CN116200635A - 低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，所述低碳免热处理的高压铸造铝合金包括：6.0～7.5重量％的硅；0.15～0.3重量％的铁；0.02～0.1重量％的铜；0.02～0.15重量％的锌；0.4～0.6重量％的锰；0.02～0.15重量％的铬；0.1～0.4重量％的镁；0.02～0.1重量％的钒；0.02～0.1重量％的钛；0.01～0.03重量％的镓；0.01～0.03重量％的锶；0.02～0.3重量％的稀土单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝，其中Fe+Mn*1.5+Cr*2+V*2.5大于1.3，小于1.6。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压铸铝合金领域，尤其涉及一种所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法。
背景技术
随着目前新能源汽车的发展，汽车轻量化设计已经成为新能源汽车发展的潮流。研究表明新能源汽车每减少100kg的重量，续航里程可以提升10％-11％，还可以减少20％的电池成本和20％的日常损耗成本。
铝合金作为汽车轻量化的首选材料，具有减重降耗、节能环保、可回收再利用、耐腐蚀性好，提高车辆行驶平衡性和安全性。压铸零部件由功能件向结构件转变，发展趋势偏向于薄壁件、集成化、结构复杂化一体化压铸零件，对材料要求高强度、高延伸，以致能满足零件铆接时不开裂。但目前很多压铸结构件需要热处理方可达到性能要求，但热处理过程不可控因素较多，最终会导致热处理后的压铸结构件变形、成品率低、且成本较高，而特斯拉兴起的用免热处理材料压铸汽车结构件逐渐兴起，但在目前使用的免热处理材料，为保证材料的塑性，铁含量控制很低，导致很难使用再生铝生产。
随着碳达峰和碳中和政策的深入推进，碳排放指标不断调低，再生铝体现了能源消耗低的明显优势，而且摆脱了铝业“价随电涨”的依赖，将再生铝业作为主导产业更有利于铝业健康稳定和长期发展。再生铝碳排放显著低于火力电解原铝排放，1吨火力电解原铝排放约12吨二氧化碳，而生产1吨再生铝仅排放约300Kg二氧化碳，生产1吨再生铝节约3.4吨标准煤，节水14立方米，减少固体废物排放20吨。按1吨标准煤排放3吨二氧化碳计算，加上其他辅料的碳排放，1吨再生铝总共可减少约11.5吨二氧化碳排放量。同时，再生铝经济效益显著。原铝的生产涉及铝土矿的开采、长途运输等，氧化铝经过火电或者水电、风电电解过程中能耗大，尤其是火电作为目前主要的能源供给，用风电或者水电生产的原铝目前普遍比火电铝价格高300-700元，成本高，货源不稳定，所以用再生铝生产的免热处理材料作为目前一体化压铸件的趋势；
发明内容
本发明的一个优势在于提供一种所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其中所述高压铸造的铝合金在铸态时>120MPa的拉伸屈服极限Rp0.2，同时>13.0％的断裂延伸率A，>240MPa的抗拉强度Rm，尤其是所述高压铸造的铝合金原材料生产用再生铝生产且压铸零件不需要热处理。
本发明的一个优势在于提供所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其中所述高压铸造铝合金用再生铝生产且有较高的硬度和塑性。
为达到上述至少一个优势，本发明提供一种所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法包括：
S1，熔化再生铝原料，并控制铝液温度控制在710～730℃之间；
S1，按照低碳免热处理的高压铸造铝合金包括的以下组分：
6.0～7.5重量％的硅；
0.15～0.3重量％的铁；
0.02～0.1重量％的铜；
0.02～0.15重量％的锌；
0.4～0.6重量％的锰；
0.02～0.15重量％的铬；
0.1～0.4重量％的镁；
0.02～0.1重量％的钒；
0.02～0.1重量％的钛；
0.01～0.03重量％的镓；
0.01～0.03重量％的锶；
0.02～0.3重量％的稀土，单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝，其中Fe+Mn*1.5+Cr*2+V*2.5大于1.0，小于1.6加入所述滤液中，并通过升温铝液使加入的组分熔化；
S2，通过除气机将铝合金无钠精炼剂压入进行精炼，并在精炼时加入含0.01～0.03重量％的锶的铝锶中间合金，并精炼预定时间，以去除铝液中气体；
S3，通过测氢仪检测含气量，并在含气量达到0.15ml/100g以下时，通过铝合金高压铸造设备压铸以形成所述低碳高压铸造免热处理的铝合金。
根据本发明一实施例，铁含量为0.15～0.3重量％。
根据本发明一实施例，所述稀土的含量为0.02～0.3重量％的
根据本发明一实施例，所述稀土选自镧、铈、饵中至少一种。
根据本发明一实施例，所述免热处理的高压铸造铝合金包括0.02～0.1重量％的铜。
根据本发明一实施例，所述免热处理的高压铸造铝合金包括0.4～0.6重量％的锰。
根据本发明一实施例，所述免热处理的高压铸造铝合金包括0.02～0.1重量％的镍。
根据本发明一实施例，所述免热处理的高压铸造铝合金包括0.02～0.15重量％的锌。
根据本发明一实施例，所述免热处理的高压铸造铝合金包括0.02～0.1重量％的钒。
根据本发明一实施例，Fe+Mn*1.5+Cr*2+V*2.5大于1.3，小于1.6；
附图说明
图1示低碳铝合金压铸零件本体取样金相图；
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使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，该发明内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。
所述低碳免热处理的高压铸造铝合金包括：
6.0～7.5重量％的硅；
0.15～0.3重量％的铁；
0.02～0.1重量％的铜；
0.02～0.15重量％的锌；
0.4～0.6重量％的锰；
0.02～0.15重量％的铬；
0.1～0.4重量％的镁；
0.02～0.1重量％的钒；
0.02～0.1重量％的钛；
0.01～0.03重量％的镓；
0.01～0.03重量％的锶；
0.02～0.3重量％的稀土，单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝，其中Fe+Mn*1.5+Cr*2+V*2.5大于1.3，小于1.6；
值得一提的是，铁在高压铸造铝合金中的份额最多0.3重量％，因能最大限度的使用再生铝，优选0.2～0.3重量％。且铁含量增加能提高铸造铝合金的强度，但会降低铸造铝合金的塑性。
Mn的加入可以改变β-Fe相的形态，使其变为α-AlFeSi。这是因为Mn和Fe具有相似的原子半径。因此Mn可以被Fe取代，并且β-Fe相可以转变成α-AlFeSi。如果连续添加Mn过量，也会形成大块状的α-AlFeSi，这被认为是污泥，不利于合金的力学性能。由此可以看出，Mn导致了β-AlFeSi向α-AlFeSi的转变，因此锰含量控制在0.5～0.6重量％之内，但是很难综合铝合金中过多的Fe相；
加入的Cr在铝中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性过量的铬加入会导致铝合金内淤泥指数增加，导致炉底沉淀物增加，影响产品质量。优选Cr的含量在0.07～0.13重量％之间。
钒在铝合金的比例最多0.1％重量，钒的加入让β-Fe相的平均长度随V含量的增加逐渐变小，这是因为V的加入与Al、Si及一部分Fe生成了AlSiVFe相，即V的加入消耗掉了一部分Fe，在有锰的情况下，V将鱼骨状α-AlFeMnSi球化，提高材料塑性。V含量低或者没有情况下，限制了该材料再生铝的使用，使用再生铝生产铁含量高，这样就没法保证材料的塑性。
值得一提的是，所述稀土元素的加入可以提高合金的再结晶温度，显著细化晶粒。
尤其是对于大铸件铸造铝合金的壁厚位置，稀土元素能够细化铝基体尺寸和改善铁相的形貌，提高产品的抗拉强度、延伸率及硬度。
综上所述，加入锰、铬、钒及稀土主要作用在于对再生铝生产的铝合金中铁相的改变，降低因加入再生铝铁含量高对材料延伸率的影响，但综合考虑材料在使用过程中因重金属锰、铬、钒的化合物沉淀及完全改变针状铁相，控制Fe+Mn*1.5+Cr*2+V*2.5大于1.3，小于1.6；
控制Fe+Mn*1.5+Cr*2+V*2.5大于1.3，小于1.6之后，如果低于1.3，在高压铸造过程中会出现粘模情况，铸造没法生产，如果高于1.6的情况下，过量的铁，锰，铬，钒会生产更多的高熔点及高于铝的金属化合物，导致在生产过程中沉淀，成分偏析而无法生产。
此外，在上述实施例中，所述高压铸造的铝合金中，硅在高压铸造的铝合金中的份额为6.0～7.5重量％，该区间范围内的压铸铝合金属于亚共晶铝合金，在压铸后具有优良的自然时效性和良好的流动性铸件热裂倾向极小。
加入0.01～0.1重量％的铜、0.02-0.15重量％的锌，铜和锌在铝合金中形成强化相，能提高材料的强度和硬度，但会降低材料的延伸率，限制一定范围主要兼顾材料的延伸率的同时能最大限度的使用再生铝。
尤其是在以上提到的所述高压铸造铝合金中，镁在所述高压铸造铝合金中的份额为0.1～0.4重量％时，镁能够增强合金的强度和硬度，因为铝硅合金中加入少量镁可以形成Mg2Si相，可以随材料性能的实用需求调整镁的具体含量，但镁含量增加的同时会降低延伸率。
据试验得知，每提高0.1％的镁含量，抗拉强度和屈服强度相应增加5Mpa～10Mpa以内，但延伸率会降低1％～2.5％
钛在铸造铝合金中的份额为0.02～0.1重量％，钛可以以AlTi合金及AlTiB的形式加入，钛与铝生产ALTi3，能起到细化晶粒的效果，但钛含量增加会导致铝液在静止时偏聚沉淀，并且会降低产品的疲劳强度。
而加入的锶，可对共晶硅的形态进行变质处理，避免了粗大的片状硅相产生。换句话说，加入锶后，能够形成细小的棒状共晶硅组织。由此，变质过后的共晶硅对铸件产品的机械性能影响很大，特别是能大幅提升断裂延伸率。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其中所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法包括：
S1，熔化再生铝原料，并控制铝液温度控制在710～730℃之间；
S1，按照低碳免热处理的高压铸造铝合金包括的以下组分：
6.0～7.5重量％的硅；
0.15～0.3重量％的铁；
0.02～0.1重量％的铜；
0.02～0.15重量％的锌；
0.4～0.6重量％的锰；
0.02～0.15重量％的铬；
0.1～0.4重量％的镁；
0.02～0.1重量％的钒；
0.02～0.1重量％的钛；
0.01～0.03重量％的镓；
0.01～0.03重量％的锶；
0.02～0.3重量％的稀土，单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝，其中Fe+Mn*1.5+Cr*2+V*2.5大于1.0，小于1.6；
加入所述滤液中，并通过升温铝液使加入的组分熔化；
S2，通过除气机将铝合金无钠精炼剂压入进行精炼，并在精炼时加入含0.01～0.03重量％的锶的铝锶中间合金，并精炼预定时间，以去除铝液中气体；
S3，通过测氢仪检测含气量，并在含气量达到0.15ml/100g以下时，通过铝合金高压铸造设备压铸以形成所述低碳高压铸造免热处理的铝合金。
优选地，所述高压铸造免热处理的铝合金制作方法包括步骤：
S4，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。
值得一提的是，合金元素以纯合金或中间合金形式加入。
例如，Cu元素以Al-Cu中间合金形式加入，Si元素以单质3303硅形式加入，Mg元素以纯Mg锭形式加入，Mn元素是以Al-Mn中间合金形式加入，Ti元素以Al-Ti中间合金形式加入，Cr元素以中间合金形式加入，Sr元素以Sr中间合金形式加入，V元素以V中间合金形式加入，稀土元素如镧、铈、钪元素以中间合金形式加入。
在熔化铝锭中，再生铝原料表面清洁干净后，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710～730℃之间；
在加入中间合金中：待铝液温度达到720℃时，将烘干后的Al-Cu中间合金、镁锭、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；
在精炼变质除气时，铝液温度降低至710～730℃时，开始用移动式旋转除气机将铝合金无钠精炼剂压入进行精炼，在精炼时加入铝锶中间合金，精炼预定时间。优选为10-30分钟，然后扒渣，静置。如静置1小时，静置后用在线测氢仪检测含气量，达到0.15ml/100g以下时，进行压铸，未达到要求，则继续以上精炼变质除气工艺。
压铸生产验证：
1)生产设备及辅助配件：280T力劲压铸机，自动给汤机，模温机，品牌真空机，市面上压铸结构件专用进口脱模剂，进口颗粒珠，3mm*80mm*250mm自制试片模具(图1)，50mm冲头及熔杯；
2)压铸工艺控制：压铸铝液温度控制在680-690℃，模温机温度控制在160～170℃，高速速度控制在2.7-2.9m/S，真空度控制在10～40mbar之间，增压压力65Mpa；
3)以下为不同成分配比压铸试片按照GBT228标准试片线切割后，用三思拉力机，进口引伸计测试性能。
通过上述制备工艺制作分别制作了五个实施例的所述高压铸造的铝合金，并对其性能进行检测，具体可见下表1。
表1
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的优势已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
Claims (10)
1.低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法包括：
S1，熔化再生铝原料，并控制铝液温度控制在710～730℃之间；
S1，按照低碳免热处理的高压铸造铝合金包括的以下组分：
6.0～7.5重量％的硅；
0.15～0.3重量％的铁；
0.02～0.1重量％的铜；
0.02～0.15重量％的锌；
0.4～0.6重量％的锰；
0.02～0.15重量％的铬；
0.1～0.4重量％的镁；
0.02～0.1重量％的钒；
0.02～0.1重量％的钛；
0.01～0.03重量％的镓；
0.01～0.03重量％的锶；
0.02～0.3重量％的稀土，单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝，其中Fe+Mn*1.5+Cr*2+V*2.5大于1.0，小于1.6加入所述滤液中，并通过升温铝液使加入的组分熔化；
S2，通过除气机将铝合金无钠精炼剂压入进行精炼，并在精炼时加入含0.01～0.03重量％的锶的铝锶中间合金，并精炼预定时间，以去除铝液中气体；
S3，通过测氢仪检测含气量，并在含气量达到0.15ml/100g以下时，通过铝合金高压铸造设备压铸以形成所述低碳高压铸造免热处理的铝合金。
2.根据权利要求1所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，铁含量为0.15～0.3重量％。
3.根据权利要求1所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，所述稀土的含量为0.02～0.3重量％。
4.根据权利要求1至3中任一所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，所述稀土选自镧、铈、钪中至少一种。
5.根据权利要求1至3中任一所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，所述免热处理高压铸造铝合金包括0.02～0.1重量％的铜。
6.根据权利要求1至3中任一所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，所述免热处理高压铸造铝合金包括0.4～0.6重量％的锰。
7.根据权利要求1至3中任一所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，所述免热处理高压铸造铝合金包括0.02～0.15重量％的铬。
8.根据权利要求1至3中任一所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，所述免热处理高压铸造铝合金包括0.02～0.15重量％的锌。
9.根据权利要求1至3中任一所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，所述免热处理高压铸造铝合金包括0.02～0.1重量％的钛。
10.根据权利要求1至3中任一所述低碳免热处理高压铸造铝合金的制作方法，其特征在于，Fe+Mn*1.5+Cr*2+V*2.5大于1.3，小于1.6。
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