随后保温静置10分钟后再搅拌3分钟，然后投入下一批次，重复该动作。
用挤压铸造法制造的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料中碳化硅晶须与铝界面处两者间存在着晶体位向关系,发现碳化硅晶须与铝之间存在如下的一种晶体位向关系:(01)_(SiC)//(001)_(Al),[211]_(SiC)//[100]_(Al),并从金属结晶理论出发,分析了这种晶体位向关系的形成原因,建立了压铸SiCw/Al复合材料中这种半共格界面结构模型,很好地解释了压铸SiCw/Al复合材料中界面结合很好的原因。
优选的，所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法，步骤(6)所述步骤(7)所述的SiC为Haydale(ACM)碳化硅晶须。该款碳化硅晶须由美国Haydale(ACM)公司开发，在熔炼过程中具有优异的分散性，更有利于本发明涉及的一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的稳定性。
优选的，所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法，步骤(9)所述的挤压铸造是指将一定量的被铸金属液直接浇注入涂有润滑剂的型腔中，并持续施加机械静压力，利用金属铸造凝固成形时易流动和锻造技术使已凝固的硬壳产生塑性变形，使金属在压力下结晶凝固并强制消除因凝固收缩形成的缩孔缩松，以获得无铸造缺陷的液态模锻制件。
优选的，所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法，步骤(9)所述的挤压铸造采用了一种用于挤压铝合金铸造机料筒加热装置，避免了由于铝合金棒加热料筒孔径通过与铝合金棒的外径相同，铝合金棒在加热的过程中会发生膨胀，容易因为铝合金棒受热膨胀而造成卡死在铝合金棒加热料筒的现象。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.Si是改善流动性能的主要成份。从共晶到过共晶都能得到更好的流动性。另外，Si可改善抗拉强度、硬度、切削性以及高温时强度。
2.在铝合金中固溶进Cu，机械性能可以提高，切削性变好。
3.Zr和Al形成ZrAl3化合物,可阻碍再结晶过程,细化再结晶晶粒。Zr亦能细化铸造组织。
4.铝合金中添加Sm或Gd,尤其是复合添加Sm和Gd,可显著细化晶粒,明显提高其力学性能和耐腐蚀性能.发现与未添加Sm和Gd,元素的6063铝合金相比,复合添加w(Sm)＝0.15％和w(Gd)＝0.1％后,合金的抗拉强度增加250MPa以上，伸长率最高增加9％以上,，屈服强度增加170MPa以上。
5.本发明所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法在挤压铸造时采用了一种用于挤压铝合金铸造机料筒加热装置，避免了由于铝合金棒加热料筒孔径通过与铝合金棒的外径相同，铝合金棒在加热的过程中会发生膨胀，容易因为铝合金棒受热膨胀而造成卡死在铝合金棒加热料筒的现象。
6.用挤压铸造法制造的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料中晶须与铝界面处两者间存在着晶体位向关系,发现晶须与铝之间存在如下的一种晶体位向关系:(01)_(SiC)//(001)_(Al),[211]_(SiC)//[100]_(Al),并从金属结晶理论出发,分析了这种晶体位向关系的形成原因,建立了压铸SiCw/Al复合材料中这种半共格界面结构模型,很好地解释了压铸SiCw/Al复合材料中界面结合很好的原因。
附图说明
图1为本发明所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法步骤(9)所述的挤压铸造采用的挤压铝合金铸造机料筒加热装置；图中1为保温外壳；2为加热内壳；3为密封挡板；4为所述保温外壳1、加热内壳2以及密封挡板3之间的空间形成真空空间；5为抽真空接头；7为左右电加热丝；8为支撑轮组；9为温度传感器；10为PLC控制器。
图2为图1中A部放大图；6为加热丝卡槽，其均匀开设于2加热内壳的内侧壁。
图3为本发明实施例5的金相图。
具体实施方式
实施例1-9：
产品性能检测：
1)屈服强度检测方法参照GB/T 228.1A-2010。
2)延伸率检测方法参照GB/T 228.1A-2010。
一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料，包括以下表1所述质量百分含量的成分，余量为铝及不可避免的杂质。
Si：2.0wt％-5.0wt％；Mg：5.0wt％-7.0wt％；Zr：0.2wt％-0.6wt％；Sm：0.1wt％-0.5wt％；Gd：0.5wt％-0.8wt％；Cu：0.8wt％-1.2wt％；Zn：0.6wt％-1.0wt％；Fe：<0.5wt％，碳化硅晶须：3.0wt％-7.0wt％。
表1为实施例1-9的铝合金中各元素含量表以及由此制得的铝合金材料性能
Figure BDA0003378181470000071
通过对比实施例1和实施例5的合金的性能，显而易见地，实施例5合金的抗拉强度、屈服强度均优于实施例1。
通过图2展示的实施例5的金相图，可见SiC晶须的加入可使铝基复合材料晶粒细化、裂纹扩展受阻、显微硬度和断裂韧度提高；实施例5的铝基复合材料中SiC晶须偏聚和孔隙率较好、均匀较为分布,材料晶粒大小较为一致，提高了材料的强韧化效果。
表2为工业用铝及铝合金热挤压型材的室温纵向力学性能(GB/T 6892-2006)
Figure BDA0003378181470000081
通过对比表1实施例5和表2，发现与未添加Sm和Gd元素的6063铝合金相比,复合添加w(Sm)＝0.15％和w(Gd)＝0.1％后,合金的抗拉强度增加250MPa以上，伸长率最高增加9％以上,，屈服强度增加170MPa以上。
上述各实施例所述的铝合金的制备方法为：
1)按配比计算所需中间合金、单质金属的质量，进行备料；
2)铝锭表面清洗干净后，将铝锭放入熔炼炉或中频炉内进行熔炼，加热至800℃，完全融化后保温30分钟；
3)待铝液温度达到810-850℃时，将烘干后的第一批次Si、Cu加入到铝液中，充分搅拌3分钟，随后保温静置10分钟后再搅拌3分钟；随后重复以上步骤，加入第二、第三批次的Fe和Zn；
4)第三批次Zn加入到铝液中并搅拌、保温、再搅拌完成后，加入ZrH2并充分搅拌10分钟，此时铝液温度应保持在800℃以上；
5)待铝液温度稳定在830-840℃，加入Al-Sm-Gd中间相合金，随后充分搅拌10分钟；
6)降温至760-780℃，加入Al-Mg合金并充分搅拌，此过程中要注意Mg的烧损，根据实际情况及时补充Al-Mg中间合金；
7)升温至800-810℃，加入SiC，充分搅拌10分钟；
8)原料全部熔化后，进行精炼、拔渣，得到上述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料。
9)对所需的铸件进行挤压铸造成型。
所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法，步骤(6)所述步骤(7)所述的SiC为Haydale(ACM)碳化硅晶须。
所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法，步骤(9)所述的挤压铸造是指将一定量的被铸金属液直接浇注入涂有润滑剂的型腔中，并持续施加机械静压力，利用金属铸造凝固成形时易流动和锻造技术使已凝固的硬壳产生塑性变形，使金属在压力下结晶凝固并强制消除因凝固收缩形成的缩孔缩松，以获得无铸造缺陷的液态模锻制件。
所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法，步骤(9)所述的挤压铸造采用了一种用于挤压铝合金铸造机料筒加热装置，避免了由于铝合金棒加热料筒孔径通过与铝合金棒的外径相同，铝合金棒在加热的过程中会发生膨胀，容易因为铝合金棒受热膨胀而造成卡死在铝合金棒加热料筒的现象。
用挤压铸造法制造的碳化硅晶须增强铝(SiCw/Al)复合材料中晶须与铝界面处两者间存在着的晶体位向关系，提高了压铸SiCw/Al复合材料中界面结合度，显著提高了合金的抗拉强度和屈服强度。
研究结果表明，本发明在铝合金中添加Sm或Gd,尤其是复合添加Sm和Gd制备过程中采用挤压铝合金铸造机料筒加热装置可显著细化晶粒,明显提高其力学性能和耐腐蚀性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料，以重量百分比计算，Si：2.0wt％-5.0wt％；Mg：5.0wt％-7.0wt％；Zr：0.2wt％-0.6wt％；Sm：0.1wt％-0.5wt％；Gd：0.5wt％-0.8wt％；Cu：0.8wt％-1.2wt％；Zn：0.6wt％-1.0wt％；Fe：<0.5wt％，碳化硅晶须：3.0wt％-7.0wt％，不可避免的杂质总和控制在0.1wt％以下，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料，其特征在于：以重量百分比计算，Si：3.51wt％；Mg：6.01％；Zr：0.26wt％；Sm：0.401wt％；Gd：0.649％；Cu：1.01wt％；Zn：0.81wt％；Fe：<0.5wt％，碳化硅晶须：4.9wt％，不可避免的杂质总和控制在0.1wt％以下，余量为Al。
3.一种权利要求1所述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)按配比计算所需中间合金、单质金属的质量，进行备料；
2)铝锭表面清洗干净后，将铝锭放入熔炼炉或中频炉内进行熔炼，加热至800-810℃，完全融化后保温30-35分钟；
3)待铝液温度达到810-850℃时，将烘干后的Si、Cu加入到铝液中，充分搅拌后保温静置10-15分钟后再搅拌3-5分钟；随后重复以上步骤，分别加入Fe和Zn；
4)Zn加入到铝液中并搅拌、保温、再搅拌完成后，加入ZrH2并充分搅拌10-15分钟，此时铝液温度应保持在800℃以上；
5)待铝液温度稳定在830-840℃，加入Al-Sm-Gd中间相合金，随后充分搅拌10-15分钟；
6)降温至760-780℃，加入Al-Mg合金并充分搅拌，此过程中要注意Mg的烧损，根据实际情况及时补充Al-Mg中间合金；
7)升温至800-810℃，加入SiC，充分搅拌10-15分钟；
8)原料全部熔化后，进行精炼、拔渣，得到上述的适用于新能源汽车高强韧结构件精密成型铝合金材料；
9)对所需的铸件进行挤压铸造成型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(6)所述步骤(7)所述的SiC为Haydale(ACM)碳化硅晶须。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(9)所述的挤压铸造是指将一定量的被铸金属液直接浇注入涂有润滑剂的型腔中，并持续施加机械静压力，利用金属铸造凝固成形时易流动和锻造技术使已凝固的硬壳产生塑性变形，使金属在压力下结晶凝固并强制消除因凝固收缩形成的缩孔缩松，以获得无铸造缺陷的液态模锻制件。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(9)所述的挤压铸造采用了用于挤压铝合金铸造机料筒加热装置。
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