CN116162826A - 一种非热处理型高强韧压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及涉及一种非热处理型高强韧压铸铝合金及其制备方法，由铈Ce、镁Mg、钙Ca、锆Zr、铝Al及杂质元素组成，本发明所述铝合金的强度塑性匹配主要来源于两个方面，一是通过Ca的添加使得基体中形成了Al4Ce以及Al4Ca两种共晶相，提高了共晶相的体积分数；二是通过Zr在铝液中优先形成Al3Zr的高熔点粒子，Al3Zr诱发了铝的非均匀形核，起到了细化晶粒的作用，需要指出的是，本发明中通过同时添加Ca和Zr作为主要合金化元素，在目前的技术资料中未见公开，Ca和Zr所起到的复合添加效果也是通过常规理论无法预测的，这是本发明的一个重要创新点。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及涉及一种非热处理型高强韧压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金具有密度小，比强度高，耐腐蚀性能好，铸造性能优良以及易于回收等优点，是汽车轻量化的首选材料。高压铸造铝合金以其低成本、高效率，在汽车上的应用逐渐增加。热处理是改善铝合金性能的一种重要方法，然而，压铸铝合金经过固溶、时效热处理后，极易出现鼓包、变形等缺陷，如果热处理后进行机加工，则尺寸更加不易保证，同时增加了企业成本。因此，对于压铸企业而言，开发非热处理型的新型铝合金材料将在激烈的市场竞争中处于有利地位。传统压铸铝合金强度中等，但塑性较差，例如ADC12压铸铝合金室温下伸长率低于2％且强度不高，即使经过热处理也难以进一步提升伸长率。因此，开发可用于压铸的新型免热处理铝合金材料对于汽车轻量化而言具有重要意义。
中国专利CN202210646779.9公开了一种非热处理型的压铸铝合金及其制备方法，其成分为Ce:6～8wt.％，Mg:1.4～2.8wt.％，Si:0.8～1.6wt.％，不可避免的杂质元素含量小于或等于0.3wt.％，余量为Al元素。在制备过程中将稀土元素Ce与元素Mg、Si通过严格的摩尔分数比，以AlCeSi相作为α-Al晶粒的形核基底，实现了合金晶粒的细化。所得铝合金的室温抗拉强度为250MPa，延伸率为10％。然而，所述合金中还使用了大量的Ce元素,合金化程度高，合金成本高，制备工艺复杂。因此，亟需开发一种新型的低成本、高性能合金以弥补上述不足。
发明内容
本发明研究的目的在于克服现有技术的不足，通过“提高共晶体积分数、细化铝晶粒”的总体微观组织设计思想，提供了一种免热处理的高强韧耐热铝合金的成分及制备方法，通过真空压铸技术制备了合金试样，压铸合金的室温抗拉强度在180～250MPa之间，延伸率在10％～15％之间。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种非热处理型高强韧压铸铝合金，由铈Ce、镁Mg、钙Ca、锆Zr、铝Al及杂质元素组成，各所述元素的重量百分比如下：铈Ce为2～5wt.％，镁Mg为0.1wt.％～0.3wt.％，钙Ca为0.5wt.％～3wt.％，锆Zr为0.1wt.％～1wt.％，杂质元素含量≤0.3％，其余为铝Al。
进一步，所述铈Ce、镁Mg、钙Ca和锆Zr元素通过铝铈、铝镁、铝钙及铝锆中间合金的方式添加。
进一步，所述铝铈中间合金中铈的质量百分比为20％，铝镁中间合金中镁的质量百分比为5％，铝钙中间合金中钙的质量百分比为10％，铝锆中间合金中锆的质量百分比为5％。
进一步，一种非热处理型高强韧压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：清理炉膛，包括对熔炼炉、中转炉以及保温炉的清理，接着将熔炼炉在300℃～350℃下预热；
步骤二：通过称重使得合金成分达到预设成分，随后将原材料铝锭放在熔炉中熔化，熔炼保温时间不得低于6小时，待合金锭充分熔化后通过旋转子充分搅拌熔体并静置5分钟；
步骤三：加入无钠精炼剂精炼造渣，扒去熔体表面的浮渣，随后将液体温度降至750℃以下并通入高纯氮气以充分除气，除气时间不得低于15分钟以保证得到纯净的铝合金液体，利用原子吸收光谱仪对合金液的成分进行测定；
步骤四：最后在750℃下将铝合金液体压铸到模具中，模具预热温度为300℃，压铸到模具的压铸真空度控制在5mbar，压铸速度5m/s，最终得到压铸铝合金材料；
步骤五：室温拉伸测试采用GB/T228.1-2021测试标准，测试拉伸速度为2mm/min。
本发明的有益效果是：
1、本发明在多组元合金化设计的基础之上，通过“Ca提高共晶体积分数，Zr细化铝合金晶粒”的总体微结构设计思想，提供了一种基于多元共晶相强化以及细化晶粒韧化的低成本高强韧压铸铝合金的成分及制备方法。通过真空压铸技术制备了合金试样，该压铸铝合金的室温抗拉强度在180～250MPa之间，延伸率在10％～15％之间，其技术指标在现有技术中具有领先性。
2、本发明所述铝合金的强度塑性匹配主要来源于两个方面，一是通过Ca的添加使得基体中形成了Al4Ce以及Al4Ca两种共晶相，提高了共晶相的体积分数；二是通过Zr在铝液中优先形成Al3Zr的高熔点粒子，Al3Zr诱发了铝的非均匀形核，起到了细化晶粒的作用，需要指出的是，本发明中通过同时添加Ca和Zr作为主要合金化元素，在目前的技术资料中未见公开，Ca和Zr所起到的复合添加效果也是通过常规理论无法预测的，这是本发明的一个重要创新点。
3.合金成分中稀土元素Ce主要形成Al4Ce共晶相，Ca元素主要形成Al4Ca共晶相以提高金属间化合物的体积分数，进而提高强度；在上述多元多相强化的同时，Zr通过在铝液中优先形成Al3Zr的高熔点粒子，诱发铝的非均匀形核，起到了细化晶粒的作用，进而保证了合金的伸长率；因此，本发明所规定的合金元素成分范围，所添加元素都起到了积极的作用，规避了合金元素交互作用带来的不利影响，在技术上具有创新性。
4、本发明所述的合金不需要额外热处理强化工艺，成本低、工艺简单。
附图说明
图1为实施例1的微观组织图及合金元素分布图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供了以下优选的实施例：
实施例1：首先将熔炼炉在300℃～350℃下预热。铈Ce为2～3wt.％，镁Mg为0.1wt.％～0.3wt.％，钙为1wt.％～2wt.％，锆Zr为0.3wt.％～0.5wt.％，其他杂质元素含量≤0.3％，其余为铝。通过称重使得合金成分达到预设成分，随后将原材料铝锭放在熔炉中熔化，熔炼保温时间不得低于6小时。待合金锭充分熔化后通过旋转子充分搅拌熔体并静置5分钟。加入无钠精炼剂精炼造渣，扒去熔体表面的浮渣；随后将液体温度降至750℃以下并通入高纯氮气以充分除气，除气时间不得低于15分钟以保证得到纯净的铝合金液体。利用原子吸收光谱仪对合金液的成分进行测定。最后在750℃下将铝合金液体压铸到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到压铸铝合金材料。压铸真空度控制在5mbar，压铸速度5m/s。室温拉伸测试采用GB/T228.1-2021测试标准，测试拉伸速度为2mm/min。经测试压铸态的抗拉强度为230MPa-250MPa，伸长率为10～12％。
实施例2：首先将熔炼炉在300℃～350℃下预热。铈Ce为3～5wt.％，镁Mg为0.1wt.％～0.3wt.％，钙为0.1wt.％～0.3wt.％，锆Zr为0.1wt.％～0.2wt.％，其他杂质元素含量≤0.3％，其余为铝。通过称重使得合金成分达到预设成分，随后将原材料铝锭放在熔炉中熔化，熔炼保温时间不得低于6小时。待合金锭充分熔化后通过旋转子充分搅拌熔体并静置5分钟。加入无钠精炼剂精炼造渣，扒去熔体表面的浮渣；随后将液体温度降至750℃以下并通入高纯氮气以充分除气，除气时间不得低于15分钟以保证得到纯净的铝合金液体。利用原子吸收光谱仪对合金液的成分进行测定。最后在750℃下将铝合金液体压铸到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到压铸铝合金材料。压铸真空度控制在5mbar，压铸速度5m/s。室温拉伸测试采用GB/T228.1-2021测试标准，测试拉伸速度为2mm/min。经测试压铸态的抗拉强度为190MPa-200MPa，伸长率为13～15％。
实施例3：首先将熔炼炉在300℃～350℃下预热。铈Ce为3～5wt.％，镁Mg为0.1wt.％～0.3wt.％，钙为1wt.％～2wt.％，其他杂质元素含量≤0.3％，其余为铝。通过称重使得合金成分达到预设成分，随后将原材料铝锭放在熔炉中熔化，熔炼保温时间不得低于6小时。待合金锭充分熔化后通过旋转子充分搅拌熔体并静置5分钟。加入无钠精炼剂精炼造渣，扒去熔体表面的浮渣；随后将液体温度降至750℃以下并通入高纯氮气以充分除气，除气时间不得低于15分钟以保证得到纯净的铝合金液体。利用原子吸收光谱仪对合金液的成分进行测定。最后在750℃下将铝合金液体压铸到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到压铸铝合金材料。压铸真空度控制在5mbar，压铸速度5m/s。室温拉伸测试采用GB/T228.1-2021测试标准，测试拉伸速度为2mm/min。经测试压铸态的抗拉强度为220MPa-230MPa，伸长率为12～14％。
对比例1：首先将熔炼炉在300℃～350℃下预热。铈Ce为4～5wt.％，镁Mg为0.2wt.％～0.3wt.％，其他杂质元素含量≤0.3％，其余为铝。通过称重使得合金成分达到预设成分，随后将原材料铝锭放在熔炉中熔化，熔炼保温时间不得低于6小时。待合金锭充分熔化后通过旋转子充分搅拌熔体并静置5分钟。加入无钠精炼剂精炼造渣，扒去熔体表面的浮渣；随后将液体温度降至750°C以下并通入高纯氮气以充分除气，除气时间不得低于15分钟以保证得到纯净的铝合金液体。利用原子吸收光谱仪对合金液的成分进行测定。最后在750℃下将铝合金液体压铸到模具中，模具预热温度为300℃，最终得到压铸铝合金材料。压铸真空度控制在5mbar，压铸速度5m/s。室温拉伸测试采用GB/T228.1-2021测试标准，测试拉伸速度为2mm/min。经测试压铸态的抗拉强度为180MPa-200MPa，伸长率为13～15％。
本发明的有益效果具体体现在以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种非热处理型高强韧压铸铝合金，由铈Ce、镁Mg、钙Ca、锆Zr、铝Al及杂质元素组成，其特征在于，各所述元素的重量百分比如下：铈Ce为2～5wt.％，镁Mg为0.1wt.％～0.3wt.％，钙Ca为0.5wt.％～3wt.％，锆Zr为0.1wt.％～1wt.％，杂质元素含量≤0.3％，其余为铝Al。
2.根据权利要求1所述的一种非热处理型高强韧压铸铝合金，其特征在于，所述铈Ce、镁Mg、钙Ca和锆Zr元素通过铝铈、铝镁、铝钙及铝锆中间合金的方式添加。
3.根据权利要求2所述的一种非热处理型高强韧压铸铝合金，其特征在于，所述铝铈中间合金中铈的质量百分比为20％，铝镁中间合金中镁的质量百分比为5％，铝钙中间合金中钙的质量百分比为10％，铝锆中间合金中锆的质量百分比为5％。
4.根据权利要求3所述的一种非热处理型高强韧压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：清理炉膛，包括对熔炼炉、中转炉以及保温炉的清理，接着将熔炼炉在300℃～350℃下预热；
步骤二：通过称重使得合金成分达到预设成分，随后将原材料铝锭放在熔炉中熔化，熔炼保温时间不得低于6小时，待合金锭充分熔化后通过旋转子充分搅拌熔体并静置5分钟；
步骤三：加入无钠精炼剂精炼造渣，扒去熔体表面的浮渣，随后将液体温度降至750℃以下并通入高纯氮气以充分除气，除气时间不得低于15分钟以保证得到纯净的铝合金液体，利用原子吸收光谱仪对合金液的成分进行测定；
步骤四：最后在750℃下将铝合金液体压铸到模具中，模具预热温度为300℃，压铸到模具的压铸真空度控制在5mbar，压铸速度5m/s，最终得到压铸铝合金材料；
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