CN115852213A - 一种免热处理压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新材料制备技术领域，具体涉及一种免热处理压铸铝合金及其制备方法。包括以下质量百分比的组分：Si：6％‑9％，Cu：0.01％‑0.2％，Mg：0.2％‑0.6％，Mn：0.2％‑0.6％，Zn：0.01％‑0.2％，Fe:0.01％‑0.2％，Sr：0.01％‑0.1％，Re：0.03％‑0.5％，V：0.01％‑0.15％，余量为Al和不可避免的杂质；Re为La和Ce中的一种或两种组合。该免热处理压铸铝合金在保证抗拉强度和屈服强度的基础上，具有极高的断后延伸率，其抗拉强度可以达到260MPa以上，屈服强度可以达到125MPa以上，延伸率可以达到12％以上。
Description
技术领域
本发明属于新材料制备技术领域，具体涉及一种免热处理压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金是车辆结构压铸件的常用材料，当其应用在车辆结构压铸件中，需要高延伸率(保证抗拉强度≥250MPa和屈服强度≥120MPa)的铝合金以保证车辆结构压铸件的铆接性能。现目前提高铝合金延伸率的主要方法是进行热处理，但是大型薄壁化结构件在热处理时很容易变形，虽然可以通过矫正工艺来改善一定的尺寸精度，但也会不可避免地造成废品率的增加，而且热处理会增加处理工序及能耗。
因此，现目前还可以通过设计不同的金属组分和工艺来实现铝合金免热处理压铸也能达到热处理后的延伸率，免热处理铝合金相对于传统热处理铝合金可以节省铸件热处理工序，车身将由几十个零件减少到一个，大大减少了将所有零件组装在一起的资本支出，减少生产线，缩小生产占地面积，提高生产效率，具有降低制造成本、提高产品的良品率，节约能源，使得车身结构件的成本和性能具有较大优势，并可以较少碳排放(省去零件压铸后的热处理工艺)。
因此，一种在保证抗拉强度和屈服强度(抗拉强度≥250MPa，屈服强度≥120MPa)的基础上，具有高延伸率的免热处理压铸铝合金是有必要的。
发明内容
针对以上问题，本发明目的之一在于提供一种免热处理压铸铝合金，本发明通过设计Si、Mg、Mn以及Cu、Zn、Fe、稀土元素和钒的比例来得到断后延伸率≥12％的免热处理压铸铝合金。
为了达到上述目的，本发明可以采用以下技术方案：
本发明一方面提供一种免热处理压铸铝合金，包括以下质量百分比的组分：Si：6％-9％，Cu：0.01％-0.2％，Mg：0.2％-0.6％，Mn：0.2％-0.6％，Zn：0.01％-0.2％，Fe:0.01％-0.2％，Sr：0.01％-0.1％，Re：0.03％-0.5％，V：0.01％-0.15％，余量为Al和不可避免的杂质；Re为La和Ce中的一种或两种组合。
本发明另一方面提供一种上述免热处理压铸铝合金的制备方法，包括：(1)将再生铝锭或A00铝锭熔化后，加入纯硅和纯锰，在800℃-900℃充分熔解；(2)降温至700℃-760℃加入纯镁，充分熔解得混合金属液；(3)将混合金属液进行精炼；(4)精炼后加入稀土元素进行处理，处理后加入铝锶变质剂进行铸造得到免热处理压铸铝合金。
本发明有益效果包括：本发明提供的免热处理压铸铝合金在保证抗拉强度和屈服强度的基础上，具有极高的断后延伸率，其抗拉强度可以达到260MPa以上，屈服强度可以达到125MPa以上，断后延伸率可以达到12％以上。
附图说明
图1为实施例1制备的铝合金的金相组织(1:100)；
图2位实施例1制备的铝合金的金相组织(1:200)。
具体实施方式
所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施例，并且无意于限制本公开。除非在上下文中具有明显不同的含义，否则单数形式的表达包括复数形式的表达。如本文所使用的，应当理解，诸如“包括”、“具有”、“包含”之类的术语旨在指示特征、数字、操作、组件、零件、元件、材料或组合的存在。在说明书中公开了本发明的术语，并且不旨在排除可能存在或可以添加一个或多个其他特征、数字、操作、组件、部件、元件、材料或其组合的可能性。如在此使用的，根据情况，“/”可以被解释为“和”或“或”。
本发明实施例提供一种免热处理压铸铝合金，包括以下质量百分比的组分：Si：6％-9％，Cu：0.01％-0.2％，Mg：0.2％-0.6％，Mn：0.2％-0.6％，Zn：0.01％-0.2％，Fe:0.01％-0.2％，Sr：0.01％-0.1％，Re：0.03％-0.5％，V：0.01％-0.15％，余量为Al和不可避免的杂质；Re为La和Ce中的一种或两种组合。
需要说明的是，上述的免热处理压铸铝合金中，本发明中的免热处理压铸铝合金属于Al-Si系列免热处理铝合金，引入Mn元素，是为了改善材料的脱模效果，抵消不可避免的杂质Fe元素带来的不利影响；Si和Mg元素的添加用于提高铝合金的强度，但是Si和Mg元素添加量太高，断后延伸率会所有降低，但是Si和Mg元素添加量太低，强度会有所降低，所以添加锶和稀土联合变质，提升铝合金的抗拉强度；同时添加微量的Cu元素和Zn元素，也可以弥补其它金属元素原子间的空隙，减少内部疏松缺陷，进而达到力学性能的综合提升，同样地，Cu元素和Zn元素的含量过高，虽然强度提升了，但是断后延伸率会下降，Cu元素和Zn元素的含量过低，起不到提升强度的作用，所以本发明设置Cu的质量百分数为0.01％-0.2％，例如0.02％、0.05％、0.1％或0.15％等，Zn的质量百分数为0.01％-0.2％，例如0.02％、0.05％、0.1％或0.15％等。另外，本发明中还加入少量的V元素，对组织进行细化，提升断后延伸率，但是V元素含量高于0.15％时，铝合金的断后延伸率会降低，达不到使用要求。
在一些具体实施例中，上述免热处理压铸铝合金中，优选包括以下质量百分比的组分：Si：7.425％，Cu：0.059％，Mg：0.317％，Mn：0.337％，Zn：0.057％，Fe:0.087％，Sr：0.044％，Re：0.15％，V：0.055％，余量为Al和不可避免的杂质，余量为Al和不可避免的杂质。在该配比下的铝合金在保证抗拉强度和屈服强度的基础上，具有极高的断后延伸率，其抗拉强度可以达到约260MPa，屈服强度可以达到约125MPa，断后延伸率可以达到约12.5％，断后延伸率显著高于10％的工业用料标准。
本发明另一实施例提供一种上述的免热处理压铸铝合金的制备方法，其包括：(1)将再生铝锭或A00铝锭熔化后，加入纯硅和纯锰，在800℃-900℃充分熔解；(2)降温至700℃-760℃加入纯镁，充分熔解得混合金属液；(3)将混合金属液进行精炼；(4)精炼后加入稀土元素进行处理，处理后加入铝锶变质剂进行铸造得到免热处理压铸铝合金。
需要说明的是，上述制备方法中，再生铝锭和A00铝锭含有质量分数为0.01％-0.2％的Fe元素，另外，再生铝锭还含有0.01％以上铜元素和0.01％以上的锌元素，A00铝锭还含有0.01％左右的铜元素和0.01％左右的锌元素，所以制备方法中，根据情况而定，添加或不添加额外的纯铜元素和纯锌元素。另外，还需要说明的是，再生铝锭和A00铝锭均为本领域所已知的，比如电解产生的铝锭、原生铝锭和废弃汽车回收的再生铝锭。还需要说明的是，现在随着国家对碳排放的要求越来越高，出于工业环保的要求，优选使用再生铝，其他的元素的来源也可以是再生来源，比如再生镁，如此可以有效降低碳排放。
还需要说明的是，上述制备方法中，合金化温度过低，硅、锰等高熔点元素熔解不充分，造成材料组织细化效果差，影响力学性能；合金化温度过高，造成烧损较大，铝液吸气较大，影响成本及质量；稀土元素及铝锶等变质剂，均有时效的要求，一般变质效果在4-8小时，添加过早会损失变质剂，达不到细化效果。
还需要说明的是，铝锶变质剂为铝的中间合金，一般锶含量为10％；A00铝锭可以来源电解铝厂家；再生铝可以来源型材厂、压铸厂报废料的回收。
在一些具体实施例中，上述制备方法中，步骤(1)中，将再生铝锭或A00铝锭熔化后进行精炼，再加入纯硅和纯锰。
在一些具体实施例中，上述制备方法中，上述精炼包括：在700℃-760℃加入精炼剂进行精炼。需要说明的是，精炼剂为本领域所已知的精炼剂，比如以钠盐为主的粉状精炼剂。
在一些具体实施例中，上述制备方法中，步骤(4)中，在铸造过程中，对混合金金属液进行在线除气及陶瓷过滤铸造得到免热处理压铸铝合金。需要说明的是，对混合金金属液进行在线除气及陶瓷过滤的目的是保证铝合金的含气量及纯净度符合高标准要求，并达到材料力学性能的需求。
为了更好地理解本发明，下面结合具体示例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的示例。
以下实施例中，按照以下步骤进行铸造铝合金：(1)加入铝锭于熔化炉内，650℃熔化；(2)在750℃时对铝液添加精炼剂进行精炼得精炼铝液；(3)精炼铝液中加入纯硅和纯锰，在850℃高温下充分熔解；(4)然后在750℃低温下加入纯镁，让镁充分熔解；(5)主要成分调整符合配比要求后，在750℃时对铝液添加精炼剂提升铝液纯净度，提升合金性能；(6)精炼完成后，在750℃时加入稀土元素对合金细化处理，再加入铝锶变质剂对铝合金进行变质处理，(7)铸造过程中，对铝液在线除气及陶瓷过滤，保证铝锭含气量及纯净度符合高标准要求。
以下实施例中，稀土元素为La和Ce的组合，La与Ce的质量比为4：6。
一、铝合金制备
实施例1
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为再生铝，制备得到的铝合金组分如下表1所示。
表1实施例2制备的铝合金组分(％)
实施例2
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为再生铝，制备得到的铝合金组分如下表2所示。
表2实施例2制备的铝合金组分(％)
实施例3
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为再生铝，制备得到的铝合金组分如下表3所示。
表3实施例3制备的铝合金组分(％)
对比例1
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为A00铝锭，制备得到的铝合金组分如下表4所示。
表4对比例1制备的铝合金组分(％)
对比例2
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为A00铝锭，制备得到的铝合金组分如下表5所示。
表5对比例2制备的铝合金组分(％)
对比例3
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为A00铝锭，制备得到的铝合金组分如下表6所示。
表6对比例3制备的铝合金组分(％)
对比例4
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为再生铝，制备得到的铝合金组分如下表7所示。
表7对比例4制备的铝合金组分(％)
对比例5
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为再生铝，制备得到的铝合金组分如下表8所示。
表8对比例5制备的铝合金组分(％)
对比例6
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为再生铝，制备得到的铝合金组分如下表9所示。
表9对比例6制备的铝合金组分(％)
对比例7
按照上述的制备方法制备得到铝合金，其中，铝锭为再生铝，制备得到的铝合金组分如下表10所示。
表10对比例7制备的铝合金组分(％)
二、性能检测
(1)显微镜观察
将实施例1制备的铝合金分别使用1:100和1:200显微镜进行观察，情况如图1和图2所示，从图1和图2可以得知，在1：200倍下仍然可以观察到铝合金的内部组织致密，说明本发明中的铝合金内部结构优异。
(2)力学性能检测
本发明实施例中的抗拉强度、断后延伸率和屈服强度检测方法均为本领域所已知的方法。
将上述实施例1-3和对比例1-7制备的铝合金，分别进行抗拉强度、断后延伸和屈服强度检测，进行3次平行试验，然后检测结果如下表11所示。
表11实施例和对比例制备的铝合金性能检测
从上表11可知：
实施例1、实施例2和实施例3制备得到的铝合金的抗拉强度均≥250MPa，断后延伸率均≥11％，屈服强度均≥120MPa，其中实施例1的断后延伸率略优于实施例2和实施例3，抗拉强度和屈服强度相差不大，所以，优选实施例1中的配比制备的铝合金。
对比例1是按照国标AlSi10MnMg牌号进行元素配比，抗拉强度在280MPa以上，屈服强度在140MPa以上，但是断后延伸率仅为5％左右；其抗拉强度和屈服强度虽然均高于实施例1中的铝合金，但是断后延伸率远远低于实施例1中的12.5％左右。
对比例2是在对比例1的基础上，降低了Si和Mg等强化元素的含量后，强度降低了，但是延伸率平均较对比例1提升约53％(提升至约8.88％)，抗拉强度较对比例1下降约17％(下降至243MPa)，屈服强度较对比例1下降约28％(下降至106MPa)，均远远低于实施例1，也没有达到抗拉强度≥250MPa，屈服强度≥120MPa和断后延伸率≥10％的工业用料要求。
对比例3在对比例2的基础上，使用锶、稀土联合变质加入到铝合金中，细化共晶硅晶粒，细化合金组织，对铝液净化处理进而提升性能，与对比例2对比，抗拉强度略有提升(提升至约250MPa)，断后延伸率和屈服强度在对比例2的基础上平均提升约15％(断后延伸率提升至约10.14％，屈服强度提升至约121MPa)，但是均远低于实施例1中的性能。需要说明的是，在对比例2的基础上，不能通过继续降低Si和Mg等强化元素达到提升延伸率的效果，因为硅过低，不利于大型铸件的铸造成型。
对比例4在对比例3的基础上，增加了Cu和Zn元素，弥补了其它金属元素原子间的空隙，减少内部疏松缺陷，使得铝合金的抗拉强度平均值较对比例3提升了约8.6％(提升至约271MPa)，断后延伸率平均值较对比文件3提升了约17％(提升至约11.87％)，屈服强度平均值较对比例3提升了约7％(提升至约129MPa)；抗拉强度、屈服强度和断后延伸率均达到了抗拉强度≥250MPa，屈服强度≥120MPa和断后延伸率≥10％的工业用料要求，且性能比较稳定；将对比例4与实施例1进行对比例，实施例1中还添加了V，使得铝合金的断后延伸率提升了约6.7％(提升至约12.66％)。
对比例5与实施例1对比，对比例5将实施例1中的V替换成Ti，其他元素一样且组分相差不大，Ti也是能够提高金属断后延伸率的金属物质，将Ti替换V加入到本申请中的铝合金中，断后延伸率平均值约9.47％，明显低于对比例4和实施例1，较对比例4下降了约20％，较实施例1下降了约25％，说明本发明中的铝合金中的Ti与其他元素存在协同发挥作用的功效，并非所有可以提高金属断后延伸率的金属均能适用于本发明中的铝合金。
对比例6在对比例4的基础上增加了Cu的含量，虽然铝合金的抗拉强度明显提升，但是断后延伸率出现了断崖式下跌，跌至8.53％，较对比例4下降了约28％，说明Cu的添加量需要在合适的范围内，才能与其他金属组分协同，既保证铝合金的强度，也能使得其他金属组分发挥作用提高铝合金的断后延伸率。
对比例7在实施例1的基础上增加了V的含量，增加V的含量之后，铝合金的断后延伸率没有继续上升，反而呈下降趋势，下降至9.19％，较实施例1制备的铝合金的断后延伸率下降了约27％，抗拉强度和屈服强度变化不显著，说明V的含量需要在一定的含量范围内才能提高本发明中的铝合金的断后延伸率。
综上，本发明中通过选择合适的金属元素，进行元素之间不同配比的优化以及发掘元素之间的协同作用，得到抗拉强度高、断后延伸率高以及屈服强度高的免热处理铝合金材料。
本实验通过常规元素组合配比的优化，达到元素间化合的最佳性能状态，在生产成本较经济的情况下，同时也能满足材料性能的需求。另外，本发明含量流动性在750℃可达385mm(流动性的测定是采用单螺旋流动性装置，以合金液流动的长度表示其流动性)，较其他铝硅合金属于较好一类；气密性方面，在铸件厚度最薄可以达到1mm时不漏，较其他铝硅合金也属于较好一类。即本发明中的铝合金在满足力学性能的前提下达到最佳气密性与流动性，保证铸件力学性能达到使用要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围。
Claims (7)
1.一种免热处理压铸铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：Si：6％-9％，Cu：0.01％-0.2％，Mg：0.2％-0.6％，Mn：0.2％-0.6％，Zn：0.01％-0.2％，Fe:0.01％-0.2％，Sr：0.01％-0.1％，Re：0.03％-0.5％，V：0.01％-0.15％，余量为Al和不可避免的杂质；Re为La和Ce中的一种或两种组合。
2.根据权利要求1所述的免热处理压铸铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：Si：7.425％，Cu：0.059％，Mg：0.317％，Mn：0.337％，Zn：0.057％，Fe:0.087％，Sr：0.044％，Re：0.15％，V：0.055％，余量为Al和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的免热处理压铸铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：Si：6％，Cu：0.01％，Mg：0.2％，Mn：0.2％，Zn：0.01％，Fe:0.01％，Sr：0.01％，Re：0.03％，V：0.01％，余量为Al和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的免热处理压铸铝合金，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：Si：9％，Cu：0.2％，Mg：0.6％，Mn：0.6％，Zn：0.2％，Fe:0.2％，Sr：0.1％，Re：0.5％，V：0.15％，余量为Al和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的免热处理压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括：(1)将再生铝锭或A00铝锭熔化后，加入纯硅和纯锰，在800℃-900℃充分熔解；(2)降温至700℃-760℃加入纯镁，充分熔解得混合金属液；(3)将混合金属液进行精炼；(4)精炼后加入稀土元素进行处理，处理后加入铝锶变质剂进行铸造得到免热处理压铸铝合金。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将再生铝锭或A00铝锭熔化后进行精炼，再加入纯硅和纯锰。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，精炼包括：在700℃-760℃加入精炼剂进行精炼。
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