CN115305392B - 高强韧性压铸铝硅合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强韧性压铸铝硅合金及其制备方法和应用，该高强韧性压铸铝硅合金包括：7～11wt％的硅、0.1～0.6wt％的锰、0.1～0.4wt％的钒、0.05～0.2wt％的锆、0.05～0.5wt％的镁、0.05～0.5wt％的锌、0.05～0.3wt％的铬、0.05～0.2wt％的钛、0.01～0.08wt％的锶、不大于0.2wt％的铁、不大于0.1wt％的不可避免夹杂物，以及余量的铝。由此，通过综合调整硅、锰、钒、锆、镁、锌、铬、钛、锶和铝的含量，改变了铝硅合金体系中的富铁相的形状，减小了富铁相的尺寸和数量，使得该铝硅合金具有较高的强度、延伸率和韧性，保障了热处理的可行性，进而具有更高的力学性能且生产成本降低。
Description
技术领域
本发明属于金属合金制备及开发应用技术领域，具体涉及一种高强韧性压铸铝硅合金及其制备方法和应用。
背景技术
考虑到燃油效率和环保需要，轻量化的车身设计成为了汽车行业的发展趋势，受到了政府和企业的高度重视和支持，使得汽车零部件的轻量化研发和设计成为了汽车公司亟待解决关键核心技术。铝合金作为性能优异的轻合金，在汽车零部件上面的应用是在逐年增加，因此，掌握汽车用铝技术，成为了许多汽车公司获取竞争优势、占据汽车市场主导地位的重要途径。但是受铝合金材料自身性能的局限，铝合金很难应用在受载荷较大的零部件上，这也让铝合金材料的局限性阻碍了全铝车身的设计。为加快汽车轻量化的进程，开发高性能的铝合金材料具有十分高的应用价值。压铸工艺作为一种快速成型的工艺，已经在汽车零部件上得到了非常广泛的应用。压铸后零部件质量高，表面粗糙度小，不需要进一步的机加工。但是在压铸过程中，由于高速的充型，使得压铸件中存在很多大尺寸的孔洞，影响最终零部件的机械性能。高真空压铸技术的应用极大降低了孔隙率，使得铝合金材料的性能大幅度提高，也为高性能的铝合金材料开发创造了有利的条件。
铁元素作为杂质元素，在压铸熔炼过程中极易引入，其去除难度大，成本高。虽然在压铸过程中铁元素能够促进铸件从型腔中脱模，增加模具寿命，但是在凝固过程中，液相中的铁元素极易与铝元素和硅元素形成粗大的针状富铁相，降低压铸态铝硅合金的力学性能。压铸态亚共晶铝硅合金中，改善富铁相的方法是添加微量元素如锰，锶和钴等。其中，大部分商业合金所采用的方法是采用高的锰含量来优化富铁相，把针状富铁相转变为块状富铁相。但是锰元素添加会导致压铸过程中在压室形成粗大块状富铁相，同样会降低力学性能。
因此，现有的铝硅合金有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种高强韧性压铸铝硅合金及其制备方法和应用。该高强韧性压铸铝硅合金是针对THAS-2合金成分体系中富铁相粗大进一步优化提出的，相比于THAS-2合金，该压铸铝硅合金在高强度的基础上，进一步增加了延伸率，而且能保障热处理的可行性，该合金热处理后具有更高的力学性能。
本发明是基于发明人的以下发现提出的：
相比于THAS-2合金(即专利申请号为202010270476.2要求保护的铝硅合金)中将铬作为不可避免夹杂物除去，本申请控制不可避免夹杂物(选自钙、铜和磷中的至少一种)的总量不大于0.1wt％，并且在THAS-2合金的基础上额外添加0.05～0.3wt％的铬元素，降低了锰元素的含量，降低了成本较高的锆元素而添加成本较低的钛元素，同时增大了镁元素和锌元素的范围。在铬元素，锰元素和钒元素的协同配合作用下，不仅可以优化富铁相形貌，减小富铁相的尺寸，而且合金成分优化后可以降低成本，保证强度的同时增加压铸铝硅合金的韧性。
为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种高强韧性压铸铝硅合金，根据本发明的实施例，该高强韧性压铸铝硅合金包括：7～11wt％的硅、0.1～0.6wt％的锰、0.1～0.4wt％的钒、0.05～0.2wt％的锆、0.05～0.5wt％的镁、0.05～0.5wt％的锌、0.05～0.3wt％的铬、0.05～0.2wt％的钛、0.01～0.08wt％的锶、不大于0.2wt％的铁、不大于0.1wt％的不可避免夹杂物，以及余量的铝。
由此，通过按照上述各元素含量范围配比得到铝硅合金，其中，通过调整铬、锰和钒的含量，使铬元素、锰元素和钒元素能够相互协同配合，共同发挥机制，从而优化了富铁相形貌，减少压室初生富铁相数量和尺寸，进而提高力学性能，同时该铝硅合金中，加入相对低成本的钛元素，用钛元素弥补部分高成本锆元素所发挥的作用，进而降低合金成本。由此，本申请通过综合调整硅、锰、钒、锆、镁、锌、铬、钛、锶和铝的含量，改变了铝硅合金体系中的富铁相的形状，减小了富铁相的尺寸和数量，使得该铝硅合金具有较高的强度、延伸率和韧性，保障了热处理的可行性，进而具有更高的力学性能且生产成本降低。具体的，该高强韧性压铸铝硅合金的屈服强度可达150～170MPa，抗拉强度可达300～320MPa，延伸率可达10～17％。
根据本发明的实施例，所述高强韧性压铸铝硅合金包括：7.6～9.2wt％的硅、0.25～0.35wt％的锰、0.15～0.25wt％的钒、0.05～0.15wt％的锆、0.25～0.40wt％的镁、0.15～0.25wt％的锌、0.05～0.15wt％的铬、0.05～0.15wt％的钛和0.01～0.045wt％的锶。由此，该铝硅合金具有较高的强度、延伸率和韧性。
根据本发明的实施例，所述不可避免夹杂物包括钙、铜和磷中的至少一种。
在本发明的再一个方面，本发明提出了制备上述高强韧性压铸铝硅合金的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)按质量分数分别称取硅、锰、钒、锆、镁、锌、铬、钛、锶和铝混合后进行熔炼，以便得到金属液；
(2)对所述金属液进行高压压铸，以便得到高强韧性压铸铝硅合金。
由此，本申请方法通过将上述含量范围内配比铝硅合金的各元素混合后进行熔炼，然后进行高压压铸，其中，铬元素、锰元素和钒元素能够相互协同配合，共同发挥机制，从而优化了富铁相形貌，减少压室初生富铁相数量和尺寸，进而提高力学性能，同时该铝硅合金中，加入相对低成本的钛元素，用钛元素弥补部分高成本锆元素所发挥的作用，进而降低合金成本。由此，采用本申请的方法可以制备得到上述具有优异强度、韧性和延伸率的高强韧性压铸铝硅合金。具体的，该高强韧性压铸铝硅合金的屈服强度可达150～170MPa，抗拉强度可达300～320MPa，延伸率可达10～17％。
另外，根据本发明上述实施例的制备高强韧性压铸铝硅合金的方法还具有如下附加技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述压铸工艺参数包括：模具型腔内的真空度不大于10KPa，熔体浇注温度为660～730℃，模具温度120～200℃，低速压射速度为0.05～0.2m/s，高速压射速度为1～2.75m/s，增压压力为79～87MPa。
在本发明的一些实施例中，该方法还包括对铝硅合金依次进行固溶处理和时效处理。
在本发明的一些实施例中，固溶时间不高于45分钟，固溶温度400～460℃。
在本发明的一些实施例中，时效时间不高于45分钟，时效温度180～230℃。
本发明的另一个方面，本发明提供了一种铝硅合金部件。根据本发明的实施例，所述铝硅合金部件具有上述的高强韧性压铸铝硅合金或采用上述的方法制备得到的高强韧性压铸铝硅合金；或者，所述铝硅合金部件的至少一部分由上述的高强韧性压铸铝硅合金或采用上述的方法制备得到的高强韧性压铸铝硅合金再加工得到。由此，该铝硅合金部件采用上述具有较高的强韧性和较好的延伸率的高强韧性压铸铝硅合金来形成铝硅合金部件，不仅有利于延长铝硅合金部件的使用寿命，还能使其满足更高的力学性能要求，能够更广泛应用于汽车、高速列车及大飞机制造等领域。
本发明的第四个方面，本发明提出了上述的高强韧性压铸铝硅合金或采用上述的方法制备得到的高强韧性压铸铝硅合金在汽车、高速列车及大飞机制造领域中的用途。由此，不仅更有利于实现节能和环保的需要，还能实现汽车等产品的轻量化设计，进一步推动汽车、高速列车及大飞机制造的发展。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是对比例的铝硅合金THAS-2中富铁相组织图；
图2是实施例1的铝硅合金THAS-3中富铁相组织图；
图3是对比例和实施例1的铝硅合金的力学性能测试结果图；
图4是实施例1和实施例2的铝硅合金的力学性能测试结果图。
具体实施方式
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
发明人意外发现：相比于THAS-2合金中将铬作为不可避免夹杂物除去，本申请的THAS-3合金控制不可避免夹杂物的总量不大于0.1wt％，并且在THAS-2合金的基础上额外添加0.05～0.3wt％铬元素，配合锰元素和钒元素共同发挥机制，改变富铁相的形状，减小富铁相尺寸，提高力学性能。然而，当铬元素添加量超过0.3wt％后，富铁相的数量增多，降低了压铸合金的韧性。
为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种高强韧性压铸铝硅合金。根据本发明的实施例，该高强韧性压铸铝硅合金包括：7～11wt％的硅、0.1～0.6wt％的锰、0.1～0.4wt％的钒、0.05～0.2wt％的锆、0.05～0.5wt％的镁、0.05～0.5wt％的锌、0.05～0.3wt％的铬、0.05～0.2wt％的钛、0.01～0.08wt％的锶、不大于0.2wt％的铁、不大于0.1wt％的不可避免夹杂物，以及余量的铝。本发明中通过按照上述各元素含量范围配比得到铝硅合金，铬元素能够优化初生富铁相形貌，但含量过多会增加初生富铁相数量，而本申请通过控制铬元素含量范围为0.05～0.3wt％，可以显著优化铝硅合金中初生富铁相形貌；锰元素含量过低，无法中和体系中的富铁相，锰元素含量过多会增大压室初生富铁相数量和尺寸，而本申请通过控制锰元素含量范围为0.1～0.6wt％，可以有效降低初生富铁相数量和尺寸；钒元素能够中和富铁相，降低压室富铁相形成温度，减少压室富铁相含量，但是钒元素过多，会引起粗大第二相的析出，同时会增加成本，而钒元素过少，无法有效中和富铁相，而本申请通过控制钒元素含量范围为0.1～0.4wt％，可以在避免析出粗大第二相的同时降低富铁相的含量，同时通过调整铬、锰和钒的含量，使铬元素、锰元素和钒元素能够相互协同配合，共同发挥机制，从而优化了富铁相形貌，减少压室初生富铁相数量和尺寸，进而提高力学性能，另外该铝硅合金中，加入相对低成本的钛元素，用钛元素弥补部分高成本的锆元素所发挥的作用，进而降低合金成本，Ti和Zr都可以起到晶粒细化的作用，但是Ti仅仅是细化晶粒，第二相强化作用很小；而Zr则可以形成具有一定尺寸的化合物，在细化晶粒的同时也可以显著起到第二相强化的作用，同时添加的Zr元素所形成的化合物中会有一定量的Ti固溶，即Zr和Ti共同参与形成了用来提高铝硅合金强度的化合物。由此，本申请通过综合调整硅、锰、钒、锆、铬、钛、铁和铝的含量，改变了铝硅合金体系中的富铁相的形状，减小了富铁相的尺寸和数量，使得该铝硅合金具有较高的强度、延伸率和韧性，保障了热处理的可行性，进而具有更高的力学性能且生产成本降低。具体的，该高强韧性压铸铝硅合金的屈服强度可达150～170MPa，抗拉强度可达300～320MPa，延伸率可达10～17％。
根据本发明的一个具体实施例，该铝硅合金包括：7.6～9.2wt％的硅、0.25～0.35wt％的锰、0.15～0.25wt％的钒、0.05～0.15wt％的锆、0.25～0.40wt％的镁、0.15～0.25wt％的锌、0.05～0.15wt％的铬、0.05～0.15wt％的钛和0.01～0.045wt％的锶。发明人发现，通过进一步调控压铸铝硅合金在上述含量范围内，可以减少压铸件中孔洞和预结晶组织数量，增大压铸铝硅合金的稳定性，从而保证合金的应用的可行性。在真空工艺下，棒状试样屈服强度为150～170MPa，抗拉强度为300～320MPa，延伸率为10～17％，相较THAS-2合金，该铝硅合金的延伸率得到了提升。
另外，需要说明的是，本发明中的压铸铝硅合金命名为THAS-3，本发明中所述的压铸铝硅合金THAS-3即为本发明上述实施例所述的压铸铝硅合金。
根据本发明的再一个具体实施例，高强韧性压铸铝硅合金中的不可避免夹杂物包括选自钙、铜和磷中的至少一种，本发明中通过控制高强韧性压铸铝硅合金中不可避免夹杂物的含量不大于0.1wt％，可以进一步降低夹杂物对铝硅合金的强韧性和延伸率等造成的负面影响。
在本发明的再一个方面，本发明提出了制备上述高强韧性压铸铝硅合金的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：
S100：制备铝硅合金金属液
该步骤中，按上述组成铝硅合金各元素质量分数分别称取硅、锰、钒、锆、镁、锌、铬、钛、锶和铝混合后在熔炼炉中进行熔炼，得到金属液。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对熔炼的温度等条件进行选择，只要能够实现各组分的即可，此处不再赘述。
S200：对金属液进行高压压铸
该步骤中，将上述得到的金属液在模具中进行高压压铸，其中，铬元素、锰元素和钒元素能够相互协同配合，共同发挥机制，从而优化了富铁相形貌，减少压室初生富铁相数量和尺寸，进而提高力学性能，同时该铝硅合金中，加入相对低成本的钛元素，用钛元素弥补部分高成本锆元素所发挥的作用，进而降低合金成本。
根据本发明的一个具体实施例，压铸工艺参数包括：模具型腔内的真空度不大于10KPa，熔体浇注温度为660～730℃，模具温度120～200℃，，低速压射速度为0.05～0.2m/s，高速压射速度为1～2.75m/s，增压压力为79～87MPa，其中，低速压射可以为多级低速压射，例如可以为二级或三级低速压射，例如三级低速压射速度均可以为0.05m/s-0.2m/s。
由此，采用本申请的方法可以制备得到上述具有优异强度、韧性和延伸率的高强韧性压铸铝硅合金。具体的，该高强韧性压铸铝硅合金的屈服强度可达150～170MPa，抗拉强度可达300～320MPa，延伸率可达10～17％。
为了更进一步提高高强韧性压铸铝硅合金的力学性能，该方法还包括对高强韧性压铸铝硅合金依次进行固溶处理和时效处理。其中，固溶时间不高于45分钟，固溶温度400～460℃，时效时间不高于45分钟，时效温度180～230℃。具体的，高强韧性压铸铝硅合金试样依次通过本申请的固溶处理和时效处理后，高强韧性压铸铝硅合金试样的屈服强度可达140～170MPa，抗拉强度可达200～320MPa，延伸率可达10～20％，保证了合金较高的延伸率，拓宽了合金应用范围。
需要说明的是，上述针对高强韧性压铸铝硅合金所描述的特征和优点同样适用于该制备高强韧性压铸铝硅合金的方法，此处不再赘述。
本发明的另一个方面，本发明提供了一种铝硅合金部件。根据本发明的实施例，所述铝硅合金部件具有上述的高强韧性压铸铝硅合金或采用上述的方法制备得到的高强韧性压铸铝硅合金；或者，所述铝硅合金部件的至少一部分由上述的高强韧性压铸铝硅合金或采用上述的方法制备得到的高强韧性压铸铝硅合金再加工得到由此，该铝硅合金部件采用上述具有较高的强韧性和较好的延伸率的高强韧性压铸铝硅合金来形成铝硅合金部件，不仅有利于延长铝硅合金部件的使用寿命，还能使其满足更高的力学性能要求，能够更广泛应用于汽车、高速列车及大飞机制造等领域。需要说明的是，上述高强韧性压铸铝硅合金及其制备方法所描述的特征和优点同样适用于该铝硅合金部件，此处不再赘述。
本发明的第四个方面，本发明提出了上述的高强韧性压铸铝硅合金或采用上述的方法制备得到的高强韧性压铸铝硅合金在汽车、高速列车及大飞机制造领域中的用途。由此，不仅更有利于实现节能和环保的需要，还能实现汽车等产品的轻量化设计，进一步推动汽车、高速列车及大飞机制造的发展。
需要说明的是，上述高强韧性压铸铝硅合金或铝硅合金部件所具有的优点和性能同样适用于该交通运输工具，此处不再赘述。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
对比例
采用铝硅合金THAS-2制备铝硅合金锭，其中铝硅合金THAS-2的组成为：Si：8.86wt％；Mg：0.33wt％；Mn：0.59wt％；V：0.12wt％；Zr：0.28％wt；Zn：0.22wt％；Fe：0.14wt％；Sr：0.03wt％；余量为Al。
(1)制备铝硅合金金属液
按上述质量分数分别称取各元素混合后进行熔炼，以便得到金属液。
(2)对上述金属液进行高压压铸，以便得到铝硅合金
压铸工艺参数包括：模具型腔内的真空度不大于10KPa，熔体浇注温度为695℃，模具温度120℃，，三级低速压射速度分别为0.2-0.2-0.1m/s，高速压射速度为2.75m/s，增压压力为87MPa。
实施例1
采用高强韧性压铸铝硅合金THAS-3制备铝硅合金铸锭，其中，THAS-3铝硅合金的组成为：Si：8.02wt％；Mg：0.37wt％；Mn：0.33wt％；V：0.15wt％；Cr：0.075wt％；Zr：0.085％wt；Ti：0.072％wt；Zn：0.17wt％；Fe：0.094wt％；Sr：0.009wt％；余量为Al。
(1)制备铝硅合金金属液
按上述质量分数分别称取各元素混合后进行熔炼，以便得到金属液。
(2)对上述金属液进行高压压铸，以便得到铝硅合金
压铸工艺参数包括：模具型腔内的真空度不大于10KPa，熔体浇注温度为695℃，模具温度120℃，，三级低速压射速度分别为0.2-0.2-0.1m/s，高速压射速度为2.75m/s，增压压力为87MPa。
对对比例的铝硅合金进行组织测试结果见图1，对实施例1的铝硅合金进行组织测试结果见图2。
从图1和图2可以看出，对比例中铝硅合金中的富铁相尺寸较为粗大，在10μm左右，大尺寸富铁相含量多。实施例1在增加铬元素后，富铁相的尺寸大幅度降低，在1μm左右，大尺寸富铁相含量少。
从图3可以看出，相比于对比例，实施例1中铸态合金的力学性能更优，屈服强度与抗拉强度均略有提高，而延伸率大幅度提高。
实施例2
对实施例1得到的THAS-3铝硅合金依次进行固溶处理和时效处理。其中，固溶时间30分钟，固溶温度460℃，时效时间30分钟，时效温度230℃，处理后得铝硅合金。
对实施例1和实施例2制备的铝硅合金进行力学性能测试，测试结果见图4。
从图4可以看出实施例1中的铝硅合金保持高抗拉强度，实施例2中的铝硅合金保持高延伸率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种高强韧性压铸铝硅合金，其特征在于，包括：7~11wt%的硅、0.25~0.35wt%的锰、0.1~0.4wt%的钒、0.05~0.2wt%的锆、0.05~0.5wt%的镁、0.05~0.5wt%的锌、0.05~0.3wt%的铬、0.05~0.2wt%的钛、0.01~0.08wt%的锶、不大于0.2wt%的铁、不大于0.1wt%的不可避免夹杂物，以及余量的铝，
所述不可避免夹杂物包括钙、铜和磷中的至少一种，
制备所述高强韧性压铸铝硅合金控制的压铸工艺参数包括：模具型腔内的真空度不大于10KPa，熔体浇注温度为660~730℃，模具温度120~200℃，低速压射速度为0.05~0.2m/s，高速压射速度为1~2.75m/s，增压压力为79~87MPa。
2.根据权利要求1所述的高强韧性压铸铝硅合金，其特征在于，包括：7.6~9.2wt%的硅、0.25~0.35wt%的锰、0.15~0.25wt%的钒、0.05~0.15wt%的锆、0.25~0.40wt%的镁、0.15~0.25wt%的锌、0.05~0.15wt%的铬、0.05~0.15wt%的钛和0.01~0.045wt%的锶。
3.一种制备权利要求1或2所述高强韧性压铸铝硅合金的方法，其特征在于，包括：
（1）按质量分数分别称取硅、锰、钒、锆、镁、锌、铬、钛、锶和铝混合后进行熔炼，以便得到金属液；
（2）对所述金属液进行高压压铸，以便得到高强韧性压铸铝硅合金。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括对所述高强韧性压铸铝硅合金依次进行固溶处理和时效处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述固溶时间不高于45分钟，所述固溶温度400~460℃。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述时效时间不高于45分钟，所述时效温度180~230℃。
7.一种铝硅合金部件，其特征在于，所述铝硅合金部件具有权利要求1或2所述的高强韧性压铸铝硅合金或采用权利要求3-6中任一项所述的方法制备得到的高强韧性压铸铝硅合金；或者，所述铝硅合金部件的至少一部分由权利要求1或2所述的高强韧性压铸铝硅合金或采用权利要求3-6中任一项所述的方法制备得到的高强韧性压铸铝硅合金再加工得到。
8.权利要求1或2所述的高强韧性压铸铝硅合金或采用权利要求3-6中任一项所述的方法制备得到的高强韧性压铸铝硅合金在汽车、高速列车及大飞机制造领域中的用途。
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