CN114438377B - 一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金及其制备方法，该合金包括以下重量百分含量的元素Si：8wt％‑10wt％；Fe：0.05‑0.5wt％；Mn<1.0wt％；Mg：0.1‑0.5wt％；Cu：0.1‑1.0wt％；Zn<1.0wt％；Ti：0.05‑0.2wt％；Sr：0.005‑0.05wt％；La+Ce<0.5wt％；Mo<0.1wt％；Sc<0.05wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在0.5wt％以下。与现有技术相比，本发明采用甩带法结合高能球磨制备Al‑Ti‑C‑B、Al‑20La+Ce、Al‑20Mo和Al‑3Sc中间合金非晶粉状，其中Al‑Ti‑C‑B、Al‑Mo和Al‑Sc作为细化剂和变质剂添加，显著提升材料的延伸率；通过200℃，4h热处理，使得其抗拉强度大于300MPa，屈服强度大于120MPa，延伸率15‑20％。

Description

一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金，尤其是涉及一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
近年来，随着汽车行业的不断迅速发展，汽车轻量化发展及应用得到了越来越多的广泛关注，铝合金密度仅为钢铁的三分之一，是汽车轻量化的首选材料。研究表明，用铝合金代替低碳钢、铸铁或者高强钢，可以实现30％～60％的减重效果，每千克铝合金的使用可以减少13～20kg温室气体的排放。以铝代钢是汽车轻量化技术的一个发展趋势。
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。
在汽车结构件用高性能压铸铝合金材料研发方面，德国的Rheinfelden公司处于领先地位，他们针对汽车结构件的不同要求开发了三款不同的铝合金材料(Silafont36,Castasil37,Magsimal59)，目前大多数铝合金汽车结构件均采用这三款材料，其中Silafont36,Castasil37合金均属于Al-Si合金，其Si含量接近共晶点，具有非常好的铸造性能。与Castasil37合金不同的是Silafont36合金中添加了Mg元素，通过与Si生成Mg2Si相来提高合金强度，这也是该合金Si含量比Castasil37合金高的原因，但是Mg的含量必须加以控制(不超过0.5％)，Mg含量过多会增加合金中Mg2Si相的数量，提高合金强度，但会使延伸率急剧下降。通常情况下，Silafont36合金需要经过T7热处理，以将强度和塑性调整至可接受的范围(屈服强度＝150MPa，延伸率＝17％)，Magsimal59合金属于Al-Mg合金，添加的Si元素全部与Mg生成Mg2Si相，没有块状单质Si存在，不需要进行变质处理，而且该合金无需热处理即可同时具有较高的强度和塑性(屈服强度＝170MPa，延伸率＝10％)，可直接使用铸态，但是该合金的铸造性低于Al-Si合金。
由于传统商用压铸铝合金一般是以牺牲韧性来获得较高的强度，而新能源汽车的铝合金零部件需要通过铆接连接，对材料的韧性要求高，常规合金材料无法满足汽车结构件对于合金高韧性的要求。因此，针对新能源汽车轻量化对高韧性铝合金压铸结构件的迫切需求，开发一款高韧性的压铸铝合金材料，使其强度、韧性及压铸性能均能满足汽车减震塔、电池托盘等结构件的需求。
专利申请CN201910449860.6公开了一种铸态高韧压铸铝硅合金及其制备方法和应用。其中，铸态高韧压铸铝硅合金包括：8～11wt％的硅、0.4～0.8wt％的锰、0.1～0.4wt％的钒、0.1～0.4wt％的锆、0.01～0.04wt％的锶、不大于0.2wt％的铁、不大于0.1wt％的不可避免夹杂物，以及余量的铝。该铝硅合金不仅表现出高的强韧性、好的抗热裂能力，而且熔体具有较好的流动性，对熔体进行压铸时可以显著减少压铸工艺本身所带来的组织缺陷，并避免后续的合金热处理工艺，能够在显著提高铝硅合金铸件力学性能的同时降低生产成本。该材料需要辅助真空压铸工艺才能达到其延伸率大于14％的性能，而采用非真空时，其延伸率从14.6％降低到7.6％，性能显著下降，无法达到高延伸率的性能要求。辅助真空系统对于压铸工艺要求较高，需要配合真空系统，成本也相比普通压铸较高，因而发明低成本高强韧压铸铝合金，在非真空状态下成型，可以提升生产效率，增加成本竞争优势，更好的推广铝合金材料在新能源汽车零部件中的应用。
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新能源汽车用高强韧压铸铝合金及其制备方法，通过200℃，4h热处理，抗拉强度大于300MPa，屈服强度大于120MPa，延伸率15-20％。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金，该合金包括以下重量百分含量的元素Si：8wt％-10wt％；Fe：0.05-0.5wt％；Mn<1.0wt％；Mg：0.1-0.5wt％；Cu：0.1-1.0wt％；Zn<1.0wt％；Ti：0.05-0.2wt％；Sr：0.005-0.05wt％；La+Ce<0.5wt％；Mo<0.1wt％；Sc<0.05wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在0.5wt％以下。
进一步，所述的Ti、La、Ce、Mo和Sc以中间相合金形式进行添加，采用Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间合金，中间合金为平均颗粒尺寸为30-50nm的中间合金非晶粉。
进一步，所述的中间合金非晶粉通过以下方法获得：采用急冷甩带法结合高能球磨的方式制备Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间合金非晶粉体。
进一步，所述的急冷甩带法是将市售Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间合金，加热到1000℃熔融状态，通过喷头喷射到轧辊带上急冷至常温制成合金薄膜，轧辊速度2200～2300r/min，压力0.2～0.3MPa。
进一步，所述的高能球磨是将急冷甩带法制成的合金薄膜在球磨机中磨成粉，球磨机的转速高达3000-4000r/min。
具体地，所述的中间合金非晶粉通过以下方法获得：将熔炼好的母合金粉碎成适当大小的块状，装入特制的底部带有小孔的石英管内，将石英管在真空室固定好，石英管顶端与气压制动系统相连，底端距扎辊的距离一般为2-3mm。抽真空至10-3Pa量级，充入氢气压力0.2～0.3MPa，调整扎辊转数为2200～2300r/min。启动高频感应电源，电流为18-20A，待合金完全熔化后，开启喷射开关，利用气压差使熔体喷射在扎辊上急冷形成条带，利用收集筒收集制成的条带样品。在该工作参数下，制备的条带样品厚度一般约为24-30μm，宽度约2mm。把甩带制备好的条带样品，在充满氩气的手套箱中，按照不锈钢球和条带样品比30∶1放入不锈钢球磨罐中，以2500-4000rpm的转速球磨48小时后，在手套箱中将粉体取出，从而得到Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间合金非晶粉，平均颗粒尺寸小于50nm。这样的中间合金非晶粉体在熔炼时候加入铝液后，可以更精确控制加入的合金元素成分含量,使合金元素更快分散均匀，铝合金的含氢量和针孔度更少。Al-Ti-C-B、La+Ce的主要作用通过非晶体结构，提高晶体织构，提升材料的强度，而AlMo、Al3Sc细小弥散相对热处理后的Mg2Si，AlCe/La，Al2Cu，AlSiMgCu相等进行细化，通过铸造的方式达到了锻造合金的强韧化效果。
本发明还提供一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温15min；
2)升温至780℃，加入Si、Fe、Mn和Cu单质金属材料；
3)降温至750℃，加入Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间相合金非晶粉；
4)降温至720℃，加入纯Mg、纯Zn金属材料；
5)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸件。
进一步，步骤(5)得到铝合金铸件在750℃再次融化并保温，保温时通入保护性气体与空气隔绝，然后注入压铸模具，模压得到厚度小于3mm的薄壁压铸铝合金。
进一步，压铸模具采用模温机预先保持温度在250～350℃，同时，压铸模具配备保温料筒，压铸时，料筒温度保持在200-250℃，料筒承接的熔融铝合金铸件在20-40MPa压力下采用压射速度4m/s快速进入压铸模具冷却成型。
进一步，所述的薄壁压铸铝合金通过200℃，4h热处理，抗拉强度大于300MPa，屈服强度大于120MPa，延伸率15-20％
进一步，所述的保温时通入保护性气体为氮气或惰性气体。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)Al-Ti-C-B、La+Ce的主要作用为细化铝合金基体，采用非晶粉体加入的方式，比传统加入方式更加均匀，并且非晶粉体由于其本身非晶体结构的特性，使得以Al-Ti-C-B、La+Ce作为形核质点生长的晶体结构更为随机，从而有效的在细化晶粒的同时，得到相比于普通晶体更高的晶体织构，提高材料强度。
2)Mo、Sc有高效的第二相细化作用，通过同时添加Mo和Sc，在晶体中形成大量弥散分布的Al3Sc和AlMo相，这些细小的相作为形核点，对热处理通过200℃，4h热处理时析出的第二相进行进一步的细化。例如Mg2Si，AlCe/La，Al2Cu，AlSiMgCu相等。可以达到锻造铝合金通过挤压而细化第二相的效果。因此，该合金材料通过压铸的成型方式达到了锻造合金的强韧化。
3)相对于直流电弧等离子体法制备的合金纳米粉体，由于离子体法是靠电弧放电蒸发制粉，由于不同的金属的沸点不一样，导致制备的合金纳米粉体成分跟预制体的成分存在差异，通过急冷甩带法结合高能球磨的方式制备的非晶合金粉体，完全解决这个问题，成分可以得到精确控制，同时制备的粉体粒度小于50nm，合金元素成分，更快分散，非晶粉体中含氢量更少，加入铝合金后，针孔度更少，引入的缺陷较少，有助于材料实现高延伸率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1-8：
一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金，各实施例中合金包括以下表1所述质量百分含量的成分，余量为铝及不可避免的杂质。
所述的合金材料包括Si：8wt％-10wt％；Fe：0.05-0.5wt％；Mn<1.0wt％；Mg：0.1-0.5wt％；Cu：0.1-1.0wt％；Zn<1.0wt％；Ti：0.05-0.2wt％；Sr：0.005-0.05wt％；La+Ce<0.5wt％；Mo<0.1wt％；Sc<0.05wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在0.5wt％以下，余量为Al。
表1为实施例1-8的铝合金中各元素含量表
Figure GDA0004250918090000051
上述各实施例所述的铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)计算所需中间合金的质量，称取市售Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc母合金，将熔炼好的母合金粉碎成适当大小的块状，装入特制的底部带有小孔的石英管内。将石英管在真空室固定好，石英管顶端与气压制动系统相连，底端距扎辊的距离一般为2-3mm。抽真空至10-3Pa量级，充入氢气压力0.2～0.3MPa，调整扎辊转数为2200～2300r/min。启动高频感应电源，电流为18-20A，待合金完全熔化后，开启喷射开关，利用气压差使熔体喷射在扎辊上急冷形成条带，利用收集筒收集制成的条带样品。在该工作参数下，制备的条带样品厚度一般约为24-30μm，宽度约2mm。把甩带制备好的条带样品，在充满氩气的手套箱中，按照不锈钢球和条带样品比30∶1放入不锈钢球磨罐中，以2500-4000rpm的转速球磨48小时后，在手套箱中将粉体取出，从而得到Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间合金非晶粉，平均颗粒尺寸小于50nm。
2)将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温15min；
3)升温至780℃，加入Si、Fe、Mn和Cu单质金属材料；
4)降温至750℃，加入到Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间相合金非晶粉；
5)降温至720℃，加入纯Mg、纯Zn金属材料；
6)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸件；由于精炼剂元素对材料的强度和延伸率有一定影响，并且该材料均采用的是高纯材料及预加工的元素，因此本合金材料并不采用精炼，将合金材料浇铸为铸锭后，存放待用；
7)得到铝合金铸件在750℃再次融化并保温，保温时的材料需要保证与空气隔绝，一般保温时通入氮气与空气隔绝，然后注入压铸模具，模压得到厚度为3mm的标准拉伸片。所述的压铸模具为模温机，预先保持温度在250～350℃，同时，压铸机配备保温料筒，压铸时，料筒温度保持在200-250℃，采用压射速度4m/s，熔融的铝合金铸件在20-40MPa压力下快速冷却成型。
本发明通过Al-Ti-C-B、La+Ce的非晶体结构，提高晶体织构，提升材料的强度，AlMo、Al3Sc细小弥散相对热处理后的Mg2Si，AlCe/La，Al2Cu，AlSiMgCu相等进行细化，通过铸造的方式达到了锻造合金的强韧化效果。在不损失延伸率的同时，进一步提高铝合金的强度，从而实现压铸铝合金强韧化。从表2中可以看出新能源汽车用高强韧压铸铝合金通过200℃，4h热处理，屈服强度120-140MPa，抗拉强度300-320MPa，延伸率15-20％。
表2为实施例1-8对应的拉伸片力学性能表
Figure GDA0004250918090000061
Figure GDA0004250918090000071

Claims (2)

1.一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金，其特征在于，该合金包括以下重量百分含量的元素Si：8wt％-10wt％；Fe：0.05-0.5wt％；Mn<1.0wt％；Mg：0.1-0.5wt％；Cu：0.1-1.0wt％；Zn<1.0wt％；Ti：0.05-0.2wt％；Sr：0.005-0.05wt％；La+Ce<0.5wt％；Mo<0.1wt％；Sc<0.05wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在0.5wt%以下，余量为铝；
所述的Ti、La、Ce、Mo和Sc以中间相合金形式进行添加，采用Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间合金，中间合金为平均颗粒尺寸为30-50nm的中间合金非晶粉；
所述的中间合金非晶粉通过以下方法获得：采用急冷甩带法结合高能球磨的方式制备Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间合金非晶粉体；
所述的急冷甩带法是将市售Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc，加热到1000oC熔融状态，通过喷头喷射到轧辊带上急冷至常温制成合金薄膜，轧辊速度2200～2300r/min，压力 0.2～0.3MPa。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金，其特征在于，所述的高能球磨是将急冷甩带法制成的合金薄膜在球磨机中磨成粉，球磨机的转速高达3000-4000r/min。
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