CN115161522A - 高压铸造铝合金 - Google Patents

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Abstract

本申请公开高压铸造铝合金，所述高压铸造铝合金包括：7.0～9.0重量％的硅；0.1～0.25重量％的铁；0.15～0.35重量％的铬；0.1～0.4重量％的镁；0.05～0.15重量％的钛；0.01～0.03重量％的锶；0.01～0.3重量％的稀土，单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝，其中铬与铁的比例大于2.0:1，且不能超过3.5：1，其中铬元素和稀土之间的比例大于1.5:1小于2.5:1。

Description

高压铸造铝合金
技术领域
本发明涉及一种高压铸铝合金领域，尤其涉及一种高压铸造铝合金。
背景技术
纯电动汽车动力系统相较燃油动力系统重量增加40％左右，严重影响车身结构及相关部件的选材及布置。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。轻量化是新能源汽车提高续驶里程的必由之路。
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性及抗蚀性。铝合金材料在电动汽车上的应用日益广泛，汽车部件及行动部件，发动机及变速箱部件，空调及其部件等基本普及铝合金铸造工艺。尤其在于目前纯电动汽车结构件，从特斯拉开始用力劲6000吨压铸机压铸后底板开始，国内新能源主机厂相应开发了6000吨及以上压铸机配套的产品，因产品投影面积大，流程长，在满足填充情况下还需要满足机械性能要求。
公开号为CN110735072A的专利公开一种铝合金，该铝合金合金体系依靠铜、镁、锌三种元素均衡配比，靠长时间的自然时效性达到材料性能，强化相主要为Mg2Si、MgZn2、Al2Cu固溶强化及过剩相晶间强化，但过量的强化相在晶间产生脆性相，导致形成的材料偏脆。
目前汽车结构件，为满足后道工序SPR铆接，需要满足产品本体延伸率大于10％。市面上常见的工艺用SF36材料进行T7处理。经过T7处理后，铝合金材料的抗拉强度大于180Mpa，屈服强度大于120Mpa，且延伸率大于10％。但是在整个生产过程中，投入成本高，过程繁琐，因高压铸造过程中不可避免的会产生气孔缺陷，导致高温热处理时出现气泡，产品不合格，尤其目前兴起的6000T压铸机以上的产品，产品热处理导致一次性满足对应的物理性能的铝合金材料合格率低，成本增加。
发明内容
本发明的一个优势在于提供一种高压铸造铝合金，其中所述高压铸造的铝合金在铸态时>120MPa的拉伸屈服极限Rp0.2，同时>10.0％的断裂延伸率A，>240MPa的抗拉强度Rm，折弯角大于35度，满足汽车结构件因碰撞折弯角达到20°以上的需求，其能够用于制作结构复杂的结构件，尤其是所述高压铸造的铝合金不需要热处理还能够达到需要的性能。
本发明的一个优势在于提供一种高压铸造铝合金，其中所述高压铸造铝合金在壁厚处还能够具有高达因碰撞20°以上的折弯角，并且具有较高的硬度和塑性。
为达到上述至少一个优势，本发明提供一种高压铸造铝合金，所述高压铸造铝合金包括：
7.0～9.0重量％的硅；
0.1～0.25重量％的铁；
0.15～0.35重量％的铬；
0.1～0.4重量％的镁；
0.05～0.15重量％的钛；
0.01～0.03重量％的锶；
0.01～0.3重量％的稀土，单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝，其中铬与铁的比例大于2.0:1，且不能超过3.5：1，其中铬元素和稀土之间的比例大于1.5:1小于2.5:1。
根据本发明一实施例，铁含量为0.1～0.15重量％。
根据本发明一实施例，所述稀土的含量为0.1～0.25重量％的
根据本发明一实施例，所述稀土选自镧、铈、饵中至少一种。
根据本发明一实施例，所述高压铸造铝合金包括最多0.2重量％的铜。
根据本发明一实施例，所述高压铸造铝合金包括最多0.1重量％的锰。
根据本发明一实施例，所述高压铸造铝合金包括最多0.1重量％的镍。
根据本发明一实施例，所述高压铸造铝合金包括最多0.1重量％的锌。
根据本发明一实施例，铬与铁的比例为2.5:1，铬元素和稀土之间的比例优选为2.0:1。
附图说明
图1示出了硅元素加入的量对铸态铝合金流动性的影响的示意图。
图2示出了硅元素加入的量对铸造后铝合金的折弯角的影响的示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
所述高压铸造铝合金包括：
7.0～9.0重量％的硅；
0.1～0.25重量％的铁；
最多0.2重量％的铜；
0.15～0.35重量％的铬；
最多0.1重量％的锰；
0.1～0.4重量％的镁；
最多0.1重量％的镍；
最多0.1重量％的锌；
0.05～0.15重量％的钛；
0.01～0.03重量％的锶；
0.01～0.3重量％的稀土，单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝。
作为优选地，所述稀土选自镧、铈、饵中至少一种。
尤其值得一提的是，铬与铁的比例大于2.0:1，且不能超过3.5：1。优选地，铬与铁的比例为2.5:1，其中铬元素和稀土之间的比例大于1.5:1小于2.5:1。同样优选地，铬元素和稀土之间的比例优选为2.0:1。
值得一提的是，高压铸造铝合金中，通过加入最多0.35重量％的铬可以使高压铸造铝合金在铸造过程中，避免粘模的发生；而铬元素加入过多，会导致生成更多的Al3Cr相，导致强度增加，但是会使得铸造铝合金的延伸率降低，降低所述高压铸造铝合金的塑性，这样一来就容易使最终形成的所述高压铸造铝合金的折弯性能差，尤其在壁厚的所述高压铸造铝合金处。
此外，铬元素的加入可以避免形成粗大的片状AlFeSi相，一旦加入的铬与铁的比例没有控制好，则粗大的片状AlFeSi相势必会降低最终形成的所述高压铸造铝合金的塑性，从而使得所述高压铸造铝合金的断裂延伸率、折弯性能等机械性能无法满足对应的要求。也就是说，铬与铁的比例控制，是要同时提高铸造铝合金的铸态性能(不粘模)和铸造后的机械性能。
铁在高压铸造铝合金中的份额最多0.25重量％，铁在该范围内。优选0.1～0.15重量％。且铁含量增加能提高铸造铝合金的强度，但会降低铸造铝合金的塑性。铁含量太低，在大型结构件压铸过程中，会因铝液和模具的亲和力，而产生粘模情况。
值得一提的是，所述稀土元素的加入可以提高合金的再结晶温度，显著细化晶粒。
尤其是对于大铸件铸造铝合金的壁厚位置，稀土元素能够细化铝基体尺寸和改善铁相的形貌，提高产品的抗拉强度、延伸率及硬度。
但是加入的铬与(镧、铈、饵中至少一种稀土)比例过高，则稀土会对块状的AlFeSi相细化不充分，导致块状的AlFeSi相比例高，影响材料塑性，这样也会导致最终形成的所述高压铸造铝合金的折弯性能差；而如果比例过低，过剩的稀土会固溶进铝基体导致所述高压铸造铝合金强度增加，还是会导致所述高压铸造铝合金塑性降低，这样一来，折弯角度就无法满足要求。优选地，加入0.01～0.3重量％的镧、铈、饵中一种至少一种稀土。更优选地为0.1～0.25重量％的镧、铈、饵中至少一种稀土。
此外，在上述实施例中，所述高压铸造的铝合金中，硅在高压铸造的铝合金中的份额为7.0～9.0重量％，该区间范围内的压铸铝合金属于亚共晶铝合金，在压铸后具有优良的自然时效性和良好的流动性(附图1)，并且能兼顾折弯角(附图2)，且凝固收缩率低，铸件热裂倾向极小。
加入0.1～0.4重量％的镁、最多0.2重量％的铜、最多0.1重量％的锰、最多0.1重量％的锌都能够在制作所述高压铸造铝合金时对所述高压铸造铝合金起到强化作用，从而提高所述高压铸造的铝合金在铸态时的拉伸屈服极限Rp0.2和抗拉强度Rm。
尤其是在以上提到的所述高压铸造铝合金中，镁在所述高压铸造铝合金中的份额为0.1～0.4重量％时，镁能够增强合金的强度和硬度，因为铝硅合金中加入少量镁可以形成Mg2Si相，可以随材料性能的实用需求调整镁的具体含量，但镁含量增加的同时会降低延伸率。
据试验得知，每提高0.1％的镁含量，抗拉强度和屈服强度相应增加5Mpa～10Mpa以内，但延伸率会降低1％～2.5％。
铜在铸造铝合金中的份额为最多0.2重量％，铜与铝基体生成Al2Cu，与铝基体固溶，提高强度；适量的铜在满足腐蚀条件下，在加最多0.2重量％铜，通过现场试验，在自然时效48小时后，强度达到峰值，且经烘烤后强度提升更高。
钛在铸造铝合金中的份额为0.05～0.15重量％，钛与铝生产ALTi3，能起到细化晶粒的效果，但钛含量增加会导致铝液在静止时偏聚沉淀，并且会降低产品的疲劳强度。
而加入的锶，可对共晶硅的形态进行变质处理，避免了粗大的片状硅相产生。换句话说，加入锶后，能够形成细小的棒状共晶硅组织。由此，变质过后的共晶硅对铸件产品的机械性能影响很大，特别是能大幅提升断裂延伸率。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种高压铸造铝合金的制作方法，其中所述高压铸造铝合金的制作方法包括：
S1，熔化铝锭，并控制铝液温度控制在710～730℃之间；
其中高压铸造铝合金包括的以下组分加入：
7.0～9.0重量％的硅；
0.1～0.25重量％的铁；
0.15～0.35重量％的铬；
0.1～0.4重量％的镁；
0.05～0.15重量％的钛；
0.01～0.3重量％的稀土，单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝，其中铬与铁的比例大于2.0:1，且不能超过3.5：1，其中铬元素和稀土之间的比例大于1.5:1小于2.5:1加入所述滤液中，并通过升温铝液使加入的组分熔化；
S2，通过除气机将铝合金无钠精炼剂压入进行精炼，并在精炼时加入含0.01～0.03重量％的锶的铝锶中间合金，并精炼预定时间，以去除铝液中气体；
S3，通过测氢仪检测含气量，并在含气量达到0.15ml/100g以下时，通过铝合金高压铸造设备压铸以形成所述高压铸造免热处理的铝合金。
优选地，所述高压铸造免热处理的铝合金制作方法包括步骤：
S4，备料和炉子清理：根据合金成分比例备料，料备完炉子需要清洗干净。
值得一提的是，合金元素以纯合金或中间合金形式加入。
例如，Cu元素以Al-Cu中间合金形式加入，Si元素以单质3303硅形式加入，Mg元素以纯Mg锭形式加入，Mn元素是以Al-Mn中间合金形式加入，Ti元素以Al-Ti中间合金形式加入，Cr元素以中间合金形式加入，Sr元素以Sr中间合金形式加入，稀土元素如镧、铈、饵元素以中间合金形式加入。
在熔化铝锭中，纯铝锭表面清洁干净后，将纯铝锭和3303硅放入电阻坩埚内进行加热熔炼，铝液温度控制在710～730℃之间；
在加入中间合金中：待铝液温度达到720℃时，将烘干后的Al-Cu中间合金、镁锭、Al-Ti等其余中间合金加入到铝液中，铝液升温至740℃，保温15分钟，保证加入的中间合金全部熔化；
在精炼变质除气时，铝液温度降低至710～730℃时，开始用移动式旋转除气机将铝合金无钠精炼剂压入进行精炼，在精炼时加入铝锶中间合金，精炼预定时间。优选为10-30分钟，然后扒渣，静置。如静置1小时，静置后用在线测氢仪检测含气量，达到0.15ml/100g以下时，进行压铸，未达到要求，则继续以上精炼变质除气工艺。
压铸生产验证：
1)生产设备及辅助配件：280T力劲压铸机，自动给汤机，模温机，品牌真空机，市面上压铸结构件专用进口脱模剂，进口颗粒珠，3mm*80mm*250mm自制试片模具(图1)，50mm冲头及熔杯；
2)压铸工艺控制：压铸铝液温度控制在680-690℃，模温机温度控制在160～170℃，高速速度控制在2.7-2.9m/S，真空度控制在10～40mbar之间，增压压力65Mpa；
3)以下为不同成分配比压铸试片按照GBT228标准试片线切割后，用三思拉力机，进口引伸计测试性能。
通过上述制备工艺制作分别制作了五个实施例的所述高压铸造的铝合金，并对其性能进行检测，具体可见下表1。
表1
Figure BDA0003789644360000061
Figure BDA0003789644360000071
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的优势已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.高压铸造铝合金，其特征在于，所述高压铸造铝合金包括：
7.0～9.0重量％的硅；
0.1～0.25重量％的铁；
0.15～0.35重量％的铬；
0.1～0.4重量％的镁；
0.05～0.15重量％的钛；
0.01～0.03重量％的锶；
0.01～0.3重量％的稀土，单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝，其中铬与铁的比例大于2.0:1，且不能超过3.5：1，其中铬元素和稀土之间的比例大于1.5:1小于2.5:1。
2.根据权利要求1所述高压铸造铝合金，其特征在于，铁含量为0.1～0.15重量％。
3.根据权利要求1所述高压铸造铝合金，其特征在于，所述稀土的含量为0.1～0.25重量％。
4.根据权利要求1至3中任一所述高压铸造铝合金，其特征在于，所述稀土选自镧、铈、饵中至少一种。
5.根据权利要求1至3中任一所述高压铸造铝合金，其特征在于，所述高压铸造铝合金包括最多0.2重量％的铜。
6.根据权利要求1至3中任一所述高压铸造铝合金，其特征在于，所述高压铸造铝合金包括最多0.1重量％的锰。
7.根据权利要求1至3中任一所述高压铸造铝合金，其特征在于，所述高压铸造铝合金包括最多0.1重量％的镍。
8.根据权利要求1至3中任一所述高压铸造铝合金，其特征在于，所述高压铸造铝合金包括最多0.1重量％的锌。
9.根据权利要求1至3中任一所述高压铸造铝合金，其特征在于，铬与铁的比例为2.5:1。
10.根据权利要求1至3中任一所述高压铸造铝合金，其特征在于，铬元素和稀土之间的比例优选为2.0:1。
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