CN115233049B - 一种免热处理铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种免热处理压铸合金，以质量百分比计，包括：Si5.0‑9.5％；Mg0.2‑0.4％；Mn0.3‑0.8％；Cu0.1‑0.5％；Ni0.2‑0.5％；Nb0.1‑0.48％；Ti0.1‑0.48％；且Ti和Nb的用量相同；Cr0.02‑0.06％；V0.06‑0.15％；Zr0.08‑0.2％；Sb0.01‑0.03％；富铈稀土0.1‑0.2％；Sr0.005‑0.025％；Fe≤0.15％；余量为Al。本申请还提供铝合金的制备方法。所制得的铝合金高强韧、线膨胀系数低，弹性模量高，可避免目前压铸铝合金大型薄壁结构件在高温热处理中易变形等难题。

Description

一种免热处理铝合金及其制备方法

技术领域

本申请涉及铝合金技术领域，特别是涉及一种免热处理铝合金及其制备方法。

背景技术

随着轻量化设计理念的影响不断扩大，汽车厂商为争夺市场份额加快了汽车轻量化方面的研究，汽车轻量化已成为必然的发展趋势。

目前，汽车的轻量化设计通常是依靠大比例使用铝合金实现的。薄壁铝合金铸件因其具有良好的轻量化减重效果和优异的力学性能，在汽车车身、底盘等大型复杂结构件上有广泛的应用前景。大型零部件一体化压铸结束了传统汽车制造先冲压后焊接的方式，工艺复杂度大幅降低，并具有以下优势：1)轻量化：在大尺寸结构件上充分利用铝合金的低密度特性，大幅度减轻汽车车身重量。2)提效降本：通过一次压铸成型，大大减少零部件的生产线数量，减少零部件焊接工序，缩短生产周期。3)提高零件强度：一体化压铸避免了焊接造成的强度降低，取消了安装孔等要素，提高结构件的强度。

传统压铸铝合金基本上需要热处理工艺来提升强度和韧性，但现有的一体式大型结构件在高温热处理后容易出现变形，表面产生气泡，同时对结构件刚度有较高要求，并且现有压铸件的强韧性无法满足作为汽车受力结构件(如车架，立柱，减震盖)使用的需求，限制了压铸件在汽车行业中的应用。

因此，如何开发一种铝合金材料，能够满足免热处理的要求，并能保证材料成型后依然具有足够的强度和韧性，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的第一个目的为提供一种免热处理铝合金；本发明的第二个目的为提供上述免热处理铝合金的制备方法。

本发明提供的技术方案如下：

一种免热处理铝合金，以质量百分比计，包括：

Si 5.0-9.5％；

Mg 0.2-0.4％；

Mn 0.3-0.8％；

Cu 0.1-0.5％；

Ni 0.2-0.5％；

Nb 0.1-0.48％；

Ti 0.1-0.48％；且Ti和Nb的用量相同；

Cr 0.02-0.06％；

V 0.06-0.15％；

Zr 0.08-0.2％；

Sb 0.01-0.03％；

富铈稀土0.1-0.2％；

Sr 0.005-0.025％；

Fe≤0.15％；

余量为Al。

优选地，以质量百分比计，包括：

Si 5.2-9.3％；

Cr 0.02-0.04％；

Sr 0.01-0.025％。

优选地，富铈稀土中Ce含量≥55％，La含量≥25％。

一种上述任一项所述的免热处理铝合金的制备方法，包括以下步骤：

1)按照成分百分比配料；

2)将Si、Al、Nb、Ti依次装料，在550-600℃保温60-80min后，再升温至800-820℃熔化，保温1-2h；然后加入Ni、Cu、Zr、V、Cr、Mn，保温1-2h；

3)降温至760-770℃，加入Mg，保温10-15min；

4)加入Sb，在760-770℃保温5-10min；然后加入富铈稀土，在740-750℃保温6-10min；然后加入Sr，再保温3-5min；

5)升温至780-790℃，旋转除气；打渣，然后出炉；

6)出炉后进行真空负压处理；

7)超声处理；

8)压铸成形。

优选地，Nb、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Sb、Sr分别以铝铌中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锰中间合金、铝锑中间合金、铝锶中间合金的形式加入。

优选地，铝铌中间合金为AlNb60，铝钛中间合金为Al5Ti1B，铝锆中间合金为AlZr4，铝钒中间合金为AlV4，铝铬中间合金为AlCr10，铝锰中间合金为AlMn20，铝锑中间合金为AlSb10，铝锶中间合金为AlSr10。

优选地，步骤5)具体为：升温至780-790℃进行旋转除气，转子速度400-450r/min，时间8-12min，氩气流量0.8-1.0m³/h；搅拌，在720-730℃保温20-30min；然后保持铝液温度750-770℃，加入0.02-0.03wt％打渣剂，翻动熔渣2-4min，然后捞出浮渣。

优选地，步骤6)中真空负压处理具体为：保持铝液温度715-725℃，真空度≤3mbar，抽真空时间12-15min，之后通入99.99％高纯氮气泄压，使铝液处于氮气气氛保护中。

优选地，步骤7)具体为：保持铝液温度715-725℃，超声频率26-30KHz，一直保持铝液处于超声振动中。

优选地，步骤8)中，压铸模温度150-250℃，铝液浇注温度680-730℃，压射速度4.0-10m/s，压射加速度≥40G，压射力2000kN-3000kN，压射行程≤1650mm，射料量(铝)≤115kg。

本申请提供一种免热处理压铸合金，以质量百分比计，包括：Si 5.0-9.5％；Mg0.2-0.4％；Mn 0.3-0.8％；Cu 0.1-0.5％；Ni 0.2-0.5％；Nb 0.1-0.48％；Ti 0.1-0.48％；且Ti和Nb的用量相同；Cr 0.02-0.06％；V 0.06-0.15％；Zr 0.08-0.2％；Sb 0.01-0.03％；富铈稀土0.1-0.2％；Sr 0.005-0.025％；Fe≤0.15％；余量为Al。本发明提供的免热处理压铸合金，属于Al-Si系列铝合金，可以避免目前压铸铝合金大型薄壁结构件在后续的高温热处理中易变形等难题，通过对合金成分和组织结构进行设计优化，并开发新的精炼复合变质工艺，研制出了一种满足高强韧、线膨胀系数低及弹性模量优异的免热处理压铸铝合金材料。

其中，Si起到提高金属液流动性，提高合金抗拉强度和硬度，提高气密性、耐磨性、耐蚀性和导热性的作用。

Mg的用量为0.2-0.4％时，提高流动性，提高屈服强度和抗冲击性，改善机加工性能；随着含量增加，冷却时收缩大，易产生热裂和形成疏松。

Ni能有效提高其强度和结构件刚度(弹性模量)。具体而言，Ni形成NiAl₃等金属化合物，提高强度和硬度，体积和尺寸的稳定性，来提高铝合金刚度，减少合金对模具的溶蚀，促使针状Fe相化合物向块状转变，减低Fe有害作用；但Ni用量超过0.5％，降低耐蚀性。

Nb和Ti：在铝中形成Ti₂NbAl金属化合物，对合金有一定强化作用，改善合金韧性和提高合金弹性模量。并且，由于生成的Ti₂NbAl化合物的质量比是1:1，本申请限定了Ti和Nb的用量相同。

Mn起到减少Fe的有害影响，增加合金强度，且少量能提高屈服极限，减小粘型性的作用。Mn的用量不容许超过0.8％，会引起偏析。

Cu通过固溶强化提高合金耐热强度。

Cr在铝中形成(CrFe)Al₇和(CrMn)Al₁₂等金属化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定强化作用，改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。但用量大于0.06％形成的化合物***大而成为夹杂物。

V作为基体熔体非均匀形核的异质形核核心，成为晶粒细化剂，细化基体组织。

Zr能够形成化合物Al₃Zr，细化再结晶晶粒；同时和铝液氢反应生成ZrH，起除气作用，减少真空和疏松。

富铈稀土能与熔体中的杂质元素反应，形成稳定的化合物，沉淀在熔体底部，起到净化熔体的作用，有效抑制原材料杂质化合物如Ca₃P，同时具有细化共晶硅的效果。本申请所用的富铈稀土，优选其中Ce含量≥55％，La含量≥25％。

Sr是表面活性元素，起到变质作用，减少铸锭均匀化时间，减少合金压铸过程的粘模倾向，提高合金的力学性能和韧性。

Sb可与Al生成AlSb相，促进α-Al提前析出，同时抑制Si相的长大，但并不改变其生长方向。因此，Sb能够通过细化α-Al和共晶Si，提高合金的导热和力学性能变质作用，细化后的共晶硅成薄层状。

富铈稀土RE(含Ce和La)-Sr-Sb复合变质作用，提高压铸工艺性能和力学性能。在A1-Si合金中，相比于Sr、RE或Sr-RE变质，RE-Sr-Sb复合变质不仅可以充分发挥Sr对共晶Si的变质效果，而且RE与熔体中的H发生反应，形成稀土氢化物，克服Sr变质容易吸H的缺点；同时Sb能够通过细化α-Al，同时抑制Si相的长大。因此Re-Sr-Sb复合变质对Al-Si合金具有优异的变质效果，合金性能得到明显提高。通过复合变质Al-Si合金，合金中的针片状共晶Si转变为纤维状，合金熔体杂质含量降低。

此外，高真空压铸工艺是高速高效高精密成型方式，对合金熔体要求高。目前压铸铝合金材料主要原材料如铝锭、结晶硅及电解镍等含有Fe等杂质对合金会产生不良影响，影响高真空压铸件压铸性能和力学性能。应当限定其含量。如：Fe易形成片状、针状组织，降低流动性，降低机械性能且热裂倾向增大。本申请限定铁的含量≤0.15％。

本申请通过制备方法中对杂质进行控制，解决主要元素杂质降低压铸工艺和合金材料性能的影响。并且通过精炼复合变质、真空负压及超声振动工艺，优化Al-Si合金组织，提高压铸工艺性能和合金性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的金相组织图；

图2为本发明实施例2的金相组织图；

图3为本发明实施例3的金相组织图；

图4为本发明实施例4的金相组织图；

图5为本发明对比例1的金相组织图(未添加Nb和Ti)；

图6为本发明对比例2的金相组织图(未添加Ni)；

图7为本发明对比例3的金相组织图(未添加Sb和富铈稀土)；

图8为本发明对比例4的金相组织图(未添加富铈稀土和Sr)；

图9为本发明对比例5的金相组织图(未添加Sb，富铈稀土，Sr)；

图10为本发明对比例6的金相组织图(传统压铸AlSi10MnMg铝合金)

图11为本发明实施例1的显微组织照片(其中含有呈较多白色点或块状Ti₂NbAl化合物)；

图12为本发明实施例2的显微组织照片(其中含有呈中等白色块状Ti₂NbAl化合物)；

图13为本发明实施例3的显微组织照片(其中含有较多白色点或条状Ti₂NbAl化合物)；

图14为本发明实施例1、2、3的XRD衍射图谱；

其中，图1-10的标尺为50μm；图11-13的标尺为100μm。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

实施例所用原料如表1所示：

表1预熔材料合金

实施例1-4和对比例1-6的配比如表2所示。其中，对比例6是我国目前使用广泛的压铸铝合金——AlSi10MnMg合金。

表2

制备方法如下：

(1)按表2成分百分比(wt％)配料。

(2)装料熔化

熔化炉装料后应缓慢升温，工业硅、重熔用铝锭、铝铌中间合金、铝钛中间合金在580℃保温70分钟后，再升温至810℃熔化，保温1.5h，使铝铌和铝钛在铝液反应完全；随后添加电解镍、阴极铜、铝锆中间合金、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锰中间合金，保温1.5h。

预熔合金的装料顺序是：1)工业硅→重熔用铝锭→铝铌中间合金→铝钛中间合金；2)电解镍→阴极铜→铝锆中间合金→铝钒中间合金→铝铬中间合金→铝锰中间合金。

(3)加纯重熔用镁锭

对预熔合金，在铝熔体温度升至765℃，加入重熔用镁锭，保温10min。用预热过的试样模底扒开铝液表面氧化膜，取成分样做光谱成分分析。

(4)按顺序加复合变质剂

通过计算后并称重加入适量的铝锑中间合金、混合稀土金属及铝锶中间合金作为变质剂，必要时可对其他成分加入相应合金进行调整。

装料顺序和工艺是：铝锑中间合金(保温温度765℃，静置5min)→混合稀土金属(保温温度745℃，静置6min)→铝锶中间合金(保温温度735℃，静置3min)

(5)成分检验

用预热过的成分试样模底扒开铝液表面氧化膜，取成分样做炉前光谱分析，结果与对应的材料出炉成分要求作对比判定，若成分不合格需调料，再取样进行光谱分析判定。

(6)旋转除气

在温度升至785℃以后，开启除气机，转子及挡板自动下沉，自动进入精炼阶段。除气完后转子上升，马上用工具把转子的通气孔疏通，用捞渣勺翻动液面上的熔渣，再把铝液表面浮渣捞干净，转子速度445转/分钟，精炼时间9.5min，压气流量0.9m³/h；

用预热过的捞渣勺轻轻翻动液面，确保液面无固态炉料，然后用预热过的搅拌棒搅拌8次，拔去表面浮渣，调低中频炉功率，使铝液温度保持在725℃，保温时间不低于20分钟。

(7)打渣

根据精炼后铝渣的分离情况，可保持铝水温度760℃，在每炉铝水的表面加入0.025wt％打渣剂，并用捞渣勺翻动液面上的熔渣至少3分钟，再把铝水表面浮渣捞干净，捞出的熔渣倒入炒渣平台上或炒渣桶内，并尽量扒散熔渣；将铝水出炉。

(8)铝液熔体真空负压处理

采用真空负压设备，对铝液合金熔体进行真空负压处理。真空负压工艺参数为：压铸铝合金熔体温度720℃，真空度≤3mbar，抽真空时间13min，之后采用≥99.99％高纯氮气进气泄压，使得铝活塞中氢含量降至≤0.10ml/100g。

(9)铝液熔体超声处理

在压铸成型之前，保持超声处理铝水温度725℃，频率28KHz，对铝液一直进行超声处理，细化组织，提高压铸铝合金铸造力学性能。

(10)压铸成形

铝液熔体处理合格后，使用压铸工艺获得铸件。压铸过程中液态金属以高速完成充型，在高压下凝固，保证获得组织致密、性能优越的铸件。压铸工艺参数如表3所示。

表3压铸工艺参数

对实施例1-10的性能检测如下：

一、抗拉强度、屈服强度、延伸率、杨氏模量及25-200℃线膨胀系数

对实施例1-10所制备的铝合金铸件进行抗拉强度、屈服强度、杨氏模量及延伸率检测，结果如表4所示：

表4抗拉强度、屈服强度、延伸率、杨氏模量及25-200℃线膨胀系数

二、金相组织

实施例1-10的所制备的铸件，金相组织如附图1-10所示。

实施例1-4金相组织显示，共晶硅呈短杆状，铝基体组织细化明显，各种化合物分布均匀，材料性能如抗拉强度、屈服强度及延伸率等提升明显。

对比例1-6金相组织显示，共晶硅呈长条状，铝基体组织粗大，各种化合物分布不均匀，材料性能如抗拉强度、屈服强度及延伸率等差距明显。

三、显微组织

实施例1-3的面扫显微组织图，如图11-13所示。

具体而言，是步骤2)中，将Si、Al、Nb、Ti依次装料，在550-600℃保温60-80min后，再升温至740-760℃熔化，保温1-2h后，反应生成白色点或块状Ti₂NbAl化合物。Ti₂NbAl化合物合金有一定强化作用，改善合金韧性和提高合金弹性模量，提高结构件的刚度。

图14为实施例1、2、3的XRD衍射图谱，表明实施例1、2、3合金材料中含有一定量的Ti₂NbAl化合物。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种免热处理铝合金，用于薄壁铝合金铸件，其特征在于，以质量百分比计，包括：

Si 5.2-9.3%；

Mg 0.2-0.4%；

Mn 0.3-0.8%；

Cu 0.1-0.5%；

Ni 0.2-0.5%；

Nb 0.1-0.48%；

Ti 0.1-0.48%；且Ti和Nb的用量相同；

Cr 0.02-0.04%；

V 0.06-0.15%；

Zr 0.08-0.2%；

Sb 0.01-0.03%；

富铈稀土 0.1-0.2%；富铈稀土中Ce含量≥55%，La含量≥25%；

Sr 0.01-0.025%；

Fe≤0.15%；

余量为Al；

制备方法包括以下步骤：

1）按照成分百分比配料；

2）将Si、Al、Nb、Ti依次装料，在550-600℃保温60-80min后，再升温至800-820℃熔化，保温1-2h；然后加入Ni、Cu、Zr、V、Cr、Mn，保温1-2h；

3）降温至760-770℃，加入Mg，保温10-15min；

4）加入Sb，在760-770℃保温5-10min；然后加入富铈稀土，在740-750℃保温6-10min；然后加入Sr，再保温3-5min；

5）升温至780-790℃，旋转除气；打渣，然后出炉；

6）出炉后进行真空负压处理；其中，真空负压处理具体为：保持铝液温度715-725℃，真空度≤3mbar，抽真空时间12-15min，之后通入99.99%高纯氮气泄压，使铝液处于氮气气氛保护中；

7）超声处理；

8）压铸成形。

2.根据权利要求1所述的免热处理铝合金，其特征在于，Nb、Ti、Zr、V、Cr、Mn、Sb、Sr分别以铝铌中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金、铝铬中间合金、铝锰中间合金、铝锑中间合金、铝锶中间合金的形式加入。

3.根据权利要求2所述的免热处理铝合金，其特征在于，铝铌中间合金为AlNb60，铝钛中间合金为Al5Ti1B，铝锆中间合金为AlZr4，铝钒中间合金为AlV4，铝铬中间合金为AlCr10，铝锰中间合金为AlMn20，铝锑中间合金为AlSb10，铝锶中间合金为AlSr10。

4.根据权利要求1所述的免热处理铝合金，其特征在于，步骤5）具体为：升温至780-790℃进行旋转除气，转子速度400-450r/min，时间8-12min，氩气流量0.8-1.0m³/h；搅拌，在720-730℃保温20-30min；然后保持铝液温度750-770℃，加入0.02-0.03wt%打渣剂，翻动熔渣2-4min，然后捞出浮渣。

5.根据权利要求1所述的免热处理铝合金，其特征在于，步骤7）具体为：保持铝液温度715-725℃，超声频率26-30KHz，一直保持铝液处于超声振动中。

6.根据权利要求1所述的免热处理铝合金，其特征在于，步骤8）中，压铸模温度150-250℃，铝液浇注温度680-730℃，压射速度4.0-10m/s，压射加速度≥40G，压射力2000kN-3000kN，压射行程≤1650mm，铝液的射料量≤115kg。