CN112126828A

CN112126828A - 一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金及其制备方法以及应用

Info

Publication number: CN112126828A
Application number: CN202011123616.XA
Authority: CN
Inventors: 张俊超; 钟鼓; 邱楚; 路通; 李虎田; 周玉立
Original assignee: Suzhou Nonferrous Metal Research Institute Co Ltd
Current assignee: Suzhou Nonferrous Metal Research Institute Co Ltd
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2020-12-25

Abstract

本发明公开了一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金及其制备方法以及应用。一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金，组分包括：Si8.0%‑12.0%、Mn0.4%‑1.2%、Mg0.1%‑0.6%、Sr0.01%‑0.2%、Fe0.005%‑0.25%、Ni0.1%‑1.5%，余量为Al和不可避免的微量杂质，其中，微量杂质中的单个元素含量≤0.1%，微量杂质总量≤0.3%。其应用于汽车受力结构件，包括副车架、减震器支座。能够均衡地提升抗拉强度、屈服强度、延伸率，整体表现较为全面，铸造性能好，与ADC12流动性相当，利于铸造，可以在现有压铸生产线上快速投产，无需大量投资，利于汽车工业发展。

Description

一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金及其制备方法以及应用

技术领域

本发明属于车用铝合金技术领域，具体涉及一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金及其制备方法以及应用。

背景技术

汽车中的结构件如副车架、减震器支座、后盖框架、A/B柱等为承载受力件，与汽车安全性密切相关。这类结构件通常具有复杂薄壁、尺寸较大等特征。由于在行驶中要保证汽车可靠的安全性，因此这些受力结构件要求高强度尤其是屈服强度及优良的伸长率。传统的汽车结构件大多采用钢质材料，通过冲压、锻造、焊接、铆接等工艺生产。在汽车市场中，竞争越来越激烈，目前各汽车公司都在向高质量、高可靠性、重量轻、节能、低成本方向发展，尤其随着新能源汽车的快速发展，在材料方面表现为轻量化，用铝合金代替部分钢铁件，并采用压铸成型工艺来代替传统的工艺，已达到其目标。

压铸成型工艺具有生产效率高、尺寸精度高、力学性能优良、材料利用率高、经济指标优良等优点，现已成为我国铸造业中的一个重要组成部分。铝硅合金具有良好的成形性能，通过压铸工艺可以制造复杂薄壁的零件，在汽车工业得到了广泛的应用，其已经成为汽车轻量化的重要支撑。

但是传统压铸生产的铝、镁合金铸件内部气孔多，无法进行固溶时效处理或焊接成形，也不能进行过多的机加工。现有常用的Al-Si-Cu系压铸铝合金均不属于高强度、高韧性的压铸铝合金材料，而常用的Al-Si-Mg系及Al-Mg系高强韧铸造铝合金的流动性能较差，很难适用大尺寸、复杂薄壁特征的车身结构件，因此，为保障汽车轻量化的顺利发展，亟需开发新型的满足高强、高韧要求的汽车结构件用高力学性能和高流动性能压铸铝合金。

现在的普通压铸铝合金多为A380、ADC12，而汽车结构件则常用进口的Sialfont-36铝合金压铸件。其中ADC12铝合金为公认的流动性较好的铝合金，但是，其抗拉强度、屈服强度以及延伸率仍然无法整体提升。事实上，目前，仍然没有成本较低，工艺简单的产品能够实现将抗拉强度、屈服强度、延伸率较为平衡地提升。

申请号为202010352748.3的发明专利公开了一种高强度铝合金及其制造方法，其是首先熔炼铝合金熔液，其中:Zn8.63-8.80%，Mg2.14-2.28%，Cu2.23-2.29%，Cr0.17-0.28%，0.68-0.77%Mn，0.14-0.25%V，0.25-0.34%Zr，0.19-0.26%Sc，0.14-0.20%Ti，0.028-0.047%B，余量为Al和不可避免的杂质元素；将铝合金熔液送入浇包，用喂丝机将直径3.0-3.5mm的多元合金线送入到浇包内铝合金熔液中，在714-722℃时，浇入金属铸型，随后冷却，在加热，进行热锻加工，加热保温，降温再重新加热，保温，获得高强度铝合金。尽管该技术方案得到的产品的抗拉强度大于1060MPa，延伸率大于10%，但是其工艺该技术方案的工艺繁琐，不易操作，还需要另行添加多元合金线进入铝合金熔液中，成本仍然较高，另外根据实施例来看，其延伸率范围应当是在10%-11%，经过复杂的处理，其延伸率仍沿不够理想。

申请号为201510489552.8的发明专利公开了一种高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料及其制备方法。该发明公开的铝合金材料组分包括：9.3-9.8%Mg，1.3-1.5%Zn，0.2-0.4%Ca，0.2-0.4%Ti，0.2-0.5%Ce，0.1-0.15%Sr，Fe≤0.15%，Ni≤0.03%，Cu≤0.06%，Si≤0.1%，Mn≤0.01%，余量为Al，室温抗拉强度不低于400MPa，延伸率不低于15%，但是，其中含有较多的镁，这会造成铸造时易产生裂纹，导致难以铸造。

发明内容

为了解决背景技术中提出的问题，本发明给出一种高力学性能、高流动性压铸铝合金，同时给出一种高力学性能、高流动性压铸铝合金的制备方法。

一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金，所述铝合金的组分包括：Si8.0%-12.0%、Mn 0.4%-1.2%、Mg 0.1%-0.6%、Sr 0.01%-0.2%、Fe 0.005%-0.25%、Ni 0.1%-1.5%，余量为Al和不可避免的微量杂质，其中，微量杂质中的单个元素含量≤0.1%，微量杂质总量≤0.3%。

进一步地，所用的原料为纯铝或电解铝，铝硅中间合金或工业硅或速熔硅，铝锰中间合金或锰剂，铝锶中间合金、纯镁、纯镍或铝镍中间合金。

进一步地，不可避免的微量杂质含有Cu、Cr、V、P、Ti、Ca、Zn中的一种或几种。

组分元素中，硅元素的结晶潜热远大于铝，在铝合金中可以显著提高铝合金的压铸流动性，同时还能提高铝合金的强度和机械加工性能，硅含量越高，共晶组织越多，铝合金的压铸流动性越好。但是一般来说，硅元素含量较高之后，很难通过后期热处理增强铝合金性能，甚至会降低性能。

镁元素在铝硅压铸铝合金中一方面固溶到铝合金中形成固溶强化，领域方面与硅形成Mg2Si强化相，增强压铸铝合金的强度，镁含量越高，压铸铝合金的强度也越高。

铁元素显著提高压铸铝合金的抗粘模性能。但过量的铁会在压铸铝合金中形成粗大的针状β-Al5FeSi相，这种粗大针状富铁相会严重割裂铝合金基体，导致传统压铸铝合金强度和韧性较低，为此Fe的含量控制在0.25%以内。

锰元素对压铸铝合金的强度影响不大，不过锰将针状β-Al5FeSi相转变为块状或汉字状的Al15（Mn,Fe）3Si2相，提高合金的韧性，此外，锰元素还能改善压铸铝合金的粘模性能。

镍元素会提高铝硅合金的流动性，适量镍添加到铝合金，会形成细小稳定的Al3Ni相，提高合金强度同时也提高合金的韧性。但过量镍添加会导致该相尺寸粗大，反而降低合金的韧性。为保证合金韧性，镍含量限制在1.0%以下。

锶元素在压铸铝合金中主要作用是将粗大、细长的共晶硅相变质为短纤维状、短棒状或蠕虫状，显著提高压铸铝合金的强度和韧性。但锶含量增加会导致合金的吸气性增加，提高合金中的含气量，因此将锶含量范围限定为0.01-0.2%。

一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金的制备方法：制备步骤为：

a.按元素含量取用纯铝或电解铝，铝硅中间合金或工业硅或速熔硅，铝锰中间合金或锰剂，铝锶中间合金，纯镁，纯镍或铝镍中间合金，并预热；

b.将预热后的纯铝或电解铝投入熔炼炉中熔炼，然后加入铝硅中间合金或工业硅或速熔硅，铝锰中间合金或锰剂，纯镍或铝镍中间合金，最后将纯镁和铝锶中间合金加入熔炼炉并搅拌至完全熔化，成为熔体；

c.在步骤b得到的熔体中加入除渣剂；

d.对步骤c得到的熔体进行成分检测，确保成分合格，之后，加入覆盖剂后，精炼除气；

e.对精炼后的熔体进行成分检测、密度检测、含渣量检测，然后静置降温，得到汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金。

进一步地，在步骤a中，需要将各种原料预热至150-200℃；在步骤b中，需要将纯铝或电解铝在熔炼炉中熔炼并加热到750-800℃，然后加入铝硅中间合金或工业硅或速熔硅，铝锰中间合金或锰剂，纯镍或铝镍中间合金，并将合金熔液控制在730-800℃；在步骤c中，加入的除渣剂占熔体总重量的0.1%-0.3%；在步骤d中，除气过程时长在5-15分钟，温度控制在720-730℃；在步骤e中，密度检测标准为≥2.65g/cm³，含渣量检测则要求K模值≤1/20，之后，静置降温至680-700℃。K模值用于表示铝液中的含渣量，其具体过程为将铝合金熔融液注入K模模具，铸成铸块，随后破碎成20个试样小块，在20个试样小块的断面上寻找含渣的数量，含渣数量/20，即为K模值。

一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金在汽车受力结构件中的应用。

进一步地，所述的汽车受力结构件为副车架或减震器支座。

使用本技术方案得到的压铸铝合金的铸态抗拉强度在230MPa，铸态屈服强度在141.5-152MPa，铸态伸长率在5.05%-5.44%。在浇注时，流动性与ADC12铝合金相当。在680-700℃、21-33mbar的条件下进行压铸，得到的3mm左右壁厚的汽车减震器支座压铸件，成型完好，各部位均为出现明显的浇不足、卷气等铸造缺陷。另外得到的汽车减震器支座压铸件，未经热处理时，抗拉强度在320MPa以上，屈服强度在170MPa以上，延伸率在9.9%以上，经过T6热处理，性能进一步提升，抗拉强度在295-344MPa，屈服强度在210.3-292.2MPa，延伸率在10.06%-12.8%，而经过T7热处理，抗拉强度在180.2-251.2MPa,屈服强度在107.3-182.0MPa，延伸率则在10.93%-20.52%。而在相同条件下，目前公认的质量较好的Silafont36铝合金的表现均劣于本申请的技术方案。

与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有以下有益效果：能够均衡地提升抗拉强度、屈服强度、延伸率，整体表现较为全面，能够适应大多数情况下的汽车结构件轻量化的需要；铸造性能好，与ADC12流动性相当，利于铸造，可以在现有压铸生产线上快速投产，无需大量投资，利于汽车工业发展；另外，意外地发现，经过T6热处理，一些情况下，抗拉强度有所下滑，而有些情况下，还会有所上升，而屈服强度则有较大幅度上升，与传统的关于硅元素在铝合金中的作用的看法有所不同。

具体实施方式

下面说明本发明的具体实施方式，公开实施方式的目的在于对本发明进行说明解释，而非是对本发明的限制，一切在本发明的基础上进行简单替换、组合和发展得到的技术方案，都应落入本发明的保护范围。

实施例一

一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金，所述铝合金的组分包括：Si8.0%、Mn 1.2%、Mg 0.1%、Sr 0.2%、Fe 0.005%、Ni 1.5%，余量为Al和不可避免的微量杂质，其中，微量杂质中的单个元素含量≤0.1%，微量杂质总量≤0.3%。

所用的原料为纯铝，铝硅中间合金，铝锰中间合金，铝锶中间合金、纯镁、纯镍。

不可避免的微量杂质含有Cu、Cr、V、P、Ti、Ca、Zn中的一种或几种。

a.按元素含量取用纯铝，铝硅中间合金，铝锰中间合金，铝锶中间合金，纯镁，纯镍，并预热；

b.将预热后的纯铝投入熔炼炉中熔炼，然后加入铝硅中间合金，铝锰中间合金，纯镍，最后将纯镁和铝锶中间合金加入熔炼炉并搅拌至完全熔化，成为熔体；

c.在步骤b得到的熔体中加入除渣剂；

在步骤a中，需要将各种原料预热至150℃；在步骤b中，需要将纯铝在熔炼炉中熔炼并加热到800℃，然后加入铝硅中间合金，铝锰中间合金，纯镍，并将合金熔液控制在730℃；在步骤c中，加入的除渣剂占熔体总重量的0.3%；在步骤d中，除气过程时长在5分钟，温度控制在730℃；在步骤e中，密度检测标准为≥2.65g/cm³，含渣量检测则要求K模值0/20，之后，静置降温至680℃。

将合金熔液的温度控制在680℃，并在33mbar的真空度下进行压铸，得到汽车减震器支座压铸件，平均壁厚3mm。该减震器支座的抗拉强度为324MPa，屈服强度为170.8MPa，延伸率为9.98%。在制作过程中，流动性与ADC12的流动性相当。

将汽车减震器支座压铸件进行T6热处理，固溶温度范围为480℃，时间为3h，时效温度为175℃，时间为3h，抗拉强度为295MPa，屈服强度为292.2MPa，延伸率为10.06%。

将汽车减震器压铸件进行进行T7热处理，固溶温度范围为510℃，时间为3h，时效温度为200℃，时间为3h，抗拉强度为180.2MPa，屈服强度为182MPa，延伸率为10.93%。

实施例二

一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金，所述铝合金的组分包括：Si12.0%、Mn 0.4%、Mg 0.6%、Sr 0.01%、Fe 0.25%、Ni 0.1%，余量为Al和不可避免的微量杂质，其中，微量杂质中的单个元素含量≤0.1%，微量杂质总量≤0.3%。

所用的原料为电解铝，工业硅，锰剂，铝锶中间合金、纯镁、铝镍中间合金。

a.按元素含量取用电解铝，工业硅，锰剂，铝锶中间合金，纯镁，铝镍中间合金，并预热；

b.将预热后的电解铝投入熔炼炉中熔炼，然后加入工业硅，锰剂，铝镍中间合金，最后将纯镁和铝锶中间合金加入熔炼炉并搅拌至完全熔化，成为熔体；

c.在步骤b得到的熔体中加入除渣剂；

在步骤a中，需要将各种原料预热至200℃；在步骤b中，需要将电解铝在熔炼炉中熔炼并加热到750℃，然后加入工业硅，锰剂，铝镍中间合金，并将合金熔液控制在800℃；在步骤c中，加入的除渣剂占熔体总重量的0.1%；在步骤d中，除气过程时长在15分钟，温度控制在720℃；在步骤e中，密度检测标准为≥2.65g/cm³，含渣量检测则要求K模值0/20，之后，静置降温至700℃。

将合金熔液的温度控制在700℃，并在21mbar的真空度下进行压铸，得到汽车减震器支座压铸件，平均壁厚3mm。该减震器支座的抗拉强度为321MPa，屈服强度为171MPa，延伸率为9.95%。在制作过程中，流动性与ADC12的流动性相当。

将汽车减震器支座压铸件进行T6热处理，固溶温度范围为510℃，时间为3h，时效温度为160℃，时间为3h，抗拉强度为324.1MPa，屈服强度为263.3MPa，延伸率为10.5%。

将汽车减震器压铸件进行进行T7热处理，固溶温度范围为480℃，时间为3h，时效温度为240℃，时间为1h，抗拉强度为251.2MPa，屈服强度为178.3MPa，延伸率为17.6%。

实施例三

一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金，所述铝合金的组分包括：Si10.0%、Mn 0.8%、Mg 0.35%、Sr 0.1%、Fe 0.13%、Ni 0.8%，余量为Al和不可避免的微量杂质，其中，微量杂质中的单个元素含量≤0.1%，微量杂质总量≤0.3%。

所用的原料为纯铝，速熔硅，铝锰中间合金，铝锶中间合金、纯镁、纯镍。

a.按元素含量取用纯铝，速熔硅，铝锰中间合金，铝锶中间合金，纯镁，纯镍，并预热；

b.将预热后的纯铝投入熔炼炉中熔炼，然后加入速熔硅，铝锰中间合金，纯镍，最后将纯镁和铝锶中间合金加入熔炼炉并搅拌至完全熔化，成为熔体；

c.在步骤b得到的熔体中加入除渣剂；

在步骤a中，需要将各种原料预热至175℃；在步骤b中，需要将纯铝在熔炼炉中熔炼并加热到775℃，然后加入速熔硅，铝锰中间合金，纯镍，并将合金熔液控制在765℃；在步骤c中，加入的除渣剂占熔体总重量的0.2%；在步骤d中，除气过程时长在10分钟，温度控制在725℃；在步骤e中，密度检测标准为≥2.65g/cm³，含渣量检测则要求K模值0/20，之后，静置降温至690℃。

将合金熔液的温度控制在690℃，并在27mbar的真空度下进行压铸，得到汽车减震器支座压铸件，平均壁厚3mm。该减震器支座的抗拉强度为326MPa，屈服强度为175MPa，延伸率为10.08%。在制作过程中，流动性与ADC12的流动性相当。

将汽车减震器支座压铸件进行T6热处理，固溶温度范围为495℃，时间为3h，时效温度为168℃，时间为3h，抗拉强度为344MPa，屈服强度为210.3MPa，延伸率为12.8%。

将汽车减震器压铸件进行进行T7热处理，固溶温度范围为495℃，时间为3h，时效温度为220℃，时间为2h，抗拉强度为235.5MPa，屈服强度为107.3MPa，延伸率为20.52%。

对比例一

本对比例用作与实施例一形成对比。本对比例中，使用A380铝合金在同样的温度、真空度下，压铸成3mm壁厚的汽车减震器支座，测得抗拉强度为316.1MPa，屈服强度为146.5MPa，延伸率为3.1%。可见，实施例一制得的产品与A380铝合金制得的产品相比，除抗拉强度小幅下滑外，屈服强度与延伸率均得到大幅提升。

对比例二

本对比例用作与实施例二形成对比。本对比例中，使用Silafont36铝合金在同样的温度、真空度下，压铸成3mm壁厚的汽车减震器支座，测得抗拉强度为275.3MPa，屈服强度为146MPa，延伸率为6.1%。

经过相同的T6热处理，测得抗拉强度为305.6MPa，屈服强度为246.5MPa，延伸率为7.8%。

经过相同的T7热处理，测得抗拉强度为213.9MPa，屈服强度为145.6MPa，延伸率为11%。

可见，在各种情况下，实施例二得到的减震器支座的力学性能均比目前质量较好的Silafont36铝合金优秀。

对比例三

本对比例用作与实施例三形成对比。本对比例中，使用流动性较好的ADC12铝合金在同样的温度、真空度下，压铸成3mm壁厚的汽车减震器支座，测得抗拉强度为329.3MPa，屈服强度为166.7MPa，延伸率为2.6%。可见，在力学性能相似的情况下，实施例三得到的减震器支座的延伸率有极大的提升。

Claims

1.一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金，其特征在于：所述铝合金的组分包括：Si 8.0%-12.0%、Mn 0.4%-1.2%、Mg 0.1%-0.6%、Sr 0.01%-0.2%、Fe 0.005%-0.25%、Ni 0.1%-1.5%，余量为Al和不可避免的微量杂质，其中，微量杂质中的单个元素含量≤0.1%，微量杂质总量≤0.3%。

2.如权利要求1所述的一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金，其特征在于：所用的原料为纯铝或电解铝，铝硅中间合金或工业硅或速熔硅，铝锰中间合金或锰剂，铝锶中间合金、纯镁、纯镍或铝镍中间合金。

3.如权利要求1所述的一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金，其特征在于：不可避免的微量杂质含有Cu、Cr、V、P、Ti、Ca、Zn中的一种或几种。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金的制备方法，其特征在于：制备步骤为：

c.在步骤b得到的熔体中加入除渣剂；

5.如权利要求4所述的一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金的制备方法，其特征在于：在步骤a中，需要将各种原料预热至150-200℃；在步骤b中，需要将纯铝或电解铝在熔炼炉中熔炼并加热到750-800℃，然后加入铝硅中间合金或工业硅或速熔硅，铝锰中间合金或锰剂，纯镍或铝镍中间合金，并将合金熔液控制在730-800℃；在步骤c中，加入的除渣剂占熔体总重量的0.1%-0.3%；在步骤d中，除气过程时长在5-15分钟，温度控制在720-730℃；在步骤e中，密度检测标准为≥2.65g/cm³，含渣量检测则要求K模值≤1/20，之后，静置降温至680-700℃。

6.如权利要求1-3任一项所述的一种汽车结构件用高力学性能、高流动性压铸铝合金在汽车受力结构件中的应用。

7.如权利要求6所述的应用，所述的汽车受力结构件为副车架或减震器支座。