CN113106305A - 一种高强度压铸铝合金及其加工工艺 - Google Patents

一种高强度压铸铝合金及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度压铸铝合金及其加工工艺，涉及压铸铝合金技术领域，压铸铝合金包括成分：Si：11.2％～13.6％；Mg：0.18％～0.22％；Cu：1.95％～2.30％；Na：0.01％～0.03％；Ti：0.26％～0.32％；Fe：0.21％～0.25％；Ni：0.25％～0.35％；Ga：0.04％～0.08％；Yb：0.03％～0.05％；其加工工艺是经备料‑熔炼‑精炼‑压铸‑热、氧化处理制得。本发明的压铸铝合金属于A1‑Si‑Mg‑Cu合金系列,亦属于一种高强合金系列，通过在A1‑Si‑Mg‑Cu主合金元素体系的基础上，加入钠(Na)、镍(Ni)、镓(Ga)、镱(Yb)元素来细化变质Si‑Mg‑Cu强化相，提高了压铸铝合金的强度和拉伸性能。

Description

一种高强度压铸铝合金及其加工工艺
技术领域
本发明涉及压铸铝合金技术领域，具体涉及一种高强度压铸铝合金及其加工工艺。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中得到广泛应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，铝合金的需求日益增多，随着现在科学技术的不断提高，铝合金的性能也必需随之提高，才能满足人们对产品越来越高的要求，而现有铝合金在强度性能上的不足，限制了其在各个领域中应用。铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类，铝合金按化学成分可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金和铝稀土合金，其中，铝-硅类合金占多数，这类合金虽然压铸性能优良，但不能获得各种具有金属光泽的压铸件(铸件)，铝硅类合金压铸件一经化学处理表面即发灰、发黑、机械性能较差，脆性较大。而其它铝镁系合金虽然表面处理性能优良，但压铸性能不好，容易粘模、热裂、冷隔和浇不足、疏松等缺陷，机械性能、强度及硬度也不高，而压铸铝合金则是一种将熔融铝合金液倒入压力室内，以高速填充钢制模具的型腔，并使合金液在压力下凝固而形成铸件的铸造方法。而传统的铝合金压铸件机械性能不好，强度不高，无法满足市场及现有以及未来产品材质性能的要求，本发明旨在提供一种性能更优、强度更高的压铸铝合金。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种高强度压铸铝合金及其加工工艺。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种高强度压铸铝合金，包括以下按质量百分比计的成分：
Si：11.2％～13.6％；
Mg：0.18％～0.22％；
Cu：1.95％～2.30％；
Na：0.01％～0.03％；
Ti：0.26％～0.32％；
Fe：0.21％～0.25％；
Ni：0.25％～0.35％；
Ga：0.04％～0.08％；
Yb：0.03％～0.05％；
余量为铝。
上述的高强度压铸铝合金的加工工艺，具体包括以下步骤：
(1)备料：取铝锭、速溶硅、镁锭、铝铜合金、铝钠合金、铝钛合金、铝铁合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金作为原材料进行配料；
(2)熔炼：将纯铝锭加热至720℃-760℃熔化，熔化后对铝液进行持续保温磁力搅拌至少30min,随后向铝液中加入速溶硅、镁锭、铝铜合金、铝钛合金和铝铁合金，搅拌熔化后得铝合金液A，熔化后对铝合金液A进行持续保温磁力搅拌至少45min；
(3)精炼：将步骤(2)得到的铝合金液A降温至680-720℃，利用稀有气体向铝合金液中喷入精炼剂，并充分搅拌，待铝合金液进行精炼除气除渣后，再加入铝钠合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金,搅拌熔化后得铝合金液B，熔化后升温至820-860℃对铝合金液B进行持续保温磁力搅拌至少65min,最后检验铝合金液B成分合格后即完成原材料的熔炼；
(4)压铸：预备好模具，将模具型腔温度升至135-165℃，并在浇注温度665-685℃、压射速度1.5～2.5m/s、压射比压65～75MPa、增压压力为100～110MPa和保压时间为5秒条件下，将铝合金液B压铸成铝合金半成品,充型压铸结束后，将铝合金压铸件水雾冷至室温；
(5)热、氧化处理：将步骤(4)得到的铝合金半成品铸件置于固溶时效炉内，先在固溶温度为540-560℃条件下处理10-12小时，风冷至室温后，先后在时效温度为180℃、160℃条件下分别处理3-4小时、2-3小时，热处理完毕后将铝合金铸件置于氧化槽中阳极氧化处理即得铝合金成品铸件。
优选地，上述精炼剂由下列重量份数的成分制得：光卤石6-8份、氟化钙1-3份、氟钛酸钾1-2份以及氮化硅1-2份；该种精炼剂的制备方法是先将光卤石在温度为460-480℃的炉中煅烧3.5h，随炉空冷后研磨粉碎至250目筛；随后加入磁化水打浆制成质量浓度为32.5％的浆液，并调整浆液PH值至4.0-5.0之间，充分混合搅拌后，采用超声波振动法，在超声波振动频率为40～50赫兹、超声波振动时间为40～50秒条件下超声振动分散，之后再调节浆液PH值至中性，喷雾干燥后加入其余原料成分混匀，烘干，粉碎，过320目筛即得。
进一步地，上述水雾的冷却温度为7-9℃，水雾粒径≤30μm，雾滴间距控制在15-20μm。
本发明中，硅(Si)能与Al形成Al+Si共晶液相，提高压铸铝合金的流动性、耐磨性和机械加工性能，在本发明的成分体系中，将硅(Si)含量选择在11.2～13.6％最优；铜(Cu)在压铸铝合金中具有固溶强化作用，同时在压铸铝合金还能形成CuAl2强化相进一步增强铝合金的强度。Cu含量不易过高，否则会增加合金热裂倾向的风险，在本发明的成分体系中，将铜(Cu)含量选择在1.95～2.30％最优；铁(Fe)成分的加入能够利于压铸件脱模。且在本发明的成分体系中，将铁(Fe)含量选择在0.21～0.25％最优；钛(Ti)：其加入到压铸铝合金中可起到细化α-Al晶粒的作用，改善压铸铝合金的组织成分均匀性，提高压铸铝合金的强度和塑性。在本发明的成分体系中，将钛(Ti)含量选择在0.26～0.32％最优。
本发明的压铸铝合金至少具有如下的有益效果：
(1)本发明通过对元素成分、含量及加工工艺参数的改进优化获得了强度性能更为优异的压铸铝合金，具体的，本发明的压铸铝合金属于A1-Si-Mg-Cu合金系列,亦属于一种高强合金系列，通过在A1-Si-Mg-Cu主合金元素体系的基础上，加入钠(Na)、镍(Ni)、镓(Ga)、镱(Yb)元素来细化变质Si-Mg-Cu强化相，提高了压铸铝合金的强度和拉伸性能；
(2)本发明可达到如下技术指标：室温抗拉强度大于300MPa，屈服强度大于190MPa，伸长率大于5％，可广泛应用在要求更高的汽车能源、航天航空、水利水电等领域，大大满足了市场对高强度压铸铝合金的需求；
(3)加工工艺中，本发明通过在精炼除气除渣后，再加入铝钠合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金，有利于充分发挥钠(Na)、镍(Ni)、镓(Ga)、镱(Yb)元素对晶粒的细化作用以及对Si、Mg等各相的细化变质作用，确保压铸铝合金获得高的强度和性能。
(4)进一步地，本发明的压铸铝合金加工工艺通过对熔炼、精炼、压铸、热、氧化处理等工序的改进及参数的优化，改善了铝合金的内部晶体结构，细化了铸态晶粒，抑制合金组织的蠕变变形，提高了固溶体的过饱和度，并减少了粗大未溶结晶相，调控了晶界析出相的大小和分布，增强了压铸铝合金结构的致密性和稳定性，提高了其强度性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下表1为下文中实施例1-3中一种高强度压铸铝合金所含化学成分及含量；
表1
Figure BDA0002991849110000051
Figure BDA0002991849110000061
实施例1
一种高强度压铸铝合金的加工工艺，具体按照以下步骤实施：
(1)备料：取纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、铝铜合金、铝钠合金、铝钛合金、铝铁合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金作为原材料进行配料；
(2)熔炼：将纯铝锭加热至730±10℃熔化，熔化后对铝液进行持续保温磁力搅拌30min,以此达到纯铝锭充分熔化的目的，随后向铝液中加入99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、铝铜合金、铝钛合金和铝铁合金，搅拌熔化后得铝合金液A，熔化后对铝合金液A进行持续保温磁力搅拌45min,以此达到各原材料充分熔化的目的；
(5)精炼：将步骤(2)得到的铝合金液A降温至690±10℃，利用稀有气体(一般为氩气)向铝合金液中喷入精炼剂，并充分搅拌，待铝合金液进行精炼除气除渣后，再加入铝钠合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金,搅拌熔化后得铝合金液B，熔化后升温至830±10℃对铝合金液B进行持续保温磁力搅拌65min,最后检验铝合金液B成分合格后即完成原材料的熔炼；
上述精炼剂由下列重量份数的成分制得：光卤石6份、氟化钙1份、氟钛酸钾1份以及氮化硅1份；其制备方法是先将光卤石在温度为460-480℃的炉中煅烧3.5h，随炉空冷后研磨粉碎至250目筛；随后加入磁化水打浆制成质量浓度为32.5％的浆液，并调整浆液PH值至4.0，充分混合搅拌后，采用超声波振动法，在超声波振动频率为40赫兹、超声波振动时间为40秒条件下超声振动分散，之后再调节浆液PH值至中性，喷雾干燥后加入其余原料成分混匀，烘干，粉碎，过320目筛即得本发明中的精炼剂。
(4)压铸：预备好模具，将模具型腔温度升至145±10℃，并在浇注温度665-685℃、压射速度1.5m/s、压射比压65MPa、增压压力为100MPa和保压时间为5秒条件下，将铝合金液B压铸成铝合金半成品,充型压铸结束后，将铝合金压铸件水雾冷至室温；水雾冷却温度为7℃，水雾粒径≤30μm，雾滴间距控制在15-20μm。
(5)热、氧化处理：将步骤(4)得到的铝合金半成品铸件置于固溶时效炉内，先在固溶温度为540-560℃条件下处理10小时，风冷至室温后，先后在时效温度为180℃、160℃条件下分别处理3小时、2小时，热处理完毕后将铝合金铸件置于氧化槽中阳极氧化处理即得铝合金成品铸件。
实施例2
一种高强度压铸铝合金的加工工艺，具体按照以下步骤实施：
(1)备料：取纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、铝铜合金、铝钠合金、铝钛合金、铝铁合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金作为原材料进行配料；
(2)熔炼：将纯铝锭加热至740±10℃熔化，熔化后对铝液进行持续保温磁力搅拌35min,以此达到纯铝锭充分熔化的目的，随后向铝液中加入99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、铝铜合金、铝钛合金和铝铁合金，搅拌熔化后得铝合金液A，熔化后对铝合金液A进行持续保温磁力搅拌50min,以此达到各原材料充分熔化的目的；
(3)精炼：将步骤(2)得到的铝合金液A降温至700±10℃，利用稀有气体(一般为氩气)向铝合金液中喷入精炼剂，并充分搅拌，待铝合金液进行精炼除气除渣后，再加入铝钠合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金,搅拌熔化后得铝合金液B，熔化后升温至840±10℃对铝合金液B进行持续保温磁力搅拌70min,最后检验铝合金液B成分合格后即完成原材料的熔炼；
上述精炼剂由下列重量份数的成分制得：光卤石7份、氟化钙2份、氟钛酸钾1.5份以及氮化硅1.5份；其制备方法是先将光卤石在温度为460-480℃的炉中煅烧3.5h，随炉空冷后研磨粉碎至250目筛；随后加入磁化水打浆制成质量浓度为32.5％的浆液，并调整浆液PH值至4.0，充分混合搅拌后，采用超声波振动法，在超声波振动频率为40赫兹、超声波振动时间为45秒条件下超声振动分散，之后再调节浆液PH值至中性，喷雾干燥后加入其余原料成分混匀，烘干，粉碎，过320目筛即得本发明中的精炼剂。
(4)压铸：预备好模具，将模具型腔温度升至145±10℃，并在浇注温度665-685℃、压射速度2.0m/s、压射比压70MPa、增压压力为105MPa和保压时间为5秒条件下，将铝合金液B压铸成铝合金半成品,充型压铸结束后，将铝合金压铸件水雾冷至室温；水雾冷却温度为8℃，水雾粒径≤30μm，雾滴间距控制在15-20μm。
(5)热、氧化处理：将步骤(4)得到的铝合金半成品铸件置于固溶时效炉内，先在固溶温度为540-560℃条件下处理11小时，风冷至室温后，先后在时效温度为180℃、160℃条件下分别处理3.5小时、2.5小时，热处理完毕后将铝合金铸件置于氧化槽中阳极氧化处理即得铝合金成品铸件。
实施例3
一种高强度压铸铝合金的加工工艺，具体按照以下步骤实施：
(1)备料：取纯度为99.7％的铝锭、99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、铝铜合金、铝钠合金、铝钛合金、铝铁合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金作为原材料进行配料；
(2)熔炼：将纯铝锭加热至750±10℃熔化，熔化后对铝液进行持续保温磁力搅拌40min,以此达到纯铝锭充分熔化的目的，随后向铝液中加入99.9％的速溶硅、99.95％的镁锭、铝铜合金、铝钛合金和铝铁合金，搅拌熔化后得铝合金液A，熔化后对铝合金液A进行持续保温磁力搅拌55min,以此达到各原材料充分熔化的目的；
(3)精炼：将步骤(2)得到的铝合金液A降温至710±10℃，利用稀有气体(一般为氩气)向铝合金液中喷入精炼剂，并充分搅拌，待铝合金液进行精炼除气除渣后，再加入铝钠合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金,搅拌熔化后得铝合金液B，熔化后升温至850±10℃对铝合金液B进行持续保温磁力搅拌75min,最后检验铝合金液B成分合格后即完成原材料的熔炼；
上述精炼剂由下列重量份数的成分制得：光卤石8份、氟化钙3份、氟钛酸钾2份以及氮化硅2份；其制备方法是先将光卤石在温度为460-480℃的炉中煅烧3.5h，随炉空冷后研磨粉碎至250目筛；随后加入磁化水打浆制成质量浓度为32.5％的浆液，并调整浆液PH值至5.0之间，充分混合搅拌后，采用超声波振动法，在超声波振动频率为50赫兹、超声波振动时间为50秒条件下超声振动分散，之后再调节浆液PH值至中性，喷雾干燥后加入其余原料成分混匀，烘干，粉碎，过320目筛即得本发明中的精炼剂。
(4)压铸：预备好模具，将模具型腔温度升至160±5℃，并在浇注温度665-685℃、压射速度2.5m/s、压射比压75MPa、增压压力为110MPa和保压时间为5秒条件下，将铝合金液B压铸成铝合金半成品,充型压铸结束后，将铝合金压铸件水雾冷至室温；水雾冷却温度为9℃，水雾粒径≤30μm，雾滴间距控制在15-20μm。
(5)热、氧化处理：将步骤(4)得到的铝合金半成品铸件置于固溶时效炉内，先在固溶温度为540-560℃条件下处理12小时，风冷至室温后，先后在时效温度为180℃、160℃条件下分别处理4小时、3小时，热处理完毕后将铝合金铸件置于氧化槽中阳极氧化处理即得铝合金成品铸件。
对比例1
一种压铸铝合金，其成分及含量如下表2所示：
表2：
Figure BDA0002991849110000111
上述压铸铝合金的加工工艺同实施例2。
对比例2
一种压铸铝合金，其成分及含量如下表3所示：
表3：
Figure BDA0002991849110000112
上述压铸铝合金的加工工艺同实施例2。
性能参数检测
按中华人民共和国国家标准GB/T228-1987《金属拉伸试验方法》,将实施例1-3和对比例1-2的压铸铝合金加工成标准拉伸试样,在DNS500型电子拉伸试验机上进行室温拉伸,拉伸速率设定为2mm/min，结果如下表4所示：
表4
组别 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/％
实施例1 304.7 198.5 5.3
实施例2 311.2 202.0 5.6
实施例3 306.9 199.1 5.4
对比例1 262.3 154.6 4.8
对比例2 280.4 177.8 5.2
由上表4可以得知，本发明实施例1-3制得的压铸铝合金强度高，具体的，其室温抗拉强度大于300MPa，屈服强度大于190MPa，伸长率大于5％。
而对比例1的压铸铝合金，其相对于实施例2,成分中没有添加钠(Na)、镍(Ni)、镓(Ga)、镱(Yb)元素，因此未对强化相镁-硅-铜进行细化变质处理，使得获得的压铸铝合金的抗拉强度降低至262.3MPa，屈服强度降低至154.6MPa，伸长率降低至4.8％。
而对比例2的压铸铝合金，其相对于实施例2,成分中没有添加镓(Ga)和镱(Yb)元素，因此未更好地对强化相镁-硅-铜进行细化变质处理，使得获得的压铸铝合金的抗拉强度降低至280.4MPa，屈服强度降低至177.8MPa，伸长率降低至5.2％。
基于前述，本发明的高强度压铸铝合金通过添加钠(Na)、镍(Ni)、镓(Ga)、镱(Yb)元素对强化相镁-硅-铜进行细化变质处理，使得压铸铝合金的强度性能得到较好的提升，进步显著。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度压铸铝合金，其特征在于，包括以下按质量百分比计的成分：
Si：11.2％～13.6％；
Mg：0.18％～0.22％；
Cu：1.95％～2.30％；
Na：0.01％～0.03％；
Ti：0.26％～0.32％；
Fe：0.21％～0.25％；
Ni：0.25％～0.35％；
Ga：0.04％～0.08％；
Yb：0.03％～0.05％；
余量为铝。
2.根据权利要求1所述的一种高强度压铸铝合金及其加工工艺，其特征在于，包括以下按质量百分比计的成分：
Si：11.2％；Mg：0.18％；Cu：1.95％；Na：0.01％；Ti：0.26％；Fe：0.21％；Ni：0.25％；Ga：0.04％；Yb：0.03％；余量为铝。
3.根据权利要求1所述的一种高强度压铸铝合金及其加工工艺，其特征在于，包括以下按质量百分比计的成分：
Si：13.6％；Mg：0.22％；Cu：2.30％；Na：0.03％；Ti：0.32％；Fe：0.25％；Ni：0.35％；Ga：0.08％；Yb：0.05％；余量为铝。
4.根据权利要求1所述的一种高强度压铸铝合金及其加工工艺，其特征在于，包括以下按质量百分比计的成分：
Si：12.4％；Mg：0.20％；Cu：2.17％；Na：0.02％；Ti：0.29％；Fe：0.23％；Ni：0.30％；Ga：0.06％；Yb：0.04％；余量为铝。
5.一种根据权利要求1所述的高强度压铸铝合金的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)备料：取铝锭、速溶硅、镁锭、铝铜合金、铝钠合金、铝钛合金、铝铁合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金作为原材料进行配料；
(2)熔炼：将纯铝锭加热至720℃-760℃熔化，熔化后对铝液进行持续保温磁力搅拌至少30min,随后向铝液中加入速溶硅、镁锭、铝铜合金、铝钛合金和铝铁合金，搅拌熔化后得铝合金液A，熔化后对铝合金液A进行持续保温磁力搅拌至少45min；
(3)精炼：将步骤(2)得到的铝合金液A降温至680-720℃，利用稀有气体向铝合金液中喷入精炼剂，并充分搅拌，待铝合金液进行精炼除气除渣后，再加入铝钠合金、铝镍合金、铝镓合金以及铝镱合金,搅拌熔化后得铝合金液B，熔化后升温至820-860℃对铝合金液B进行持续保温磁力搅拌至少65min,最后检验铝合金液B成分合格后即完成原材料的熔炼；
(4)压铸：预备好模具，将模具型腔温度升至135-165℃，并在浇注温度665-685℃、压射速度1.5～2.5m/s、压射比压65～75MPa、增压压力为100～110MPa和保压时间为5秒条件下，将铝合金液B压铸成铝合金半成品,充型压铸结束后，将铝合金压铸件水雾冷至室温；
(5)热、氧化处理：将步骤(4)得到的铝合金半成品铸件置于固溶时效炉内，先在固溶温度为540-560℃条件下处理10-12小时，风冷至室温后，先后在时效温度为180℃、160℃条件下分别处理3-4小时、2-3小时，热处理完毕后将铝合金铸件置于氧化槽中阳极氧化处理即得铝合金成品铸件。
6.根据权利要求5所述的一种高强度压铸铝合金的加工工艺，其特征在于，所述精炼剂由下列重量份数的成分制得：光卤石6-8份、氟化钙1-3份、氟钛酸钾1-2份以及氮化硅1-2份。
7.根据权利要求6所述的一种高强度压铸铝合金的加工工艺，其特征在于，所述精炼剂的制备方法是先将光卤石在温度为460-480℃的炉中煅烧3.5h，随炉空冷后研磨粉碎至250目筛；随后加入磁化水打浆制成质量浓度为32.5％的浆液，并调整浆液PH值至4.0-5.0之间，充分混合搅拌后，采用超声波振动法，在超声波振动频率为40～50赫兹、超声波振动时间为40～50秒条件下超声振动分散，之后再调节浆液PH值至中性，喷雾干燥后加入其余原料成分混匀，烘干，粉碎，过320目筛即得。
8.根据权利要求5所述的一种高强度压铸铝合金的加工工艺，其特征在于，所述水雾的冷却温度为7-9℃，水雾粒径≤30μm，雾滴间距控制在15-20μm。
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