CN114774739A - 用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金及其制备方法，铝合金各组分的质量百分比为：Si 10‑12.0％，Mg 0.38‑0.50％，Mn 0.45‑0.65％，Zr 0.05‑0.12％，Er 0.05‑0.20％，Sr 0.015‑0.035％，Fe≤0.12％，Ti≤0.12％，其它杂质元素总量不超过0.2％，余量为Al，其制备方法是先进行配料、熔炼，然后进行浇铸，当铸件凝固冷却到室温取出后，将铸件放置在电阻炉进行二级固溶处理，随后进行水淬，再在17‑200℃保温0.5‑3h，即得。本发明能够获得性能优异满足复杂薄壁结构件性能要求，且后续矫形成本低的铝合金材料。

Description

用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于车用铝合金技术领域，具体涉及一种用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金的制备方法。
背景技术
汽车结构件一般为汽车的承载件或受力件，与汽车的安全性能密切相关。这类结构件需要具备良好的力学性能，特别是极佳的韧性，通常要求所用材料的断后伸长率≥8％、屈服强度≥120MPa，以满足碰撞的安全性能要求。目前，市场应用最广的高真空压铸铝合金为SF36(AlSi10MnMg)，现有技术中公开的高真空压铸合金平板试样T6热处理后性能为：抗拉强度280～320MPa、屈服强度200～260MPa、伸长率5～10％，但现有热处理方法固溶温度高，固溶时间长，铸件变形程度大，后续矫正变形程序长，成本高，若降低固溶温度则又导致最终产品的力学性能达不到要求。因此，目前急需开发一款性能优异满足结构件高性能要求，同时产品变形程度小后期矫正成本低，拥有市场竞争力的高真空压铸铝合金，满足汽车受力结构件的使用要求。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种用于高真空压铸铝合金材料及其热处理方法，本发明能够获得性能优异满足复杂薄壁结构件性能要求，且后续矫形成本低的高真空压铸铝合金材料。
本发明的技术方案为：
用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金，所述铝合金各组分的质量百分比为：Si 10-12.0％，Mg 0.38-0.50％，Mn 0.45-0.65％，Zr 0.05-0.12％，Er 0.05-0.20％，Sr0.015-0.035％， Fe≤0.12％，Ti≤0.12％，其它杂质元素总量不超过0.2％，余量为Al；所述铝合金的铝基体中分布有纳米析出相Al3Zr、Al3(Zr,Er)和Al3Er，铝基体中分布有沉淀强化相β”相。
优选地，各组分的质量百分比为：Si 10.8-11.4％，Mg 0.40-0.48％，Mn 0.56-0.62％， Zr 0.08-0.12％，Er 0.05-0.15％，Sr 0.015-0.035％，Fe≤0.12％，Ti≤0.12％，其它杂质元素总量不超过0.2％，余量为Al。
优选地，Mg/Si质量比的范围为0.03-0.048。
优选地，分布于铝基体中纳米析出相Al3Zr、Al3(Zr,Er)和Al3Er的数量密度之和为80-105个/um2；分布于铝基体的沉淀强化相β”相的数密度为1.8×10-3-2.50×10-3nm-3。
一种如权利要求1所述的用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、按铝合金材料中元素的质量百分比分别称取原料，然后进行熔炼；
S2、当铝液温度710-720℃，模具温度150-220℃左右时浇铸，得到铸件；
S3、当铸件凝固冷却到室温取出后，将铸件放置在电阻炉进行二级固溶处理，第一级固溶温度为300-450℃，保温时间为1-3h，第二级固溶温度为480-490℃，保温时间为0.5-1.5h，随后进行水淬，再在17-200℃保温0.5-3h，获得用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金材料。
优选地，S1步骤中熔炼的具体过程为：
S11、设置炉温800℃，将纯Al锭、Al10Er、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到760℃时，保温30min，然后将工业Si块加入熔体中保温30min待其完全熔化；
S12、将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
S13、成分合格后，加入AlSr中间合金，搅拌，保温20-35min；
S14、温度降至730℃，加入纯Mg，加入无钠精炼剂进行除气精炼，除气完成后静置5-15min，取成分样，若成分不合格可以再调整。
优选地，S14步骤除气精炼过程中，通入Ar气，气体流量为0.2-0.3L/min，除气10-15min。
优选地，无钠精炼剂的加入量为总投料量的0.2％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在合金中添加少量的Zr和Er元素，Zr、Er元素会形成Al3Zr、Al3(Zr,Er)和Al3Er颗粒相，能够有效提升合金的静态拉伸性能，Al3M相属于纳米级析出相，弥散分布于α-Al基体中和晶界处，起到钉扎位错的作用，从而有效提高合金拉伸性能；该合金通过二级固溶处理技术的第一级固溶处理调控Al3M纳米级析出相的尺寸和数密度，第二级固溶处理调控Mg2Si的固溶情况及Si颗粒的形貌,二级固溶处理保温后水淬，在170-220℃保温0.5-3h，最大程度保证沉淀强化相β”相的数密度，同时保证合金的延伸率，从而制备得到性能优异且适用于制备复杂薄壁结构件的铝合金材料；
(2)本发明限定Si元素的含量，保证合金的压铸性能，同时在合金中限制Mg/Si质量比，最大程度提高合金的强度同时保证合金的延伸率，本发明在提高合金性能的同时由于热处理工艺的改善减少了产品鼓泡变形的风险，降低了产品后续矫形的成本。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为实施例1制得的铝合金材料的扫描电镜照片；
图2为实施例1制得的铝合金材料透射电镜组织照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1
用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金各组分的质量百分比为：Si 10％，Mg0.38％， Mn 0.45％，Zr 0.05％，Er 0.07％，Ti 0.1％，Sr 0.015％，Fe 0.089％,其它杂质元素不超过 0.2％，Al为余量。
该铝合金的制备方法包括如下步骤：
S1、按铝合金材料中元素的质量百分比分别称取原料，然后进行熔炼；
熔炼的具体过程为：
S11、设置炉温800℃，将纯Al锭、Al10Er中间合金、Al10Zr中间合金放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到760℃时，保温30min，然后将工业纯Si块加入熔体中保温30min 待其完全熔化；
S12、将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣
S13、成分合格后，加入AlSr中间合金，搅拌，保温25min；
S14、温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，除气15min，除气完成后静置10min；
S2、当铝液温度710℃，模具温度为150℃左右时浇铸；
S3、当材料凝固冷却到室温取出后，将铸件放置在电阻炉进行二级固溶处理，第一级固溶温度为350℃，保温时间为2h，第二级固溶温度为480℃，保温时间为1.5h，随后进行水淬，再在180℃保温3h，获得用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金材料，其中铝合金中的铁为杂质，来源于原料铝锭、Al10Er、Al10Zr和AlSr中间合金，熔炼过程，需要控制原料纯度。
实施例2
用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金各组分的质量百分比为：Si 10％，Mg0.45％，Mn 0.48％，Zr 0.08％，Er 0.09％，Ti 0.1％，Sr 0.02％，Fe 0.11％,其它杂质元素不超过0.2％， Al为余量。
该铝合金的制备方法包括如下步骤：
S1、按铝合金材料中元素的质量百分比分别称取原料，然后进行熔炼；
熔炼的具体过程为：
S11、设置炉温800℃，将纯Al锭、Al10Er中间合金、Al10Zr中间合金放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到760℃时，保温30min，然后将工业纯Si块加入熔体中保温30min 待其完全熔化；
S12、将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣
S13、成分合格后，加入AlSr中间合金，搅拌，保温30min；
S14、温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，除气12min，除气完成后静置5min；
S2、当铝液温度710℃，模具温度为170℃左右时浇铸；
S3、当材料凝固冷却到室温取出后，将铸件放置在电阻炉进行二级固溶处理，第一级固溶温度为350℃，保温时间为2.5h，第二级固溶温度为485℃，保温时间为0.5h，随后进行水淬，再在220℃保温35min，获得用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金材料，其中铝合金中的铁为杂质，来源于原料铝锭、Al10Er、Al10Zr和AlSr中间合金，熔炼过程，需要控制原料纯度。
实施例3
用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金各组分的质量百分比为：Si 11.5％，Mg0.50％， Mn 0.60％，Zr 0.1％，Er 0.15％，Ti 0.1％，Sr 0.028％，Fe 0.09％,其它杂质元素不超过 0.2％，Al为余量。
该铝合金的制备方法包括如下步骤：
S1、按铝合金材料中元素的质量百分比分别称取原料，然后进行熔炼；
熔炼的具体过程为：
S11、设置炉温800℃，将纯Al锭、Al10Er中间合金、Al10Zr中间合金放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到760℃时，保温30min，然后将工业纯Si块加入熔体中保温30min 待其完全熔化；
S12、将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣
S13、成分合格后，加入AlSr中间合金，搅拌，保温28min；
S14、温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，除气15min，除气完成后静置10min；
S2、当铝液温度710℃，模具温度为180℃左右时浇铸；
S3、当材料凝固冷却到室温取出后，将铸件放置在电阻炉进行二级固溶处理，第一级固溶温度为400℃，保温时间为2h，第二级固溶温度为490℃，保温时间为2h，随后进行水淬，再在200℃保温1h，获得用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金材料，其中铝合金中的铁为杂质，来源于原料铝锭、Al10Er、Al10Zr和AlSr中间合金，熔炼过程，需要控制原料纯度。
实施例4
用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金各组分的质量百分比为：Si 12.0％，Mg0.48％， Mn 0.65％，Zr 0.12％，Er 0.1％，Ti 0.1％，Sr 0.035％，Fe 0.11％,其它杂质元素不超过 0.2％，Al为余量。
该铝合金的制备方法包括如下步骤：
S1、按铝合金材料中元素的质量百分比分别称取原料，然后进行熔炼；
熔炼的具体过程为：
S11、设置炉温800℃，将纯Al锭、Al10Er中间合金、Al10Zr中间合金放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到760℃时，保温30min，然后将工业纯Si块加入熔体中保温30min 待其完全熔化；
S12、将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
S13、成分合格后，加入AlSr中间合金，搅拌，保温20min；
S14、温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，除气15min，除气完成后静置10min；
S2、当铝液温度710℃，模具温度为180℃左右时浇铸；
S3、当材料凝固冷却到室温取出后，将铸件放置在电阻炉进行二级固溶处理，第一级固溶温度为430℃，保温时间为1.2h，第二级固溶温度为490℃，保温时间为0.5h，随后进行水淬，再在185℃保温1.5h，获得用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金材料，其中铝合金中的铁为杂质，来源于原料铝锭、Al10Er、Al10Zr和AlSr中间合金，熔炼过程，需要控制原料纯度。
对比例1
本对比例制备的铝合金为SF36合金(AlSi10MnMg)，其各组分的质量百分比为：Si10.1％，Mg 0.35％，Mn 0.65％，Ti 0.12％，Sr 0.035％，其它杂质元素总量不超过0.2％，Al余量。
该铝合金的制备方法包括如下步骤：
1)、设置炉温800℃，将纯Al锭放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到760℃时，保温30min，然后将工业纯Si块加入熔体中保温30min待其完全熔化；
2)、将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
3)、成分合格后，加入AlSr中间合金，搅拌，保温30min；
4)、温度降至730℃，加入纯Mg，加入总投料质量0.2％的无钠精炼剂，通入Ar气，除气15min，除气完成后静置10min；
5)、当铝液温度710℃，模具温度为200℃左右时浇铸；
6)、当材料凝固冷却到室温取出后，放置在电阻炉480℃保温4h后水淬，之后在155℃保温5h，获得所述的压铸铝合金材料。
对比例2
本对比例制备的铝合金各组分的质量百分比为：Si 9％，Mg 0.3％，Mn 0.8％，Ni0.12％， Sr 0.015％，Fe 0.1％，Al余量。
该铝合金的制备方法包括如下步骤：
1)、将原料预热至200℃，将预热后的纯铝投入熔炼炉中熔炼，加入AlSi中间合金、AlMn中间合金、纯Ni，最后将纯Mg和AlSr中间合金、加入熔炼炉并搅拌至完全熔化，熔化后精炼；
2)、对精炼后的熔体进行成分检测、密度检测、含渣量检测合格后，模具温度预热200℃，进行浇铸，浇铸温度690℃；
3)、将合金进行T6热处理，固溶温度490℃，时间3h，时效温度170℃，时间3h，获得压铸铝合金材料，该压铸铝合金中铁为杂质，来源于原料铝锭、AlSi、AlMn和AlSr中间合金，熔炼过程，需要控制原料纯度。
将实施例1-3和对比例1-2制得的合金材料制成板片拉伸试样、按照国家标准GB/T228.2-2015测试室温力学性能测试，具体结果如表1所示。
表1
Figure RE-GDA0003697641960000061
Figure RE-GDA0003697641960000071
本发明经热处理得到的铝合金的抗拉强度310-341Mpa，屈服强度265-290Mpa，延伸率10.9-13.5％，力学性能明显由于现有的SF36-AlSi10MnMg合金材料，同时后续变形程度小，特别适用于制备复杂薄壁结构件，其中实施例1所制备的铝合金材料的扫描电镜和透射电镜组织照片如图1和图2所示，本发明在合金中添加少量的Zr和Er元素，Zr、Er 元素会形成Al3Zr、Al3(Zr,Er)和Al3Er颗粒相，能够有效提升合金的静态拉伸性能，Al3M 相属于纳米级析出相，弥散分布于α-Al基体中和晶界处，该合金通过二级固溶处理技术的第一级固溶处理调控Al3M纳米级析出相的尺寸和数密度，第二级固溶处理调控Mg2Si 的固溶情况及Si颗粒的形貌,二级固溶处理保温后水淬，在170-220℃保温0.5-3h，最大程度保证沉淀强化相β”相的数密度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金，其特征在于，所述铝合金各组分的质量百分比为：Si 10-12.0％，Mg 0.38-0.50％，Mn 0.45-0.65％，Zr 0.05-0.12％，Er 0.05-0.20％，Sr 0.015-0.035％，Fe≤0.12％，Ti≤0.12％，其它杂质元素总量不超过0.2％，余量为Al；所述铝合金的铝基体中分布有纳米析出相Al3Zr、Al3(Zr,Er)和Al3Er，铝基体中分布有沉淀强化相β”相。
2.根据权利要求1所述的用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金，其特征在于，各组分的质量百分比为：Si 10.8-11.4％，Mg 0.40-0.48％，Mn 0.56-0.62％，Zr 0.08-0.12％，Er 0.05-0.15％，Sr 0.015-0.035％，Fe≤0.12％，Ti≤0.12％，其它杂质元素总量不超过0.2％，余量为Al。
3.根据权利要求1或2所述的用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金，其特征在于，Mg/Si质量比的范围为0.03-0.048。
4.根据权利要求1或2所述的用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金，其特征在于，分布于铝基体中纳米析出相Al3Zr、Al3(Zr,Er)和Al3Er的数量密度之和为80-105个/um2；分布于铝基体的沉淀强化相β”相的数密度为1.8×10-3-2.50×10-3nm-3。
5.一种如权利要求1所述的用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按铝合金材料中元素的质量百分比分别称取原料，然后进行熔炼；
S2、当铝液温度710-720℃，模具温度150-220℃左右时浇铸，得到铸件；
S3、当铸件凝固冷却到室温取出后，将铸件放置在电阻炉进行二级固溶处理，第一级固溶温度为300-450℃，保温时间为1-3h，第二级固溶温度为480-490℃，保温时间为0.5-1.5h，随后进行水淬，再在17-200℃保温0.5-3h，获得用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金材料。
6.根据权利要求5所述的用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金的制备方法，其特征在于，S1步骤中熔炼的具体过程为：
S11、设置炉温800℃，将纯Al锭、Al10Er、Al10Zr放置于熔炼炉内熔化，铝液温度达到760℃时，保温30min，然后将工业Si块加入熔体中保温30min待其完全熔化；
S12、将铝液温度保持为760℃，向铝液中加入Mn剂和Ti剂，搅拌，扒渣；
S13、成分合格后，加入AlSr中间合金，搅拌，保温20-35min；
S14、温度降至730℃，加入纯Mg，加入无钠精炼剂进行除气精炼，除气完成后静置5-15min。
7.根据权利要求6所述的用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金的制备方法，其特征在于，S14步骤除气精炼过程中，通入Ar气，气体流量为0.2-0.3L/min，除气10-15min。
8.根据权利要求6所述的用于高真空压铸复杂薄壁结构件的铝合金的制备方法，其特征在于，无钠精炼剂的加入量为总投料量的0.2％。
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