CN115710657A - 一种铸造铝合金、其制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铸造铝合金、其制备方法及其应用，以重量百分比计，在铝中含有下述含量的元素，Si：6.50%~7.50%，Mg：0.25%~0.45%，Ti：0.10%~0.15%，Sr：0.0150%~0.030%，Fe:0.15%~0.35%，Mn:0.10%~0.25%，V：0.10%~0.35%，Cr：0.10%~0.35%，其他杂质单个＜0.02%且总量＜0.10%。所述铸造铝合金可由原生铝与再生铝配制，最大支持100%的再生铝应用，通过Mn、V、Cr进行复合合金化，以控制Fe相，提升合金的机械性能，适用于乘用车底盘铸件。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料领域，具体涉及一种控制Fe相形态、高性能铝合金及其制备方法，适用于乘用车底盘铸件。
背景技术
铝是重要的有色金属和工业基础原料之一，是最重要的汽车轻量化材料，市场需求量巨大。原生铝的生产消耗了大量的能源，同时伴随着大量二氧化碳排放和固体废弃物污染。再生铝无论是在能耗还是在二氧化碳排放方面远远低于原生铝。因此，提高再生铝回收和使用比例是实现铝合金部件热加工行业碳减排的最重要的途径。在汽车制造行业中，为了更好地达到节能减排的目标，再生铝的应用已成为其必然选择。在乘用车铝合金底盘铸件的生产中，再生铝的使用比例将会进一步提高，期望达到100%。再生铝的应用不可避免的给底盘铸件带来了杂质元素含量的提高，特别是杂质Fe元素。杂质元素Fe的含量的提高，将会在显微组织中出现更多的针状或片状β-Fe相，极大的降低了铸件的机械性能，特别是延伸率。若无法降低杂质元素Fe含量或改变合金中β-Fe相形貌，将会大大限制再生铝在乘用车底盘铸件中的应用。
Fe是铝合金熔体中的一种天然杂质，是在制造原生铝以及铸件生产过程中产生的。通常，原生铝金属中的平均含Fe量约为0.07-0.10（重量百分比计），该含量是熔融铝合金中的基本Fe含量，所有进一步的熔炼行为都会增加铝液中的Fe含量。在液态条件下，Fe可以无限固溶于铝合金熔体中。当熔体中含有一定量的Fe（<1 重量百分比计）时可以有效地改善与钢制模具的亲和力，降低粘模倾向，这也是高压铸造合金中含有一定量Fe的原因。然而，Fe的存在会显著降低延伸率。即使通过热处理，延伸率的改善也相当有限。采用重力、低压和差压铸造生产的底盘铸件，对其延伸率要求较高（>6%），相应地对Fe含量的要求更为严格（< 0.15 重量百分比计）。因而，无论是采用高压铸造还是重力、低压和差压铸造生产的结构部件，均对Fe含量具有严格的限制。
尽管Fe在液态铝及其合金中具有很高的溶解度，但它在固体中的溶解度很小，因此在其凝固过程中主要与其它合金元素结合形成不同形态、多种类型的金属间化合物。在熔体中不含Si的情况下，主要形成Al3Fe和Al6Fe。但是当熔体中存在Si时，优先形成相为Al8Fe2Si（称为α相）和Al5FeSi（称为β相）。如果Mg与Si并存，则可以形成另一种称为π相的Al8FeMg3Si6。含铁金属间化合物在Al-Si合金中的组织特征非常明显，通常可以在显微镜下通过其形状（形态）和颜色来区分。两种所谓的α相均呈类似“汉字”的形态，但Al15（Fe，Mn）3Si2形式的α相也可能呈现出的块状形式。π相也呈类似“汉字”的形态，但并非总是与β相紧密相连。β相的主要形态为片状，在二维的显微形貌中多呈针状。
将Fe从铝合金熔体分离出去是比较困难的，没有有效的工业解决方案。通过合金化方法能够控制凝固过程中富Fe相的析出形貌及数量，减少合金中针状β-Fe相，并促进其向骨骼状或者汉字状α-Fe相转变，达到控制性能损伤的目的，是目前最为有效的手段。
通过向铝硅合金中加入合金元素，促使α-Fe相生长，尽可能多地将β-Fe相转化为α-Fe相，改善针状铁相的形貌，以此来提高铝硅合金的机械性能。常用的合金元素包括Mn，Cr，Be，Mo和Re等。它们都能够不同程度的将片状或者针状β-Fe相转化为对基体危害很小的α-铁相。合金元素的添加并不能完全消除Fe相的有害作用，只是能够在一定程度上控制其对性能的损伤。随着合金元素加入量的增加，会使得富Fe相在合金中的含量增多，超过一定限度会形成沉淀相，从而损伤铸造和力学性能。
发明内容
本发明的目的在于，至少在一定程度上解决Fe影响铝合金性能的技术问题。由此，提供一种控制Fe相形态、高性能铝合金及其制备方法新型的高强韧压铸铝合金材料。
根据本发明的第一方面，提供一种铸造铝合金，按重量百分比计，其成分及其含量如下：
Si：6.50%~7.50%；
Mg：0.25%~0.45%；
Ti：0.10%~0.15%；
Sr：0.0150~0.030%；
Fe：0.15~0.35%；
Mn：0.10%~0.25%；
V：0.10%~0.35%；
Cr：0.10%~0.35%；
其他杂质：单个杂质＜0.02%且总量不超过0.10%；
其余为Al。
按照本发明的一种实施方式，适宜的是，所述铝合金通过Mn、V、Cr复合合金化控制Fe相形态，经T6热处理后的显微组织中的Fe相为颗粒状α-Fe相或块状α-Fe相。
按照本发明的一种实施方式，优选的，经T6热处理后的显微组织中的Fe相无针状β-Fe相或片状β-Fe相存在。
按照本发明的一种实施方式，适宜的是，经过Mn、V、Cr复合合金化后的所述颗粒状α-Fe相或块状α-Fe相是如下一组类型中的至少一种类型：α-Al13(Fe, V)4Si4，α-Al13(Fe,Cr)4Si4，Al15(Fe, Mn)3Si2，Al12(Fe, Mn, V，Cr)3Si2。
有益的是，这种α-Fe相的存在，降低了Fe相对铸造铝合金机械性能的影响。
按照本发明的一种实施方式，适宜的是，在所述铝合金中，以如下重量百分比确定如下元素的含量：Fe：0.2%-0.35%，V：0.15%-0.3%。
有益的是，如上所述的铸造铝合金中杂质Fe含量控制在0.20%~0.35%范围内较佳，高于一般商用铸造铝合金的水平（Fe＜0.20%）。
根据本发明的第二方面，提供一种如上所述的铸造铝合金的制备方法，按照如下方法制备：按重量比例选取原生铝和再生铝配制为原料，将Mn、V、Cr与所述原料进行复合合金化，以控制Fe相形态，最后进行T6热处理，获得如上所述的任一种所述的铸造铝合金。
按照本发明的一种实施方式，适宜的是，在所述原料中，所述再生铝重量比例最高为100%。
按照本发明的一种实施方式，适宜的是，在所述原料中，所述原生铝与再生铝的重量比例各为50%。
按照本发明的一种实施方式，适宜的是，所述将Mn、V、Cr与所述原料进行复合合金化之后，进行除气。
按照本发明的一种实施方式，适宜的是，经过T6热处理后获得所述铸造铝合金，所述铸造铝合金的机械性能与采用Fe的重量百分比含量在0.10%~0.20%的A356铝合金的机械性能相当或相同。
根据本发明的第三方面，提供一种如上所述的铸造铝合金在汽车底盘铸件中的应用。
按照本发明的一种实施方式，适宜的是，经过T6热处理后获得所述乘用车底盘铸件，所述乘用车底盘铸件的机械性能与采用Fe的重量百分比含量在0.10%~0.20%的A356铝合金制备的底盘铸件的机械性能相当或相同。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的材料属于铝硅系铸造铝合金，其主要成分是铝，可采用原生铝与再生铝配制，尤其是能够采用100%再生铝作为原料，最大支持100%再生铝应用，能够提高再生铝回收和使用比例，降低能耗和二氧化碳排放，更好地达到节能减排的目标。本发明的铝合金中由于添加了Mn、V、Cr元素进行复合合金化，能够促使α-Fe相生长，尽可能多地将有害作用明显的β-Fe相转化为对基体危害很小的α-Fe相，由此获得的本发明的铸造铝合金的显微组织中Fe相为颗粒状或汉字状α-Fe相，无针状β-Fe相或片状β-Fe相，降低了Fe相的有害作用，一定程度上提升了铝合金的机械性能。在此基础上，本发明的铝合金中的杂质Fe含量可以在0.20%~0.35%（重量百分比计），可以一定程度上放宽对Fe含量严格限制同时提升机械性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
图1为本发明实施例1的显微组织中的Fe相形貌。
图2为本发明实施例2的显微组织中的Fe相形貌。
图3为本发明实施例3的显微组织中的Fe相形貌。
具体实施方式
下文的描述用于阐释本发明的技术方案，以便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精神和范围的其他技术方案。同时，值得注意的是，文中结合某一实施例描述的特征或特性并不一定限于该特定的实施方式，也不表示与其他实施方式互斥，在本领域技术人员的能力范围内，可以考虑实现不同实施例中各个特征的不同组合方式。
除非另有限定，否则本文中使用的所有用语（包括技术用语和科学用语），均具有与本领域普通技术人员通常理解相同的含义，并可依据它们在相关技术描述上下文中的语境作具体解释。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1本实施例涉及一种铸造铝合金，按重量百分比计，制备原料采用100%原生铝配制，将Mn、V、Cr与所述原料进行复合合金化，以控制Fe相形态，然后对获得的铝合金进行T6热处理，获得的铸造铝合金的成分及其含量如下：
Si：7.11%，Mg：0.405%，Ti：0.122%，Sr：0.0201%，Fe：0.118%，Mn：0.008%，V：0.0011%，Cr：0.001%，其他杂质：单个＜0.02%，且总量不超过0.10%，其余为Al。经T6热处理后，其机械性能为：屈服强度271MPa，抗拉强度341MPa，延伸率9.5%。
图1为对应本实施例制备而得的铸造铝合金的显微组织，图中箭头所指位置为β-Fe相。
实施例2本实施例涉及一种铸造铝合金，按重量百分比计，制备原料采用50%原生铝和50%再生铝配制，将Mn、V、Cr与所述原料进行复合合金化，以控制Fe相形态，然后对产物进行除气，最后对获得的铝合金进行T6热处理，获得的铸造铝合金的成分及其含量如下：
Si：6.81%，Mg：0.401%，Ti：0.124%，Sr：0.0206%，Fe：0.248%，Mn：0.15%，V：＜0.23%，Cr：0.13%，其他杂质：单个＜0.02%，且总量不超过0.10%，其余为Al。经T6热处理后，其机械性能为：屈服强度276MPa，抗拉强度344MPa，延伸率8.8%。
图2为对应本实施例制备而得的铸造铝合金的显微组织，图中箭头所指位置为α-Fe相。
实施例3本实施例涉及一种铸造铝合金，按重量百分比计，制备原料采用100%再生铝配制，将Mn、V、Cr与所述原料进行复合合金化，以控制Fe相形态，然后对产物进行除气，最后对获得的铝合金进行T6热处理，获得的铸造铝合金的成分及其含量如下：
Si：7.26%，Mg：0.396%，Ti：0.121%，Sr：0.0212%，Fe：0.32%，Mn：0.23%，V：0.2141%，Cr：0.25%，其他杂质：单个＜0.02%，且总量不超过0.10%，其余为Al。经T6热处理后，其机械性能为：屈服强度280MPa，抗拉强度357MPa，延伸率8.5%。
图3为对应本实施例制备而得的铸造铝合金的显微组织，图中箭头所指位置为α-Fe相。
在本发明提供的实施例1制备而得的铸造铝合金中，Mn、V、Cr的加入量相对较低，虽然此实施例中Fe的含量可以较低（低于0.20%），但其对应的显微组织中Fe相的析出形貌明显为危害较大的针状β-Fe相，导致机械性能较差。实施例2和实施例3制备而得的铸造铝合金中，提高Mn、V、Cr的加入量，Fe的含量相对提高至0.20~0.35%的范围内，其对应的显微组织中Fe相的析出形貌明显为对基体危害很小的骨骼状或者汉字状的α-Fe相。同时，根据对机械性能的测试结果，制备过程中提高Mn、V、Cr的加入量，通过改善Fe相，可以有效提升铝合金的屈服强度和抗拉强度，屈服强度和抗拉强度升高程度与Mn、V、Cr的加入量呈正相关，延伸率虽略受影响，但仍保持在>6%的较高水平，综合来看铝合金整体的机械性能是有明显提升的。
另外，实施例中存在不同的原生铝与再生铝的重量比例，特别是实施例3，可以采用100%再生铝作为原料，最大支持100%再生铝的应用，能够提高再生铝回收和使用比例，降低能耗和二氧化碳排放，更好地达到节能减排的目标。
以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明，并非用以限定本发明的保护范围。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述组分及方法特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。
Claims (12)
1.一种铸造铝合金，其特征在于，按重量百分比计，其成分及其含量如下：
Si：6.50%~7.50%；
Mg：0.25%~0.45%；
Ti：0.10%~0.15%；
Sr：0.0150~0.030%；
Fe：0.15~0.35%；
Mn：0.10%~0.25%；
V：0.10%~0.35%；
Cr：0.10%~0.35%；
其他杂质：单个＜0.02%且总量不超过0.10%；
其余为Al。
2.根据权利要求1所述的一种铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金通过Mn、V、Cr复合合金化控制Fe相形态，经T6热处理后的显微组织中的Fe相为颗粒状α-Fe相或块状α-Fe相。
3.根据权利要求2所述的一种铸造铝合金，其特征在于，经T6热处理后的显微组织中的Fe相无针状β-Fe相或片状β-Fe相存在。
4.根据权利要求2所述的一种铸造铝合金，其特征在于，经过Mn、V、Cr复合合金化后的所述颗粒状α-Fe相或块状α-Fe相是如下一组类型中的至少一种类型：α-Al13(Fe, V)4Si4，α-Al13(Fe, Cr)4Si4，Al15(Fe, Mn)3Si2，Al12(Fe, Mn, V，Cr)3Si2。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种铸造铝合金，其特征在于，在所述铝合金中，以如下重量百分比确定如下元素的含量：Fe：0.2%-0.35%，V：0.15%-0.3%。
6.一种铸造铝合金的制备方法，其特征在于，按照如下方法制备：按重量比例选取原生铝和再生铝配制为原料，将Mn、V、Cr与所述原料进行复合合金化，以控制Fe相形态，最后进行T6热处理，获得如权利要求1至5任一项所述的铸造铝合金。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述原料中，所述再生铝重量比例最高为100%。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述原料中，所述原生铝与再生铝的重量比例各为50%。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述将Mn、V、Cr与所述原料进行复合合金化之后，进行除气。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，经过T6热处理后获得所述铸造铝合金，所述铸造铝合金的机械性能与采用Fe的重量百分比含量在0.10%~0.20%的A356铝合金的机械性能相当或相同。
11.权利要求1至5任一项所述的铸造铝合金在乘用车底盘铸件中的应用。
12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，经过T6热处理后获得所述乘用车底盘铸件，所述乘用车底盘铸件的机械性能与采用Fe的重量百分比含量在0.10%~0.20%的A356铝合金制备的底盘铸件的机械性能相当或相同。
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- 2023-01-09 CN CN202310023866.3A patent/CN115710657A/zh active Pending
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