CN116254441A - 一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强韧Al‑Si系压铸铝合金材料及其制备方法，属于金属材料制备技术领域。该高强韧Al‑Si系压铸铝合金材料的化学成分按重量百分比计包括：9.5‑11％Si，0.08‑0.12％Fe，1.2‑1.6％Cu，0.5‑0.6％Mn，0.3‑0.9％Mg，0.4‑0.45％Cr，0.1‑0.15％Ti，以及0.01‑0.1％的微量稀土元素，余量为铝；其中，微量稀土元素包括Ce和La。含有上述化学成分的高强韧Al‑Si系压铸铝合金材料，具有良好的机械性能和压铸性能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料及其制备方法。
背景技术
随着轻量化技术的发展，“以铝代钢”成为了汽车行业由减重实现“减碳”最有效的方法之一，整车轻量化可以降低油耗，有效提升新能源汽车的续航能力。由于铝合金在焊接过程中存在一定质量隐患，易导致热影响区强度不足，特殊的连接工艺又将大幅度提高生产成本，因此当下汽车用铝部件主要集中在发动机气缸体、离合器壳体、后桥壳、转向节、变速器、机油泵、水泵、摇臂盖、车轮、发动机框架、制动钳、油缸、制动盘及保险杠等，且多为传统压铸铝合金制成。
传统压铸铝合金强度中等，但韧性较差，难以满足各行业对铝合金结构件性能提出的更高要求。为了兼顾较高强度和延伸率，需对其进行热处理。热处理过程中出现的变形与表面起泡等问题，不仅增加了铝铸件的后续成型难度和不良率，复杂的工艺路线还导致了生产成本的增加，延长了生产周期。因此，开发一种高强韧压铸铝合金，以满足航空航天、汽车和轨道交通等领域对高性能铝合金压铸件日益严格的要求，是追逐轻量化的绝佳选择。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料及其制备方法，以部分或全部地改善或解决相关技术中压铸铝合金生产成本高、强韧性低的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的技术方案之一在于提供了一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，其化学成分按重量百分比计包括：9.5-11％Si，0.08-0.12％Fe，1.2-1.6％Cu，0.5-0.6％Mn，0.3-0.9％Mg，0.4-0.45％Cr，0.1-0.15％Ti，以及0.01-0.1％的微量稀土元素，余量为铝；其中，微量稀土元素包括Ce和La。
含有上述化学成分的高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，能够提高压铸铝合金的韧性、屈服强度以及抗拉强度，具有良好综合性能。
并且，本示例提供的高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，以价格更低廉的Ce和La替代Sr的变质作用，以Cr替代价格高昂的Zr和Mo，能大幅度降低生产成本，同时提高压铸铝合金的强韧性。
结合本发明的技术方案之一，微量稀土元素包括：0-0.1％Cr和0-0.1％La。
在上述实现过程中，含有0-0.1％Ce或0-0.1％La的微量稀土元素可以进一步提高压铸铝合金的强韧性。一方面，添加Ce或La元素后，可显著细化晶粒，抗拉强度、硬度和冲击韧性均不同程度提高；另一方面，加入Cr元素后，可形成一些细小的弥散相，使晶粒细化，同时在抗拉强度、硬度基本不变的情况下，明显提高了合金的冲击韧性。
结合本发明的技术方案之一，一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的化学成分按重量百分比计包括：11％Si，0.1％Fe，1.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Mg，0.4％Cr，0.1％Ti和0-0.1％Ce，余量为Al。
以及，一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的化学成分按重量百分比计包括：11％Si，0.1％Fe，1.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Mg，0.4％Cr，0.1％Ti和0-0.1％La，余量为Al。
在上述实现过程中，11％Si，0.1％Fe，1.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Mg，0.4％Cr，0.1％Ti以及0-0.1％Ce或0-0.1％La，余量为Al的高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，具有较高的强度和延伸率，其屈服强度不低于200MPa，抗拉强度不低于350MPa，延伸率不低于10％。
本发明的技术方案之二在于提供了一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照重量百分比配好原料，加热熔化，获得熔体；
(2)将混合熔体经过至少两次精炼后，压铸成型；
优选地，在所述压铸成型步骤中，熔体温度为690-700℃，成型后化学成分按重量百分比计包括：11％Si，0.1％Fe，1.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Mg，0.4％Cr，0.1％Ti，0-0.1％Ce或0-0.1％La，余量为Al。
在上述实现过程中，化学成分为9.5-11％Si，0.08-0.12％Fe，1.2-1.6％Cu，0.5-0.6％Mn，0.3-0.9％Mg，0.4-0.45％Cr，0.1-0.15％Ti，以及0.01-0.1％微量稀土元素的高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，能够提高压铸铝合金的延展性、屈服强度以及抗拉强度等机械性能。
结合本发明的技术方案之二，将含有Al、Si、Fe、Cu、Mn、Cr和Ti元素的原料在750-780℃加热熔化，保温10-25分钟；随后在700-720℃加入含有Mg元素的原料，保温10-20分钟，精炼至少两次，最后在720-730℃下加入含有Ce或La元素的原料；每次的精炼气体为氩气，精炼温度为730-740℃，精炼时间5-10分钟，静置2-4分钟，扒渣。
在上述实现过程中，对含有Al、Si、Fe、Cu、Mn、Cr、Ti和Mg元素的熔体进行至少两次精炼，去除熔体中的杂质后再加入Ce或La元素，以显著细化晶粒，进一步提升高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的机械性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料及其制备方法，该铝合金含有较高的Si含量，结晶温度范围较小，流动性良好，能够避免产生大量缩孔、缩松，易于获得组织致密的铸件；同时，添加Ce或La元素后，可显著细化晶粒，加入Cr元素后，可形成一些细小的弥散相，使晶粒细化，在抗拉强度、硬度基本不变的情况下，明显提高了合金的冲击韧性；此外，本发明提供的高强韧Al-Si系压铸铝合金材料中，微量元素种类和稀土元素添加量少，且不含Sr、Zr、Mo等元素，能够减少操作复杂性，降低生产成本；在压铸态条件下，其屈服强度不低于200MPa，抗拉强度不低于350MPa，延伸率不低于10％。
具体实施方式
本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，其化学成分按重量百分比计包括：9.5-11％Si，0.08-0.12％Fe，1.2-1.6％Cu，0.5-0.6％Mn，0.3-0.9％Mg，0.4-0.45％Cr，0.1-0.15％Ti，以及0.01-0.1％的微量稀土元素，余量为铝；其中，所述微量稀土元素包括Ce和La。
含有上述化学成分的压铸铝合金材料，具有较高的延展性、抗拉强度以及屈服强度等机械性能。
以下对本实例提供的高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的制备方法作进一步的详细描述。
本示例提供一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照重量百分比配好原料，加热熔化，获得熔体；
其中，化学成分按重量百分比计包括：9.5-11％Si，0.08-0.12％Fe，1.2-1.6％Cu，0.5-0.6％Mn，0.3-0.9％Mg，0.4-0.45％Cr，0.1-0.15％Ti，以及0.01-0.1％的微量稀土元素，余量为铝；微量稀土元素包括Ce和La。
优选地，高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的化学成分按重量百分比计包括：11％Si，0.1％Fe，1.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Mg，0.4％Cr，0.1％Ti，0.01％Ce或0.01％La，余量为Al。
优选地，将含有Al、Si、Fe、Cu、Mn、Cr和Ti元素的原料在750-780℃加热熔化，保温10-25分钟；随后在700-720℃加入含有Mg元素的原料，保温10-20分钟，精炼至少两次，最后在720-730℃下加入含有Ce或La元素的原料。
本申请不限制含有上述元素的原料的具体类型，在一些可能的实施方式中，可以利用工业纯铝、工业结晶硅、铝铜合金、铝锰合金、铝镁合金、铝铬合金、铝钛合金、铝铈合金或铝镧合金等为原料，按照相应元素的质量比配置，然后进行熔炼。
或者，可以利用纯硅、纯金属铜、纯金属锰、纯金属镁、纯金属铬、纯金属钛、纯金属铈或纯金属镧为原料，进行熔炼。
(2)将混合熔体经过至少两次精炼后，压铸成型；
优选地，压铸成型的熔体温度为690-700℃；精炼气体为氩气，精炼温度为730-740℃，精炼时间5-10分钟，静置2-4分钟，扒渣。
实施例1
本实施例1提供一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，通过下述方法制备获得：
(1)按重量百分比计为11％Si，0.1％Fe，1.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Mg，0.4％Cr，0.1％Ti和0.01％La，余量为Al，称取原料。原料包括工业纯铝，工业结晶硅，铝铜合金，铝锰合金，铝镁合金，铝铬合金，铝钛合金和纯镧块(铁元素来自铝合金中的铁杂质含量)。
(2)将工业纯铝锭放入坩埚中加热至750℃熔化。
(3)待工业纯铝锭完全熔化后，扒去表面浮渣。
(4)将上述铝熔体升温至760-770℃，依次加入工业结晶硅、铝铜、铝锰、铝铬、铝钛合金；每次加入上述原料后保温20分钟，期间持续搅拌，使其均匀混合。
(5)调整熔体温度在710-720℃，加入铝镁合金，并将铝镁合金压入熔体液面下。
(6)第一次精炼：调整铝液温度为730-740℃，采用高纯氩气精炼5分钟，精炼结束后，静置2-3分钟，彻底扒渣。
(7)第二次精炼：调整铝液温度为730-740℃，采用高纯氩气精炼5分钟，精炼结束后，静置2-3分钟，彻底扒渣。
(8)调整熔体温度为720-730℃，加入纯镧块，适当搅拌后，通氩气除气2-3分钟，随后静置15分钟。
(9)调整熔体温度为690-700℃，倒入模具，控制冷却速度为20℃/s，压铸成型。
实施例2
本实施例2提供一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，与实施例1的区别在于：压铸成型时控制冷却速度为40℃/s
实施例3
本实施例3提供一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，与实施例1的区别在于：压铸成型时控制冷却速度为60℃/s
对实施例1-3提供的高强韧Al-Si系压铸铝合金材料进行屈服强度、抗拉强度以及延伸率测试，测试结果如表1所示：
表1高强韧Al-Si系压铸铝合金材料机械性能测试
| 编号 | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 延伸率％ |
| 实施例1 | 204 | 352 | 12.5 |
| 实施例2 | 211 | 364 | 11.4 |
| 实施例3 | 225 | 380 | 10.8 |
结果分析：本实施例提供的高强韧Al-Si系压铸铝合金，屈服强度不低于200MPa，抗拉强度不低于350MPa，延伸率不低于10％，具有良好的机械性能和压铸性能。
应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，其特征在于，所述高强韧Al-Si系压铸铝合金材料化学成分按重量百分比计包括：9.5-11％Si，0.08-0.12％Fe，1.2-1.6％Cu，0.5-0.6％Mn，0.3-0.9％Mg，0.4-0.45％Cr，0.1-0.15％Ti，以及0.01-0.1％的微量稀土元素，余量为铝；其中，所述微量稀土元素包括Ce和La。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，其特征在于，所述微量稀土元素包括：0-0.1％Ce和0-0.1％La。
3.根据权利要求2所述的一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，其特征在于，所述高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的化学成分按重量百分比计包括：11％Si，0.1％Fe，1.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Mg，0.4％Cr，0.1％Ti和0.01％Ce，余量为Al。
4.根据权利要求2所述的一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，其特征在于，所述高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的化学成分按重量百分比计包括：11％Si，0.1％Fe，1.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Mg，0.4％Cr，0.1％Ti和0.01％La，余量为Al。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料，其特征在于，屈服强度不低于200MPa，抗拉强度不低于350MPa，延伸率不低于10％。
6.根据权利要求1-5所述的一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照重量百分比配好原料，加热熔化，获得熔体；
(2)将混合熔体经过至少两次精炼后，压铸成型；
优选地，在所述压铸成型步骤中，熔体温度为690-700℃，成型后化学成分按重量百分比计包括：11％Si，0.1％Fe，1.5％Cu，0.5％Mn，0.5％Mg，0.4％Cr，0.1％Ti，0.01％Ce或0.01％La，余量为Al。
7.根据权利要求6所述的一种高强韧Al-Si系压铸铝合金材料的制备方法，其特征在于，将含有Al、Si、Fe、Cu、Mn、Cr和Ti元素的原料在750-780℃加热熔化，保温10-25分钟；随后在700-720℃加入含有Mg元素的原料，保温10-20分钟，精炼至少两次，最后在720-730℃下加入含有稀土元素Ce或La的原料；所述每次的精炼条件包括：精炼气体为氩气，精炼温度为730-740℃，精炼时间5-10分钟，静置2-4分钟，扒渣。
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