CN117926087A

CN117926087A - 一种铸造铝合金及其制备方法和应用

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Publication number: CN117926087A
Application number: CN202410317459.8A
Authority: CN
Inventors: 黄华; 但昭学; 林韵; 朱宇; 郭庭威; 万里
Original assignee: Guangdong Hongtu Automotive Parts Co ltd
Current assignee: Guangdong Hongtu Automotive Parts Co ltd
Priority date: 2024-03-20
Filing date: 2024-03-20
Publication date: 2024-04-26

Abstract

本发明涉及铝合金技术领域，尤其是一种铸造铝合金及其制备方法和应用；所述铝合金化学成分按质量百分比计包括：Mg 4.0~7.0%、Si 1.5~3.0%、Mn 0.3~0.8%、Zn 0.02~0.1%、Fe 0.07~0.2%、Ti 0.03~0.2%、X，余量为Al以及不可避免的杂质；所述X为Sr、La、Ce、Mo或Zr中的一种或多种；所述X中单种元素质量百分比为0.01~0.04%；所述铸造铝合金通过低压、差压铸造方法铸造底盘结构件；本发明将AlMg系合金应用于低压、差压铸造，借助低压、差压铸造节拍慢、留模时间长的特点，解决AlMg系铝合金铸件易变形的问题，增加过渡族的X元素或Sr元素强化铝合金性能，同时形成高熔点微粒子促进形核，改善铸造性能，减少疏松、气孔。

Description

一种铸造铝合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，尤其是一种铸造铝合金及其制备方法和应用。

背景技术

随着新能源汽车的快速发展，铝合金凭借轻量化优势在汽车零部件中的占比逐步增加。其中铝合金底盘零部件（副车架、转向节、控制臂等）由于对力学性能要求高、壁厚、有特殊管横梁结构等限制，如铸铝转向节，其力学性能要求为抗拉强度≥270MPa，屈服强度≥180MPa，伸长率≥8%。如此高的强度要求，现有技术必须采用热处理才能达到。

从一体化压铸车身开始，压铸免热处理材料被应用在高强韧车身结构件上，但低压、差压铸造相关的新材料研究较少。当前铸铝转向节，或者其他底盘结构件通常采用低压/差压铸造技术，用的铝合金材料均是A356，并辅以T6热处理。这种工艺可以很好的生产转向节这类小产品，但对于一体式副车架这类大产品，一个热处理料架只能摆放数个产品，热处理的效率很低。T6热处理除了消耗大量的燃气，水淬还产生大量的废水，对环境污染严重。

随着汽车轻量化路线的实施，运用免热处理材料进行一体化压铸车身结构件技术已经逐步成熟，而运用免热处理材料铸造底盘结构件的技术基本上没有。本发明通过材料成分设计与铸造工艺调整，提供一种可以无需热处理的底盘结构件制造方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种铸造铝合金，该铝合金适合免热处理并且制备成底盘结构件后具有合格的力学性能。

本发明的目的之二是提供一种铸造铝合金的制备方法。

本发明的目的之三是提供一种铸造铝合金的应用。

本发明的目的之一通过以下技术方案实现：

一种铸造铝合金，所述铝合金化学成分按质量百分比计包括：

Mg 4.0~7.0%、Si 1.5~3.0%、Mn 0.3~0.8%、Zn 0.02~0.1%、Fe 0.07~0.2%、Ti 0.03~0.2%、X，余量为Al以及不可避免的杂质；

所述X为Sr、La、Ce、Mo或Zr中的一种或多种；所述X中单种元素质量百分比为0.01~0.04%。

进一步地，所述不可避免的杂质包括Cu、Ca、P或Pb中的1种或若干种，所述不可避免的杂质中单种元素质量百分比为0~0.05%，所述不可避免的杂质中所有元素质量百分比之和为0~0.3%。不可避免的杂质来源于铝锭或熔炼装备。

进一步地，所述Mg和Si的质量比为2.0~3.0:1。

上述铸造铝合金成分设计的原理说明：

为了达到汽车底盘结构件高力学性能的要求，在长期汽车零部件铸造的过程中，发现传统AlSi系合金免热处理铸造车身结构件已经是极限，在当前铸铝底盘力学性能要求不会大幅度降低的情况下，AlSi系合金无法应用于低压、差压免热处理铸造底盘结构件，只有AlMg系合金才有可能。为了控制Al3Mg2强化相数量充足同时晶粒尺寸不至于过大，本发明控制Mg质量百分比在4~7%。

为了保证零部件充足的强度，本发明铝合金含质量百分比1.5~3.0%的Si元素，使得铝液在凝固时析出Mg2Si相，显著强化铝合金强韧性。添加质量百分比0.3~0.8%的Mn元素，一方面保证脱模效果，另一方面中和再生铝锭中不可能避免的Fe元素所形成的针状组织。

Ti元素是常见的AlTiB等细化剂核心元素，主要作用是细化α-Al晶粒。X元素是增强相，Sr元素、Y元素及稀土元素可以细化Mg2Si相，使其达到更高的强化效果；V、Zr、Cr、Mo等元素作为高熔点粒子，可以作为形核的异质点，在300~400℃时，可以与Al形成化合物，进一步增加强度，以弥补AlMg系合金随着壁厚增加带来的强度降低影响。这些元素过量时会降低伸长率，因此都控制在很少的范围。

通过以上成分设计使得本发明合金在凝固时存在Mg2Si和Al3Mg2强化相，Mg2Si作为重要强化相在达到固相线温度时就α-Al一起析出，再加上稀土元素此时也与Al形成化合物，均可以作为α-Al的形核点。因此本发明的α-Al晶粒细小，其平均晶粒尺寸在5μm左右；而普通A356铸态材料，凝固时只有共晶硅Si一种强化相，因为Si含量偏离共晶点太远，相组织以α-Al为主，平均晶粒尺寸在20μm以上。对比可以看出本发明具有明显的细晶强化效果。

本发明的目的之二通过以下技术方案实现：

一种铸造铝合金的制备方法，包括：

备料的步骤；和，

熔炼的步骤；和，

精炼的步骤；和，

炉内精炼的步骤；和，

铸造的步骤；

其中所述熔炼的步骤为：将Al原料熔化，升温至720~760℃时加入Si、Mn、Zn、Fe、Ti和X原料，最后加入Mg原料，得到合金熔体。

进一步地，所述精炼的步骤为：向合金熔体通入氮气精炼5~20min，期间加入AlTiB细化剂，检核合格后，温度维持在700~740℃扒出表面浮渣后得到铝液，将铝液保温。

进一步地，所述炉内精炼的步骤为：以5~20L/min流速通入氮气或氩气，旋吹精炼6~10min，而后静置20min。

进一步地，所述铸造的步骤为：维持铝液温度在690~730℃，采用低压、差压铸造方法铸造成型。

本发明的目的之三通过以下技术方案实现：

一种铸造铝合金的应用，采用所述铸造铝合金通过低压、差压铸造方法铸造底盘结构件，所述底盘结构件为转向节、控制臂或副车架中的一种或若干种。

上述铸造铝合金制备方法和制备底盘结构件的原理说明：

为了加快熔炼效率，尤其是高熔点Si金属原材料的熔解，熔炼温度设置在720℃以上，这个温度同时符合精炼剂是最佳使用温度要求。而Mg金属原材料的熔点较低，因此选择最后加入。同时720℃可以保证在经过转注、精炼之后铝液还有700℃的最佳铸造温度，这个温度有利于铝液向上填充大型底盘结构件模具的空腔。

为了保障铝液的纯净度，必须进行两道精炼工序，第一道在熔炼炉中进行，第二道在低压、差压机配套的保温炉内进行。

AlMg系合金具有铸造性能差的特点，传统重力铸造难以高致密度成型，传统高压铸造则存在产品变形的问题，其铸造性能不及AlSi合金，膨胀系数也比AlSi合金大。本发明采用低压、差压铸造，利用低压、差压铸造节拍慢、留模时间长的特点，对产品起到一定的矫形效果。创新的将低压、差压铸造工艺特点导致的缺点转化成优点。

本发明的有益效果为：

目前车身结构件前舱、后地板、减震塔等使用的都是AlSi系免热处理铝合金材料。本发明铝合金虽然具有良好的力学性能，但如果应用于普通压铸，将受限于材料本身的铸造性能，限制其应用。因此本发明将AlMg系合金应用于低压、差压铸造，借助低压、差压铸造节拍慢、冷却均匀、留模时间长的特点，解决AlMg系铝合金铸件易变形的问题。

本发明铝合金铸件的力学性能随铸件厚度增加降低，而转向节等产品又是厚壁件。因此本发明铝合金成分额外增加过渡族的X元素或Sr元素强化铝合金性能，同时形成高熔点微粒子促进形核，改善铸造性能，减少疏松、气孔。

目前运用与一体化压铸汽车结构件的高强韧铝合金，也称免热处理材料，而目前一体化压铸车身底板结构件均是AlSi系材料，只能做到免T7热处理。AlMg系免热处理材料虽有研究，却受限于铸造性能没能应用到任何汽车结构件中。而本发明综合了低压、差压铸造工艺和AlMg系铝合金物理、力学性能的特点，工艺与材料性能相互填补，低压、差压的慢节拍、低压力成为改善AlMg系铸造性能的基础，可以做到免T6热处理，达到更高的免热处理力学性能水平。

本发明铸造的转向节产品无需热处理即可达到力学性能目标，满足汽车底盘结构件的苛刻力学性能要求。其力学性能优异来源于组织内细小的晶粒，α-Al的晶粒尺寸小于5μm。本发明可加速铝合金在汽车上的运用，助力汽车轻量化发展。

附图说明

图1为实施例1的AlMg系材料膨胀系数曲线；

图2为实施例2的本体取样在100倍视场下的金相图；

图3为实施例2的本体取样在500倍视场下的金相图；

图4为实施例2的材料相图计算结果图；

图5为实施例3的本体取样在100倍视场下的金相图；

图6为实施例4的本体取样在100倍视场下的金相图；

图7为实施例5的本体取样在200倍视场下的金相图；

图8为实施例6的本体取样在200倍视场下的金相图；

图9为对比例1的AlSi系材料膨胀系数曲线；

图10为对比例1的本体取样在100倍视场下的金相图；

图11为对比例1的本体取样在500倍视场下的金相图。

图12为对比例2的材料相图计算结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

实施例1

一种铸造铝合金制备方法，包括以下步骤：

S1.备料：称取纯铝锭、镁块、工业硅、AlMn10中间合金、AlTiB粉末和AlSr10中间合金。

S2.熔炼：先将铝原料加入熔炼炉中熔化，升温至720℃~760℃时加工业硅、AlMn10中间合金、AlSr中间合金；最后加入镁块，得到合金熔体。

S3.精炼：向合金熔体中通入氮气精炼5~20min，期间加入AlTiB细化剂，检核合格后，温度维持在700~740℃扒出表面浮渣后得到铝液，将铝液注入低压、差压保温炉内。所述检核包括成分检验和质量检验，其中质量检验采用减压凝固试样和K模检测，指标要求：密度≥2.63g/m3，K模值≤0/20（下同）。

S4.炉内精炼：向炉内铝液以5~20L/min流速通入氮气或氩气，旋吹精炼6~10min，而后静置20min，转运小车搬至差压铸造机台下方。

S5.铸造：维持铝液温度在690℃~730℃，不间断搅拌，建压将铝液填充差压铸造机台内的转向节模具，铸造成型；

制得的转向节其化学成分按质量百分比计包括：Mg 4.16%、Si 1.55%、Mn 0.37%、Zn 0.05%、Fe 0.14%、Ti 0.05%、X为Sr 0.015%，不可避免的杂质单个元素≤0.05%，不可避免的杂质元素总和≤0.3%，其余为Al，本实施例的材料膨胀系数曲线计算结果如图1所示。

取转向节本体加工成圆形试棒，测得拉伸力学性能数据如下：抗拉强度332.50MPa，屈服强度186.25MPa，伸长率12.80%。

实施例2

一种铸造铝合金制备方法，除了成分配比不同于实施例1，其步骤一致：制得的转向节其化学成分按质量百分比计包括：Mg 5.23%、Si 2.19%、Mn 0.46%、Zn 0.07%、Fe0.18%、Ti 0.08%、X为La/Ce 0.04%，不可避免的杂质单个元素≤0.05%，不可避免的杂质元素总和≤0.3%，其余为Al。本实施例的金相图如图2和图3所示，本实施例的材料相图计算结果如图4所示。

取转向节本体加工成圆形试棒，测得拉伸力学性能数据如下：抗拉强度336.62MPa，屈服强度193.45MPa，伸长率13.46%。

实施例3

一种铸造铝合金制备方法，除了成分配比不同于实施例1，其步骤一致：制得的转向节其化学成分按质量百分比计包括：Mg 6.52%、Si 2.46%、Mn 0.58%、Zn 0.04%、Fe0.12%、Ti 0.03%、X为Mo 0.03%和Zr 0.02%，不可避免的杂质单个元素≤0.05%，不可避免的杂质元素总和≤0.3%，其余为Al，本实施例的金相图如图5所示。

取转向节本体加工成圆形试棒，测得拉伸力学性能数据如下：抗拉强度345.49MPa，屈服强度215.13MPa，伸长率11.38%。

实施例4

一种铸造铝合金制备方法，除了成分配比不同于实施例1，其步骤一致：制得的转向节其化学成分按质量百分比计包括：Mg 4.31%、Si 1.58%、Mn 0.53%、Zn 0.03%、Fe0.08%、Ti 0.04%、X为Y 0.004%和V 0.12%，不可避免的杂质单个元素≤0.05%，不可避免的杂质元素总和≤0.3%，其余为Al，本实施例的金相图如图6所示。

取转向节本体加工成圆形试棒，测得拉伸力学性能数据如下：抗拉强度316.45MPa，屈服强度212.95MPa，伸长率11.94%。

实施例5

一种铸造铝合金制备方法，包括以下步骤：

S1.备料：称取纯铝锭、镁块、工业硅、AlMn10中间合金、AlTiB粉末、AlSr10中间合金、AlRe10中间合金。

S2.熔炼：先将铝原料加入熔炼炉中熔化，升温至720℃~760℃时加工业硅、AlMn10中间合金、AlSr10中间合金、AlRe10中间合金；最后加入镁块，得到合金熔体。

S3.精炼：向合金熔体中通入氮气精炼5~20min，期间加入AlTiB细化剂，检核合格后，温度维持在700~740℃扒出表面浮渣后得到铝液，将铝液注入低压、差压保温炉内。

S4.炉内精炼：向炉内铝液通入氮气或氩气5~20L/min旋吹精炼6~10min，其后静置20min，转运小车搬至差压铸造机台下方。

S5.铸造：维持铝液温度690℃~730℃，不间断搅拌，建压将铝液填充差压铸造机台内的副车架模具，铸造成型；

制得的副车架其化学成分按质量百分比计包括：Mg 4.7%、Si 1.68%、Mn 0.65%、Zn0.02%、Fe 0.09%、Ti 0.17%、X为La/Ce 0.04%，不可避免的杂质单个元素≤0.05%，不可避免的杂质元素总和≤0.3%，其余为Al，本实施例的金相图如图7所示。

取副车架本体加工成圆形试棒，测得拉伸力学性能数据如下：抗拉强度296.06MPa，屈服强度184.76MPa，伸长率10.36%。

实施例6

一种上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S4.炉内精炼：向炉内铝液以5~20L/min流速通入氮气或氩气，旋吹精炼6~10min，而后静置20min，转注至压铸机边保温炉。

S5.铸造：维持铝液温度在690℃~720℃，将铝液注入高真空压铸压室内压铸圆形试棒；

制得的试棒其化学成分按质量百分比计包括：Mg 5.34%、Si 1.89%、Mn 0.53%、Zn0.99%、Fe 0.07%、Ti 0.08%、X为La/Ce 0.05%，不可避免的杂质单个元素≤0.05%，不可避免的杂质元素总和≤0.3%，其余为Al，本实施例的金相图如图8所示。

将试棒打磨除去飞边，测得拉伸力学性能数据如下：抗拉强度329.27MPa，屈服强度224.22MPa，伸长率10.61%。

对比例1

本对比实施例的铝合金化学成分为A356合金（A356.1或A356.2），制备方法与实施例1一致。对比例1的AlSi系材料膨胀系数曲线如图9所示，金相图如图10和图11。

所生产转向节进行T6热处理。

取转向节本体加工成圆形试棒，测得拉伸力学性能数据如下：抗拉强度340.73MPa，屈服强度227.18MPa，伸长率12.65%。

对比例2

本对比实施例成分与制备方法和对比例1一致。本对比例的材料相图计算结果如图12。

所生产转向节不进行T6热处理。

取转向节本体加工成圆形试棒，测得拉伸力学性能数据如下：抗拉强度281.68MPa，屈服强度115.57MPa，伸长率11.39%。

力学性能检测实验

对实施例1-6以及对比例1-2得到的铝合金制品进行抗拉强度、屈服强度和伸长率检测，结果见表1。

表1 力学性能检测记录表

根据上述对比例和实施例的数据可以看出，通过加入稀土、Y、Sr、Mo、V、Zr、Cr等元素强化AlMg系材料强度，可以达到汽车底盘结构件的力学性能要求。低压、差压铸造的充型速度较慢、结构件壁厚较大，对合金液的流动性要求不高。低压、差压铸造模具温度比高压铸造要高，冷却较为缓慢，速度均匀，留模时间较长，本发明合金在传统高真空压铸易变形的问题可以得到缓解。

综上所述，本发明针对铸铝汽车底盘结构件需要热处理才能达到高强韧力学性能要求的问题，研发出了一种化学成分简单、流动性能良好、铸态下具备高强韧力学性能特点的新型免热处理铝合金。本发明的铝合金重点应用目标是服务于汽车底盘结构件，如整体式副车架、转向节、控制臂、扭力梁等；也可以用于压铸超薄壁产品。相比于需要热处理的铝合金，本发明的免热处理高强韧铝合金可减少热处理工序，节约大量能耗。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims

1.一种铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金化学成分按质量百分比计包括：

2.根据权利要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，所述不可避免的杂质包括Cu、Ca、P或Pb中的1种或若干种，所述不可避免的杂质中单种元素质量百分比为0~0.05%，所述不可避免的杂质中所有元素质量百分比之和为0~0.3%。

3.根据权利要求1所述的铸造铝合金，其特征在于，所述Mg和Si的质量比为2.0~3.0:1。

4.一种根据权利要求1所述的铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括：

备料的步骤；和，

熔炼的步骤；和，

精炼的步骤；和，

炉内精炼的步骤；和，

铸造的步骤；

所述熔炼的步骤为：将Al原料熔化，升温至720~760℃时加入Si、Mn、Zn、Fe、Ti和X原料，最后加入Mg原料，得到合金熔体。

5.根据权利要求4所述的铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述精炼的步骤为：向合金熔体通入氮气精炼5~20min，期间加入AlTiB细化剂，检核合格后，温度维持在700~740℃扒出表面浮渣后得到铝液，将铝液保温。

6.根据权利要求4所述的铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述炉内精炼的步骤为：以5~20L/min流速通入氮气或氩气，旋吹精炼6~10min，而后静置20min。

7.根据权利要求4所述的铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述铸造的步骤为：维持铝液温度在690~730℃，采用低压、差压铸造方法铸造成型。

8.一种铸造铝合金的应用，其特征在于，采用根据权利要求1所述的铸造铝合金通过低压、差压铸造方法铸造底盘结构件。