CN115181878B - 新能源汽车用一体式压铸件铝合金及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新能源汽车用一体式压铸件铝合金及制备方法和应用，该合金包括Si：7wt％‑9wt％；Mg：0.05‑0.25wt％；Cu<0.5wt％；Zn<0.5wt％；B：0.001wt％‑0.20wt％；Ti：0.05‑0.2wt％；Mn：0.1‑0.9wt％；Fe：0.05‑0.3wt％；Sr：0.005‑0.5wt％；Ce<0.5wt％；Zr：0.01‑0.1wt%；Mo：0.001‑0.3wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt%以下，余量为Al。与现有技术相比，本发明显著提升材料的延伸率和强度，使得其抗拉强度260‑300MPa，屈服强度110‑130MPa，延伸率10‑14%。

Description

新能源汽车用一体式压铸件铝合金及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及新能源汽车，具体涉及一种新能源汽车用一体式压铸件铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
新能源汽车下车体包括前机舱、电池仓和一体式压铸后地板，一体化压铸零件通常具有尺寸大、壁厚薄和结构复杂等特点，这就对铝合金材料性能提出了更高的要求。
对于传统汽车用压铸铝合金，热处理是确保汽车零部件力学性能的必要工艺，但是，热处理会造成零部件表面缺陷和尺寸变形，使得产品良率降低，潜在成本风险巨大。因此，适用于新能源汽车一体式压铸的铝合金不能进行热处理，在免热处理条件下，由于需要兼顾碰撞、疲劳、SPR连接等要求材料具有高的韧性。目前一体式压铸结构件，最远的填充距离达到2米以上，需要材料具有优秀的铸造性能来保证优良的充型能力。未来再生材料和汽车零部件水口材料的使用，要求材料对杂质元素尤其是Fe元素拥有较高的容忍度。综上所述，适用于新能源汽车一体式压铸件高强韧压铸铝合金须具有免热处理高强韧、铸造性能优异、对杂质元素拥有较高的容忍度的特点。传统的汽车零部件用压铸铝合金已经无法满足其要求。
专利申请CN114293058A公布了一种适合于各种壁厚铸件的高强韧免热处理材料的制备方法，该合金包括：Si：5～8wt％；Mg：0.30～0.50wt％；Ti：0.05～0.20wt％；Sr：0.01～0.03wt％；Cu≤0.20wt％；Fe≤0.20wt％；Zn≤0.10wt％；Mn：0.5～0.8wt％；Nb：0.05～0.20wt％；B：0.01～0.03wt％；Cr：0.05～0.20wt％；La：0.06～0.15wt％；Ce：0.04～0.10wt％，杂质总和≤0.2wt％，其中，Si元素含量范围偏低，其流动偏差，不太合适用在新能源汽车一体式大型压铸件，对于大型压铸件离进浇口最远端部分，容易造成远端延伸偏低，专利中的Fe含量偏低，会一定程度上影响再生材料和汽车零部件水口材料的使用实现低碳目标。
专利申请CN114438377公开了一种新能源汽车用高强韧压铸铝合金及其制备方法，该合金包括以下重量百分含量的元素S i：8w t％-10wt％；Fe：0.05 -0.5wt％；Mn<1.0wt％；Mg：0.1-0.5wt％；Cu：0.1-1.0wt％；Zn<1.0wt％；Ti：0.05-0.2wt％；Sr：0.005-0.05wt％；La+Ce<0.5wt％；Mo<0.1wt％；Sc<0.05wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在0.5wt％以下。该发明采用甩带法结合高能球磨制备Al-Ti-C-B、Al-20La+Ce、Al-20Mo和Al-3Sc中间合金非晶粉状，高能球磨混合的方式，不可避免的会有杂质引入的风险，同时，以Al-Ti-C-B为细化剂，不可避免的会产生阻碍TiB2颗粒团聚、TiAl3相的尺寸长大下沉，从而影响细化剂的寿命，同时，铝合金需要通过200℃，4h热处理，使得其抗拉强度大于300MPa，屈服强度大于120MPa，延伸率15-20％，需要经过额外的热处理，带来尺寸变形，使得产品良率降低，潜在成本风险。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新能源汽车用一体式压铸件铝合金及其制备方法和应用，合金铸造性能优异、对杂质元素拥有较高的容忍度，且无需热处理即可制得低碳高强韧新能源汽车下车体产品。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种新能源汽车用一体式压铸件铝合金，该合金包括Si：7wt％-9wt％；Mg：0.05-0.25wt％；Cu<0.5wt％；Zn<0.5wt％；B：0.001wt％-0.20wt％；Ti：0.05-0.2wt％；Mn：0.1-0.9wt％；Fe：0.05-0.3wt％；Sr：0.005-0.5wt％；Ce<0.5wt％；Zr：0.01-0.1wt%；Mo：0.001-0.3wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt%以下，余量为Al。
进一步地，所述的Zr、Mn、Mo、Ti、B和Ce以Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce非晶中间合金进行添加。
进一步地，所述的非晶中间合金以下方法获得：激光蒸发制备Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce。
具体地，所述的中间合金非晶粉通过以下方法获得：同时以Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce中间合金为靶材，置于密闭腔室中，对腔室抽真空，压力降低到10-5Pa，通入100-150kPa氩气，用密度大于100kW/cm2的脉冲激光束分别照射这四种靶材，最后收集得到特定成分比例的Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce的混合非晶粉体。这样的中间合金非晶粉体,Zr、Mn、Mo、Ti和Ce元素分散均匀，平均颗粒尺寸在20-50nm，熔炼时候，可以在较低的容量温度下，使Zr、Mn、Mo、Ti和Ce在铝液中均匀分散。
本发明还提供一种新能源汽车用一体式压铸件铝合金的制备方法，包括以下步骤：
11）将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温15min；
12）升温至760℃，加入Si、Zn和Cu单质元素；
13）降温至730℃，加入到Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce的混合非晶粉体；
14）降温至710℃，加入纯Mg金属材料；
15）原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸锭。
本发明还提供一种新能源汽车用一体式压铸件铝合金的应用，即将所述铝合金铸锭进行一体式压铸成型，制成新能源汽车下车体，包括以下步骤：
21) 将铝合金铸锭在750℃再次融化并保温，保温时通入保护性气体与空气隔绝；
22)采用6600T压铸机，压铸之前，对压铸模具远端设置多个抽真空阀门，通过调节不同阀门的抽真空的气体流量，各阀门口的压力低于30mBar，实现模具从浇口近端到远端的定向气体流动，形成稳定的压差；
23) 通过压铸机冲头将步骤21）得到的熔融合金预填充在料筒内，然后压射至模具内，冲头采用铍青铜真空密封冲头，冲头外径与料筒内孔采用过渡配合，保证料筒密封不漏气，冲头外部采用雾化喷涂润滑剂和内置环形沟槽润滑装置，确保冲头充分得到润滑；
24)模具控温系统采用水温机、油温机，高压点冷装置等多种控温设备，模具温度设定在400℃，同时冲头直径加大到300mm，压射低速控制在0.15~0.3m/s，料筒预填充速度控制在0.4~0.5m/s，高速填充阶段速度提高至8m/s，实现每90kg熔融金属在200ms内在压铸模具型腔内充型完毕，从而，满足2米以上的填充距离，压铸件在模具中留模为45s；同时对后壁部位采用高压点冷装置，加速产品的凝固时间；
25) 采用仿形喷雾机对上述冷凝后的初品进行喷涂，喷涂采用仿形喷雾机，喷雾机喷头仿照产品结构，根据不同产品位置，针对性喷涂，可实现，不同喷涂位置的可变喷涂方式，并提高喷涂效率，得到一体式压铸件；
26)一体式压铸件脱模后，通过机械臂取出铸件，放入20℃恒温水浴中冷却30s，取出，静置72小时，得到新能源汽车下车体产品；
所述新能源汽车下车体的厚度为1-3mm，新能源汽车一体式压铸件的远端的抗拉强度260-300MPa，屈服强度大于110-130MPa，延伸率10-14%。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1）本发明采用激光蒸发制备非晶粉体，由于激光可以对靶材精准区域加热蒸发，在一个制备腔室中，通过先后蒸发不同的靶材，氩气保护下，不会发生氧化，通过先后蒸发，Zr、Mn、Mo、Ti和Ce已经在混合非晶粉体中混和均匀，加入铝汤，Zr、Mn、Mo、Ti和Ce在较低温度就能融化并分散均匀，防止元素偏聚的发生，避免熔炼温度较高，导致铝汤吸气和氧化严重，同时也能避免杂质元素的混入。
2）本发明采用的原料Al-Ti-B-Ce中，Ce导致铝熔体表面的活化能降低，在第二相粒子表面的铝熔体润湿程度升高，有效减小TiAl3相的尺寸和阻碍TiB2颗粒团聚，不仅充分发挥了异质形核的作用，也提高了细化作用的长效性。Ti2Al20Ce形成，相对于TiAl3，Ti2Al20Ce分解速度慢，密度接近Al液，不易下沉，在细化保温的过程中，拥有更长的存活时间, 结合铝合金的硅含量提高，有效改善铝合金的流动性，提高合金的强度。
3）本发明采用的原料中Mo和Mn的均匀分散，改变块状A12Cu相、长条状Al-Si-Cu-Ce相及黑色条片状的Mg2Si相尺寸与分布，针状Al-Si-Fe相转变成细小弥散分布的粒状Al-Si-Mn-Fe-Mo多元相，阻碍位错的运动，对合金基体有一定的钉扎强化作用，从而提高合金的强度和韧性, 提高对Fe元素的容忍度。
4）一体式压铸成型工艺中，模温400℃，留模时间45s，水冷30s的设置，增加了α-Al基体中，Mg2Si和Al2Cu的固溶度，形成过饱和固溶体，72小时静置，Mg2Si和Al2Cu通过自然时效的形式析出，从而实现了不做专门的固溶时效处理，也能到达热处理效果的铝合金强韧化。
5）本发明铝合金的硅含量较高，其流动性有所改善，同时通过非晶合金加入方式，降低合金元素烧损，提高分散均匀性，实现细化和变质效果的持久性，改善铁元素对材料的延伸率负面影响，进一步提高材料的流动性和延伸率，提高对Fe元素的容忍度，从而实现免热处理高强韧、铸造性能优异、对杂质元素拥有较高的容忍度的特点。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1-6
一种新能源汽车用一体式压铸件铝合金，包括以下表1所述百分含量的成分，余量为铝及不可避免的杂质。
所述的合金材料包括该合金包括Si：7wt％-9wt％；Mg：0.05-0.25wt％；Cu<0.5wt％；Zn<0.5wt％；B：0.001wt％-0.20wt％；Ti：0.05-0.2wt％；Mn：0.1-0.9wt％；Fe：0.05-0.3wt％；Sr：0.005-0.5wt％；Ce<0.5wt％；Zr：0.01-0.1wt%；Mo：0.001-0.3wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt%以下，余量为Al。
表1为实施例1-6的铝合金中各元素含量表以及由此制得的材料成分表
Figure 56393DEST_PATH_IMAGE001
1）按上表1备料，其中以Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce中间合金为靶材，置于密闭腔室中，对腔室抽真空，压力降低到10-5Pa，通入120kPa氩气，用密度大于100kW/cm2的脉冲激光束分别照射这四种靶材，最后收集得到特定成分比例的Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce的混合非晶粉体。这样的中间合金非晶粉体, Zr、Mn、Mo、Ti和Ce元素分散均匀，平均颗粒尺寸在20-50nm，熔炼时候，可以在较低的容量温度下，使Zr、Mn、Mo、Ti和Ce在铝液中均匀分散；
2）将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温15min；
3）升温至760℃，加入Si、Zn和Cu单质元素；
4）降温至730℃，加入到Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce的混合非晶粉体；
5）降温至710℃，加入纯Mg金属材料；
6）原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸锭。
步骤6）得到铝合金铸锭在750℃再次融化并保温，保温时通入保护性气体与空气隔绝，然后注入压铸模具，模压得到3mm厚的拉伸片试样。
所述的压铸模具为模温机，预先保持温度在250~350℃，同时，压铸机配备保温料筒，压铸时，料筒温度保持在200-250℃，采用压射速度4m/s，熔融的铝合金铸锭在20-40MPa压力下快速冷却成型；所述的拉伸片试样抗拉强度260-300MPa，屈服强度110-130MPa，延伸率10-14%。
表2为实施例1-6对应的拉伸片力学性能表
Figure 239112DEST_PATH_IMAGE002
将上述方法得到的铝合金铸锭制成新能源汽车下车体产品，以各实施例制得的铝合金铸锭为例，进行一体式压铸成型，制成新能源汽车下车体，包括以下步骤：
21) 将铝合金铸锭在750℃再次融化并保温，保温时通入保护性气体与空气隔绝；
22)采用6600T压铸机，压铸之前，对压铸模具远端设置多个抽真空阀门，通过调节不同阀门的抽真空的气体流量，各阀门口的压力低于30mBar，实现模具从浇口近端到远端的定向气体流动，形成稳定的压差；
23) 通过压铸机冲头将步骤21）得到的熔融合金预填充在料筒内，然后压射至模具内，冲头采用铍青铜真空密封冲头，冲头外径与料筒内孔采用过渡配合，保证料筒密封不漏气，冲头外部采用雾化喷涂润滑剂和内置环形沟槽润滑装置，确保冲头充分得到润滑；
24)模具控温系统采用油温机，模具温度设定在400℃，同时冲头直径加大到300mm，压射低速控制住0.2m/s，料筒预填充速度控制在0.45m/s，高速填充阶段速度提高至8m/s，实现每90kg熔融金属在200ms内在压铸模具型腔内充型完毕，从而，满足2米以上的填充距离，压铸件在模具中留模为45s；同时对后壁部位采用高压点冷装置，加速产品的凝固时间；在本实施例中模具为前机舱模具；
25) 采用仿形喷雾机对上述冷凝后的初品进行喷涂，喷涂采用仿形喷雾机，喷雾机喷头仿照产品结构，根据不同产品位置，针对性喷涂，可实现，不同喷涂位置的可变喷涂方式，并提高喷涂效率，得到一体式前机舱压铸件；
26)一体式前机舱压铸件脱模后，通过机械臂取出铸件，放入20℃恒温水浴中冷却30s，取出，静置72小时，得到新能源汽车前机舱产品。
对所得前机舱产品进行性能检测，检测过程和结果如下：以实施例3和实施例6为例，取制得的铝合金铸锭按照上述方法制得的新能源汽车前机舱产品浇口的近端和远端的不同位置的力学性能如下表3-4所示，其中编号1#、2#、3#、4#、5#和6#分别为新能源汽车前机舱产品离进浇口距离不同位置作为检测点进行力学性能检测的编号：
表3为实施例3制得的铝合金铸锭按照上述方法制得的新能源汽车前机舱产品不同位置的力学性能
Figure 222112DEST_PATH_IMAGE004
表4为实施例6制得的铝合金铸锭按照上述方法制得的新能源汽车前机舱产品不同位置的力学性能
Figure DEST_PATH_IMAGE005
从上表3-4可以看出，尽管本发明合金中铁含量较高，最高可达0.3wt%（一般车用压铸合金中Fe含量需要控制在0.15wt%以内），但是所得合金的力学性能仍能达到抗拉强度260-300MPa，屈服强度110-130MPa，延伸率10-14%，提高对Fe元素的容忍度，以此合金制得的新能源汽车前机舱产品不同位置的抗拉强度260-300MPa，屈服强度110-130MPa，延伸率10-14%，而且无需进行专门的固溶时效处理，也能到达热处理效果的铝合金强韧化，同时，远浇端，最远处离进浇口距离23000mm, 抗拉强度260-300MPa，屈服强度110-130MPa，延伸率10-14%，材料具有优秀的铸造性能来保证优良的充型能力。
本发明中抗拉强度，屈服强度和延伸率的检测按照国标GB/T 228.1-2010进行检测。

Claims (7)

1.一种新能源汽车用一体式压铸件铝合金，其特征在于，该合金包括Si：7wt％-9wt％；Mg：0.05-0.25wt％；Cu<0.5wt％；Zn<0.5wt％；B：0.001wt％-0.20wt％；Ti：0.05-0.2wt％；Mn：0.1-0.9wt％；Fe：0.05-0.3wt％；Sr：0.005-0.5wt％；Ce<0.5wt％；Zr：0.01-0.1wt％；Mo：0.001-0.3wt％；其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt％以下，余量为Al；所述的Zr、Mn、Mo、Ti、B和Ce以Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce非晶中间合金进行添加；所述的非晶中间合金通过以下方法获得：以Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce中间合金为靶材，置于密闭腔室中，对腔室抽真空，通入100-150kPa氩气，用脉冲激光束分别照射这四种靶材，最后收集得到设定成分比例的Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce的混合非晶粉体；所述的对腔室抽真空的真空度为10-5Pa，脉冲激光束的激光能量密度大于100kW/cm2。
2.一种如权利要求1所述新能源汽车用一体式压铸件铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
11)将高纯铝元素投入加热炉，加热至680℃，完全融化保温15min；
12)升温至760℃，加入Si、Zn和Cu和单质元素；
13)降温至730℃，加入Al-Zr、Al-Mn、Al-Mo和Al-Ti-B-Ce非晶中间合金；
14)降温至720℃，加入纯Mg金属材料；
15)原料全部熔化后，浇铸，得到铝合金铸锭。
3.一种新能源汽车用一体式压铸件铝合金的应用，其特征在于，将权利要求2所得铝合金铸锭进行一体式压铸成型，制成新能源汽车下车体。
4.根据权利要求3所述的新能源汽车用一体式压铸件铝合金的应用，其特征在于，所述一体式压铸成型步骤如下：
21)将铝合金铸锭在750℃再次融化并保温，保温时通入保护性气体与空气隔绝；
22)对压铸机的模具抽真空，使模具从浇口近端到远端定向气体流动，形成稳定的压差；
23)通过压铸机冲头将步骤21)得到的熔融合金预填充在料筒内，然后压射至模具内，模具温度控制在400℃，料筒预填充速度控制在0.4～0.5m/s，压射采用先低速后高速的填充方式，压射低速控制在0.15～0.3m/s，高速填充阶段速度提高至8m/s，实现每90kg熔融合金在200ms内在压铸模具型腔内充型完毕，压铸件在模具中留模为45s；同时压铸机后壁部位连接高压点冷装置，加速产品的凝固时间；
24)采用仿形喷雾机对步骤23)冷凝后的初品进行喷涂，得到一体式压铸件；
25)脱模，通过机械臂取出铸件，放入20℃恒温水浴中冷却30s，取出，静置72小时，得到新能源汽车下车体产品。
5.根据权利要求4所述的新能源汽车用一体式压铸件铝合金的应用，其特征在于，所述新能源汽车下车体的厚度为1-3mm。
6.根据权利要求4所述的新能源汽车用一体式压铸件铝合金的应用，其特征在于，所述压铸机采用6600T压铸机，压铸之前，在压铸机模具远端设置多个抽真空阀门，通过调节不同阀门的抽真空的气体流量，各阀门口的压力低于30mBar，实现模具从浇口近端到远端的定向气体流动，形成稳定的压差；
冲头采用铍青铜真空密封冲头，冲头外径与料筒内孔采用过渡配合，保证料筒密封，冲头外部采用雾化喷涂润滑剂和内置环形沟槽润滑装置，使冲头充分润滑；
模具控温系统采用水温机、油温机或高压点冷装置；
仿形喷雾机的喷头仿照产品结构，根据产品位置，针对性喷涂。
7.根据权利要求3所述的新能源汽车用一体式压铸件铝合金的应用，其特征在于，所述的新能源汽车一体式压铸件的远端的抗拉强度260-300MPa，屈服强度大于110-130MPa，延伸率10-14％。
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