CN114807689A

CN114807689A - 一种高导热再生压铸铝合金材料及其制备方法

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Publication number: CN114807689A
Application number: CN202210406048.7A
Authority: CN
Inventors: 赵愈亮; 宋秋福; 宋东福; 申芳华; 孙振忠; 黄石平; 贾义旺; 陈苏坚
Original assignee: Guangzhou Zhiyuan New Material Technology Co ltd; Dongguan University of Technology; Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Current assignee: Guangzhou Zhiyuan New Material Technology Co ltd; Dongguan University of Technology; Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date: 2022-04-18
Filing date: 2022-04-18
Publication date: 2022-07-29

Abstract

本发明公开了一种再生原料比例高达95％的高导热再生压铸铝合金材料，按照重量百分比计算，包括以下成分：Si 9.6～11.5％，Fe 0.75～1.1％，Mn≤0.3％，Zn≤1.0％，Mg≤0.25％，Ti≤0.1％，Cr≤0.1％，Ni≤0.1％，V≤0.1％，Cu≤2.0％，Sr＝0.03～0.05％，RE＝0.04～0.06％，B＝0.01～0.02％，杂质元素总和≤0.15％，杂质元素的单个含量≤0.05％，其余为铝。本发明制备的压铸件，其铸态的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到280～350MPa、120～150MPa、3～6％，导热系数可达到140W/(m·K)以上。

Description

一种高导热再生压铸铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种高导热再生压铸铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝合金具有比强度、比刚度高，极佳的耐蚀、导热和加工性能，以及近100％的可回收等优良特性，广泛应用于国民经济的各个领域，成为国民经济不可或缺的基础原材料之一。我国是铝产销量最大的国家，特别是电解铝产量约占全球的57％。但伴随而来的是巨大的能源消耗(碳排放)和不可逆转的环境污染。为了应对全球气候变暖和人类生存环境恶化，我国于2020年9月提出了双碳目标，旨在降低碳排放步伐，加速再生铝循环利用的技术创新，提高我国再生铝品质。

经过近十余年的快速发展，我国的再生铝回收率基本与欧美国家相近，但在再生铝品质方面仍存在较大的差异。据上海有色网统计，我国变形铝合金的保级回收利用比例仅为20％，而日本及西方发达国家则超过50％以上，造成了极大的资源浪费。此外，铸造铝合金领域除了汽车轮毂可基本保持保级回收外，其余汽车部件由于成分不尽相同，基本都会降级使用，制备ADC12、ADC10等杂质元素含量高的合金。因此，如何提高再生铝的品质和性能，对于再生铝的高效循环利用十分关键。

CN113584359A公开了一种用再生铝生产的高导热压铸铝合金材料及其制备方法。该合金所使用的材料以再生料为主，其主要成分包括Si：7.0％～11.0％，Mg：0.3％～1.0％，Fe：0.6％～0.90％，Sr：0.02％～0.06％，B≤0.03％，余量为Al，制备方法采用“硼化处理”和延长静置时间等工艺，制备的铝合金材料导热系数不低于160W/(m·k)。CN109468497A公开了一种高导热铝合金材料及废铝回收制备该材料的方法。该合金的成分包括：Si:0.5％～2％，Fe：0.6％～1.8％，Mg≤0.3％，Ni≤0.2％，余量为铝及不可避免的杂质。合金的导热系数可达到170～200W/(m·K),抗拉强度≥180MPa；布氏硬度≥70HB。上述两个专利合金涉及的元素种类较少，对废铝的质量提出了要求较高。

CN112921194B公开了一种由废铝制备高性能目标成分再生铝合金的方法，该方法以废铝为主要原材料，通过废铝的成分检测、分类、破碎、磁选除铁、加热熔化成铝合金液，对铝合金液进行成分在线检测和调配、细化变质处理、喷粉精炼除气除杂处理，最后铸造获得目标成分的再生铝合金。该专利涉及未确定的目标铝合金成分，对合金原材料和成分调整也有较高的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高导热再生压铸铝合金材料及其制备方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种高导热再生压铸铝合金材料，按照重量百分比计算，包括以下成分：

Si 9.6～11.5％，Fe 0.75～1.1％，Mn≤0.3％，Zn≤1.0％，Mg≤0.25％，Ti≤0.1％，Cr≤0.1％，Ni≤0.1％，V≤0.1％，Cu≤2.0％，Sr＝0.03～0.05％，RE＝0.04～0.06％，B＝0.01～0.02％，杂质元素总和≤0.15％，杂质元素的单个含量≤0.05％，其余为铝。

优选地，所述高导热再生压铸铝合金材料的成分中，Sr、RE以Al-Sr-RE的形式加入，Sr的质量含量为9.5～10.5％，RE的质量含量为10～20％，且RE为Ce和Er组成的混合稀土。

第二方面，本发明提供一种高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，投料：将废铝合金预热后，通过传送带投入熔化炉中；

利用烟气余热预热无法识别废铝种类和成分的原料，随后通过传送带投入熔化炉中；

步骤2，重熔：将熔化炉升温至熔融温度，保温；

步骤3，熔体成分测试：待原料完全熔化后，搅拌熔体，并取样测试熔体的合金成分；

步骤4，成分调整：通过合金成分中Si、Fe元素的测试结果，与预设的铝合金材料中Si、Fe元素含量对比，添加回收Fe料和Si锭，其余元素不做调整；

步骤5，熔体成分二次测试与转移：再次混合均匀之后第二次取样测试熔体的成分，以确保Si、Fe两种元素的含量达到设定要求，随后转移至精炼炉；

步骤6，熔体在线精炼与除气：调整熔体的温度，以高纯惰性气体为载体，添加精炼剂，进行精炼；

步骤7，细化与变质：精炼完成后，随后将Al-Sr-RE复合变质剂和Al-3B中间合金压入熔体，并轻微搅拌；

步骤8，熔体静置后扒渣，使用铸造成型设备或铸锭机铸造，获得高导热再生压铸铝合金铸件或铸锭。

优选地，所述步骤1中，废铝合金是指无法识别废铝种类和成分的原料。

优选地，所述步骤1中，预热是利用烟气的余热处理。

优选地，所述步骤2中，熔化炉的温度为750～780℃。

优选地，所述步骤6中，高纯氮气的纯度为99.00％，熔体温度为700～730℃。

优选地，所述步骤6中，精炼剂的添加量为熔体质量分数的0.1％，精炼时间15-35min。

优选地，所述步骤7中，精炼完成后熔体保温10～25min，Al-Sr-RE复合变质剂和Al-3B中间合金均经过预热，且Al-Sr-RE复合变质剂和Al-3B中间合金是使用Ti合金钟罩压入熔体中的。

优选地，所述步骤8中，熔体静置15～30min后扒渣。

本发明的有益效果为：

1、本发明以废料占比95％以上，且品位较低的再生料为原料，通过简单的成分调整，达到压铸成型对Si和Fe元素的要求，具有成本低、工艺简单的特点。经过大量的调研发现，再生铝熔体中的Si含量≥5.5％，Fe含量为0.5～1.1％。因此所添加的Si和Fe控制在4.5％之内。

2、采用Sr和RE复合变质共晶硅。为了减少Sr的烧损和吸气倾向，以及变质的时效性，本申请采用Al-Sr-RE的形式加入；为了不增加变质剂的加入量，Al-Sr-RE中Sr的含量与常用的Al-10Sr一致，同时提高RE的含量至10～20％。Sr、RE的复合添加一方面有利于进一步提高熔体的成分过冷，促进共晶硅异质形核；另一方面，吸附在共晶硅生长台阶处，抑制Si原子的迁移和长大，从而达到深度变质的目的。共晶硅的深度变质不仅有利于提高合金的强韧性，同时还可以大幅提高合金的导热系数。

3、采用加B的方式提高合金的力学性能和导热性能。B是Al-Si合金(Si≥4.0％)中有效的细化剂之一，有利于提高合金的塑性。当熔体温度降低至660℃左右时，含B的Al-Si合金将L→Al+AlB₂共晶反应，同时形成大量的细小α-Al晶核，从而达到细化晶粒的作用。为了减少Sr、B之间的毒化作用，本申请将两种元素的含量都控制在较低的水平。

此外，B的加入对于提高铸件的导热系数也有明显的提高，其主要原因是B能与部分过渡元素Cr、V、Ti等元素形成硼化物，减少过渡元素在Al基体中的溶解度，从而提高铸件的导热系数。

4、本发明制备的压铸件，其铸态的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到280～350MPa、120～150MPa、3～6％，导热系数可达到140W/(m·K)以上；T1热处理后，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到200～250MPa、100～130MPa、4-8％，导热系数不低于148W/(m·K)。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例1所制备得到的高导热再生压铸铝合金材料的金相图；

图2是本发明对比例3所制备得到的高导热再生压铸铝合金材料的金相图。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明，对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

一种高导热再生压铸铝合金材料，按照重量百分比计算，包括以下成分：

Si＝11％；Fe＝0.9％；Mn＝0.2％；Zn＝0.8％；Mg＝0.2％；Ti＝0.001％，Cr＝0.001％，Ni＝0.001％，V＝0.001％，Cu＝1.0％，Sr＝0.03％，RE＝0.05％，B＝0.015％，杂质元素总量0.12％，单个含量均低于0.05％，其余为Al。

上述高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)投料：利用烟气余热预热无法识别废铝种类和成分的原料，随后通过传送带投入熔化炉中；

(2)重熔：将熔化炉温度升至780℃，保温。

(3)熔体成分测试：待原料完全熔化后，搅拌熔体，并取样测试熔体的合金成分。

(4)成分调整：重点关注熔体中的Si、Fe元素，添加回收Fe料和Si锭，其余元素不做调整。

(5)熔体成分二次测试与转移：取样第二次测试熔体的成分，确保Si、Fe两种元素的含量达到设定要求；随后转移至精炼炉；

(6)熔体在线精炼与除气：调整熔体温度至720℃，以纯度为99.00％的高纯氩气为载体，添加质量为熔体质量分数0.1％的精炼剂，精炼时间30min。

(7)细化与变质：精炼完成后熔体保温10min，随后用Ti合金钟罩将经预热过的Al-10Sr-15RE复合变质剂和Al-3B中间压入熔体，并轻微搅拌。

(8)熔体静置20min后扒渣，直供铸造成型设备，获得高导热再生压铸铝合金铸件。

实施例2

Si＝10％；Fe＝0.80％；Mn＝0.05％；Zn＝1.0％；Mg＝0.22％；Ti＝0.05％，Cr＝0.04％，Ni＝0.001％，V＝0.001％，Cu＝0.001％，Sr＝0.03％，RE＝0.06％，B＝0.02％，杂质元素总量为0.08％,单个含量均低于0.04％，其余为Al。

(2)重熔：将熔化炉温度升至760℃，保温。

(6)熔体在线精炼与除气：调整熔体温度至710℃，以纯度为99.5％的高纯氮气为载体，添加质量为熔体质量分数0.1％的精炼剂，精炼时间25min。

(7)细化与变质：精炼完成后熔体保温15min，随后用Ti合金钟罩将经预热过的Al-10Sr-20RE复合变质剂和Al-3B中间压入熔体，并轻微搅拌。

实施例3

Si＝11.5％；Fe＝1.0％；Mn＝0.15％；Zn＝0.001％；Mg＝0.02％；Ti＝0.01％，Cr＝0.04％，Ni＝0.001％，V＝0.004％，Cu＝1.85％，Sr＝0.04％，RE＝0.05％，B＝0.01％，杂质元素含量0.15％，单个含量均低于0.05％，其余为Al。

(2)重熔：将熔化炉温度升至760℃，保温。

(6)熔体在线精炼与除气：调整熔体温度至700℃，以纯度为99.99％的高纯氩气为载体，添加质量为熔体质量分数0.1％的精炼剂，精炼时间20min。

(7)细化与变质：精炼完成后熔体保温20min，随后用Ti合金钟罩将经预热过的Al-10Sr-13RE复合变质剂和Al-3B中间压入熔体，并轻微搅拌。

(8)熔体静置30min后扒渣，直供铸锭机，获得高导热再生压铸铝合金铸锭。

实施例4

Si＝9.8％，Fe＝0.75％，Mn＝0.1％，Zn＝0.5％，Mg＝0.2％，Ti＝0.05％，Cr＝0.02％，Ni＝0.005％，V＝0.001％，Cu＝0.80％，Sr＝0.05％，RE＝0.07％，B＝0.018％，杂质元素含量0.10％；单个含量均低于0.04％，其余为Al。

(2)重熔：将熔化炉温度升至770℃，保温。

(6)熔体在线精炼与除气：调整熔体温度至720℃，以纯度为99.99％的高纯氩气为载体，添加质量为熔体质量分数0.1％的精炼剂，精炼时间20＝min。

(7)细化与变质：精炼完成后熔体保温15＝min，随后用Ti合金钟罩将经预热过的Al-10Sr-14RE复合变质剂和Al-3B中间压入熔体，并轻微搅拌。

(8)熔体静置15min后扒渣，直供铸锭机，获得高导热再生压铸铝合金铸锭。

对比例1

一种高导热再生压铸铝合金材料，制备步骤与实施例1相同，区别在于：

在制备过程中不添加细化剂和变质剂，即不进行实施例1的步骤(7)。

对比例2

在步骤(7)中只添加Al-3B细化剂，不添加Al-Sr-RE变质剂。

对比例3

在步骤(7)中只添加Al-Sr-RE细化剂，不添加Al-3B变质剂。

本发明将实施例1-4和对比例1-3制备的铝合金材料压铸成型分别对其压铸态和T1热处理后的拉伸力学性能和导热系数进行检测，结果如下表1：

表1铸件力学性能及导热系数统计表

由上表1能够看出，本发明制备的压铸件，其铸态的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到280～350MPa、120～150MPa、3～6％，导热系数可达到140W/(m·K)以上；T1热处理后，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到200～250MPa、100～130MPa、4-8％，导热系数不低于148W/(m·K)。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种高导热再生压铸铝合金材料，其特征在于，按照重量百分比计算，包括以下成分：

2.根据权利要求1所述的一种高导热再生压铸铝合金材料，其特征在于，所述高导热再生压铸铝合金材料的成分中，Sr、RE以Al-Sr-RE的形式加入，Sr的质量含量为9.5～10.5％，RE的质量含量为10～20％，且RE为Ce和Er组成的混合稀土。

3.一种权利要求1所述的高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2，重熔：将熔化炉升温至熔融温度，保温；

4.根据权利要求3所述的一种高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，废铝合金是指无法识别废铝种类和成分的原料。

5.根据权利要求3所述的一种高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，预热是利用烟气的余热处理。

6.根据权利要求3所述的一种高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，熔化炉的温度为750～780℃。

7.根据权利要求3所述的一种高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，高纯惰性气体包括氮气和/或氩气，纯度为99.00％，熔体温度为700～730℃。

8.根据权利要求3所述的一种高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，精炼剂的添加量为熔体质量分数的0.1％，精炼时间15-35min。

9.根据权利要求3所述的一种高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤7中，精炼完成后熔体保温10～25min，Al-Sr-RE复合变质剂和Al-3B中间合金均经过预热，且Al-Sr-RE复合变质剂和Al-3B中间合金是使用Ti合金钟罩压入熔体中的。

10.根据权利要求3所述的一种高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤8中，熔体静置15～30min后扒渣。