一種高韌性壓鑄鋁合金及其製備方法與流程
2024-02-15 14:28:15 1
本發明屬於金屬材料領域，具體涉及一種高韌性壓鑄鋁合金及其製備方法。
背景技術：
隨著汽車和通訊行業輕量化的發展，汽車輕量化新材料和新工藝是未來的需求。輕量化新材料是輕量化的主要手段，安全性是輕量化的前提，人們在對傳統的結構進行優化設計的同時，也對鋁合金材料的性能提出了更高的要求，不僅要求鋁合金具有較高的強度，而且要求具有良好的塑性，因此，研發一種高韌性壓鑄鋁合金材料對於汽車、通訊行業的輕量化發展是非常有必要的。
在汽車和機械行業，隨著輕量化的推進，「以鑄帶鍛、以鋁帶鋼」已經成為汽車、通訊輕量化的一種趨勢。汽車零配件中鋁合金零配件的比例越來越高，壓鑄件是汽車零配件常見的工藝，但由於壓鑄件不能熱處理強化，且存在縮松和縮孔的問題，壓鑄件只能用於汽車非結構件。目前、汽車上的結構件主要是高強鋼、鑄鐵和鍛造鋁合金，結構件對材料強度要求較高。高端汽車鋁合金件比例明顯高於普通車，原因是高檔車鋁合金零配件採用的是高強度鍛造鋁合金，鍛造鋁合金強度高，優化設計後，鋁合金零配件強度不低於鋼件和鑄鐵件，但是鍛造鋁合金成本高，加工工藝複雜，大規模推廣難度較大。為了推進鋁合金在汽車零配件上的使用比例，亟需開發一種高韌性壓鑄鋁合金，可以用鑄造工藝達到鍛造鋁合金的強度，減少成本。
鋁矽合金是鑄造鋁合金中品種最多，用途最廣的一類合金，該類合金鑄件佔鋁鑄件的85-90%左右。鋁矽合金用的最多的是AD12合金，該合金由於具有較好的流動性，在汽車、通信行業壓鑄件上得到了大量的使用。但是隨著新能源汽車的興起和汽車、通訊輕量化的推進，很多鋼件會逐步用鋁合金代替，實現以鑄代鍛，以鋁代鋼。
對於結構件，尤其是底盤和車身對強度和塑性代替高的結構件，對鑄件的強度和塑性有很高的要求，但是常規的AD12合金延伸率和強度滿足不了要求，主要存在以下問題：1）鑄件強度不高；2）延伸率不高延伸率只有2.5，AD12目前的性能遠遠滿足不了汽車結構件對延伸率6%以上的要求，尤其是新能源汽車，對鑄件強度要求更高。由於Al-Si合金具有良好的流動性，可以壓鑄薄壁件和形狀複雜的零件。國外合金比較成熟的是德國牌號的SF36合金，但是該合金需要T7處理後才能發揮較好的性能，對於大型複雜薄壁件壓鑄，T7處理會導致鑄件變形，影響鑄件尺寸給後續處理增加困難和成本。
因此，自主開發一種高強高韌鋁合金體系是非常有必要的，本發明還是基於Al-Si係為基礎，主要創新點如下：嚴格控制Cu的含量，加入少量的Cu合金，達到一個好的固溶強化效果，不需要後續熱處理，保證Cu在固溶狀態；降低Fe含量，因為Fe含量增加後會形成針狀的脆性相，影響合金塑性；為了改善合金的黏膜性，用Mn元素代替Fe元素，改善黏膜性；添加少量的稀土元素Ce，進一步提高合金的塑性和耐腐蝕性。
技術實現要素：
、本發明的目的。
本發明的一目的是提供一種高韌性壓鑄鋁合金，Al-Si-Cu-Mn-Ce鋁合金，該高韌性壓鑄鋁合金20℃下鑄件的屈服強度140.5-165Pa，抗拉強度310.8-322.3MPa，延伸率7.2-9.7%。該合金可用於汽車和通訊行業形狀複雜且對強度要求較高的零部件上面，相對常規鋁合金，本發明合金有高韌性和鑄造流動性好的優點，具有良好的應用前景。
本發明的另一目的是提供一種高韌性壓鑄鋁合金的製備方法。
、本發明所採用的技術方案。
實現本發明一目的所採用的技術方案為：一種高韌性壓鑄鋁合金，所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：9wt%～10wt%；Cu：0.1wt%～0.3wt%；Mn：0.2wt%～0.3wt%；Ce：0.1wt%～0.3wt%，其餘為鋁和其它雜質元素，其它雜質元素含量小於0.005%。
作為本發明的一優選技術方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：9wt%～10wt%；Cu：0.1wt%～0.2wt%；Mn：0.2wt%～0.3wt%；Ce：0.1wt%～0.3wt%，其餘為鋁和其它雜質元素，其它雜質元素含量小於0.005%。
作為本發明的一優選技術方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為Si：9wt%～10wt%；Cu：0.2wt%～0.3wt%；Mn：0.2wt%～0.3wt%；Ce：0.1wt%～0.3wt%，其餘為鋁和其它雜質元素，其它雜質元素含量小於0.005%。
作為本發明的一優選技術方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：10wt%；Cu：0.1wt%；Mn：0.2wt%；Ce：0.1wt%，其餘為鋁和其它雜質元素，其它雜質元素含量小於0.005%。
作為本發明的一優選技術方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：10wt%；Cu：0.2wt%；Mn：0.2wt%；Ce：0.1wt%，其餘為鋁和其它雜質元素，其它雜質元素含量小於0.005%。
作為本發明的一優選技術方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：10wt%；Cu：0.3wt%；Mn：0.2wt%；Ce：0.1wt%，其餘為鋁和其它雜質元素，其它雜質元素含量小於0.005%。
作為本發明的一優選技術方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：9wt%；Cu：0.2wt%；Mn：0.3wt%；Ce：0.3wt%，其餘為鋁和其它雜質元素，其它雜質元素含量小於0.005%。
實現本發明另一目的所採用的技術方案為：一種高韌性壓鑄鋁合金的製備方法，其包括製備步驟如下：
1）備料和爐子清理：根據合金成分比例備料，料備完爐子需要清洗乾淨，合金元素以純合金和中間形式加入，Si元素以單質或則Al-Si中間合金形式加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金形式加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金形式加入，Ce元素以Al-Ce中間合金形式加入；
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗乾淨後，將純鋁錠放入井式爐坩堝內進行加熱熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間；
3）加入中間合金：待鋁液溫度達到700℃時，將烘乾後的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化；
4）精煉：鋁液溫度達到755℃時，開始加入鋁合金用精煉劑進行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分，精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然後進行拔渣；
5）變質：鋁液溫度740℃時進行變質處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進行變質，攪拌充分後靜置10分鐘，靜置後拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質；
6）將精煉、變質後的鋁液溫度降至700℃準備澆注，採用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻後，鑄件取出；
7）自然時效：鑄件取出後常溫下放置48h自然時效後檢測力學性能。
、本發明的有益效果。
1）本發明解決了目前AD12鋁合金遠遠滿足不了汽車結構件對延伸率6%以上的要求。本發明的高韌性壓鑄鋁合金，其強度和延伸率得到了明顯提升，抗拉強度達到322.3MPa，延伸率9.7%，比現有AD12鋁合金的抗拉強度250MPa提高了28.9%，延伸率提高了300%。本發明的高韌性壓鑄鋁合金完全滿足了汽車、通訊行業對結構件抗拉強度250MPa，延伸率6%的要求。
2）本發明針對現有的Al-Si合金，通過加入Mn、Cu、Ce微量元素，通過合理的固溶強化和時效強化而達到一個良好的強化效應，在合金的製備過程中無需熱處理強化就可以達到較好的強度，解決了國外牌號SF36合金通過T7處理後才能達到一個比較好的性能的問題。
3）本發明合金的流動性良好，容易壓鑄，可以生產薄壁件。
4）本發明選用Al-5Ti-B和Al-Sr進行複合細化變質處理，使得合金組織更加細小、圓整，提高了合金的抗拉強度和延伸率。
具體實施方式
為了使專利局的審查員尤其是公眾能夠更加清楚地理解本發明的技術實質和有益效果，申請人將在下面以實施例的方式作詳細說明，但是對實施例的描述均不是對本發明方案的限制，任何依據本發明構思所作出的僅僅為形式上的而非實質性的等效變換都應視為本發明的技術方案範疇。
實施案例1
以25kg為例，根據Al-10Si-0.1Cu-0.2Mn-0.1Ce配比為例，計算出中間合金的質量，進行備料。
1）準備原材料和爐子清理，爐子需要清洗乾淨，避免殘留的合金影響合金的性能。現根據合金成分比例備料，合金元素可以以純合金和中間合金形式加入，Si元素以單質或則Al-Si中間合金加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金加入，Ce元素以Al-Ce中間合金加入。
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗乾淨後，將純鋁錠放入井式爐坩堝內，加熱坩堝進行熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間。
3）加入中間合金：待鋁液溫度達到700℃時，將烘乾後的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化。
4）精煉：鋁液溫度達到755℃時，開始加入鋁合金專用精煉劑進行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分。精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然後進行拔渣。
5）變質：鋁液溫度740℃時進行變質處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進行變質，攪拌充分後靜置10分鐘。靜置後拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質。
6）將精煉、變質後的鋁液溫度降至700℃準備澆注，採用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻後，鑄件取出。
7）自然時效：鑄件取出後常溫下放置48h自然時效後檢測力學性能。
該高強度鑄造合金20℃下鑄件的屈服強度161.3MPa，抗拉強度310.8MPa，延伸率8.2%。
實施案例2
以25kg為例，根據Al-10Si-0.2Cu-0.2Mn-0.1Ce配比為例，計算出中間合金的質量，進行備料。
1）準備原材料和爐子清理，爐子需要清洗乾淨，避免殘留的合金影響合金的性能。現根據合金成分比例備料，合金元素可以以純合金和中間合金形式加入，Si元素以單質或則Al-Si中間合金加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金加入，Ce元素以Al-Ce中間合金加入。
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗乾淨後，將純鋁錠放入井式爐坩堝內，加熱坩堝進行熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間。
3）加入中間合金：待鋁液溫度達到700℃時，將烘乾後的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化。
4）精煉：鋁液溫度達到755℃時，開始加入鋁合金專用精煉劑進行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分。精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然後進行拔渣。
5）變質：鋁液溫度740℃時進行變質處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進行變質，攪拌充分後靜置10分鐘。靜置後拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質。
6）將精煉、變質後的鋁液溫度降至700℃準備澆注，採用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻後，鑄件取出。
7）自然時效：鑄件取出後常溫下放置48h自然時效後檢測力學性能。
該比例下高強度鑄造合金20℃下鑄件的屈服強度156.0MPa，抗拉強度315.2MPa，延伸率8.5%。
實施案例3
以25kg為例，根據Al-10Si-0.3Cu-0.2Mn-0.1Ce配比為例，計算出中間合金的質量，進行備料。
1）準備原材料和爐子清理，爐子需要清洗乾淨，避免殘留的合金影響合金的性能。現根據合金成分比例備料，合金元素可以以純合金和中間合金形式加入，Si元素以單質或則Al-Si中間合金加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金加入，Ce元素以Al-Ce中間合金加入。
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗乾淨後，將純鋁錠放入井式爐坩堝內，加熱坩堝進行熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間。
3）加入中間合金：待鋁液溫度達到700℃時，將烘乾後的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金一起加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化。
4）精煉：鋁液溫度達到755℃時，開始加入鋁合金專用精煉劑進行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分。精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然後進行拔渣。
5）變質：鋁液溫度740℃時進行變質處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進行變質，攪拌充分後靜置10分鐘。靜置後拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質。
6）將精煉、變質後的鋁液溫度降至700℃準備澆注，採用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻後，鑄件取出。
7）自然時效：鑄件取出後常溫下放置48h自然時效後檢測力學性能。
該比例下高強度鑄造合金20℃下鑄件的屈服強度140.5MPa，抗拉強度322.3MPa，延伸率7.2%。
實施案例4
以25kg為例，根據Al-9Si-0.2Cu-0.3Mn-0.3Ce配比為例，計算出中間合金的質量，進行備料。
1）準備原材料和爐子清理，爐子需要清洗乾淨，避免殘留的合金影響合金的性能。現根據合金成分比例備料，合金元素以中間合金形式加入，Si元素以Al-Si中間合金加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金加入，Ce元素以Al-Ce中間合金加入。
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗乾淨後，將純鋁錠放入井式爐坩堝內，加熱坩堝進行熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間。
3）加入中間合金：待鋁液溫度達到700℃時，將烘乾後的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化。
4）精煉：鋁液溫度達到755℃時，開始加入鋁合金專用精煉劑進行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分。精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然後進行拔渣。
5）變質：鋁液溫度740℃時進行變質處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進行變質，攪拌充分後靜置10分鐘。靜置後拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質。
6）將精煉、變質後的鋁液溫度降至700℃準備澆注，採用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻後，鑄件取出。
7）自然時效：鑄件取出後常溫下放置48h自然時效後檢測力學性能。
該比例下高強度鑄造合金20℃下鑄件的屈服強度165MPa，抗拉強度310.0MPa，延伸率9.7%。