CN115094281B - 一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金、制备方法及烘烤强化方法 - Google Patents

一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金、制备方法及烘烤强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金、制备方法及烘烤强化方法，压铸铝合金各元素的质量百分数为Si：5.5‑8.0％、Mg：0.2‑0.9％、Cu：0.1‑0.6％、Fe≤0.2％、Mn≤0.4％、Mo≤0.4％、Ni≤0.1％、Sn≤0.1％、Ti≤0.1％、Sr：0.01‑0.02％，余量为Al和不可避免的杂质，其中Cu元素和Mg元素的质量比值≤0.65，Mn元素与Mo元素的质量比值为1.0‑2.0，Mn元素和Mo元素质量之和与Fe元素质量比值为3.0‑6.0。且压铸铝硅合金经过备料、熔炼、精炼、压铸制备而成，无需进行热处理即可具备优异的抗拉强度、屈服强度和良好的韧性。此外本申请所制备压铸铝硅合金还可以通过烘烤进行强化，经烘烤后进一步提升压铸铝硅合金的屈服强度、抗拉强度；可用于制备车辆一体化大型压铸薄壁件，满足汽车轻量化发展需求。

Description

一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金、制备方法及烘烤 强化方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其是涉及一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金、制备方法及烘烤强化方法，可以用于制备车用一体化大型薄壁铸件。
背景技术
汽车轻量化有助于降低能耗、减少排放，契合国家“碳达峰、碳中和”的战略目标。汽车轻量化是轻量化材料、先进制造技术与结构优化设计的综合工程。与其他轻量化材料和工艺相比，铝合金压铸件不仅有助于汽车轻量化，还具有减少零件数量，简化生产和供应链环节等诸多优点。
汽车用高强高韧性压铸铝合金可以分为Al-Si系合金和Al-Mg系合金，Al-Si系相比Al-Mg系具有更优异的铸造性能，更适用于大型薄壁汽车车身结构件的生产。因此，汽车工业逐步推动高压铸造铝合金在汽车结构件上的应用，并正朝着大型、薄壁、高强、高韧的方向发展。典型的应用部位包括减震塔、后地板纵梁、尾门内板等。
目前，工业上用于制造汽车一体化压铸结构件的铝合金，还存在几个问题。比如莱茵铝业的Silafont-36(专利公开号：US6364970B1)，其压铸件的韧性不足，需要进行后续T6热处理提高强韧性，但热处理容易引起零件表面鼓泡以及尺寸变形等缺陷，尤其对于大型薄壁铸件，如何预测并控制高温固溶处理后的零件变形成为一个难题。此外还有一些合金例如申请号为CN201810497586.5的发明专利公开的一种高强韧压铸合金通过添加稀土元素铈、镧等来细化组织，提高铸件的韧性，但稀土元素产量低、成本高，难以实现大规模工业生产。国内开发的一些压铸铝合金强度通常不超过300MPa，例如申请号为CN202110651492.0公开的免热处理高强韧合金，其抗拉强度低于280MPa，只能用于部分受力较小的结构件。
应用于车身的压铸铝合金结构件在一体化压铸成型后还需要进行车漆的喷涂和烘烤处理。现有的高强韧压铸铝合金，在保证其高韧性的同时强度偏低，烘烤后其强度也难以得到提高，限制了使用范围。因此有必要开发一种高强韧可烘烤硬化的压铸铝合金。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金、制备方法及烘烤强化方法，能够解决现有压铸铝合金强存在韧性差、需热处理及成本高等问题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金，按质量百分比计，其组分包括：Si：5.5-8.0％、Mg：0.2-0.9％、Cu：0.1-0.6％、Fe≤0.2％、Mn≤0.4％、Mo≤0.4％、Ni≤0.1％、Sn≤0.1％、Ti≤0.1％、Sr：0.01-0.02％，余量为Al和不可避免的杂质；
其中，Cu元素和Mg元素的质量比值≤0.65，Mn元素与Mo元素的质量比值为1.0-2.0，Mn元素和Mo元素质量之和与Fe元素质量比值为3.0-6.0。
进一步，按质量百分比计，其组分包括：Si：5.5-7.7％、Mg：0.2-0.6％、Cu：0.1-0.4％、Fe：0.07％、Mn：0.15％、Mo：0.16％、Ni：0.03％、Sn：0.03％、Ti：0.08％、Sr：0.01-0.015％、余量为Al和不可避免的杂质；
其中，Cu元素和Mg元素的质量比值≤0.65，Mn元素与Mo元素的质量比值为1.0-2.0，Mn元素和Mo元素质量之和与Fe元素质量比值为3.0-6.0。
进一步，按质量百分比计，其组分为：Si：6.0-6.3％、Mg：0.6-0.75％、Cu：0.4-0.52％、Fe：0.1％、Mn：0.36％、Mo：0.28％、Ni：0.06％、Sn：0.04％、Ti：0.08％、Sr：0.015-0.016％、余量为Al和不可避免的杂质；
其中，Cu元素和Mg元素的质量比值≤0.65，Mn元素与Mo元素的质量比值为1.0-2.0，Mn元素和Mo元素质量之和与Fe元素质量比值为3.0-6.0。
进一步，按质量百分比计，其组分为：Si：6.5-7.1％、Mg：0.51-0.84％、Cu：0.33-0.48％、Fe：0.07％、Mn：0.12％、Mo：0.15％、Ni：0.07％、Sn：0.04％、Ti：0.08％、Sr：0.015-0.018％、余量为Al和不可避免的杂质；
其中，Cu元素和Mg元素的质量比值≤0.65，Mn元素与Mo元素的质量比值为1.0-2.0，Mn元素和Mo元素质量之和与Fe元素质量比值为3.0-6.0。
进一步，按质量百分比计，其组分为：Si：5.8-6.0％、Mg：0.4-0.5％、Cu：0.25-0.45％、Fe：0.08％、Mn：0.21％、Mo：0.17％、Ni：0.1％、Sn：0.06％、Ti：0.08％、Sr：0.015-0.017％、余量为Al和不可避免的杂质；
其中，Cu元素和Mg元素的质量比值≤0.65，Mn元素与Mo元素的质量比值为1.0-2.0，Mn元素和Mo元素质量之和与Fe元素质量比值为3.0-6.0。
一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金制备方法，包括如下步骤：
步骤1，按上述合金重量比例准备合金原料；
步骤2，将工业纯铝锭融化，随后添加其他所需合金锭，升温至所有原料全部熔化；
步骤3，对步骤2得到的熔体进行精炼除气，静置后扒除氧化夹杂，将熔体温度调整至浇注温度685-700℃。
步骤4，将步骤3所获得的熔体进行高压压铸生产，获得高强韧可烘烤强化的压铸铝硅合金。
进一步，步骤3中的所述熔体在浇铸温度685-700℃下需要保温30分钟以上，确保富铜和富铁相完全溶解。
进一步，步骤4中高压压铸的模具温度为180℃-200℃。
一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金的烘烤强化方法，上述免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金的烘烤强化工艺要求为：烘烤温度180-220℃、烘烤时间10-60min。
进一步，烘烤强化方法中的烘烤温度为200℃、烘烤时间30min。
本发明的有益效果：
本发明的压铸铝硅合金可适用于制备汽车用一体化大型薄壁压铸件，无需进行热处理即可达到使用性能要求。对于薄壁压铸件，屈服强度150-180MPa、抗拉强度290-330MPa、延伸率12％-18％。经烘烤后，压铸铝合金的屈服强度160-240MPa、抗拉强度300-370MPa、延伸率10％-16％。通过调整合金成分可以用于车身结构件，拓展了铝硅合金压铸件在车身上的应用范围。
附图说明
图1是固溶于α-Al基体中的Mg元素在后续烘烤过程中弥散析出β’相的示意图；
图2是烘烤中少量固溶于α-Al基体中的Cu元素析出为细小弥散的θ’或Q’相的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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用于解释本发明，并不用于限定本发明。
一种免热处理高强韧可烘烤强化压铸铝硅合金，按质量百分比计，其组分包括：Si：5.5-8.0％、Mg：0.2-0.9％、Cu：0.1-0.6％、Fe≤0.2％、Mn≤0.4％、Mo≤0.4％、Ni≤0.1％、Sn≤0.1％、Ti≤0.1％、Sr：0.01-0.02％，余量为Al和不可避免的杂质。
优选地，按质量百分比计，其组分包括：Si：5.5-7.7％、Mg：0.2-0.6％、Cu：0.1-0.4％、Fe：0.07％、Mn：0.15％、Mo：0.16％、Ni：0.03％、Sn：0.03％、Ti：0.08％、Sr：0.01-0.015％、余量为Al和不可避免的杂质。
优选地，按质量百分比计，其组分为：Si：6.0-6.3％、Mg：0.6-0.75％、Cu：0.4-0.52％、Fe：0.1％、Mn：0.36％、Mo：0.28％、Ni：0.06％、Sn：0.04％、Ti：0.08％、Sr：0.015-0.016％、余量为Al和不可避免的杂质。
优选地，按质量百分比计，其组分为：Si：6.5-7.1％、Mg：0.51-0.84％、Cu：0.33-0.48％、Fe：0.07％、Mn：0.12％、Mo：0.15％、Ni：0.07％、Sn：0.04％、Ti：0.08％、Sr：0.015-0.018％、余量为Al和不可避免的杂质。
优选地，按质量百分比计，其组分为：Si：5.8-6.0％、Mg：0.4-0.5％、Cu：0.25-0.45％、Fe：0.08％、Mn：0.21％、Mo：0.17％、Ni：0.1％、Sn：0.06％、Ti：0.08％、Sr：0.015-0.017％、余量为Al和不可避免的杂质。
在本申请中，免热处理高强韧可烘烤强化压铸铝硅合金(简称压铸铝硅合金)中Si元素含量控制在5.5-8.0％，即保证了合金的流动性，又可降低共晶硅相的比例，提高合金塑性。
所述压铸铝硅合金中添加0.01-0.02％的Sr元素，对共晶硅相进行变质处理，将条状硅颗粒细化为纤维状，降低对基体的割裂效果，避免应力集中导致的塑性降低。
所述压铸铝硅合金中添加小于0.1％的Ti元素，可细化晶粒，起到细晶强化的效果。
所述压铸铝硅合金中添加Mg元素主要是为了形成强化相，提高合金强度。铝硅合金中添加微量的Mg元素可以与Si形成β-Mg2Si相，提高合金强度。固溶于α-Al基体中的Mg元素在后续烘烤过程中弥散析出β’相，如图1所示，起到烘烤强化效果。
所述压铸铝硅合金中添加Cu元素是为了与Al和Mg元素结合形成θ-Al2Cu或Q-Al5Cu2Mg8Si6相，起到强化效果，提高合金强度。此外，在后续烘烤过程中，少量固溶于α-Al基体中的Cu元素将析出为细小弥散的θ’或Q’相，如图2所示，进一步提高合金强度，达到烘烤强化的目的。
本发明的压铸铝硅合金材料，控制Cu和Mg元素含量的质量比值≤0.65，主要是为了控制Cu和Mg元素形成的析出相种类。在铝硅合金中同时添加Cu和Mg元素，可能形成三种第二相：β-Mg2Si相、θ-Al2Cu相和Q-Al5Cu2Mg8Si6相。当Cu和Mg元素含量的比值>0.65时，合金形成θ-Al2Cu相和Q-Al5Cu2Mg8Si6相；当Cu和Mg元素含量的比值<0.65时，合金形成β-Mg2Si相和Q-Al5Cu2Mg8Si6相；当Cu和Mg元素含量的比值＝0.65时，合金只形成Q-Al5Cu2Mg8Si6相，且Cu和Mg总量小于1％时，合金形成细小弥散的Q-Al5Cu2Mg8Si6相，在起到强化作用的同时，避免韧性的降低。
本发明的压铸铝硅合金材料，添加小于0.2％的Fe元素是为了提高合金的脱模性能。将Fe元素含量上限设置为0.2％可提高原材料中回收铝的使用比例，降低原材料成本。
本发明的压铸铝硅合金中需要同时加入Mn和Mo元素，Mn元素与Mo元素质量比值为1.0-2.0。这是因为铝硅合金中的Fe元素会形成粗大的条状β-AlFeSi相，硬脆的β-AlFeSi相易于引起应力集中降低合金塑性。因此加入Mn元素形成α-Al15(Fe,Mn)3Si2相替代β-AlFeSi相，消除其有害作用。同时添加Mo元素，合金凝固时在枝晶内发生包晶反应，并形成大量细小的α-Al(Fe,Mo)Si弥散相，从而中和Fe元素的有害作用，同时提高材料强韧性。控制Mn和Mo元素总量与Fe元素含量的质量比值在3.0-6.0之间，可完全抑制有害的β-AlFeSi的形成。
本发明的压铸铝硅合金材料添加微量的Ni元素，能形成细小的Al3Ni金属间化合物，成为θ-Al2Cu相和Q-Al5Cu2Mg8Si6相的异质形核核心，从而细化第二相尺寸。并在后续烘烤过程中，促进纳米级θ’和Q’相的析出，起到烘烤强化的效果。
本发明的压铸铝硅合金材料需要添加微量的Sn元素，能够抑制压铸件在压铸与烘烤工序之间的存放过程中，发生自然时效，并在后续烘烤过程中促进θ’和β’沉淀相的形核，缩短人工时效时间，使合金在短时间的烘烤后即可达到最佳的强化效果。同时Sn元素的加入还能在一定程度上抑制粗大β相和Q相的形成，提高合金塑性。
本申请还提出了上述免热处理高强韧可烘烤强化压铸铝硅合金的制备方法，包括如下步骤：
备料：根据所需的化学成分，称取所需金属锭及中间合金，加热到190℃进行烘干。
熔炼：将称量好的铝锭放入石墨坩埚炉中加热至730℃重熔。升温至780℃加入所需的工艺硅，随后降温至750℃加入其他所需的合金锭，保温30分钟至原料完全熔化。
精炼：熔化完毕后，对熔体进行精炼除气。静置30min，扒除熔体液面的氧化夹杂。随后将熔体冷却至685-700℃保温30min。
压铸：将步骤(3)所获得的熔体进行高压压铸生产，浇铸温度685-700℃；模具采用水冷，控制温度180℃-200℃。
同时，本申请还提出了一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金的烘烤强化方法，将采用上述制备方法制备的免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金在180-220℃温度烘烤10-60min。
为了验证本申请发明制备的免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金的力学性能，以下结合几组具体的实验数据进行说明。
实验1
压铸铝硅合金按质量百分比计各组分为：Si 5.5％、Mg 0.9％、Cu 0.6％、Fe0.15％、Mn 0.3％、Mo 0.3％、Ni 0.08％、Sn 0.09％、Sr 0.015％、Ti 0.08％、余量为Al和不可避免的杂质。
实验2
压铸铝硅合金按质量百分比计各组分为：Si 7.7％、Mg 0.2％、Cu 0.1％、Fe0.07％、Mn 0.15％、Mo 0.16％、Ni 0.03％、Sn 0.03％、Sr 0.015％、Ti 0.08％、余量为Al和不可避免的杂质。
实验3
压铸铝硅合金按质量百分比计各组分为：Si 6.3％、Mg 0.6％、Cu 0.4％、Fe0.1％、Mn 0.36％、Mo 0.28％、Ni 0.06％、Sn 0.04％、Sr 0.015％、Ti 0.08％、余量为Al和不可避免的杂质。
实验4
压铸铝硅合金按质量百分比计各组分为：Si 6.5％、Mg 0.51％、Cu 0.33％、Fe0.07％、Mn 0.12％、Mo 0.15％、Ni 0.07％、Sn 0.04％、Sr 0.015％、Ti 0.08％、余量为Al和不可避免的杂质。
实验5
压铸铝硅合金按质量百分比计各组分为：Si 6.0％、Mg 0.4％、Cu 0.25％、Fe0.08％、Mn 0.21％、Mo 0.17％、Ni 0.1％、Sn 0.06％、Sr 0.015％、Ti 0.08％、余量为Al和不可避免的杂质。
结合以上五组实验数据可以看出，本申请提出的压铸铝硅合金相对现有的压铸铝合金在屈服强度、抗拉强度以及延伸率这些力学性能上都有明显的提升。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金，其特征在于，按质量百分比计，其组分包括：Si：5.5-8.0％、Mg：0.4-0.9％、Cu：0.1-0.25％、Fe:0.08-0.2％、Mn：0.21-0.4％、Mo：0.17-0.4％、Ni：0.1％、Sn：0.06-0.1％、Ti：0.08-0.1％、Sr：0.01-0.02％，余量为Al和不可避免的杂质；
其中，Cu元素和Mg元素的质量比值≤0.65，Mn元素与Mo元素的质量比值为1.0-2.0，Mn元素和Mo元素质量之和与Fe元素质量比值为3.0-6.0。
2.一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，按如权利要求1所述的一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金的各元素比例准备合金原料；
步骤2，将工业纯铝锭融化，随后添加其他所需合金锭，升温至所有原料全部熔化；
步骤3，对步骤2得到的熔体进行精炼除气，静置后扒除氧化夹杂，将熔体温度调整至浇注温度685-700℃；步骤3中的所述熔体在浇铸温度685-700℃下需要保温30分钟以上，确保富铜和富铁相完全溶解；
步骤4，将步骤3所获得的熔体进行高压压铸生产，获得高强韧可烘烤强化的压铸铝硅合金，步骤4中高压压铸的模具温度为180℃-200℃。
3.一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金的烘烤强化方法，其特征在于，权利要求1所述一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金的烘烤强化工艺要求为：烘烤温度180-220℃、烘烤时间10-60min。
4.根据权利要求3所述的一种免热处理可烘烤强化的压铸铝硅合金的烘烤强化方法，其特征在于，烘烤强化方法中的烘烤温度为200℃、烘烤时间30min。
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