CN115612898A

CN115612898A - 铝合金以及采用其制备的零部件

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Publication number: CN115612898A
Application number: CN202210479734.7A
Authority: CN
Inventors: 刘华初; 石春梅; 段祯荣; 李硕; G·休斯; 程帅; 杜燕军; 杨帆; 符文涛; 张跃波
Original assignee: Shuaiyichi New Material Group Co ltd; Weilai Automobile Technology Anhui Co Ltd
Current assignee: Shuaiyichi New Material Group Co ltd; Weilai Automobile Technology Anhui Co Ltd
Priority date: 2022-05-05
Filing date: 2022-05-05
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2042-05-05
Also published as: EP4273286A1; US20230357901A1; CN115612898B

Abstract

本发明涉及一种铝合金以及以及采用其制备的零部件。所述铝合金包含：7‑9重量%的硅(Si)、0.15‑0.45重量%的铬(Cr)、0.1‑0.3重量%的钒(V)、至少0.01重量%的锶(Sr)、0.1‑0.2重量%的钛(Ti)、0‑0.5重量%的锰(Mn)、0‑0.8重量%的铁(Fe)，余量为铝和不可避免的杂质。本发明的铝合金在加工过程中可以免除铸造后的热处理工艺，有利于节能减排，并且由其制备的零部件能够达到所期望的力学性能。

Description

铝合金以及采用其制备的零部件

技术领域

本发明属于铝合金领域。具体地，本发明涉及一种铝合金以及采用其制备的零部件。

背景技术

在全球节能减排的大趋势下，汽车制造和使用是节能减排的重要领域。电动汽车取代传统燃油车辆，已成为了全球公认的节能减排的解决方案。

众所周知，电动汽车在使用过程中不燃烧化石类燃料，也不产生尾气排放，也就杜绝了尾气对于温室效应的贡献。但是，目前为止，电动汽车的制造过程依然很大程度依赖于化石类燃料或利用其发的电能，同时也就产生较多的温室气体排放。

为了提高电动汽车的续航里程和安全性能，各大汽车制造商越来越多地应用轻合金。其中，铝合金由于具有密度低、比强度高、加工性能好、资源丰富等优点而成为了主流电动汽车青睐的车身材料。铝合金压铸零件由于其生产效率高、性能优异且稳定、能被设计和加工成复杂的形状并且减少了传统零件所需的连接组装而常被应用在车身的承载关节件上。

传统的压铸铝合金零件的加工工艺通常包括高压铸造、切边、热处理(固溶+时效)、整形、机械加工、表面处理，并最终交付到车身组装车间。

随着行业的发展，免热处理已成为了行业趋势。热处理(固溶+时效)工艺不但消耗大量的能源，产生大量的温室气体排放，而且还会导致零件由于加热和冷却效应导致尺寸变形，影响装配精度，甚至造成报废。

目前，各个铝合金企业已经开发了一些免热处理型的合金配方，比如莱茵金属公司的Al-Si系列Castasil-37和Al-Mg系列Magsimal-59合金配方、美铝公司的Al-Si系列EZ-cast 370和Al-Mg系列A152以及特斯拉汽车公司的Al-Si系列等。

本领域中还希望开发更多的铝合金，在将其加工成零部件过程中，使压铸件在铸态下就具有高强度和高韧性，满足承载要求，这样就可以免除热处理，以有利于节能减排。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种高压铸造铝合金，在将其加工成零部件过程中，在铸造后可以免除热处理并且所制备的零部件具有满足相应要求的力学性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案得到实现。

根据本发明的一个方面，提供一种铝合金，其特征在于，相对于所述铝合金的总重量计，包含：7-9重量%的硅(Si)、0.15-0.45重量%的铬(Cr)、0.1-0.3重量%的钒(V)、至少100ppm的锶(Sr)、0.1-0.2重量%的钛(Ti)、0-0.5重量%的锰(Mn)、0-0.8重量%的铁(Fe)，余量为铝和不可避免的杂质。

根据本发明的第二方面，提供上述铝合金用于制备零部件的用途。

根据本发明的第三方面，提供一种零部件，其采用上述铝合金制备。

本发明的铝合金在加工过程中可以免除铸造后的热处理工艺，有利于节能减排，并且由其制备的零部件能够达到所期望的力学性能。

具体实施方式

在下文中，将更全面地体现本发明的各方面以及更进一步的目的、特征和优点。

在本发明的铝合金中，相对于铝合金的总重量计，硅元素含量为7-9重量%，其提供铝合金的流动性，保证合金凝固过程中的收缩性可控，并降低铸件的热裂倾向。

以相对于铝合金的总重量计7-9重量%存在的硅，既保证合金的拉伸强度，又保证铸件里有超过体积分数85%的α铝相，保证铸件的塑性和韧性。

优选地，相对于所述铝合金的总重量计，硅的含量为7.2-8.6重量%，更优选地，相对于铝合金的总重量计，硅的含量为7.4-8.4重量%，或者硅的含量为7.6重量、7.7重量%、7.8重量%、7.9重量%、8.0重量%、8.1重量%、8.2重量%、8.3重量%或8.4重量%。

在本发明的铝合金中，相对于铝合金的总重量计，铬元素含量为0.15-0.45重量%。

以相对于铝合金的总重量计0.15-0.45重量%存在的铬增加铸件的脱模性并且增加铸件的强度。

优选地，相对于所述铝合金的总重量计，铬的含量为0.16-0.44重量%，更优选地，相对于铝合金的总重量计，锰的含量为0.17-0.43重量%，或者铬的含量为0.18重量%、0.20重量%、0.30重量%、0.33重量%、0.36重量%、0.37重量%、0.38重量%或0.40重量%。

在本发明的铝合金中，相对于铝合金的总重量计，钒元素含量为0.1-0.3重量%。

以相对于铝合金的总重量计0.1-0.3重量%存在的钒(V)可以与Al形成Al-V金属间化合物，提供晶粒细化和弥散强化的功能，提高强度。另外， V元素的加入也会增加铝合金的耐腐蚀性能并且变质含铁(如果存在)的金属间相。

优选地，相对于所述铝合金的总重量计，钒的含量为0.11-0.27重量%，更优选地，相对于铝合金的总重量计，钒的含量为0.12-0.25重量%，或者钒的含量为0.13重量%、0.14重量%、0.16重量%、0.17重量%、0.18重量%或0.2重量%。

在本发明的铝合金中，相对于铝合金的总重量计，锶元素含量为至少100ppm。

以相对于铝合金的总重量计至少100ppm存在的锶可以将凝固组织中的针状共晶硅相变质成为纤维状形貌(变质处理)，从而提高铸件的力学性能。

有利地，相对于所述铝合金的总重量计，锶的含量为100-260ppm，优选地，100-255ppm。

在本发明的铝合金中，相对于铝合金的总重量计，钛元素含量为0.1-0.2重量%。

以相对于铝合金的总重量计0.1-0.2重量%存在的钛用于细化α-Al相的晶粒尺寸。

优选地，相对于所述铝合金的总重量计，钛的含量为0.1-0.18重量%，更优选地，相对于铝合金的总重量计，钛的含量为0.1-0.16重量%，或者钛的含量为0.11重量%、0.14重量%或0.15重量%。

在本发明的铝合金中，可任选地存在锰，相对于铝合金的总重量计，锰元素含量为0-0.5重量%。

锰的存在可进一步增加铸件的脱模性并且增加铸件的强度。

优选地，相对于铝合金的总重量计，锰的含量为0.005-0.45重量%，更优选地，相对于铝合金的总重量计，锰的含量为0.008-0.43重量%，或者锰的含量为0.009重量%、0.01重量%、0.20重量%、0.25重量%、0.26重量%、0.40重量%或0.41重量%。

在本发明的铝合金中，可任选地存在铁，相对于铝合金的总重量计，铁元素含量为0-0.8重量%。

在一些实施方案中，相对于铝合金的总重量计，铁的含量为0.1-0.8重量%。

在一些实施方案中，相对于铝合金的总重量计，铁的含量为0.2-0.5重量%，

发明人发现，即使在铁含量高达约0.8%的情况下，本发明的铝合金仍保持优异的力学性能。因此，本发明的铝合金制备过程中对原料中的铁含量没有特别严苛的要求，原料选择更广泛，本领域中的一些废弃物也可以用作本发明铝合金的原料。

发明人还发现，当铁含量高时，可以通过Cr和Mn的组合来修正含铁的金属间相，保持优异的力学性能。

发明人还发现，当铝合金包含铁(Fe)且相对于铝合金的总重量计超过0.15重量%时，通过调节Mn与Cr的总含量/Fe含量之比S，可以调节力学性能范围。

当铝合金包含铁(Fe)且相对于铝合金的总重量计超过0.15重量%时，在Mn与Cr的总含量/Fe含量之比S≥0.85的情况下，由本发明的铝合金制备的铸件的抗拉强度(UTS) ≥260MPa，屈服强度(YS) ≥120MPa，断裂延伸率(EL) ≥12%。

当铝合金包含铁(Fe)且相对于铝合金的总重量计超过0.15重量%时，在Mn与Cr的总含量/Fe含量之比S<0.85的情况下，由本发明的铝合金制备的铸件的抗拉强度(UTS)>250MPa，屈服强度(YS) ≥125MPa，断裂延伸率(EL)≥11%。

在一些实施方案中，所述铝合金包含铁(Fe)，相对于铝合金的总重量计，Mn与Cr的总含量/Fe含量之比S≥0.85。

在一些实施方案中，所述铝合金包含铁(Fe)，相对于铝合金的总重量计，Mn与Cr的总含量/Fe含量之比S<0.85。

在一些实施方案中，所述铝合金包含至少0.15重量%铁(Fe)，相对于铝合金的总重量计，Mn与Cr的总含量/Fe含量之比S≥0.85。

在一些实施方案中，所述铝合金包含至少0.15重量%铁(Fe)，相对于铝合金的总重量计，Mn与Cr的总含量/Fe含量之比S<0.85。

本发明的铝合金的成分简单，具有较好的经济性和可铸造性。

例如，本发明的铝合金可按照如下制备：

1)备料：根据合金成分比例备料，合金元素以纯合金或中间合金形式加入，例如Si元素以单质硅形式加入，Cr元素是以Al-Cr中间合金形式加入，V元素以Al-V中间合金形式加入，Ti元素以Al-Ti中间合金形式加入，Mn元素(如果存在)是以Al-Mn中间合金形式加入，Fe元素(如果存在)是以Al-Fe中间合金形式加入(在使用再生铝调配时，依照最高0.8范围内实际控制，不需要再添加与铁相关的合金)， Sr元素以Al-Sr中间合金形式加入；

2)熔化铝锭：纯铝锭表面清洁干净后，将纯铝锭和硅放入电阻坩埚内进行加热熔炼，铝液温度控制在720～740℃之间；

3)加入中间合金：待铝液温度达到730-735℃时，将烘干后的Al-Cr中间合金、Al-V中间合金、Al-Ti等其余中间合金加入到铝液中，铝液升温至740-760℃，保温10-30分钟，保证加入的中间合金全部熔化；

4)精炼变质除气：先将Al-Sr中间合金压入铝液内，然后对铝液除气处理，目的是除去铝液中的氢，控制参数为：除气机转速为150~300转/分钟，通入气体为高纯氩气或氮气，纯度＞99.99%，气体流量为0.3~0.8升/分钟；

5)成分检测并降温：待精炼除气完后，挂掉铝液表面的浮渣，静止15-25min后取光谱样块检测成分，成分满足要求后将铝液温度降低。

本发明的铝合金可以采用本领域的常规方法铸造。例如可以在高压下铸造。

具体地，本发明的铝合金可以按照以下压铸工艺进行铸造：

压铸铝液温度控制在680-700℃，模温机温度控制在150～170℃，高速速度控制在1.65-1.85m/s，增压压力65Mpa，在加工成具体零部件的情况下，铸造后还进行切边、尺寸检验和任选的适当整形。

同时，由于本发明的合金配方能吸收高达0.8重量%的铁(Fe)元素，这使熔炼该合金成分时采用回收废料成为可能，这有助于节能减排。

本发明的铝合金在铸造状态下具有良好的力学性能。通过免除铸造后的热处理工艺即可达到设计所需的力学性能是本发明铝合金配方的一个优点，这可以实现节能减排。

本发明铝合金的优异强度和延伸率保证了制备的包括零部件的轻量化和安全性。

本发明的铝合金可用于制备零部件，所制备的零部件能够满足一定力学要求。

例如，本发明的铝合金可用于制备汽车车身及底盘等承受载荷的零件。

由本发明的铝合金制备的零部件具有优异的力学性能，可以用作汽车车身、及底盘等承受载荷的零件。

因此，所述零部件选自车身、底盘及其它承受载荷的零件。

本申请中所述的“包含”和“包括”涵盖还包含或包括未明确提及的其它要素的情形以及由所提及的要素组成的情形。

除非另外限定，本文所使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域技术人员通常理解的相同意义。当本说明书中术语的定义与本发明所属领域技术人员通常理解的意义有矛盾时，以本文中所述的定义为准。

除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中使用的表达成分的量、温度等的所有数值被理解为在被术语“约”修饰。因此，除非有相反指示，否则在这里阐述的数值参数是能够根据需要获得的所需性能来变化的近似值。

实施例

以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以让本领域技术人员充分地了解本发明的目的、特征和效果。本领域技术人员不难理解，此处的实施例仅仅用于示例目的，本发明的范围并不局限于此。如果没有明确说明，实施例中所用的原料为本领域中常用的那些。

实施例1

本实施例提供一种铝合金，相对于该铝合金的总重量计，其包含： Si：8.0重量%、Cr：0.20重量%、V：0.16重量%、Ti：0.11重量%、Fe：0. 12重量%、Sr：120ppm；余量为铝和不可避免的杂质。

该铝合金的制备过程如下：

1)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，合金元素以纯合金或中间合金形式加入，其中Si元素以单质3303硅形式加入，Cr元素是以Al-Cr中间合金形式加入，V元素以Al-V中间合金形式加入，Ti元素以Al-Ti中间合金形式加入，Mn元素是以Al-Mn中间合金形式加入，Fe元素是以Al-Fe中间合金形式加入，Sr元素以Al-Sr中间合金形式加入；

2)熔化铝锭：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720～740℃之间；

3)加入中间合金：待铝液温度达到730℃时，将烘干后的Al-Cr中间合金、Al-V中间合金、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；

4)精炼变质除气：先将Al-Sr中间合金压入铝液内，然后用石墨转子除气机对铝液除气处理，目的是除去铝液中的氢，控制参数为：除气机转速为150~300转/分钟，通入气体为高纯氩气或氮气，纯度＞99.99%，气体流量为0.3~0.8升/分钟；

5)成分检测并降温：待精炼除气完后，挂掉铝液表面的浮渣，静止15-25min后取光谱样块检测成分，在成分满足要求后将铝液温度降低至680-700℃。

按照以下铸造工艺将所制备的铝合金铸造成铝合金样品：模温机温度控制在150～170℃，高速速度控制在1.65-1.85m/s，增压压力65Mpa。

按照GB/T 228.1对所制得的铝合金样品进行机械性能测试，结果显示于表1中。

实施例2-7

采用与实施例1基本相同的过程制备了一系列铝合金，具体组分及含量见表1(余量为铝和不可避免的杂质，未显示)。对所制得的铝合金样品进行机械性能测试，结果显示于表1中。

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	实施例7
								Si(重量%)	8.0	7.7	7.6	8.1	7.8	7.8	7.7
Cr(重量%)	0.20	0.18	0.33	0.37	0.40	0.38	0.36
								V(重量%)	0.16	0.14	0.12	0.12	0.13	0.18	0.13
Ti(重量%)	0.11	0.11	0.11	0.14	0.14	0.10	0.10
								Mn(重量%)	-	-	-	0.41	0.40	0.26	0.25
Fe(重量%)	0.12	0.20	0.39	0.19	0.49	0.39	0.75
								Sr(ppm)	122	252	159	115	291	123	260
S值*	>0.85	>0.85	>0.85	>0.85	>0.85	>0.85	<0.85
								抗拉强度(MPa)	267.5	262.9	260	264.3	261.5	263.2	253.6
屈服强度(MPa)	123.5	122.5	121.3	122.2	129.6	125.4	126.6
								延伸率(%)	15.52	15.52	16.56	13.94	12.06	15.06	11.40

S值* =(Mn+Cr)/Fe

从表1可以看出，本发明铝合金在铸态下的抗拉强度可超过250MPa，屈服强度可超过120MPa，延伸率可超过10%。

在铁含量比较低的实施例(如实施例4)中，在抗拉强度和屈服强度不降低的情况下，延伸率可以高达16%。

对比例1-5

采用与实施例1基本相同的过程制备了一系列铝合金，具体组分及含量见表2(余量为铝和不可避免的杂质，未显示)。对制备的铝合金样品进行机械性能测试，结果显示于表2中。

表2

	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4	对比例5
						Si(重量%)	8.58	10	8.1	8.1	8.1
Cr(重量%)	-	0.33	0.6	0.37	0.37
						V(重量%)	0.096	0.12	0.12	0.12	0.4
Ti(重量%)	0.14	0.11	0.14	0.3	0.14
						Mn(重量%)	0.72	-	0.41	0.41	0.41
Fe(重量%)	0.35	0.39	0.19	0.19	0.19
						Sr(ppm)	190	170	200	160	220
抗拉强度(MPa)	253.8	285	261.1	263.1	268.2
						屈服强度(MPa)	130.1	136.2	132.3	136.2	131.8
伸长(%)	6.8	7.3	4.5	8.9	5.7

从表2可以看出，对比例1-5中的铝合金在铸造后的抗拉强度可超过250MPa，屈服强度可超过130MPa，然而伸长却低于9%。

以上仅描述了本发明的示例性实施方式或实施例，并不旨在限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以由各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请权利要求范围内。

Claims

1.一种铝合金，其特征在于，相对于所述铝合金的总重量计，包含：7-9重量%的硅(Si)、0.15-0.45重量%的铬(Cr)、0.1-0.3重量%的钒(V)、至少100ppm的锶(Sr)、0.1-0.2重量%的钛(Ti)、0-0.5重量%的锰(Mn)、0-0.8重量%的铁(Fe)，余量为铝和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，相对于所述铝合金的总重量计，硅的含量为7.2-8.6重量%，优选地，相对于铝合金的总重量计，硅的含量为7.4-8.4重量%，或者硅的含量为7.6重量%、7.7重量%、7.8重量%、7.9重量%、8.0重量%、8.1重量%、8.2重量%、8.3重量%或8.4重量%。

3.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，相对于所述铝合金的总重量计，铬的含量为0.16-0.44重量%，优选地，相对于铝合金的总重量计，锰的含量为0.17-0.43重量%，或者铬的含量为0.18重量%、0.20重量%、0.30重量%、0.33重量%、0.36重量%、0.37重量%、0.38重量%或0.40重量%。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的铝合金，其特征在于，相对于所述铝合金的总重量计，钒的含量为0.11-0.27重量%，优选地，相对于铝合金的总重量计，钒的含量为0.12-0.25重量%，或者钒的含量为0.13重量%、0.14重量%、0.16重量%、0.17重量%、0.18重量%或0.2重量%。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的铝合金，其特征在于，相对于所述铝合金的总重量计，钛的含量为0.1-0.18重量%，优选地，相对于铝合金的总重量计，钛的含量为0.1-0.16重量%，或者钛的含量为0.11重量%、0.14重量%或0.15重量%。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的铝合金，其特征在于，相对于所述铝合金的总重量计，锶的含量为锶的含量为100-260ppm，优选地，100-255ppm。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的铝合金，其特征在于，还包含锰，相对于铝合金的总重量计，锰的含量为0.005-0.45重量%，优选地，相对于铝合金的总重量计，锰的含量为0.008-0.43重量%，或者锰的含量为0.009重量%、0.01重量%、0.20重量%、0.25重量%、0.26重量%、0.40重量%或0.41重量%。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的铝合金，其特征在于，还包含铁，相对于所述铝合金的总重量计，铁的含量为0.1-0.8重量%。

9.根据权利要求8所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金包含铁(Fe)，Mn与Cr的总含量/Fe含量之比S≥0.85。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的铝合金用于制备零部件的用途。

11.根据权利要求10所述的用途，其特征在于，所述零部件选自车身、底盘及其它承受载荷的零件。

12.一种零部件，其特征在于，采用根据权利要求1-9中任一项所述的铝合金制备。

13.根据权利要求12所述的零部件，其特征在于，所述零部件选自车身、底盘及其它承受载荷的零件。