CN117568676A - 一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强高韧Al‑Mg‑Si‑Nb压铸铝合金及其制备方法和用途，涉及压铸铝合金领域。其中，高强高韧Al‑Mg‑Si‑Nb压铸铝合金由以下重量百分比的组分组成：Mg4.0%～7.8%、Si2.1%～4.2%、Nb0.04%～0.48%、Mn0.6%～1.8%、Zn≤2.0%、Cu≤1.2%、Sm≤0.95%、Ce≤0.50%、Fe≤0.30%、Ti≤0.1%；余量为Al和其他杂质，其他杂质的含量≤1.0%。本申请的高强高韧Al‑Mg‑Si‑Nb压铸铝合金满足具有壁厚变化的复杂薄壁构件的压铸工艺成型要求。其次，该压铸合金的铸态屈服强度≥190MPa，延伸率≥10%，适用于5G手机中板、汽车承力件等一体式压铸轻量化场景需求，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及压铸铝合金领域，尤其是涉及一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金及其制备方法和用途。

背景技术

铝合金材料密度低、强度高，在3C电子消费品、新能源汽车、轨道交通等领域有广泛的应用，是工业轻量化节能减排的重要方向之一。

压铸铝合金为一次性净成型工艺，流程短效率高，且可使用回收料，符合绿色低碳的新环保要求。为实现节能减排的目标，需进一步提升压铸铝合金材料的强度和韧性，在不影响产品可靠性的条件下，减少材料的使用量，降低碳排放。

目前，常见的压铸铝合金有Al-Si系和Al-Mg系。

其中，常规Al-Si系压铸铝合金流动性好，但由于Si元素属于硬脆相，导致压铸铝合金的基础韧性低，通常需通过T6高温热处理变质Si相以提升合金强韧性，然而T6热处理工艺会导致压铸砂孔起泡破裂，降低产品良率，成本高，推广适用性低。

常规Al-Mg系压铸铝合金中Mg元素大多以固溶形式存在基体中，对合金韧性损伤小，合金基础韧性优异，在高强高韧领域有较大的应用开发潜力。与常规Al-Si系压铸铝合金相比，Al-Mg的合金流动性偏低，是制约Al-Mg系压铸铝合金大范围推广的主要问题。

针对Al-Mg系压铸铝合金流动性差的问题，业界改善Al-Mg系压铸铝合金流动性的主要方向为增加Si含量。例如，公开号CN111575545A的专利公开了一种高强度压铸合金材料及其制备方法，包含Mg4.0～8.0wt％，Si4.0～8.0wt％，Mn0.4～1.0wt％，Cu≤4wt％，Zn≤1.5wt％，Fe≤0.5wt％，其余杂质的重量百分比之和控制在1.0wt％以下，余量为Al。但是，该Al-Mg系压铸铝合金中过高的Si含量导致MgSi强化相粗大，合金韧性损失不足，仅有2％～4％，不满足高冲击承力件的韧性要求。

因此，为进一步扩大压铸铝轻量化的应用场景，需新开发一种具有高流动高强韧压铸铝合金。

发明内容

为了改善相关技术中Al-Mg系压铸铝合金流动性、强度与韧性难以兼得的问题，本申请提供一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金及其制备方法和用途。

第一方面，本申请提供的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金采用如下的技术方案：一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金，由以下重量百分比的成分组成：

Mg：4.0％～7.8％；

Si：2.1％～4.2％；

Nb：0.04％～0.48％；

Mn：0.6％～1.8％；

Zn：≤2.0％；

Cu：≤1.2％；

Sm：≤0.95％；

Ce：≤0.50％；

Fe：≤0.30％；

Ti：≤0.1％；

余量为Al和其他杂质，其中，其他杂质的含量≤1.0％。

本申请中的Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金，在Al和Mg的基础上，通过加入特定配比的Si、Nb、Mn等元素，通过各元素之间的协同作用，在强化提升合金强度和韧性的同时，显著细化凝固组织，大幅改善了Al-Mg体系流动性低、成型性差的问题，开发出具有优异流动性的高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金体系，既能够满足壁厚为0.4mm以上的构件的压铸工艺成型要求，还能够满足具有壁厚变化的复杂薄壁构件的压铸工艺成型要求。其次，本申请的Al-Mg-Si-Nb压铸合金的铸态屈服强度≥190MPa，延伸率≥10％，适用于5G手机中板、汽车承力件等一体式压铸轻量化场景需求，具有广阔的市场应用前景。

本申请中的Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金能够满足具有壁厚变化的复杂薄壁构件的压铸工艺成型要求，具体表现为：

1.在加工过程中，薄壁构件表面不产生留痕，也不会产生压铸裂纹，内部气孔少，力学性能优；

2.壁厚变化处不会产生热烈裂纹。

需要说明的是：

本申请所提及的具有壁厚变化的复杂薄壁构件中，壁厚变化是指薄壁构件的壁厚由大到小变化或者由小到大变化。其中，本申请可加工的构件的壁厚最小可达0.4mm，壁厚较大区域的壁厚值与相邻壁厚较小区域的壁厚值的厚度比范围为1-20。

本申请的发明原理如下：

Mg元素，在Al基体中的固溶度较大，可有效降低合金液相点，使得Al-Mg系具备一定的流动性和压铸性能，但由于Mg元素活泼性高，Mg元素过量的增加，会导致熔体浮渣严重、黏稠度急剧增加，反而造成流动性大幅下降，因此本申请中Mg元素的重量百分比区间控制在4.0％～7.8％。压铸环境冷速快，Mg元素大部分以固溶形式存在于Al中，剩余以较为粗大的MgSi结晶相存在。由于Mg与Al的原子尺寸接近，Mg元素固溶所引起的强化效果较弱，需增加其他强化元素协同提升合金强度。

Si元素，与Mg结合形成MgSi强化相，是合金强度的主要贡献者。此外，Si元素与Al可发生共晶反应，可进一步改善Al-Mg系合金流动性，随着Si元素含量的增加，合金流动性增加。但Si元素含量的提升，会导致MgSi迅速长大粗化，大幅降低压铸铝合金的韧性，无法满足高载荷场景的韧性需求。

Nb元素，与Al形成微纳尺度的AlNb高温相，AlNb相与α-Al相的相结构均为面心立方型，且晶格尺寸接近，共格性高，是α-Al优异异质形核点，可有效细化晶粒，大幅提升合金流动性。同时，晶粒的细化，使得材料的强度和韧性均得到提高。但是，Nb元素过高，会导致AlNb相粗化变大，细化效果明显降低，同时由于AlNb粗大硬脆相而导致韧性降低，故本申请Nb元素的重量百分比区间控制在0.04～0.48％。此外，采用同样具有细化晶粒作用的Ti元素来代替Nb元素，无法达到同等程度的细化效果。而且，随着Mg元素含量的提高采用单一的Nb元素细化效果有限，此时需加入适量的Sm元素辅助提高细化效果，从而确保合金具有高流动性。

Mn元素，主要起到铸造脱模的作用，同时，Mn元素可与Fe结合形成AlMnFe相，转化针状Fe相为短棒状，降低Fe元素对韧性的影响。进一步地，基于Al-Mn共晶反应的原理，适当含量的Mn元素可对合金的流动性起到促进作用，特别地，在Mg含量较低时，可通过提升Mn元素含量，弥补合金流动性不足的问题。但是，Mn元素过高，会产生块状AlMn相，对合金的韧性损伤较大。

Sm元素，对合金流动性也有一定的提升作用，该机理可能与Sm元素对合金共晶温度的降低作用相关。同时，Sm元素在Al中的溶解度低，引起合金成分过冷，可细化晶界处的MgAl、MgZn等析出相，可进一步提升高合金含量的韧性。但是，Sm元素过高，会导致AlSm相粗化，细化效果降低明显，同时会对合金韧性造成损伤。

Zn元素和Cu元素，形成MgZn析出相和AlCu析出相，可进一步提升合金强度，但过高的含量会导致延伸率大幅下降，加入的含量有限。

Ti元素的加入形成富Ti环境，与Nb元素相互作用，提升细化效果。但是，Ti元素过高，会产生粗大的AlTi相，细化效果降低明显，同时会合金韧性造成损伤。

Ce元素，可形成Al(Si)Ce、AlCeZn等化合物，硬度高，对合金强度有一定提升效果。但是，Ce元素过高，Al(Si)Ce相粗化，细化效果降低明显，同时会合金韧性造成损伤。

可选的，所述Mg的重量百分比包括但不限于4.0％、4.5％、5.0％、5.5％、6.0％、6.5％、7.0％、7.5％、7.8％，进一步优选为4.5％～6.5％。

可选的，所述Si的重量百分比包括但不限于2.1％、2.5％、2.7％、3.2％、3.5％、3.8％、4.2％，进一步优选为2.5％～3.5％。

可选的，所述Nb的重量百分比包括但不限于0.04％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.30％、0.35％、0.40％、0.42％，进一步优选为0.05％-0.15％。

可选的，所述Mn的重量百分比包括但不限于0.6％、0.8％、1.0％、1.2％、1.4％、1.6％、1.8％，进一步优选为1.0％～1.6％。

可选的，所述Zn的重量百分比包括但不限于0、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％；进一步优选为0.5％～1.0％。

可选的，所述Cu的重量百分比包括但不限于0、0.05％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％、1.2％；进一步优选为0.05％～0.2％。

可选的，所述Sm的重量百分比包括但不限于0、0.05％、0.15％、0.25％、0.35％、0.45％、0.55％、0.65％、0.75％、0.85％、0.95％；进一步优选为0.08％～0.34％。

可选的，所述Ce的重量百分比包括但不限于0、0.05％、0.10％、0.15％、0.20％、0.25％、0.30％、0.35％、0.40％、0.45％、0.50％；进一步优选为0.05％～0.23％。

可选的，所述Fe的重量百分比包括但不限于0、0.10％、0.20％、0.30％。其中，Fe在本申请中为杂质元素，控制Fe元素的含量不超过0.30％即可，

进一步优选为≤0.20％。

可选的，所述Ti的重量百分比包括但不限于0、0.02％、0.04％、0.06％、0.08％、0.10％；进一步优选为0.02％～0.07％。

优选的，所述Mg的重量百分比为4.5％～6.5％，所述Si的重量百分比为2.5％～3.5％，所述Nb的重量百分比为0.05％～0.15％，所述Mn的重量百分比为1.0％～1.6％。

Mg、Si、Nb、Mn在此范围内，能够在保持合金高强度高韧的同时，进一步提高合金的流动性，尤其适用于加工厚度比大的具有壁厚变化的复杂薄壁构件。

优选的，所述Zn的重量百分比为0.5％～1.0％，所述Cu的重量百分比为0.05％～0.2％。

Zn、Cu在此范围内，能够进一步提高压铸合金的强度，同时对合金的韧性基本无影响。

第二方面，一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的制备方法采用如下的技术方案：一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：

原料准备：按压铸铝合金的元素成分配比准备各原料；

合金化：将各原料熔化均匀，得到合金熔体；

除气过滤：向所述合金熔体中加入精炼剂与细化剂，搅拌除气，静置后扒渣过滤，得到净化合金熔体；

压铸成型：将净化合金熔体进行压铸成型，得到压铸铝合金。

与现有压铸铝合金的制备方法不同，本申请中的高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金无需进行T6高温热处理强化，生产工艺更加简单，同时还可以提高压铸产品的良率。

可选的，所述原料包括纯Al锭、纯Mg锭、纯Zn锭、Al-Sm中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金和单质硅。

本申请中，Sm元素、Nb元素、Ce元素、Cu元素、Mn元素优选采用各自的铝合金加入，有利于确保Sm元素、Nb元素、Ce元素、Cu元素、Mn元素的充分熔化和均匀分散。

可选的，所述合金化包括以下步骤：

在熔炼炉中将纯Al锭熔化，在710-730℃保温至纯Al锭完全熔化后，得到第一熔体；

向所述第一熔体中加入Al-Sm中间合金、Al-Nb中间合金、单质硅、纯Zn锭、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金，在710-730℃下保温，直至以上原料全部熔化，得到第二熔体；

向所述第二熔体中压入纯Mg锭，在710-730℃下保温，直至纯Mg锭完全熔化，得到合金熔体。

可选的，所述除气过滤步骤中，所述精炼剂的添加量为合金熔体的总质量的0.1-0.3％；所述细化剂的添加量为合金熔体的总质量的0.01-0.05％。

可选的，所述精炼剂采用六氯乙烷，所述细化剂选用Al-Ti-B细化剂。

可选的，所述压铸成型步骤中，所述净化合金熔体的温度为680-720℃，模具温度为220-240℃，压射速度为2-4m/s，压射压力为95-105bar。

第三方面，本申请提供的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的用途，用于制备具有壁厚变化的薄壁构件或汽车承力结构件。

本申请中高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金兼具高强度、高韧性以及高流动性的特点，采用本申请高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金进行制备具有壁厚变化的薄壁构件或汽车承力结构件时，能够满足具有壁厚变化的复杂薄壁构件的一体式压铸成型，不仅能够提高产品良率，而且简化了工艺，适用于5G手机中板、汽车承力件等一体式压铸轻量化场景需求。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

本申请中的Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金，在Al和Mg的基础上，通过加入特定配比的Si、Nb、Mn等元素，通过各元素之间的协同作用，在强化提升合金强度和韧性的同时，显著细化凝固组织，大幅改善了Al-Mg体系流动性低、成型性差的问题，开发出具有优异流动性的高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金体系，满足具有壁厚变化的复杂薄壁构件的压铸工艺成型要求。其次，本申请的Al-Mg-Si-Nb压铸合金的铸态屈服强度≥190MPa，延伸率≥10％，适用于5G手机中板、汽车承力件等一体式压铸轻量化场景需求，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本申请实施例2中压铸铝合金的金相组织图。

图2是对比例1中压铸铝合金的金相组织图。

附图说明：由于实施例2与对比例1中Zn和Cu的含量较少，形成的MgZn相和AlCu相的组织尺寸细小，光镜下组织观察不明显，需在放大倍数更高的电子扫描显微镜下可见。

具体实施方式

以下结合附图1-2以及具体的实验对本申请作进一步详细说明。

实施例

【实施例1-3】

一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金，各组分的组成如下表1：

表1实施例1-3中压铸铝合金的组成

上述实施例1-3中，一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的制备方法包括以下步骤：

步骤A、原料准备：按压铸铝合金的元素成分配比，准备纯Al锭、纯Mg锭、纯Zn锭、Al-Sm中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti-B细化剂和单质硅作为原料；

步骤B、合金化：在熔炼炉中将纯Al锭熔化，在720℃下保温2h，然后加入Al-Sm中间合金、Al-Nb中间合金、单质硅、纯Zn锭、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金，在720℃下保温，直至以上原料全部熔化后，压入纯Mg锭，在720℃下保温，直至纯Mg锭完全熔化，得到合金熔体；

步骤C、除气过滤：向熔炼炉中加入精炼剂六氯乙烷和Al-Ti-B细化剂，精炼剂六氯乙烷的添加量为合金熔体的总质量的0.2％，Al-Ti-B细化剂的添加量为合金熔体的总质量的0.03％，搅拌除气，静置后扒渣过滤；

步骤D、压铸成型：使用300T压铸机对合金熔体进行压铸成型，压铸成型中的合金熔体的温度保持在700℃，模具温度为230℃，压射速度为3m/s，压射压力为100bar，得到高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金。

对比例

【对比例1-3】

一种压铸铝合金，各组分的组成如下表2：

表2对比例1-3中压铸铝合金的组成

对比例1-3中压铸铝合金的制备方法与实施例2中压铸铝合金的制备方法相同。

性能检测试验

1.参考国标GB/T 13822-2017中A型拉伸试样进行压铸模具的设计以及拉伸棒的尺寸设计，拉伸棒的直径为Φ6.4mm，然后参照GB/T 228.1-2010对使用实施例与对比例中压铸铝合金制得的各拉伸棒试样进行压铸态屈服强度和延伸率的测试，并将结果记录在下表3中。

2.流动性：采用金属型单螺旋模具来测试压铸铝合金的流动性，压铸铝合金所填充的流动长度越长，代表压铸铝合金的流动性越好。将单螺旋模具架在300T的压铸机上，模具温度为230℃，合金熔体的温度保持在680℃，压射速度为3m/s，压射压力为100bar。在相同的铸造条件下对各实施例与对比例中压铸铝合金的流动性进行测试，为保障测试数据的可靠性，每一种合金选取3次流动长度的平均值作为测试结果。

表3实施例1-3和对比例1-3中压铸铝合金的力学性能和流动性

实施例1-3，本申请在Al元素的基础上，通入加入特定配比范围内的Mg、Si、Nb以及Mn等元素，通过各元素之间的协同配合作用，压铸铝合金在获得优异流动性、高强度的同时保持了较好的韧性，能够满足具有壁厚变化的复杂薄壁构件的压铸工艺成型要求，且本申请的Al-Mg-Si-Nb压铸合金的铸态屈服强度≥190MPa，延伸率≥10％，适用于5G手机中板、汽车承力件等一体式压铸轻量化场景需求。特别地，实施例1中Mn元素较高，弥补了Mg元素含量较低引起的流动性风险。

对比例1与实施例2的主元素含量相当，仅在元素Nb含量上有差异。结合表3中的数据可以得知：对比例1由于缺少Nb元素的作用，流动性较实施例2的显著下降，同时韧性也较实施例2显著下降，不利于壁厚较大区域的壁厚值与相邻壁厚较小区域的壁厚值的厚度比范围大于8的复杂薄壁构件的压铸成型。另外，本申请图1为实施例2中压铸铝合金的金相组织图，图2为对比例1中压铸铝合金的金相组织图，结合图1-2可知：图1中的金相组织细化效果明显，说明Nb等元素在细化本申请压铸铝合金组织上的作用显著。

对比例2中，高Mg含量，导致合金粘稠度过高，Nb、Sm等元素的细化效果不足以弥补合金流动性的降低，同时流动性降低导致压铸致密性下降，延伸率降低，不利于壁厚较大区域的壁厚值与相邻壁厚较小区域的壁厚值的厚度比范围大于8的复杂薄壁构件的压铸成型。

对比例3通过增加高含量的Si元素去改善合金流动性，由于Si元素的共晶作用，合金流动性改善明显。但过高含量的Si元素，导致MgSi相长大粗化，析出强化的效果未得到显著提升，但合金的韧性下降明显，不利于壁厚较大区域的壁厚值与相邻壁厚较小区域的壁厚值的厚度比范围大于8的复杂薄壁构件的压铸成型。

本具体实施方式仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本具体实施方式做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金，其特征在于：由以下重量百分比的成分组成：

Mg：4.0%～7.8%；

Si：2.1%～4.2%；

Nb：0.04%～0.48%；

Mn：0.6～1.8%；

Zn：≤2.0%；

Cu：≤1.2%；

Sm：≤0.95%；

Ce：≤0.50%；

Fe：≤0.30%；

Ti：≤0.1%；

余量为Al和其他杂质，其中，其他杂质的含量≤1.0%。

2.根据权利要求1所述的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金，其特征在于：所述Mg的重量百分比为4.5%～6.5%，所述Si的重量百分比为2.5%～3.5%，所述Nb的重量百分比为0.05%～0.15%，所述Mn的重量百分比为1.0%～1.6%。

3.根据权利要求1所述的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金，其特征在于：所述Zn的重量百分比为0.5%～1.0%；所述Cu的重量百分比为0.05%～0.2%。

4.根据权利要求1所述的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金，其特征在于：所述Sm的重量百分比为0.08%～0.34%；所述Ce的重量百分比为0.05%～0.23%；所述Ti的重量百分比为0.02%～0.07%。

5.权利要求1-4任意一项所述的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

原料准备：按压铸铝合金的元素成分配比准备各原料；

合金化：将各原料熔化均匀，得到合金熔体；

除气过滤：向所述合金熔体中加入精炼剂与细化剂，搅拌除气，静置后扒渣过滤，得到净化合金熔体；

压铸成型：将净化合金熔体进行压铸成型，得到压铸铝合金。

6.根据权利要求5所述的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的制备方法，其特征在于：所述原料包括纯Al锭、纯Mg锭、纯Zn锭、Al-Sm中间合金、Al-Nb中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金和单质硅。

7.根据权利要求6所述的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的制备方法，其特征在于：所述合金化包括以下步骤：

在熔炼炉中将纯Al锭熔化，在710-730℃保温至纯Al锭完全熔化后，得到第一熔体；

向所述第一熔体中加入Al-Sm中间合金、Al-Nb中间合金、单质硅、纯Zn锭、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金，在710-730℃下保温，直至以上原料全部熔化，得到第二熔体；

向所述第二熔体中压入纯Mg锭，在710-730℃下保温，直至纯Mg锭完全熔化，得到合金熔体。

8.根据权利要求5所述的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的制备方法，其特征在于：所述除气过滤步骤中，所述精炼剂的添加量为合金熔体的总质量的0.1-0.3%；所述细化剂的添加量为合金熔体的总质量的0.01-0.05%。

9.根据权利要求5所述的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的制备方法，其特征在于：所述压铸成型步骤中，所述净化合金熔体的温度为680-720℃，模具温度为220-240℃，压射速度为2-4m/s，压射压力为95-105bar。

10.权利要求1-4任意一项所述的一种高强高韧Al-Mg-Si-Nb压铸铝合金的用途，其特征在于：用于制备具有壁厚变化的薄壁构件或汽车承力结构件。