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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