CN114752822B - 一种压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
为克服现有液态高压铸造铝合金产品铸态材料强度不足和高温固溶导致气孔膨胀的问题，本发明提供了一种压铸铝合金，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为6.0～7.5％，Cu的含量为1.0～3.5％，Mg的含量为0.1～0.3％，Zn的含量为5.0～7.0％，Fe的含量为0.05～0.5％，Sr的含量为0.01～0.03％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％；所述压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行固溶处理，固溶处理的温度Tsolution和Cu的含量CCu满足以下条件：
其中，Tsolution的单位为℃，CCu的单位为％。同时，本发明还公开了上述压铸铝合金的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体涉及一种压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
压铸是利用高压强制将金属熔液压入形状复杂的金属模内的精密铸造法。经由压铸而铸成的压铸件尺寸公差小，表面精度较高，可实现近净成形。
T6固溶热处理是现有铝合金强化的一种常规处理方法，通过将铝合金置于合金液相线温度以下(通常500-540℃)下保温一段时间然后快速冷却至室温，然后在100-200℃下进行人工时效处理，使铝合金的抗拉强度、屈服强度等得到强化。
高压铸造的铝合金产品铸态性能低，以大范围应用的357铝合金为例：抗拉强度约230MPa，屈服强度约100MPa，断后伸长率约13％。现有材料的铸态性能不满足目前汽车交通、通讯等行业的发展需求。
同时，传统液态高压铸造铝合金产品在进行T6固溶-时效热处理时存在一定的问题，主要是因为传统液态高压铸造铝合金产品在成形过程中有大量气体卷入铸件中形成气孔，固溶热处理时处理温度接近材料液相线，在固溶热处理时，气孔压强增加，同时温度接近液相线时材料强度急剧下降，从而导致气体膨胀形成不可接受的表面鼓泡以及产品尺寸变化，所以传统液态高压铸造铝合金产品不能进行T6热处理。
发明内容
针对现有液态高压铸造铝合金产品铸态材料强度不足和高温固溶导致气孔膨胀的问题，本发明提供了一种压铸铝合金及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种压铸铝合金，包括如下质量百分比的组分：
Si的含量为6.0～7.5％，Cu的含量为1.0～3.5％，Mg的含量为0.1～0.3％，Zn的含量为5.0～7.0％，Fe的含量为0.05～0.5％，Sr的含量为0.01～0.03％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％；
所述压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行固溶处理，固溶处理的温度Tsolution和Cu的含量CCu满足以下条件：
其中，Tsolution的单位为℃，CCu的单位为％。
可选地，所述压铸铝合金中，Cu的含量和Mg的含量满足以下条件：
10＜Cu/Mg＜14。
可选地，所述其他元素中，单个元素的质量含量低于或等于0.05％。
可选地，所述固溶处理的温度为400℃～490℃。
可选地，所述压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行以下处理：
固溶处理：处理温度400～490℃，处理时间2～10h；
淬水；
人工时效：处理温度120～160℃，处理时间24～48h。
可选地，所述压铸铝合金的抗拉强度≥300MPa，屈服强度≥200MPa，断后伸长率≥6％。
另一方面，本发明提供了如上所述的压铸铝合金的制备方法，包括以下操作步骤：按照铝合金中各元素配比称取所需比例的原料，将原料混合后进行熔炼，经过除渣和精炼除气处理后，将合金熔体导入压铸机中压铸成型；或将合金熔体转变为半固态浆料后导入压铸机中压铸成型，得到压铸铝合金；
压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行固溶处理，固溶处理的温度Tsolution和Cu的含量CCu满足以下条件：
其中，Tsolution的单位为℃，CCu的单位为％。
可选地，所述半固态浆料的制备方法包含但不限于热焓平衡法、机械搅拌法或电磁搅拌法，半固态浆料的固相含量为40～60％。
可选地，所述压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行以下处理：
固溶处理：处理温度400～490℃，处理时间2～10h；
淬水；
人工时效：处理温度120～160℃，处理时间24～48h。
为了克服压铸铝合金在高温固溶下气孔膨胀的问题，本发明采用了较低的温度进行固溶处理，减低固溶处理温度可降低气孔内压强，同时温度降低也提升了材料在固溶过程中的强度，避免鼓泡和产品变形，进一步的，为了适应较低的固溶处理温度，发明人开发了一种适应于低温下固溶的压铸铝合金材料，通过调整铝合金中各元素的配比控制，使压铸铝合金能够适应较低的固溶处理温度，且处理后的压铸铝合金能够较好地兼顾不同的性能要求，在保证断后伸长率的基础上具有较高的屈服强度和抗拉强度，满足作为汽车结构件或电子产品结构件的力学性能要求。同时，发明人发现该压铸铝合金的Cu元素含量与固溶温度存在关联，当Cu元素含量与固溶温度满足上述条件时，材料强化元素能发挥其强化效果，材料强度与Cu含量成正比，断后伸长率与Cu含量成反比，可根据产品使用场景选择成分。当Cu含量为2％，固溶温度为435℃时，材料力学性能与常用铸造铝合金材料(356、357)在高温固溶(540℃)下得到的强度持平，且固溶温度相较357铝合金大幅降低，可避免铸件在热处理过程中产生鼓泡，同时低温固溶也降低了固溶热处理的能耗。
附图说明
图1是本发明提供的压铸铝合金在低温固溶后的500倍微观组织照片。
图2是本发明提供的压铸铝合金在低温固溶后的50倍微观组织照片。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种压铸铝合金，包括如下质量百分比的组分：
Si的含量为6.0～7.5％，Cu的含量为1.0～3.5％，Mg的含量为0.1～0.3％，Zn的含量为5.0～7.0％，Fe的含量为0.05～0.5％，Sr的含量为0.01～0.03％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％；
所述压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行固溶处理，固溶处理的温度Tsolution和Cu的含量CCu满足以下条件：
其中，Tsolution的单位为℃，CCu的单位为％。
为了克服压铸铝合金在高温固溶下气孔膨胀的问题，本发明采用了较低的温度进行固溶处理，减低固溶处理温度可降低气孔内压强，避免鼓泡和产品变形，进一步的，为了适应较低的固溶处理温度，发明人开发了一种适应于低温下固溶的压铸铝合金材料，通过调整铝合金中各元素的配比控制，使压铸铝合金能够适应较低的固溶处理温度，且处理后的压铸铝合金能够较好地兼顾不同的性能要求，在保证断后伸长率的基础上具有较高的屈服强度和抗拉强度，满足作为汽车结构件或电子产品结构件的力学性能要求。
同时，发明人发现该压铸铝合金的Cu元素含量与固溶温度存在关联，当Cu元素含量与固溶温度满足上述条件时，材料强化元素能发挥其强化效果，材料强度与Cu含量成正比，断后伸长率与Cu含量成反比，可根据产品使用场景选择成分。当Cu含量为2％，固溶温度为435℃时，材料力学性能与常用铸造铝合金材料(356、357)在高温固溶下得到的强度持平，且固溶温度相较357铝合金大幅降低，可避免铸件在热处理过程中产生鼓泡，同时低温固溶也降低了固溶热处理的能耗。
在具体的实施例中，Si的含量为6.0％、6.1％、6.2％、6.4％、6.6％、6.8％、7.0％、7.1％、7.3％、7.4％或7.5％，Cu的含量为1.0％、1.1％、1.2％、1.3％、1.6％、1.9％、2.1％、2.2％、2.3％、2.6％、2.9％、3.1％、3.2％、3.3％或3.5％，Mg的含量为0.1％、0.12％、0.15％、0.18％、0.2％、0.22％、0.25％、0.28％或0.3％，Zn的含量为5.0％、5.2％、5.5％、5.8％、6.0％、6.2％、6.5％、6.8％或7.0％，Fe的含量为0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％或0.5％，Sr的含量为0.01％、0.015％、0.02％、0.025％或0.03％。
本发明所涉及的铝合金材料中，经过压铸成形及热处理，其微观结构由α-Al颗粒、Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相、Zn颗粒组成。
其中，Si颗粒、Al2Cu相、Q-Al5Cu2Mg8Si6相、V-Mg2Zn11相作为硬质相，起到强化合金的作用。
有一定量的Si、Cu、Mg、Zn元素固溶在α-Al颗粒中，起到强化合金的作用。
同时，Cu和Mg的添加量过高时，虽然使压铸铝合金的抗拉强度和屈服强度有所提升，但会导致其延展性的下降，不利于该压铸铝合金的应用。
添加6.0～7.5％的Si起到增加熔体流动性、减小缩孔缺陷含量等作用。
Sr起到变质作用，促使Si颗粒在热处理过程中由网状或纤维状转变为球状或近球状，起到细化晶粒的作用，提升材料韧性。
Fe元素改善合金在压铸过程中的黏模现象。
需要说明的是，铝合金的力学性能和延伸率是上述元素的综合作用结果，任一元素偏移本发明提供的范围均偏离了本发明的发明意图，导致铝合金在力学性能或延伸率上的降低，从而不利于该压铸铝合金的应用。
在优选的实施例中，所述压铸铝合金中，Cu的含量和Mg的含量满足以下条件：
10＜Cu/Mg＜14。
在一些实施例中，所述其他元素中，单个元素的质量含量低于或等于0.05％。
所述其他元素为所述压铸铝合金中的杂质元素，该杂质元素主要是由所述压铸铝合金的熔炼原料中所携带的，可通过选择杂质含量较低的熔炼原料或后期精炼去除的方式减少杂质元素，但一般难以完全避免杂质元素的存在。
在一些实施例中，所述固溶处理的温度为400℃～490℃。
在优选的实施例中，所述压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行以下处理：
固溶处理：处理温度400～490℃，处理时间2～10h；
淬水；
人工时效：处理温度120～160℃，处理时间24～48h。
相比于常规铝合金的T6热处理，本发明将固溶处理的温度降低至400～490℃，而本发明提供的压铸铝合金在该温度下能够实现有效固溶，从而提高压铸铝合金的力学性能和延展性能，同时该低温固溶条件下，可以有效降低气孔膨胀导致的产品不合格问题。
如图1和图2所示，为所述压铸铝合金经过固溶处理后的微观组织照片。
在一些实施例中，所述压铸铝合金的抗拉强度≥300MPa，屈服强度≥200MPa，断后伸长率≥6％。
在优选的实施例中，所述压铸铝合金的抗拉强度为300-420MPa，屈服强度为200-345MPa，断后伸长率为6％-12％。
需要说明的是，上述压铸铝合金的性能参数是在经过固溶处理和人工时效之后测试得到。
本发明的另一实施例提供了如上所述的压铸铝合金的制备方法，包括以下操作步骤：按照铝合金中各元素配比称取所需比例的原料，将原料混合后进行熔炼，经过除渣和精炼除气处理后，将合金熔体导入压铸机中压铸成型；或将合金熔体转变为半固态浆料后导入压铸机中压铸成型，得到压铸铝合金；
压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行固溶处理，固溶处理的温度Tsolution和Cu的含量CCu满足以下条件：
其中，Tsolution的单位为℃，CCu的单位为％。
所述原料包括含铝料、含铜料、含镁料、含锌料、含铁料和含锶料。所述原料选自含上述元素的合金或单质。
在一些实施例中，所述除渣操作中，往熔融的金属中加入铝合金除渣剂。
在一些实施例中，所述精炼除气操作中，往熔融的金属中加入精炼剂并搅拌实现精炼除气。
在一些实施例中，所述半固态浆料的制备方法为热焓平衡法、气体诱导法、机械搅拌法或电磁搅拌法，半固态浆料的固相含量为40～60％。
在一些实施例中，所述压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行以下处理：
固溶处理：处理温度400～490℃，处理时间2～10h；
淬水；
人工时效：处理温度120～160℃，处理时间24～48h。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
表1
注：表1中各配比均以重量百分比计，另外，不可避免的杂质元素总重量小于0.1％。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的压铸铝合金及其制备方法，包括以下操作步骤：
按表1所示，铝合金成分以质量含量计为：Si的含量为6.35％，Cu的含量为1.5％，Mg的含量为0.136％，Zn的含量为6.5％，Fe的含量为0.077％，Sr的含量为0.022％，余量为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质含量低于0.1％，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，在760℃～800℃下熔化铝锭，然后将各种中间合金或金属单质加入熔炼炉进行熔炼，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作，将合金熔液倒入压铸机压室中压铸成型，对成型件进行如表1所示的固溶热处理8h，淬水后在温度120～160℃下人工时效处理36h。
实施例2-4
实施例2-4用于说明本发明公开的压铸铝合金及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：
采用表1中实施例2-4所示的铝合金成分，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，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作，将合金熔液倒入压铸机压室中压铸成型，对成型件进行如表1所示的固溶热处理。
对比例1～6
对比例1～6用于对比说明本发明公开的压铸铝合金及其制备方法，包括实施例1中大部分操作步骤，其不同之处在于：
采用表1中对比例1-6所示的铝合金成分，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，往熔融的金属中加入除渣剂进行除渣操作，然后往熔融的金属中加入精炼剂进行精炼除气操作，将合金熔液倒入压铸机压室中压铸成型，对成型件进行如表1所示的固溶热处理。
性能测试
对上述实施例1-6和对比例1-3制备得到的铝合金进行如下性能测试：
拉伸强度测试：采用GBT 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法，测试屈服强度、抗拉强度、断后伸长率。
得到的测试结果填入表2。
表2
从表2的测试结果可以看出，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低温固溶处理后具有较好的力学强度，同时兼顾较好的断后伸长率，能够满足作为结构件的性能要求，其材料性能能够达到与常用铸造铝合金材料(356、357)在高温固溶后的强度持平，且本发明采用的固溶温度相较357铝合金大幅降低，可避免铸件在热处理过程中产生鼓泡，同时低温固溶也降低了固溶热处理的能耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
按照铝合金中各元素配比称取所需比例的原料，包括如下质量百分比的组分：
Si的含量为6.0～7.5％，Cu的含量为1.0～3.5％，Mg的含量为0.1～0.3％，Zn的含量为5.0～7.0％，Fe的含量为0.05～0.5％，Sr的含量为0.01～0.03％，余量为Al及其它元素，所述其他元素的总量低于0.1％；
将原料混合后进行熔炼，经过除渣和精炼除气处理后，将合金熔体导入压铸机中压铸成型；或将合金熔体转变为半固态浆料后导入压铸机中压铸成型，得到压铸铝合金；
压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行固溶处理；
固溶处理的温度Tsolution和Cu的含量CCu满足以下条件：
其中，Tsolution的单位为℃，CCu的单位为％。
2.根据权利要求1所述的压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述半固态浆料的制备方法为热焓平衡法、机械搅拌法或电磁搅拌法，半固态浆料的固相含量为40～60％。
3.根据权利要求1所述的压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述压铸铝合金在液态压铸或半固态压铸后进行以下处理：
固溶处理：处理温度400～490℃，处理时间2～10h；
淬水；
人工时效：处理温度120～160℃，处理时间24～48h。
4.一种压铸铝合金，其特征在于，由如权利要求1～3任意一项所述的压铸铝合金的制备方法制备得到。
5.根据权利要求4所述的压铸铝合金，其特征在于，所述压铸铝合金中，Cu的含量和Mg的含量满足以下条件：
10＜Cu/Mg＜14。
6.根据权利要求4所述的压铸铝合金，其特征在于，所述压铸铝合金的抗拉强度≥300MPa，屈服强度≥200MPa，断后伸长率≥6％。
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