CN115786783B - 一种半固态压铸铝合金及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金半固态压铸领域，具体涉及一种半固态压铸铝合金及应用。所述半固态压铸铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si：5.0‑7.0wt%，Cu：3.5‑5.0wt%，Mg：0.7‑0.8wt%，Fe：0.05‑0.3wt%，Mn：0.01‑0.2wt%，Ti：0.01‑0.2wt%，B：0.01‑0.2wt%，其余为Al及不可避免的其他杂质元素，其他杂质元素质量百分比总和不大于0.1%。所述铝合金通过优化Si、Cu、Mg元素含量，使得合金的固液相区间温度范围小于130K，热裂倾向小；液相率0.3‑0.5对应工艺窗口为25℃左右，有利于人工操作或者机械操作；合金固相率对温度敏感性较低，避免温度的小范围波动对浆料固相率产生大范围的影响；所述铝合金可进行T6热处理，在500℃固溶0.5‑4h，在180℃时效6‑24h；合金性能优异：抗拉强度大于350MPa，屈服强度大于320MPa。
Description
技术领域
本发明属于铝合金半固态压铸领域，具体涉及一种半固态压铸铝合金及应用。
背景技术
随着碳达峰、碳中和理念的提出，以及国内外汽车行业的发展，对于汽车轻量化的需求愈加迫切。无论是传统的燃油车还是新能源汽车，对于减轻车身重量的需求一直存在，通过汽车轻量化可有效降低碳排放，降低能耗，提高产品竞争力。
选用轻质合金代替钢铁材料是汽车轻量化的途径之一，铝合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等特点，是汽车轻量化的首选材料。
高压压铸是铝合金汽车零部件的常用生产工艺之一，具有生产效率高、表面质量好、工艺成本低等优势，但是充型过程中由于液态金属高速流动，产生湍流，极易在零部件中产生气孔等缺陷，通常无法进行后续热处理强化，导致力学性能受到限制。
半固态成形是20世纪70年代美国麻省理工学院（MIT）发现并提出的，该技术具有如下优点：（1）半固态浆料粘度大，在充型时可减少乃至避免金属液飞溅导致的卷气，从而有效避免气孔等缺陷，可进行后续热处理强化，提高力学性能；（2）半固态浆料温度较液态金属温度低，有效降低对模具的热冲击，提高模具寿命；（3）半固态浆料具有一定固相，成形后凝固收缩小，有效避免缩松等缺陷，产品致密性更高。
目前半固态成形技术已经在汽车工业领域、通讯领域等实现了批量化生产，但是应用的合金仍局限于A356、A357、319s等铝合金，逐渐无法满足汽车零部件更高的力学性能要求、更复杂的尺寸要求、更低的成本要求。因此，亟需开发适用于半固态压铸的新型高强度铝合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种半固态压铸铝合金及应用。所述的半固态压铸铝合金能用于汽车零部件的生产，达到汽车轻量化的目的。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明提供一种半固态压铸铝合金，所述半固态压铸铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si：5.0-7.0wt%，Cu：3.5-5.0wt%，Mg：0.7-0.8wt%，Fe：0.05-0.3wt%，Mn：0.01-0.2wt%，Ti：0.01-0.2wt%，B：0.01-0.2wt%，其余为Al及不可避免的其他杂质元素，其他杂质元素质量百分比总和不大于0.1%。
本发明所述合金成分Si元素含量：5.0-7.0wt%，例如5wt%、5.5wt%、6wt%、6.5wt%、7wt%，但不局限于所列举的数值，该数值范围内的其他未列举数值同样适用。
本发明所述半固态压铸铝合金中Si元素对半固态成形工艺窗口影响很大，在本发明Si元素数值范围内的工艺窗口较大，适于半固态成形；Si元素可以提高合金的流动性，保证合金的充型能力；Si元素主要以共晶Si相形式存在，其形貌为细小纤维状，分布在晶界处，热处理后Si相球化，对合金起到固溶强化的作用，从而提高合金的力学性能。
本发明所述合金成分Cu元素含量：3.5-5.0wt%，例如3.5wt%、4wt%、4.5wt%、5wt%，但不局限于所列举的数值，该数值范围内的其他未列举数值同样适用。
本发明所述半固态压铸铝合金中Cu元素与Al元素能够形成Al2Cu相，该相以块状Al2Cu和共晶状Al2Cu存在，在固溶处理过程中先破碎成更小的片段，然后球化，最后径向扩散到周围的基体中，通过固溶强化的方式起到强化作用，提高合金的力学性能。
本发明所述合金成分Mg元素含量：0.7-0.8wt%，例如0.7wt%、0.75wt%、0.8wt%，但不局限于所列举的数值，该数值范围内的其他未列举数值同样适用。
本发明所述半固态压铸铝合金中Mg元素与Al、Si、Cu元素能够形成Mg2Si相与Al5Cu2Mg8Si6相，该相可以通过弥散强化的方式起到强化作用。但固溶处理中未溶解的Mg2Si相会影响合金的塑性。
本发明所述合金成分Fe元素含量：0.05-0.3wt%，例如0.1wt%、0.15wt%、0.2wt%、0.25wt%、0.3wt%，但不局限于所列举的数值，该数值范围内的其他未列举数值同样适用。
本发明所述半固态压铸铝合金中Fe元素与Al、Mg、Si元素能够形成Al8FeMg3Si6相，Fe元素有助于压铸过程中脱模，减小粘模倾向，避免开模顶出时出现产品变形问题。
本发明所述合金成分Ti元素含量：0.01-0.2wt%，例如0.05wt%、0.1wt%、0.15wt%、0.2wt%，但不局限于所列举的数值，该数值范围内的其他未列举数值同样适用。
本发明所述合金成分B元素含量：0.01-0.2wt%，例如0.05wt%、0.1wt%、0.15wt%、0.2wt%，但不局限于所列举的数值，该数值范围内的其他未列举数值同样适用。
本发明所述半固态压铸铝合金中Ti元素和B元素以Al-5Ti-1B形式加入，能够形成TiB2粒子，作为异质形核核心，提高形核率，起到晶粒细化的效果，从而提高α-Al的球形度。
本发明还提供上述半固态压铸铝合金在汽车领域的应用，用作汽车零部件材料。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点。
1.本发明所述铝合金通过优化Si、Cu、Mg元素含量，使得合金的固液相区间温度范围小于130K，热裂倾向小；液相率0.3-0.5对应工艺窗口为25℃左右，有利于人工操作或者机械操作；合金固相率对温度敏感性较低，避免温度的小范围波动对浆料固相率产生大范围的影响。
2.本发明所述铝合金可进行T6热处理，在500℃固溶0.5-4h，在180℃时效6-24h；合金性能优异：抗拉强度大于350MPa，屈服强度大于320MPa。
附图说明
图1为本发明实施例1所述半固态压铸铝合金件的微观组织图片；
图2为本发明对比例1所述半固态压铸铝合金件的微观组织图片；
图3为本发明实施例1所述半固态压铸铝合金件的应力应变曲线图；
图4为本发明实施例2所述半固态压铸铝合金件的应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1
本实施例半固态压铸铝合金成分为：Si：6.22wt%，Cu：4.73wt%，Mg：0.79wt%，Fe：0.19wt%，Ti：0.04wt%，Mn：0.02wt%，B：0.011wt%，其余为Al以及不可避免的其他杂质元素。
所述半固态压铸铝合金的制备方法如下：
（1）按照所述半固态压铸铝合金的成分准备原材料，原材料选择纯度为99.99%的铝锭、纯度为99.999的硅、纯铜、Al-20Mg中间合金、Al-20Mn中间合金、Al-20Fe中间合金以及杆状Al-5Ti-1B。
（2）将原材料放入石墨粘土坩埚，在750℃的电阻炉中熔化，待原材料全部熔化后搅拌均匀；并进行扒渣与除气处理；精炼结束后在720℃进行保温，得到金属熔体。
（3）单次取2kg步骤（2）的金属熔体转移至制浆机坩埚中，采用旋转热焓平衡法进行半固态浆料的制备，制浆温度为630℃。
（4）将步骤（3）中制备的半固态浆料转移至压铸机进行压射成形，模具温度为140℃，慢压的压射速度为0.4m/s，快压的压射速度为2m/s，得到半固态压铸铝合金件。
（5）将步骤（4）中的半固态压铸铝合金件进行T6热处理，在500℃固溶0.5h，在180℃时效6h。
如图1所示，本实施例的半固态压铸铝合金的组织为球形α-Al。
从图3中可得本实施例的半固态压铸铝合金的拉伸性能：抗拉强度391MPa，屈服强度353MPa，延伸率1.53%。
实施例2
本实施例半固态压铸铝合金成分为：Si：6.08wt%，Cu：4.72wt%，Mg：0.78wt%，Fe：0.18wt%，Ti：0.04wt%，Mn：0.02wt%，B：0.012wt%其余为Al以及其他不可避免的杂质。
所述半固态压铸铝合金的制备方法如下：
（1）按照所述半固态压铸铝合金的成分准备原材料，原料选择纯度为99.99%的铝锭、纯度为99.999的硅、纯铜、Al-20Mg中间合金、Al-20Mn中间合金Al-20Fe中间合金以及杆状Al-5Ti-1B。
（2）将原材料放入石墨粘土坩埚，在750℃的电阻炉中熔化，待原材料全部熔化后搅拌均匀；并进行扒渣与除气处理；精炼结束后在720℃进行保温，得到金属熔体。
（3）单次取2kg步骤（2）的金属熔体转移至制浆机坩埚中，采用旋转热焓平衡法进行半固态浆料的制备，制浆温度为660℃。
（4）将步骤（3）中制备的半固态浆料转移至压铸机进行压射成形，模具温度为160℃，慢压的压射速度为0.2m/s，快压的压射速度为2m/s，得到半固态压铸铝合金件。
（5）将步骤（4）中的半固态压铸铝合金件进行T6热处理，在500℃固溶0.5h，在180℃时效6h。
从图3中可得本实施例的半固态压铸铝合金的拉伸性能：抗拉强度366MPa，屈服强度342MPa，延伸率1.27%。
对比例1
与实施例1相比，不同之处在于，成形方式采用液态压铸。
其组织形貌如图2所示，α-Al呈典型枝晶形貌，与半固态的球形α-Al形成鲜明对比。
对比例2
与实施例1相比，不同之处在于，半固态压铸铝合金成分为：Si：7wt%，Mg：0.4 wt%，Fe：0.02 wt%，Ti：0.16 wt%，Mn：0.05 wt%，其余为Al以及其他不可避免的杂质。采用与实施例1相同的制浆工艺及压铸工艺，其抗拉强度为242MPa，屈服强度为139MPa，延伸率为3.77%。屈服强度与抗拉强度远低于本发明合金成分。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种半固态压铸铝合金，其特征在于，所述半固态压铸铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si：6.22wt%，Cu：4.73wt%，Mg：0.79wt%，Fe：0.19wt%，Ti：0.04wt%，Mn：0.02wt%，B：0.011wt%，其余为Al以及不可避免的其他杂质元素，其他杂质元素质量百分比总和不大于0.1%；
所述半固态压铸铝合金的制备方法如下：
（1）按照所述半固态压铸铝合金的成分准备原材料，原材料选择纯度为99.99%的铝锭、纯度为99.999%的硅、纯铜、Al-20Mg中间合金、Al-20Mn中间合金、Al-20Fe中间合金以及杆状Al-5Ti-1B；
（2）将原材料放入石墨粘土坩埚，在750℃的电阻炉中熔化，待原材料全部熔化后搅拌均匀；并进行扒渣与除气处理；精炼结束后在720℃进行保温，得到金属熔体；
（3）单次取2kg步骤（2）的金属熔体转移至制浆机坩埚中，采用旋转热焓平衡法进行半固态浆料的制备，制浆温度为630℃；
（4）将步骤（3）中制备的半固态浆料转移至压铸机进行压射成形，模具温度为140℃，慢压的压射速度为0.4m/s，快压的压射速度为2m/s，得到半固态压铸铝合金件；
（5）将步骤（4）中的半固态压铸铝合金件进行T6热处理，在500℃固溶0.5h，在180℃时效6h。
2.一种半固态压铸铝合金，其特征在于，所述半固态压铸铝合金由以下质量百分比的成分组成：Si：6.08wt%，Cu：4.72wt%，Mg：0.78wt%，Fe：0.18wt%，Ti：0.04wt%，Mn：0.02wt%，B：0.012wt%，其余为Al以及其他不可避免的其他杂质元素，其他杂质元素质量百分比总和不大于0.1%；
所述半固态压铸铝合金的制备方法如下：
（1）按照所述半固态压铸铝合金的成分准备原材料，原料选择纯度为99 .99%的铝锭、纯度为99 .999%的硅、纯铜、Al-20Mg中间合金、Al-20Mn中间合金Al-20Fe中间合金以及杆状Al-5Ti-1B；
（2）将原材料放入石墨粘土坩埚，在750℃的电阻炉中熔化，待原材料全部熔化后搅拌均匀；并进行扒渣与除气处理；精炼结束后在720℃进行保温，得到金属熔体；
（3）单次取2kg步骤（2）的金属熔体转移至制浆机坩埚中，采用旋转热焓平衡法进行半固态浆料的制备，制浆温度为660℃；
（4）将步骤（3）中制备的半固态浆料转移至压铸机进行压射成形，模具温度为160℃，慢压的压射速度为0.2m/s，快压的压射速度为2m/s，得到半固态压铸铝合金件；
（5）将步骤（4）中的半固态压铸铝合金件进行T6热处理，在500℃固溶0.5h，在180℃时效6h。
3.根据权利要求1或2所述的半固态压铸铝合金，其特征在于，所述半固态压铸铝合金中Cu元素与Al元素能够形成Al2Cu相，Al2Cu相以块状Al2Cu和共晶状Al2Cu存在。
4.根据权利要求1或2所述的半固态压铸铝合金，其特征在于，所述半固态压铸铝合金中Mg元素与Al、Si、Cu元素能够形成Mg2Si相与Al5Cu2Mg8Si6相。
5.根据权利要求1或2所述的半固态压铸铝合金，其特征在于，所述半固态压铸铝合金中Fe元素与Al、Mg、Si元素能够形成Al8FeMg3Si6相。
6.根据权利要求1或2所述的半固态压铸铝合金，其特征在于，所述半固态压铸铝合金中Ti元素和B元素以Al-5Ti-1B形式加入。
7.如权利要求1-6任一项所述半固态压铸铝合金在汽车领域的应用，用作汽车零部件材料。
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2022
- 2022-12-30 CN CN202211717329.0A patent/CN115786783B/zh active Active
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