CN114855033A

CN114855033A - 一种高延伸率铝合金及其制备方法

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Publication number: CN114855033A
Application number: CN202210554934.4A
Authority: CN
Inventors: 雷华均; 高仲明; 周志明; 解洪权; 杨会; 唐小刚; 杨德志; 杨浩坤; 涂坚; 王军军; 黄灿
Original assignee: CHONGQING YUJIANG DIE-CASTING CO LTD; Chongqing University of Technology
Current assignee: CHONGQING YUJIANG DIE-CASTING CO LTD; Chongqing University of Technology
Priority date: 2022-05-20
Filing date: 2022-05-20
Publication date: 2022-08-05

Abstract

本发明涉及铝合金材料技术领域，公开了一种高延伸率铝合金及其制备方法，包括如下质量分数的原料：硅6％～8％、镁0.15％～0.3％、锰0.4～1％、铁≤0.15％、锶0.01～0.03％、镧铈混合物0.1～0.25％、余量为铝及不可避免的杂质。本方案通过优化配置铝合金中的金属元素，控制合金中Fe的含量，减少脆性的针状FeAl₃含量，提升铝合金材料的延伸率，从而提升合金材料的塑性；控制Mg含量，通过Mn元素来补偿Mg元素，避免因Mg含量过高而降低合金材料的延伸率。除此之外，通过添加不同种类的稀土元素，利用稀土净化有害杂质元素、细化晶粒，达到细晶强化的目的，同时还有效改变压铸铝合金中富铁多元金属间的化合物形态，从而显著提升合金材料延伸率。

Description

一种高延伸率铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种高延伸率铝合金及其制备方法。

背景技术

铝合金具有密度小、比强度和比刚度较高、耐蚀性好及导电导热性优良、回收容易、低温性能好等特点，广泛应用于交通运输、航空航天、电子电器等领域。随着汽车市场竞争的日益激烈，铝合金因其具有密度低、强度高尤其部分甚至超过优质钢、塑性好、可加工成各种型材料，也因其具有优良的导电性、导热性和抗蚀性等特性，而使得铝合金零件成为汽车常用材料之一。例如，现有的电池隔板均采用AlSi7Mg铝合金材质，焊接在铝合金框内用于将电池隔开，以防止汽车在受到冲击时电池受到挤压、开裂，导致爆炸等安全隐患。

按质量分数百分比计，现有的AlSi7Mg铝合金含有:Si6.5～7.5％、Mg0.45～0.7％、Ti0.1～0.2％、Mn≤0.1％、Fe≤0.19％、Cu≤0.05％、Zn≤0.07％、余量为铝及不可避免的杂质；其延伸率≥7％，具有较低的延展性。由于上述AlSi7Mg铝合金的延伸率较低，因而在实际电池托盘底板成型过程中，因热胀冷缩现象，电池隔板由于延伸率低，对铝合金进行冲击试验后型材容易开裂，生产的零件无法满足高延伸率的力学性能要求，从而导致安全隐患。因此，亟需研发一种延伸率大于10％的高延伸率铝合金。

发明内容

本发明意在提供一种高延伸率铝合金，以解决现有铝合金材料延伸率低的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高延伸率铝合金，包括如下质量分数的原料：硅6％～8％、镁0.15％～0.3％、锰0.4～1％、铁≤0.15％、锶0.01～0.03％、镧铈混合物0.1～0.25％、余量为铝及不可避免的杂质。

本方案的原理及优点是：

1、与现有技术中AlSi7Mg铝合金相比，本方案所得铝合金材料通过优化配置合金中的金属元素，具有更低的镁、铁含量；如控制合金中Fe的含量，减少脆性的针状FeAl₃含量，消除Fe的有害影响，尤其是降低针状化合物对压铸铝合金基体产生割裂作用，明显地提升铝合金材料的延伸率，提升合金材料的塑性；控制Mg含量，通过Mn元素来补偿Mg元素，避免因Mg含量过高而降低延伸率；通过上述作用，本发明制备的铝合金材料除了兼具较高的热导率与优秀的力学性能，还具有较高的延伸率。

2、本发明通过添加不同种类的稀土元素，优化合金成分和组织，利用稀土净化有害杂质元素、细化晶粒，达到细晶强化的目的，同时还有效改变压铸铝合金中富铁多元金属间的化合物形态；如适量添加的混合镧-铈稀土，具备精炼、净化铝液，细化组织的功能，并且混合稀土和Si、Fe等共存于晶界处，形成Si-Fe共晶组织，改善铝合金中Si-Fe共晶组织的形态，将Si-Fe共晶的形貌由粗大的针片状转变为细小的纤维状，有效地提高合金的强度；如适量添加锶元素，可有效改变压铸铝合金中的Si共晶形态，从而有效改善材料的延伸率。申请人研究证明，本方案中镧铈稀土元素和锶元素在制备得到的铝合金中起着协同增效的作用，共同提升铝合金的延伸率，使得所得铝合金的延伸率≥11.4％，显著改善现有技术中铝合金材料因延伸率低易出现的冲压开裂而具有安全隐患的现象。

优选的，所述镧铈混合物中镧铈的混合比例为镧:铈＝7:3。采用上述方案，提前将镧铈两种稀土混合为稀土混合，使得在制备铝合金材料时，足够量的镧铈稀土混合物与铝合金原料硅铁反应生成Si-Fe共晶组织，有效改变压铸铝合金中的Si、Fe共晶形态，从而有效改善材料的延伸率。

优选的，所述杂质重量≤0.5％，包括如下质量分数的原料：钛0.11～0.16％、钙≤0.0009％、磷≤0.04％、铍≤0.0001％、锌≤0.04％、锡≤0.04％、铅≤0.04％、镍≤0.04％、铬≤0.04％。采用上述方案，显著降低杂质对铝合金材料的影响，如钙Ca可与P、Si等元素反应生成高熔点化合物，这些化合物会降低合金的流动性及补缩性能；同时Ca的存在还会导致A1₂0₃膜的破裂，增加铝液含氢量和铸件出现气孔、缩松的几率，进而影响产品的表面和内部质量。

一种高延伸率铝合金的制备方法，包括如下步骤：

S1：熔化，将工业纯铝熔化，获得熔体Ⅰ；

S2：加料、脱气，向S1所得熔体Ⅰ中依次加入原料硅、镁、锰和锶，加热搅拌熔化，获得熔体Ⅱ；

S3：精炼、除渣，向S2所得熔体Ⅱ中加入精炼剂，搅拌除渣，获得熔体Ⅲ；

S4：脱气、除渣，向S3所得熔体Ⅲ中加入镧铈混合物和精炼剂，搅拌除气、除渣，获得熔体Ⅳ；

S5：转运压铸，将S4所得熔体Ⅳ转运压铸，获得铝合金铸件。

本方案的原理及优点：

1、本方案通过控制Mg含量，以Mn含量来补偿Mg元素以提升铝合金产品的延伸率。另，Mn能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，能够有效抑制铝合金再结晶过程的出现,能够有效提高铝合金的强度；再者，Mn通过与Al形成MnAl₆化合物，有效弥散质点，对再结晶晶粒长大起阻碍作用，从而细化铝合金内部晶粒，从而使得铝合金的延伸率大大增加。MnAl₆的另一作用是能溶解杂质铁(Fe)，形成(Fe、Mn)Al₆，使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织，减小铁的有害影响。

2、本方案通过分批次添加原料进行精炼除气、除渣，有效保证铝合金熔体的均匀性和纯度，进而有效提升制备所得铝合金的延伸率和其他服役性能，提升铝合金良品率。

优选的，在S1中，还包括铁和杂质含量的检测；在S2和S3中，还包括原料含量检测和补料熔化阶段；每进行一次补料熔化，均需要加入精炼剂搅拌除气、除渣；在S5中，熔体Ⅳ转运压铸前还包括对熔体密度的检测，所述熔体密度≥2.58g/ml。

采用上述方案，实时监控熔体中的原料含量并针对性补充在精炼除渣后缺失的原料量，主要因为原料中的杂质被除去，使得原料中金属元素在熔体中含量出现偏差，一般会出现元素含量偏低的现象，需要经补料熔化添加；且在每次补料熔化后，均对熔体内新添加的杂质进行精炼、除气、除渣，有效保证熔体质量，进而提升铝合金产品的质量,使得铝合金产品具有更高的强度，如其比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性。

优选的，在S1中，所述熔化温度为650℃～750℃；在S2中，所述熔化温度为760℃～820℃；在S2和S3中，所述补料熔化温度为700℃～750℃。采用上述方案，根据不同原料的熔化性质设定熔化温度，有效节约生产成本，提升生产效率。

优选的，所述精炼剂包括如下质量份数的原料：硝酸钠18～24份、氟钛酸钾5～10份、2氯化钾33～41份、氯化锌15～20份、硫酸钠3～8份、五氯化磷10～15份、氟硼酸钠12～18份、氟化铝8～14份、碳酸钙16～22份、木炭粉10～15份。采用上述方案，使得精炼剂原料简单，降低生产成本；且本方案精炼剂有效去除各原料的杂质，获得纯度更高的熔体，进而提升铝合金产品的强度及服役性能。

优选的，在S3和S4中，所述精炼剂的添加量为熔体重量的0.1～0.3％，所述精炼时间为20～30min。采用上述方案，有效避免现有技术中因添加大量的精炼剂而导致加入其它杂质，从而影响铝合金产品的强度及其他性能。

优选的，在S2中，所述搅拌具体为在转速为500～550rpm的情况下搅拌5～8min后静置10min，重复搅拌、静置三次；在S4中，所述搅拌具体为在转速为500～550rpm的情况下搅拌5～8min。采用上述方案，低速搅拌有效避免熔体飞溅引发安全问题；同时有利于熔体内物料的搅拌分散，最终达到熔体内原料充分物料充分、高效的分散。

优选的，在S2～S4中，所述搅拌的同时向熔体内通入氮气，氮气流量为22～28L/min；在S2和S3中，所述氮气压力为0.2～0.5MPa，在S4中，所述氮气压力为0.4～0.6MPa。采用上述方案，便于熔体中的气泡在搅拌过程中随氮气聚集排出，从而达到除去熔体内气体的目的。

附图说明

图1为本发明实施例中高延伸率铝合金的制备方法的工艺流程图。

图2为本发明实施例4中铝合金延伸率测试运行的图形曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1

实施例1～5、对比例1～3(现有AlSi7Mg)在铝合金原料及含量上的差异见表1。以实施例1为例，说明一种高延伸率铝合金的原料组成及制备过程。

一种高延伸率铝合金，如下质量分数的原料：硅(Si)6％～8％、镁(Mg)0.15％～0.3％、锰(Mn)0.4～1％、铁(Fe)≤0.15％、锶(Sr)0.01～0.03％、镧铈(La-Ce)混合物0.1～0.25％、余量为铝及不可避免的杂质；杂质重量≤0.5％，包括如下质量分数的原料：钛(Ti)0.11～0.16％、钙(Ca)≤0.0009％、磷(P)≤0.04％、铍(Be)≤0.0001％、锌(Zn)≤0.04％、锡(Sn)≤0.04％、铅(Pb)≤0.04％、镍(Ni)≤0.04％、铬(Cr)≤0.04％。

本实施例各元素组成及百分含量具体包括：硅8％、镁0.3％、锰0.88％、铁0.15％、锶0.025％、镧铈混合物0.2％(镧铈比例为镧:铈＝7:3)、杂质≤0.5％，余量为铝。

本发明还提供一种高延伸率铝合金的制备方法，其制备过程如图1所示，具体制备步骤如下：

S1：备料、熔化：按质量百分比准备原料，将工业纯铝加热至700℃(可选温度范围为在650℃～750℃)熔化，获得熔体Ⅰ；

取样熔体Ⅰ进行光谱分析，测定熔体Ⅰ内的元素含量，包括各辅料(硅、锰、镁、锶)、Fe和其余杂质的含量，将Fe和其余杂质的含量控制在较小范围(Fe≦0.15％，杂质≤0.5％)；

S2：加料、脱气：向S1所得熔体Ⅰ中依次加入硅、锰、镁和锶进行合金化，加热至760℃～820℃，随后在500～550rpm的情况下搅拌5min，搅拌后静置10min再次搅拌，其中搅拌、静置共计循环三次，获得熔体Ⅱ。搅拌过程中向熔体中通入氮气，氮气压力0.2～0.5MPa。

取样熔体Ⅱ进行光谱分析，测定熔体Ⅱ内的元素含量，主要检测硅、锰、镁、锶的含量，补料后在700℃～750℃条件下熔化，通过实时监控熔体中的原料含量并针对性补充在精炼除渣后缺失的原料量，有效保证铝合金产品的质量；且在每次补料熔化后，均对熔体内新添加的杂质进行精炼、除气、除渣，有效保证熔体质量，进而提升铝合金产品的质量,使得铝合金产品具有更高的强度，如其比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性。

S3：精炼、除渣：向S2所得熔体Ⅱ中加入精炼剂，精炼剂的添加量为熔体重量的0.1～0.3％，在氮气压力0.2～0.5MPa的情况下搅拌20～30min，随后静置15～20min，充分除渣和除气后获得熔体Ⅲ。

其中精炼剂包含如下份数质量的原料：氯化钠15～25份、氯化钾15～25份、氟硅酸钠3～10份、六氟铝酸钠2～5份、碳酸钠5～15份、氟化钙3～10份；本方案中具体包含氯化钠20份、氯化钾20份、氟硅酸钠5份、六氟铝酸钠3份、碳酸钠10份、氟化钙5份，将上述原料混合配制而成白色粉末状的精炼剂，精炼剂中≥98％的粒子能通过1mm标准筛。精炼剂主要是用于清除铝液内部的氢和浮游的氧化夹渣，使熔体更纯净。

取样熔体Ⅲ进行光谱分析，测定熔体Ⅲ内的元素含量，主要检测硅、锰、镁、锶的含量，补料后在700℃～750℃条件下熔化，并重复S3步骤，对补料熔化后获得的熔体再次进行精炼，完成除渣和除气。

S4：脱气、除渣，向S3所得熔体Ⅲ中加入镧铈混合物和精炼剂，精炼剂的添加量为熔体重量的0.1～0.3％，在氮气压力0.4～0.6MPa、氮气流量为22～28L/min的情况下搅拌5～8min，搅拌后静置10min再次搅拌，其中搅拌、静置共计循环三次，获得熔体Ⅳ。

S5：转运压铸，将S4所得熔体Ⅳ进行取样检测，当熔体Ⅳ的密度≥2.58g/ml时记为合格，随后将熔体Ⅳ转运压铸，制备获得铝合金产品。

当取样检测时，熔体Ⅳ的密度≦2.58g/ml时记为不合格，需要重新开始制备。

表1实施例1～5、对比例1～3所得铝合金的原料含量差异

本方案的高延伸率铝合金的制备过程中，杂质元素的用量在权利要求所述范围内(杂质重量≤0.5％，包括如下质量分数的原料：钛0.11～0.16％、钙≤0.0009％、磷≤0.04％、铍≤0.0001％、锌≤0.04％、锡≤0.04％、铅≤0.04％、镍≤0.04％、铬≤0.04％)、精炼剂原料的用量在权利要求所述范围内(氯化钠15～25份、氯化钾15～25份、氟硅酸钠3～10份、六氟铝酸钠2～5份、碳酸钠5～15份、氟化钙3～10份)均可获得高延伸率铝合金，且获得的高延伸率铝合金的延伸率均在11.4以上。且在反应步骤S1～S5中，在铝的熔化温度650℃～750℃、辅料熔化温度760℃～820℃、补料熔化温度700℃～750℃，精炼剂添加量0.1～0.3％、精炼时间为20～30min等范围的任一组合条件下获得延伸率高于11.4的铝合金。因选择不同权利要求中所述条件制备的铝合金的延伸率变化不大，因此只选择其中一种组合反应条件说明不同原料含量对本方案所得铝合金性能的影响。

试验例：铝合金性能测试

分别对实施例1～5、对比例1～3所得铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率进行测试，测试结果如表2和图2所示。

表2实施例1～5、对比例1～3所得铝合金的性能检测结果

由表2试验数据可知：本方案所得铝合金型材相较于AlSi7Mg铝合金在抗拉强度、屈服强度及延伸率方面具有大幅提升，如本方案所得铝合金的抗拉强度≥263Mpa、屈服强度≥122Mpa、延伸率≥11.4％，显著高于现有AlSi7Mg铝合金的性能(对比例3所得铝合金的抗拉强度为240Mpa、屈服强度为106MPa、延伸率为7.5％)；说明通过Mn元素可以补偿Mg元素对铝合金延伸率造成的不良影响。而对比实施例3(实施例3所得铝合金的延伸率为12.7％)和实施例4(实施例4所得铝合金的延伸率为14.2％，如图2所示铝合金延伸率测试运行的图形曲线图)可知，当控制其余元素含量和制备工艺不变的情况下，过度的以Mn元素替代Mg元素会降低制备所得铝合金的延伸率，只有适当的控制Mg含量，通过Mn元素来补偿Mg元素，方可有效避免因Mg含量过高而导致的强度高、延伸率低的问题，从而显著提升铝合金的延伸率。

本方案所得铝合金材料通过优化配置合金中的金属元素，具有更低的镁、铁含量；如控制合金中Fe的含量，减少脆性的针状FeAl₃含量，消除Fe的有害影响，尤其是降低针状化合物对压铸铝合金基体产生割裂作用，明显地提升铝合金材料的延伸率，提升合金材料的塑性，充分满足汽车电池底板托盘的制作要求，并适应市场对抗压、抗冲击性佳及延伸率高的铝合金型材的需求。

且相对于未添加稀土元素的对比例1和对比例2，本方案铝合金的原料中添加镧铈稀土混合物制备得到的铝合金的延伸率更高、强度性能更好。是因为通过添加不同种类的稀土元素，能优化合金成分和组织；稀土元素通过净化有害杂质元素、细化晶粒等，达到细晶强化的目的，同时还有效改变压铸铝合金中富铁多元金属间的化合物形态。如适量添加的混合镧-铈稀土(实施例1～5)，因稀土元素具备精炼、净化铝液、细化晶粒组织的功能，并且混合稀土和Si、Fe等共存于晶界处，形成Si-Fe共晶组织，改善铝合金中Si-Fe共晶组织的形态，将Si-Fe共晶的形貌由粗大的针片状转变为细小的纤维状，有效地提高合金的强度。另通过对比实施例1～5与对比例2可知，适量添加锶元素可有效改变压铸铝合金中的Si共晶形态，从而有效改善材料的延伸率。申请人研究证明，本方案中镧铈稀土元素和锶元素在制备得到的铝合金中起着协同增效的作用，共同提升铝合金的延伸率，使得实施例1～5所得铝合金的延伸率≥11.4％，显著改善现有技术中铝合金材料因延伸率低易出现的冲压开裂而具有安全隐患的现象。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种高延伸率铝合金，其特征在于：包括如下质量分数的原料：硅6％～8％、镁0.15％～0.3％、锰0.4～1％、铁≤0.15％、锶0.01～0.03％、镧铈混合物0.1～0.25％、余量为铝及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高延伸率铝合金，其特征在于：所述镧铈混合物中镧铈的混合比例为镧:铈＝7:3。

3.根据权利要求2所述的一种高延伸率铝合金，其特征在于：所述杂质重量≤0.5％，包括如下质量分数的原料：钛0.11～0.16％、钙≤0.0009％、磷≤0.04％、铍≤0.0001％、锌≤0.04％、锡≤0.04％、铅≤0.04％、镍≤0.04％、铬≤0.04％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高延伸率铝合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：熔化，将工业纯铝熔化，获得熔体Ⅰ；

S5：转运压铸，将S4所得熔体Ⅳ转运压铸，获得铝合金铸件。

5.根据权利要求4所述的一种高延伸率铝合金的制备方法，其特征在于：在S1中，还包括铁和杂质含量的检测；在S2和S3中，还包括原料含量检测和补料熔化阶段；每进行一次补料熔化，均需要加入精炼剂搅拌除气、除渣；在S5中，熔体Ⅳ转运压铸前还包括对熔体密度的检测，所述熔体密度≥2.58g/ml。

6.根据权利要求5所述的一种高延伸率铝合金的制备方法，其特征在于：在S1中，所述熔化温度为650℃～750℃；在S2中，所述熔化温度为760℃～820℃；在S2和S3中，所述补料熔化温度为700℃～750℃。

7.根据权利要求6所述的一种高延伸率铝合金的制备方法，其特征在于：所述精炼剂包括如下质量份数的原料：氯化钠15～25份、氯化钾15～25份、氟硅酸钠3～10份、六氟铝酸钠2～5份、碳酸钠5～15份、氟化钙3～10份。

8.根据权利要求7所述的一种高延伸率铝合金的制备方法，其特征在于：在S3和S4中，所述精炼剂的添加量为熔体重量的0.1～0.3％，所述精炼时间为20～30min。

9.根据权利要求8所述的一种高延伸率铝合金的制备方法，其特征在于：在S2中，所述搅拌具体为在转速为500～550rpm的情况下搅拌5～8min后静置10min，重复搅拌、静置三次；在S4中，所述搅拌具体为在转速为500～550rpm的情况下搅拌5～8min。

10.根据权利要求9所述的一种高延伸率铝合金的制备方法，其特征在于：在S2～S4中，所述搅拌的同时向熔体内通入氮气，氮气流量为22～28L/min；在S2和S3中，所述氮气压力为0.2～0.5MPa，在S4中，所述氮气压力为0.4～0.6MPa。