CN117026026B - 一种基于再生铝的高延伸率铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于再生铝的高延伸率铝合金材料，包括有以下配比的各组分：Si：6.5‑7.0%，Fe：0.12%‑0.35%，Cu：≤0.30%，Mn：0.4‑0.8%，Mg：0.1‑0.6%，Zn：≤0.30%；Mo：0.05‑0.15%，Sr：0.02‑0.05%，Ca：≤0.002%，改性纳米级Y₂O₃：≤0.10%，杂质总和：≤0.15%，其余为Al。本发明所公开的高延伸率铝合金材料是一款利用再生铝所生产的免热处理高延伸率铝合金材料，增强了对Fe的容忍度，实现再生铝的合理利用，减少免热处理合金的电解铝的使用量，从而减少碳排放，符合现如今的低碳生产政策。

Description

一种基于再生铝的高延伸率铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料及方法，尤其涉及一种基于再生铝的高延伸率铝合金材料、以及利用再生铝制备该高延伸率铝合金材料的方法。

背景技术

随着新能源汽车的快速发展，大型一体化压铸开始得到广泛应用；例如，现行的新能源汽车厂商在滑块底板、后底板、前机舱、减震塔和部分连接器件上使用大型一体化压铸。为了获得产品良好的韧性，现阶段普遍使用免热处理材料，相关材料普遍要求Fe元素含量不大于0.12%，因此，免热处理铝合金对各合金成分的严格控制需求，导致生产相关材料时必须使用电解铝，然而生产电解铝将消耗大量的能源并生成大量污染（前道生产氧化铝会产生赤泥），这与现阶段所推行的低碳生产政策矛盾；

另一方面，低Fe合金虽赋予合金良好的韧性，但在压铸工艺上产品容易拉模，使得产品变形量大，易出现产品R角收缩性裂纹等缺陷。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种高延伸率铝合金材料及其制备方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于再生铝的高延伸率铝合金材料，包括有以下配比的各组分：

Si：6.5-7.0%，Fe：0.12%-0.35%，Cu：≤0.30%，Mn：0.4-0.8%，Mg：0.1-0.6%，Zn：≤0.30%；Mo：0.05-0.15%，Sr：0.02-0.05%，Ca：≤0.002%，改性纳米级Y₂O₃：≤0.10%，杂质总和：≤0.15%，其余为Al。

进一步地，基于再生铝的高延伸率铝合金材料以综合Fe含量低于0.4%的再生铝材料为原料制备而成。

进一步地，基于再生铝的高延伸率铝合金材料的原料选用还包括有：2202规格金属硅、纯镁锭、锌块、50%的铝铜合金、10%的铝钼合金、10%的铝锶合金。

一种高延伸率铝合金材料的制备方法，包括以下制备流程：

S1、原料选择，预先准备好高延伸率铝合金材料制备所需原料，包括：综合Fe含量低于0.4%的再生铝材料、2202规格金属硅、纯镁锭、锌块、50%的铝铜合金、10%的铝钼合金、10%的铝锶合金、氧化钇粉末；

S2、氧化钇预处理：将氧化钇处理为呈松散絮状的结构，获得改性纳米级Y₂O₃；

S3、熔化：再生铝材料热融，并与改性纳米级Y₂O₃混合，获得晶粒分布均匀的熔融铝液；

S4、合金化：根据熔化后的铝液量加入符合配制重量要求的2022规格金属硅、纯镁锭、锌块、铝铜合金、铝锰合金以及铝钼合金；

多点取样进行成分的确认，使成分符合高延伸率铝合金材料的配比要求；

S5、精炼：确保熔炼炉内的铝液温度调到720-740℃间，进行精炼除气；

S6、静置：将铝液表面的铝渣扒干净后静置10分钟以上，进行成分的再次确认，确保成分符合高延伸率铝合金材料的配比要求；

S7、检验：除气及成分确认完成后，进行密度当量测试和含渣量测试，密度当量≤2.0%，含渣量K≤2/20；并确认铝液温度在700℃±20℃;

S8、变质：加入变质剂铝锶合金，通入氮气并快速搅拌（，使Sr元素含量控制在0.02-0.05%，制备得到高延伸率铝合金材料。

进一步地，步骤S3中，以反射炉做熔炼炉，向熔炼炉中分批次加入综合Fe含量低于0.4%的再生铝材料，保持搅拌，搅拌后去除铝液表面浮渣，再按量加入改性纳米级Y₂O₃。

进一步地，综合Fe含量低于0.4%的再生铝材料的添加量在总原料占比为80%。

进一步地，步骤S2中，氧化钇预处理过程为：采用盐酸溶液溶解氧化钇，加入分散剂聚乙二醇、以及无水乙醇搅拌获得透明状溶液；透明溶液保持搅拌状态时加入氨水，直至出现溶胶状态；离心处理获得纯凝胶物质，检测到不存在cl元素时，继续进行共沸蒸馏；

在凝胶物质中加入吸水剂正丁醇，以正丁醇的沸点118℃进行蒸馏，直至正丁醇完全恢发，蒸馏提纯所获得粉末物质继续投入到马弗炉中于1000℃煅烧4小时，此时已获得改性后的氧化钇产物；

再经球磨处理后制备得到后续高延伸率铝合金制备工艺所需的改性纳米级氧化钇。

进一步地，步骤S4中，炉内多点取样进行成分的确认不符合要求时，根据确认出的化学成分，选择性添加5052、6060、6063和3003铝材，直至成分调整符合要求。

进一步地，步骤S中，精炼除气的方式为：

采用0.4-0.6%质量的精炼粉剂与氮气一起吹向炉内，其中氮气压力0.4-0.5MPa，精炼20-30分钟；

或者，单独通入氮气，除气15-20分钟，全部使用叉车装载除气装置的方式，在炉内均匀除渣除气。

本发明公开了一种高延伸率铝合金材料及其制备方法，1）添加并控制硅、镁、铁、铜、锰、锌等元素的含量及相互关系，配比原则为既保证合金中能形成足够的强化相，又保证具有一定的流动性且杂质的含量不产生热裂倾向。2）特别是增强了对Fe的容忍度，使得本发明的合金材料可以以再生铝为原料实现生产，实现再生铝的合理利用，减少免热处理合金的电解铝的使用量，从而减少碳排放，符合现如今的低碳生产政策。3）创新性的添加氧化钇组分，利用改性后呈松散絮状的氧化钇提升晶粒分布的均匀程度，形成充分弥散的细化组织状态，实现提高对Fe的容忍度的同时，满足大型一体化压铸对性能的要求，减低拉模现象发生的听说，还能够减少压铸工艺产生的产品缺陷。

附图说明

图1为本发明的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种基于再生铝的高延伸率铝合金材料，是一款利用再生铝所生产的免热处理高延伸率铝合金材料，包括有以下配比的各组分：

Si：6.5-7.0%，Fe：0.12%-0.35%，Cu：≤0.30%，Mn：0.4-0.8%，Mg：0.1-0.6%，Zn：≤0.30%；Mo：0.05-0.15%，Sr：0.02-0.05%，Ca：≤0.002%，改性纳米级Y₂O₃：≤0.10%，杂质总和：≤0.15%，其余为Al。

在原料的选用上，以综合Fe含量低于0.4%的再生铝材料为原料实现Fe的添加，控制Fe元素的含量在所获得要延伸率铝合金材料中的含量≤0.35%（容忍度0.35%），同时，为规避现有的应用于一体化压铸的低Fe合金的易拉模、收缩性裂纹等缺陷，本发明的高延伸率铝合金材料的Fe含量≥0.12%；通过提高Fe元素含量提高压铸成品率，减少压铸工艺产生的产品缺陷。

同时，添加有具有细晶效应的纳米级氧化钇（Y₂O₃）颗粒，氧化钇（Y₂O₃） 的熔化温度非常高，在2325℃的温度下会发生从四方晶体结构到六方晶体结构的相变，其呈单斜晶结构，不存在相，使得本高延伸率铝合金材料的晶粒分布均匀，有效防止位错和晶间滑移，从而提高拉伸强度和韧性，提高铸造速度的同时可减少裂纹。

所采用的改性纳米级氧化钇（Y₂O₃）颗粒呈松散絮状，将氧化钇溶于盐酸溶液中，再在聚乙二醇表面活性剂的作用下，采用均匀沉淀法获得凝胶态的沉淀物，检测到沉淀物中不再具有cl^-时，将所得沉淀物用正丁醇分散，搅拌条件下进行加热蒸馏，直至正丁醇挥发完全，从而得到疏松的粉末，再加其置于马弗炉中煅烧得到微观结构呈絮状的纳米氧化钇粉末。凝胶态的沉淀物由正丁醇去除胶团中的自由水，并且在煅烧时正丁醇的包裹阻碍了Y₂O₃微细晶粒的团聚，形成松散絮状的氧化钇。其具有更大的比表面积，作用于熔融的再生铝材料时，可进一步提升的晶粒分布均匀程度，形成充分弥散的细化组织状态，从而使得本发明的高延伸率铝合金材料能提高对Fe的容忍度且能满足大型一体化压铸对性能的要求。

再者，在制备该高延伸率铝合金材料时，再生铝材料作为原料的添加比例不少于80%，实现了再生铝材料在免热处理的高延伸率铝合金上的应用，合理使用再生废铝，减少原铝的使用量，从而减少碳排放，符合低碳生产的发展趋势。

进一步地，通过2202规格金属硅实现Si的添加，可显著改善流动性，减小收缩率，降低热裂倾向性和热膨胀系数，提高气密性、耐磨性、耐腐蚀性和导热性。

以纯镁锭为原料实现Mg的添加，Mg在整个合金中的占有量较小，少量添加可已知晶粒间的腐蚀性，提高强度、硬度、韧性和抗冲击性。本发明的高延伸率铝合金材料对Fe和杂质的容忍度已较高，因此，Mg的添加量不应过多，过多的添加Mg会导致凝固收缩比大，从而易使铸件产生裂纹。

铜含量50%的铝铜合金实现Cu的添加，可提高流动性，显著提高强度、硬度和抗疲劳强度。通过锌块实现Zn的添加，以提高流动性，与Al形成固溶体，具有一定强化效果，改善机加工性能。

以10%的铝钼合金合金实现金属Mo的添加，少量添加金属Mo可增强合金的高温强度和韧性。选用10%的铝锰合金实现Mn的添加，引入Mn元素，改善材料的脱模效果，并在一定程度上抑制Fe元素变化，抵消Fe元素带来的不利影响。

以Sr含量10%的铝锶合金实现Sr的添加，铝锶合金作为变质剂，能有效地在出汤浇铸工序中细化晶粒和防止铸造裂纹。

本发明还公开了该基于再生铝的高延伸铝合金材料的制备方法，如图1所示，主要包括以下制备流程：原料选择、氧化钇预处理、熔化、合金化、精炼、静置、检验、变质。

具体制备工艺具体有：

S1、原料选择：选用综合Fe含量低于0.4%的再生铝材料，2022规格金属硅，纯镁锭，锌块，铜含量50%的铝铜合金，10%的铝锰合金，10%铝钼合金，Sr含量10%的铝锶合金，以及氧化钇粉末。

S2、氧化钇预处理：将氧化钇处理为呈松散絮状的结构。以聚乙二醇为分散剂，采用均匀沉淀法制备得到凝胶态的沉淀物，再以正丁醇为脱水剂，采用共沸蒸馏的方式提纯得到粉状沉淀物，再将粉状沉淀物煅烧得到具有絮状结构特征的氧化钇粉末，经球磨处理后制备得到后续高延伸率铝合金制备工艺所需的纳米级氧化钇。

具体采用盐酸溶液溶解氧化钇，加入分散剂聚乙二醇、以及无水乙醇搅拌获得透明状溶液；透明溶液保持搅拌状态时加入氨水，直至出现溶胶状态，PH保持在8左右；离心处理获得纯凝胶物质，检测到不存在cl元素时，继续进行共沸蒸馏。在凝胶物质中加入吸水剂正丁醇，以正丁醇的沸点118℃进行蒸馏，直至正丁醇完全恢发，蒸馏提纯所获得粉末物质继续投入到马弗炉中于1000℃煅烧4小时，此时已获得改性后的氧化钇产物。再经球磨处理后制备得到后续高延伸率铝合金制备工艺所需的改性纳米级氧化钇。

S3、熔化：以反射炉做熔炼炉，向熔炼炉中先加入综合Fe含量低于0.4%的再生铝材料，再生铝的添加量大约在总原料的80%。分批次加入再生铝材料，以20-35吨的反射炉为例，原生铝按每次约2000Kg的量进行熔化。

分批次加入再生铝材料时，保持搅拌，搅拌后去除铝液表面浮渣，再按量加入改性纳米级Y₂O₃，具有更大比表面积的改性纳米级Y₂O₃细晶效应的作用下，可使再生铝材料的晶粒分布更加均匀，从而有利于后续合金化过程中各金属成分的结合。

S4、合金化：根据熔化后的铝液量加入符合配制重量要求的2022规格金属硅、纯镁锭、锌块、铝铜合金、铝锰合金以及铝钼合金，合金化时间不少于40分钟，通过炉内多点取样进行成分的确认，根据确认出的化学成分，选择性添加5052（Al-Mg系合金）、6060（Mg-Si系合金）、6063（AL-Mg-Si系合金）和3003（AL-Mn系合金）铝材，成分调控的标准为：Si：6.5-7.0%，Fe：0.12%-0.35%，Cu：≤0.30%，Mn：0.4-0.8%，Mg：0.1-0.6%，Zn：≤0.30%；Mo：0.05-0.15%，Sr：0.02-0.05%，Ca：≤0.002%，改性纳米级Y₂O₃：≤0.10%，杂质总和：≤0.15%，其余为Al为止。

当成分调控至符合标准时，进行降温，将温度控制在720-740℃；各原材料的加入会达到降温效果；若额外继续降温，使用高纯氮气炉吹气降温；若需升高温度，则使用燃烧系统。

S5、精炼：确保熔炼炉内的铝液温度调到720-740℃间，进行精炼除气。

可采用0.4-0.6%质量的精炼粉剂与氮气一起吹向炉内，其中氮气压力0.4-0.5MPa，精炼20-30分钟。或者单独通入氮气，除气15-20分钟，全部使用叉车装载除气装置的方式，在炉内均匀除渣除气。

S6、静置：将铝液表面的铝渣扒干净后静置10分钟以上，进行成分的再次确认，确保成分符合：Si：6.5-7.0%，Fe：0.12%-0.35%，Cu：≤0.30%，Mn：0.4-0.8%，Mg：0.1-0.6%，Zn：≤0.30%；Mo：0.05-0.15%，Sr：0.02-0.05%，Ca：≤0.002%，改性纳米级Y₂O₃：≤0.10%，杂质总和：≤0.15%，其余为Al为止。

S7、检验：除气及成分确认完成后，进行密度当量测试和含渣量测试，密度当量≤2.0%，含渣量K≤2/20；并确认铝液温度在700℃±20℃。

S8、变质：加入变质剂铝锶合金，通入氮气并快速搅拌（控制在2分钟内），使Sr元素含量控制在0.02-0.05%，制备得到高延伸率铝合金材料。

最终所获得高延伸率铝合金材料以出汤或浇铸成铝锭配送至下游工艺中。

下面结合具体的实施例，对本发明所公开的高延伸率铝合金材料的性能做进一步说明。

实施例一、

本实施例应用本发明的高延伸率铝合金材料的制备方法，制备获得一种高延伸率铝合金材料，包括有以下配比的各组分：

Si：6.5%，Fe：0.30%，Cu：0.25%，Mn：0.4%，Mg：0.3%，Zn：0.15%；Mo：0.15%，Sr：0.04%，Ca：0.001%，改性纳米级Y₂O₃：0.08%，杂质总和：0.15%，其余为Al。

实施例二、

本实施例应用本发明的高延伸率铝合金材料的制备方法，制备获得一种高延伸率铝合金材料，包括有以下配比的各组分：

Si：7.0%，Fe：0.35%，Cu：0.30%，Mn：0.6%，Mg：0.6%，Zn：0.30%；Mo：0.1%，Sr：0.02%，Ca：0.002%，改性纳米级Y₂O₃：0.10%，杂质总和：0.15%，其余为Al。

实施例三、

本实施例应用本发明的高延伸率铝合金材料的制备方法，制备获得一种高延伸率铝合金材料，包括有以下配比的各组分：

Si：6.75%，Fe：0.12%，Cu：0.10%，Mn：0.5%，Mg：0.1%，Zn：0.10%；Mo：0.05%，Sr：0.05%，Ca：0.002%，改性纳米级Y₂O₃：0.06%，杂质总和：0.15%，其余为Al。

实施例四、

本实施例应用本发明的高延伸率铝合金材料的制备方法，制备获得一种高延伸率铝合金材料，包括有以下配比的各组分：

Si：6.5%，Fe：0.2%，Cu：0.20%，Mn：0.8%，Mg：0.4%，Zn：0.20%；Mo：0.15%，Sr：0.03%，Ca：0.001%，改性纳米级Y₂O₃：0.09%，杂质总和：≤0.15%，其余为Al。

将实施例一至实施例四制备所得的高延伸率铝合金材料压铸为铸件，对铸件取样试棒，分别记为铸件一、铸件二、铸件三、铸件四；取样试棒的长度应不少于100mm，取样试棒的截面形状为正方形，采用相同的试验条件对上述试样铸件进行宏观力学性能的检测，测试结果如表1所示。

表1、铸件力学性能测试结果

通过表1的力学性能测试结果可知，实施例一至实施例四所获得的铸件试棒的屈服强度＞130MPa，抗拉强度＞240MPa，延伸率＞10%，可见铸态下的高延伸率铝合金表现出良好的力学性能，其延伸率均达到10%以上，可满足其在新能源汽车连接器件、后底板、滑块底盘等结构上的大型一体化压铸使用。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于再生铝的高延伸率铝合金材料，其特征在于：包括有以下配比的各组分：

Si：6.5-7.0％，Fe：0.12-0.35％，Cu：≤0.30％，Mn：0.4-0.8％，Mg：0.1-0.6％，Zn：≤0.30％；Mo：0.05-0.15％，Sr：0.02-0.05％，Ca：≤0.002％，改性纳米级氧化钇：0.06-0.10％，杂质总和：≤0.15％，其余为Al；

所述改性纳米级氧化钇由氧化钇预处理获得，氧化钇预处理过程为：采用盐酸溶液溶解氧化钇，加入分散剂聚乙二醇、以及无水乙醇搅拌获得透明状溶液；透明溶液保持搅拌状态时加入氨水，直至出现溶胶状态；离心处理获得纯凝胶物质，检测到不存在cl元素时，继续进行共沸蒸馏；

在凝胶物质中加入吸水剂正丁醇，以正丁醇的沸点118℃进行蒸馏，直至正丁醇完全挥发，蒸馏提纯所获得粉末物质继续投入到马弗炉中于1000℃煅烧4小时，此时已获得改性后的氧化钇产物；

再经球磨处理后制备得到后续高延伸率铝合金制备工艺所需的改性纳米级氧化钇。

2.根据权利要求1所述的基于再生铝的高延伸率铝合金材料，其特征在于：所述基于再生铝的高延伸率铝合金材料以综合Fe含量低于0.4％的再生铝材料为原料制备而成。

3.根据权利要求2所述的基于再生铝的高延伸率铝合金材料，其特征在于：所述基于再生铝的高延伸率铝合金材料的原料选用还包括有：2202规格金属硅、纯镁锭、锌块、50％的铝铜合金、10％的铝钼合金、10％的铝锶合金。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的高延伸率铝合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下制备流程：

S1、原料选择，预先准备好高延伸率铝合金材料制备所需原料，包括：综合Fe含量低于0.4％的再生铝材料、2202规格金属硅、纯镁锭、锌块、50％的铝铜合金、10％的铝钼合金、10％的铝锶合金、氧化钇粉末；

S2、氧化钇预处理：将氧化钇处理为呈松散絮状的结构，获得改性纳米级Y₂O₃；

S3、熔化：再生铝材料热融，并与改性纳米级Y₂O₃混合，获得晶粒分布均匀的熔融铝液；

S4、合金化：根据熔化后的铝液量加入符合配制重量要求的2022规格金属硅、纯镁锭、锌块、铝铜合金、铝锰合金以及铝钼合金；

多点取样进行成分的确认，使成分符合高延伸率铝合金材料的配比要求；

S5、精炼：确保熔炼炉内的铝液温度调到720-740℃间，进行精炼除气；

S6、静置：将铝液表面的铝渣扒干净后静置10分钟以上，进行成分的再次确认，确保成分符合高延伸率铝合金材料的配比要求；

S7、检验：除气及成分确认完成后，进行密度当量测试和含渣量测试，密度当量≤2.0％，含渣量K≤2/20；并确认铝液温度在700℃±20℃；

S8、变质：加入变质剂铝锶合金，通入氮气并快速搅拌，使Sr元素含量控制在0.02-0.05％，制备得到高延伸率铝合金材料。

5.根据权利要求4所述的高延伸率铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，以反射炉做熔炼炉，向熔炼炉中分批次加入综合Fe含量低于0.4％的再生铝材料，保持搅拌，搅拌后去除铝液表面浮渣，再按量加入改性纳米级Y₂O₃。

6.根据权利要求5所述的高延伸率铝合金材料的制备方法，其特征在于：综合Fe含量低于0.4％的再生铝材料的添加量在总原料占比为80％。

7.根据权利要求4所述的高延伸率铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤S4中，炉内多点取样进行成分的确认不符合要求时，根据确认出的化学成分，选择性添加5052、6060、6063和3003铝材，直至成分调整符合要求。

8.根据权利要求4所述的高延伸率铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤S5中，精炼除气的方式为：

采用0.4-0.6％质量的精炼粉剂与氮气一起吹向炉内，其中氮气压力0.4-0.5MPa，精炼20-30分钟；

或者，单独通入氮气，除气15-20分钟，全部使用叉车装载除气装置的方式，在炉内均匀除渣除气。