CN115305390A - 一种非热处理高强韧压铸铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非热处理高强韧压铸铝合金及其制备方法和应用，该铝合金包括以下重量百分比的各原料：Al、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Ti、Sr等。本发明中，铝合金含有较高的Si含量，不仅使结晶温度范围较小，避免产生大量缩孔、缩松，而且铝合金有良好的流动性，易于获得组织致密的铸件；Si含量略低于传统的AlSi10MnMg压铸合金的Si含量，使铸件在保证强度的同时有良好的韧性，可以满足大型薄壁复杂铸件的生产需要；控制较低的Fe含量，提升Mn含量，在提高铸件韧性的同时避免压铸件出现粘模问题；铝合金能够在铸态下达到非常高的延伸率，可配合真空压铸工艺用于生产大型薄壁车身结构件。
Description
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种非热处理高强韧压铸铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
随着汽车轻量化技术的不断进步，特别是超高真空高压铸造技术的不断完善以及超高吨位大型压铸机的出现，高压铸造铝合金车身结构件正愈来愈多地被用来代替钢板冲焊结构件。但是，采用超高真空高压铸造铝合金结构件必须首先解决以下几个问题：
1.通常的车身结构件尺寸大，结构复杂，且壁厚通常只有2-3mm，因此铝合金材料需要有优异的铸造性能；
2.铝合金车身结构件要求铝合金材料具有高延伸率及较高强度，以满足安全性能(碰撞测试)要求和零件连接要求。
目前比较常用的真空压铸AlSi10MnMg合金汽车结构件，需要经过T7热处理才能达到所需性能，在热处理过程中会出现变形与表面起泡等问题，会使大型化压铸件的后续整形难度及废品率大幅提升，而且需要进行矫正，复杂的热处理及矫正工艺，导致这类高压压铸造铝合金零件的成本很高。因此，非热处理压铸铝合金受到了行业的重视，一方面可以直接以铸态使用，从而规避上述问题，另一方面还可以降低制造成本，其开发与应用已成为研究热点。
随着新能源汽车的快速发展，汽车结构件正迅速朝着集成化、轻量化、高效率的设计与制造方向发展，如一体式压铸车身、一体式压铸副车架等。同时，随着各大主机厂对车身结构件成本降低的要求越来越强烈，采用非热处理铸造铝合金生产车身结构件设计和材料替换是必然趋势，并且随着巨型一体车身结构件应用日趋成熟，采用非热处理铸造铝合金更是必然趋势。这是因为只有使用非热处理的铝合金铸造材料才能避免热处理带来的零件变形和气泡问题。但是，汽车结构件用铝合金压铸件不同于传统压铸件，需要综合考虑其在制造过程中的连接特性以及服役过程中的整车性能，对铸态下的综合力学性能尤其是韧性要求较高，随着集成化与轻量化设计需求的不断提升，新型压铸合金的开发正朝着同时提升强度和韧性并保证良好铸造性能的方向发展，同时还需要兼顾零部件成本控制，然而目前开发的非热处理压铸铝合金尚需进一步研究和完善。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种非热处理高强韧压铸铝合金及其制备方法和应用。
为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：
一种非热处理高强韧压铸铝合金，包括以下重量百分比的各原料：
Si 8.5-9.5％、Fe 0-0.25％、Cu 0-0.2％、Mn 0.45-0.6％、Mg 0.15-0.5％、Ni 0-0.15％、Zn0-0.15％、Ti 0.05-0.55％、Sr 0-0.05％、其他杂质0-0.2％，余量为Al，上述各原料的重量百分比之和为100％。
进一步的，所述非热处理高强韧压铸铝合金的延伸率不小于10.1％，极限抗拉强度(UTS)不小于360MPa，0.2％验证应力不小于304N/mm2。
一种非热处理高强韧压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、按重量百分比计，将准备好的纯铝加入熔炼炉内，加料完成后升温至750-800摄氏度，加入Si 8.5-9.5％、Cu 0-0.2％、Fe 0-0.25％、Mn 0.45-0.6％，搅拌均匀；
步骤2)、当熔炼炉内的炉料已充分熔化，并且熔炼温度达到750摄氏度以上时加入打渣剂进行除渣；
步骤3)、待除渣结束后加入Mg 0.15-0.5％、Ni 0-0.15％、Zn 0-0.15％、Ti 0.05-0.55％、Sr 0-0.05％、其他杂质0-0.2％，静置5-20分钟，熔炼炉内的合金铝液温度达到750-780摄氏度；
步骤4)、步骤4)、加入转运包，使用氮气除气12-15分钟，合金铝液温度达到700-720摄氏度即可用于后续真空压铸；当合金铝液达到铸造温度后进行真空压铸，完成大型薄壁压铸件生产。
进一步的，真空压铸的步骤包括：
在模具上刷脱模剂→合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回，取件后喷涂脱模剂再按照合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，射杆退回后进行冲头润滑后再压射，再按照压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，取件后自检合格即可转入下道工序。
进一步的，真空压铸的工艺参数包括：
压铸机为冷室压铸机，模具为试棒模，定模温度为150±20摄氏度，动模温度为180±20摄氏度；
铸造温度为650±15摄氏度，炉膛温度为850±30摄氏度，循环时间为45±10秒，压射时间为5±2秒，一次储能时间为5±2秒，二次储能时间为为5±2秒，冷却时间为7±2秒，压射压力为150±10bar，储能压力为125±10bar，料柄厚度为25±5毫米，三速位置200±10毫米，三速开度5-6圈，增压位置270±10毫米，增压开度2-3圈，动模喷雾时间4.5±2秒，定模喷雾时间4.5±2秒，吹气时间6±2秒，压射流量60±10％。
本发明还公开了一种非热处理高强韧压铸铝合金在制备大型薄壁压铸件中的应用，尤其用于制备汽车等的大型薄壁车身结构件。
一种非热处理高强韧压铸铝合金在制备大型薄壁压铸件中的应用，所述大型薄壁压铸件通过真空压铸工艺制备得到，真空压铸时型腔内部的真空度达到90kPa，绝对压力10kPa。
进一步的，真空压铸的步骤包括：
在模具上刷脱模剂→合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回，取件后喷涂脱模剂再按照合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，射杆退回后进行冲头润滑后再压射，再按照压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，取件后自检合格即可转入下道工序。
进一步的，真空压铸的工艺参数包括：
压铸机为冷室压铸机，模具为试棒模，定模温度为150±20摄氏度，动模温度为180±20摄氏度；
铸造温度为650±15摄氏度，炉膛温度为850±30摄氏度，循环时间为45±10秒，压射时间为5±2秒，一次储能时间为5±2秒，二次储能时间为为5±2秒，冷却时间为7±2秒，压射压力为150±10bar，储能压力为125±10bar，料柄厚度为25±5毫米，三速位置200±10毫米，三速开度5-6圈，增压位置270±10毫米，增压开度2-3圈，动模喷雾时间4.5±2秒，定模喷雾时间4.5±2秒，吹气时间6±2秒，压射流量60±10％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明公开了一种非热处理高强韧压铸铝合金及其制备方法和应用，非热处理高强韧压铸铝合金可配合真空压铸工艺用于生产大型薄壁车身结构件，尤其适合制备汽车用大型薄壁压铸车身结构件，该铝合金含有较高的Si含量，不仅使结晶温度范围较小，避免产生大量缩孔、缩松，而且铝合金有良好的流动性，易于获得组织致密的铸件；同时，Si含量略低于传统的AlSi10MnMg压铸合金的Si含量，使铸件在保证强度的同时有良好的韧性，可以满足大型薄壁复杂铸件的生产需要；控制较低的Fe含量，同时适当提升Mn含量，在提高铸件韧性的同时避免压铸件出现粘模问题，同时，元素之间相配合，可生成强化相，提高合金强度；另外，真空压铸时型腔内部的真空度达到90kPa左右(绝对压力10kPa)，可以有效减少铸件内部的气孔缺陷，从而提高铸件的塑性，而且金属熔体在充型过程所遇到的背压较低，更加有利于生产大型薄壁铸件；铝合金能够在铸态下达到非常高的延伸率，满足目前国内外市场上汽车结构件经过热处理才能达到的某些特殊性能要求，例如良好的弯曲性能和自动铆接性能。
具体实施方式
下面对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
一种非热处理高强韧压铸铝合金，包括以下重量百分比的各原料：
Si 8.5-9.5％、Fe 0-0.25％、Cu 0-0.2％、Mn 0.45-0.6％、Mg 0.15-0.5％、Ni 0-0.15％、Zn0-0.15％、Ti 0.05-0.55％、Sr 0-0.05％、其他杂质0-0.2％，余量为Al，上述各原料的重量百分比之和为100％。
上述非热处理高强韧压铸铝合金，延伸率不小于10.1％，极限抗拉强度(UTS)不小于360MPa，0.2％验证应力不小于304N/mm2，可通过真空压铸工艺生产大型薄壁压铸件。
一种非热处理高强韧压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、按重量百分比计，将准备好的纯铝加入熔炼炉内，加料完成后升温至750-800摄氏度，加入Si 8.5-9.5％、Cu 0-0.2％、Fe 0-0.25％、Mn 0.45-0.6％，搅拌均匀；
步骤2)、当熔炼炉内的炉料已充分熔化，并且熔炼温度达到750摄氏度以上时加入打渣剂进行除渣；
步骤3)、待除渣结束后加入Mg 0.15-0.5％、Ni 0-0.15％、Zn 0-0.15％、Ti 0.05-0.55％、Sr 0-0.05％、其他杂质0-0.2％，静置5-20分钟，熔炼炉内的合金铝液温度达到750-780摄氏度；
步骤4)、加入转运包，使用氮气除气12-15分钟，合金铝液温度达到700-720摄氏度即可用于后续真空压铸；当合金铝液达到铸造温度后进行真空压铸，完成大型薄壁压铸件生产，真空压铸时型腔内部的真空度达到90kPa左右，绝对压力10kPa。
步骤4)中，真空压铸的工艺参数包括：
压铸机为冷室压铸机，模具为试棒模，定模温度为150±20摄氏度，动模温度为180±20摄氏度；
脱模剂型号为FUKE51，冲头油型号为JZ15202，使用频率为每模/每次，动、定模上喷涂脱模剂要适量，以防拉模，内浇口处需适当多喷，内孔处注意多喷涂，而且脱模剂等喷涂到型腔上冒水泡时即不可再喷，最终要求合模前型腔内无水珠；
铸造温度为650±15摄氏度，炉膛温度为850±30摄氏度，循环时间为45±10秒，压射时间为5±2秒，一次储能时间为5±2秒，二次储能时间为为5±2秒，冷却时间为7±2秒，压射压力为150±10bar，储能压力为125±10bar，料柄厚度为25±5毫米，三速位置200±10毫米，三速开度5-6圈，增压位置270±10毫米，增压开度2-3圈，动模喷雾时间4.5±2秒，定模喷雾时间4.5±2秒，吹气时间6±2秒，压射流量60±10％。
真空压铸工艺步骤包括：
在模具上刷脱模剂→合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回，取件后喷涂脱模剂再按照上述合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，射杆退回后进行冲头润滑后再压射，再按照上述压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，取件后自检合格即可转入下道工序。
实施例1
一种非热处理高强韧压铸铝合金，包括以下重量百分比的各原料：
Si 9％、Cu 0.05％、Fe 0.1％、Mn 0.55％、Mg 0.15％、Ni 0.15％、Zn 0.15％、Ti0.05％、Sr 0.05％、其他杂质0.2％，余量为Al，上述各原料的重量百分比之和为100％。
一种非热处理高强韧压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、按重量百分比计，将准备好的纯铝加入熔炼炉内，加料完成后升温至760摄氏度，加入Si 9％、Cu 0.05％、Fe 0.1％、Mn 0.55％，搅拌均匀；
步骤2)、当熔炼炉内的炉料已充分熔化，并且熔炼温度达到750摄氏度以上时加入打渣剂进行除渣；
步骤3)、待除渣结束后加入Mg 0.15％、Ni 0.15％、Zn 0.15％、Ti 0.05％、Sr0.05％、其他杂质0.2％，静置5-20分钟，熔炼炉内的合金铝液温度达到750摄氏度；
步骤4)、加入转运包，使用氮气除气12-15分钟，合金铝液温度达到700-720摄氏度，待合金铝液达到铸造温度后进行真空压铸，完成大型薄壁压铸件生产，真空压铸时型腔内部的真空度达到90kPa左右，绝对压力10kPa。
实施例2
一种非热处理高强韧压铸铝合金，包括以下重量百分比的各原料：
Si 8.5％、Mn 0.45％、Mg 0.15％、Ti 0.05％，余量为Al，上述各原料的重量百分比之和为100％。
上述非热处理高强韧压铸铝合金，可通过真空压铸工艺生产大型薄壁压铸件。
一种非热处理高强韧压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、按重量百分比计，将准备好的纯铝加入熔炼炉内，加料完成后升温至750-800摄氏度，加入Si 8.5％、Mn 0.45％，搅拌均匀；
步骤2)、当熔炼炉内的炉料已充分熔化，并且熔炼温度达到750摄氏度以上时加入打渣剂进行除渣；
步骤3)、待除渣结束后加入Mg 0.15％、Ti 0.05％，静置5-20分钟，熔炼炉内的合金铝液温度达到750-780摄氏度；
步骤4)、加入转运包，使用氮气除气12-15分钟，合金铝液温度达到700-720摄氏度，待合金铝液达到铸造温度后进行真空压铸，完成大型薄壁压铸件生产，真空压铸时型腔内部的真空度达到90kPa左右，绝对压力10kPa。
实施例3
一种非热处理高强韧压铸铝合金，包括以下重量百分比的各原料：
Si 9.5％、Fe 0.15％、Cu 0.2％、Mn 0.5％、Mg 0.5％、Ni 0.1％、Zn 0.05％、Ti0.55％、Sr 0.02％、其他杂质0.1％，余量为Al，上述各原料的重量百分比之和为100％。
上述非热处理高强韧压铸铝合金，可通过真空压铸工艺生产大型薄壁压铸件。
一种非热处理高强韧压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、按重量百分比计，将准备好的纯铝加入熔炼炉内，加料完成后升温至750-800摄氏度，加入Si 9.5％、Cu 0.2％、Fe 0.15％、Mn 0.5％，搅拌均匀；
步骤2)、当熔炼炉内的炉料已充分熔化，并且熔炼温度达到750摄氏度以上时加入打渣剂进行除渣；
步骤3)、待除渣结束后加入Mg 0.5％、Ni 0.1％、Zn 0.05％、Ti 0.55％、Sr0.02％、其他杂质0.1％，静置5-20分钟，熔炼炉内的合金铝液温度达到750-780摄氏度；
步骤4)、加入转运包，使用氮气除气12-15分钟，合金铝液温度达到700-720摄氏度，待合金铝液达到铸造温度后进行真空压铸，完成大型薄壁压铸件生产，真空压铸时型腔内部的真空度达到90kPa左右，绝对压力10kPa。
对实施例1所得大型薄壁压铸件取样，制成5个相同的标准6.35毫米圆形样品，分别记为：样品1、样品2、样品3、样品4、样品5，分别对5个样品进行机械性能测试，测试结果如表1所示。
表1
由表1可知，本发明的非热处理高强韧压铸铝合金的硅含量与目前最为广泛使用的铸造铝合金AlSi9Cu3的硅含量相当，具有非常好的流动性，且能够在铸态下达到非常高的延伸率，平均延伸率为11.4％，平均0.2％验证应力为313.4N/mm2，平均UTS为370.5MPa，满足目前国内外市场上汽车结构件经过热处理才能达到的某些特殊性能要求，例如良好的弯曲性能和自动铆接性能，是一款用于汽车轻量化薄壁结构件的高性能Al-Si系压铸铝合金。
本发明未具体描述的部分或结构采用现有技术或现有产品即可，在此不做赘述。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种非热处理高强韧压铸铝合金，其特征在于，包括以下重量百分比的各原料：
Si 8.5-9.5％、Fe 0-0.25％、Cu 0-0.2％、Mn 0.45-0.6％、Mg 0.15-0.5％、Ni 0-0.15％、Zn 0-0.15％、Ti 0.05-0.55％、Sr 0-0.05％、其他杂质0-0.2％，余量为Al，上述各原料的重量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种非热处理高强韧压铸铝合金，其特征在于，所述非热处理高强韧压铸铝合金的延伸率不小于10.1％，极限抗拉强度(UTS)不小于360MPa，0.2％验证应力不小于304N/mm2。
3.根据权利要求1或2所述的一种非热处理高强韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、按重量百分比计，将准备好的纯铝加入熔炼炉内，加料完成后升温至750-800摄氏度，加入Si 8.5-9.5％、Cu 0-0.2％、Fe 0-0.25％、Mn 0.45-0.6％，搅拌均匀；
步骤2)、当熔炼炉内的炉料已充分熔化，并且熔炼温度达到750摄氏度以上时加入打渣剂进行除渣；
步骤3)、待除渣结束后加入Mg 0.15-0.5％、Ni 0-0.15％、Zn 0-0.15％、Ti 0.05-0.55％、Sr 0-0.05％、其他杂质0-0.2％，静置5-20分钟，熔炼炉内的合金铝液温度达到750-780摄氏度；
步骤4)、加入转运包，使用氮气除气12-15分钟，合金铝液温度达到700-720摄氏度即可用于后续真空压铸；当合金铝液达到铸造温度后进行真空压铸，完成大型薄壁压铸件生产。
4.根据权利要求3所述的一种非热处理高强韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，真空压铸的步骤包括：
在模具上刷脱模剂→合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回，取件后喷涂脱模剂再按照合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，射杆退回后进行冲头润滑后再压射，再按照压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，取件后自检合格即可转入下道工序。
5.根据权利要求3所述的一种非热处理高强韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，真空压铸的工艺参数包括：
压铸机为冷室压铸机，模具为试棒模，定模温度为150±20摄氏度，动模温度为180±20摄氏度；
铸造温度为650±15摄氏度，炉膛温度为850±30摄氏度，循环时间为45±10秒，压射时间为5±2秒，一次储能时间为5±2秒，二次储能时间为为5±2秒，冷却时间为7±2秒，压射压力为150±10bar，储能压力为125±10bar，料柄厚度为25±5毫米，三速位置200±10毫米，三速开度5-6圈，增压位置270±10毫米，增压开度2-3圈，动模喷雾时间4.5±2秒，定模喷雾时间4.5±2秒，吹气时间6±2秒，压射流量60±10％。
6.根据权利要求1或2所述的一种非热处理高强韧压铸铝合金在制备大型薄壁压铸件中的应用。
7.根据权利要求6所述的一种非热处理高强韧压铸铝合金在制备大型薄壁压铸件中的应用，其特征在于，用于制备汽车的大型薄壁车身结构件。
8.根据权利要求6所述的一种非热处理高强韧压铸铝合金在制备大型薄壁压铸件中的应用，其特征在于，所述大型薄壁压铸件通过真空压铸工艺制备得到，真空压铸时型腔内部的真空度达到90kPa，绝对压力10kPa。
9.根据权利要求6所述的一种非热处理高强韧压铸铝合金在制备大型薄壁压铸件中的应用，其特征在于，真空压铸的步骤包括：
在模具上刷脱模剂→合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回，取件后喷涂脱模剂再按照合模→给汤→压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，射杆退回后进行冲头润滑后再压射，再按照压射→保压冷却→开模→顶出→取件→顶回→射杆退回进行操作，取件后自检合格即可转入下道工序。
10.根据权利要求6所述的一种非热处理高强韧压铸铝合金在制备汽车用大型薄壁压铸件领域中的应用，其特征在于，真空压铸的工艺参数包括：
压铸机为冷室压铸机，模具为试棒模，定模温度为150±20摄氏度，动模温度为180±20摄氏度；
铸造温度为650±15摄氏度，炉膛温度为850±30摄氏度，循环时间为45±10秒，压射时间为5±2秒，一次储能时间为5±2秒，二次储能时间为为5±2秒，冷却时间为7±2秒，压射压力为150±10bar，储能压力为125±10bar，料柄厚度为25±5毫米，三速位置200±10毫米，三速开度5-6圈，增压位置270±10毫米，增压开度2-3圈，动模喷雾时间4.5±2秒，定模喷雾时间4.5±2秒，吹气时间6±2秒，压射流量60±10％。
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| CN111500903A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-08-07 | 科曼车辆部件系统(苏州)有限公司 | 一种非热处理型高强高韧铸造铝合金及其制备方法 |
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| 南京工学院铸冶教研组: "《特种铸造》", 机械工业出版社 * |
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