CN115522104B - 一种阳极氧化压铸铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阳极氧化压铸铝合金及其制备方法，其中，所述铝合金的组分及其质量百分含量包括：Si 2.0％～7.0％、Zn 2.0％～7.0％、Mn 1.5％～3.5％、Mg 0％～2.0％、Ti 0.1％～0.2％、RE 0.05～0.2％以及所有杂质的质量百分含量之和小于等于0.3％，其中杂质Fe＜0.2％，余量为Al；所述RE元素为La和Ce。本发明的阳极氧化压铸铝合金力学强度高、表面质量优异、流动性良好，可满足对外观色泽不太高，对色差要求较高的，复杂结构件的技术需求。

Description

一种阳极氧化压铸铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金及其铸造技术领域，具体涉及一种阳极氧化压铸铝合金及其制备方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高，对阳极氧化装饰件产品的需求量逐渐增大，对颜色和外观的要求也逐渐多样化，如智能门锁、美容仪、家用电器配件等，但目前阳极氧化铝制品主要使用铝型材机加工而成，具有流程长、成材率低、CNC加工时间长等问题，使得铝合金装饰件产品不具有成本竞争优势。压铸产品具有短流程、适合大批量生产的优势，生产成本低，适应市场化发展，但现有压铸铝合金为获得优良的铸造性能，主要以Si为主合金元素，传统Al-Si合金阳极氧化后会出现表面发灰、氧化膜不连续等问题，且只能做黑色阳极氧化，其他颜色难以实现，现有压铸铝合金产品无法作为阳极氧化装饰件使用。
目前国内外开发的阳极氧化压铸铝合金，主要为Al-Mn系合金，虽具有较好的阳极氧化效果，但由于Al-Mn系合金流动性极低，难以应用于复杂的压铸产品；且由于合金化程度低，其强度也远远低于Al-Si合金和变形合金，难以替代变形合金应用于实际产品。
发明内容
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种高强度且压铸性能良好的阳极氧化压铸铝合金及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种阳极氧化压铸铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量包括：Si 2.0％～7.0％、Zn 2.0％～7.0％、Mn 1.5％～3.5％、Mg 0％～2.0％、Ti 0.1％～0.2％、RE 0.05～0.2％以及所有杂质的质量百分含量之和小于等于0.3％，其中杂质Fe＜0.2％，余量为Al；所述RE元素为La和Ce。
进一步地，采用上述成分的铝合金制备的铸锭金相组织的第二相面积占比为8～25％；采用上述成分的铝合金制备的压铸件金相组织的第二相尺寸小于20μm，采用上述成分的铝合金制备的铸锭金相组织的第二相尺寸小于40μm。
进一步地，所述第二相包括：AlFeMnSi相、Al6Mn相、AlSi共晶相。
进一步地，采用上述成分的铝合金制备的铸锭金相组织的二次枝晶臂间距小于30μm。
进一步地，采用上述成分的铝合金制备的铸棒的抗拉强度大于180MPa。
进一步地，所述铝合金的组分及其质量百分含量包括：Si 2.0％～5.0％、Zn2.0％～5.0％、Mn 1.6％～2.3％、Mg 0.7％～1.5％、Ti 0.1％～0.2％、RE 0.1～0.2％以及所有杂质的质量百分含量之和小于等于0.1％，其中杂质Fe＜0.05％，余量为Al。
一种上述阳极氧化压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将原料工业纯Al锭、工业纯Zn锭、Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金置于熔炼炉内加热至780℃～800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃～770℃，再将纯Mg压入熔炼炉至纯Mg完全熔化，保温30min后，将稀土元素压入熔炼炉并完全熔化，得到熔化后的物料；
(2)向熔炼炉内加入精炼剂和细化剂后搅拌除气15min～20min，静置15min～20min后扒渣，得到扒渣后的样品；
(3)当扒渣后的样品达到680℃～720℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金铸坯；其中浇铸模具的温度为180℃～220℃；
(4)将得到的铝合金铸坯经压铸成形、CNC(数控铣床)处理、表面喷砂后，进行阳极氧化处理，所述阳极氧化处理步骤包括：一次水洗，阳极氧化，二次水洗，染色，封孔。
进一步地，所述步骤(2)中精炼剂的加入量为步骤(1)添加的原料(即包括工业纯Al锭、工业纯Zn锭、Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金、纯Mg、稀土元素)质量之和的1.5～3‰；细化剂的加入量为步骤(1)添加的原料质量之和的1～3‰。
进一步地，所述步骤(2)中精炼剂为块状或颗粒状无钠精炼剂。
进一步地，所述步骤(2)中细化剂为Al-Ti-B或者Al-Ti-C丝。
进一步地，所述步骤(4)中压铸过程中铸件的冷却速率大于200℃/s。
本发明的有益技术效果：
(1)提高铝材力学性能。本发明的可阳极氧化压铸铝合金添加了Zn、Mg、Mn、Si、RE元素，大量Zn元素的添加有效提高了合金的固溶强化效果，同时改善了Al6Mn粗大相的尺寸和分布，显著提高了合金的强度和伸长率。
(2)提高了合金的压铸性能。适量Si元素的添加，配合稀土元素进行变质，可有效改善共晶硅的尺寸和形貌，在保证合金强度和伸长率的同时，极大的提升合金的流动性，可应用于复杂结构件，同时控制含Si相的尺寸，减小对阳极氧化的影响。
(3)阳极氧化工艺简单，表面质量均匀。本发明的压铸铝合金阳极氧化前无需酸洗、碱洗处理，工艺简化，便于操作，且表面形成细小的晶粒组织和细小弥散的第二相，与其他高Si阳极氧化压铸合金相比，在阳极氧化后能够形成均匀连续、色差值△E小于0.5的氧化膜，成品易于染色，但颜色偏暗，可应用于对表面色彩要求不太高的外观装饰件。
(4)本发明的可阳极氧化压铸铝合金，力学性能高、表面质量较好、压铸性能优异，可以很好的满足外观结构件对铝材的技术需求。本发明的方法操作简单，易于规模化生产。
附图说明
图1为实施例2铝合金铸锭的微观形貌金相图；
图2为对比例1铝合金铸锭的微观形貌金相图；
图3为实施例3铝合金压铸件的微观组织金相图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种阳极氧化压铸铝合金，组分及其质量百分含量为：Si 2.0％～7.0％、Zn 2.0％～7.0％、Mn 1.5％～3.5％、Mg 0％～2.0％、Fe＜0.2％、Ti 0.1％～0.2％、RE(La、Ce)0.05～0.2％，包括Fe在内的所有杂质的质量百分含量之和小于等于0.3％，余量为Al。
采用上述成分的铝合金制备的铸锭金相组织的第二相面积占比为8～25％，采用上述成分铝合金制备的压铸件金相组织的第二相尺寸小于20μm，采用上述成分的铝合金制备的铸锭金相组织的第二相尺寸小于40μm，第二相包括AlFeMnSi相、Al6Mn相、AlSi共晶相。采用上述成分的铝合金制备的铸锭金相组织二次枝晶臂间距小于30μm。采用上述成分的铝合金制备的铸棒的抗拉强度大于180MPa。优选的，阳极氧化压铸铝合金，组分及其质量百分含量为：Si 2％～5％、Zn 2％～5％、Mn 1.6％～2.3％、Mg 0.7％～1.5％、Fe＜0.05％、Ti0.1％～0.2％、RE(La、Ce)0.1～0.2％，包括Fe在内的所有杂质的质量百分含量之和小于等于0.1％，余量为Al。铝合金在压铸过程中的冷却速率大于200℃/s。采用上述成分的铝合金制备的铸锭组织的第二相面积占比为8～15％，采用上述成分的铝合金制备的压铸件金相组织的第二相尺寸小于20μm，采用上述成分的铝合金制备的铸锭组织的第二相最大尺寸小于30μm，采用上述成分的铝合金制备的铸锭组织二次枝晶间距小于25μm。采用上述成分的铝合金制备铸件的抗拉强度大于180MPa。色差值△E小于0.3。通过控制合金第二相组织面积占比，提高了合金的强度；控制第二相最大尺寸，保证了合金的伸长率，降低了第二相与基体的色差，保证合金阳极氧化后色差均匀。
阳极氧化压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料工业纯Al锭、工业纯Zn锭、Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金置于熔炼炉内加热至780℃～800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃～770℃，再将纯Mg压入熔炼炉至纯Mg完全熔化，保温30min后，将稀土元素压入熔炼炉并充分熔化，得到熔化后的物料；
(2)向熔炼炉内加入精炼剂和细化剂后搅拌除气15min-20min，静置15min-20min后扒渣，得到扒渣后的样品；
(3)当扒渣后的样品达到680℃～720℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金铸坯；浇铸模具的温度为180℃-220℃。精炼剂为块状或颗粒状无钠精炼剂，细化剂为Al-Ti-B/Al-Ti-C丝等。精炼剂的加入量为步骤(1)中添加原料质量之和的1.5～3‰；细化剂的加入量为步骤(1)添加原料质量之和的1～3‰。
(4)铝合金铸坯经压铸成形、CNC处理、表面喷砂后，进行阳极氧化处理，阳极氧化处理步骤包括：一次水洗，阳极氧化，二次水洗，染色，封孔。
本发明的阳极氧化压铸铝合金材料，对化学成分和第二相进行了优化，通过向铝合金中添加适量的Mn、Zn、Mg、Si、Ti、RE元素，使合金获得细小均匀分布的第二相组织，从而具有良好的压铸性能、阳极氧化性能和力学性能。其中，Zn元素的质量百分含量控制在2.0％～7.0％，Mg元素的质量百分含量控制在0％～2.0％，压铸过程中冷却速率大于200℃/s，Zn、Mg在压铸条件下，能够完全固溶于基体，起到固溶强化的作用，有利于力学性能和阳极氧化效果的提升；同时，控制Zn元素小于7.0％，保证Zn完全固溶于基体，而不会析出粗大的第二相影响力学性能；另一方面，Zn、Mg元素的添加，可有效改变Al6Mn相的尺寸，使其由粗大的菱形转变为细小的球状相，有利于合金伸长率和强度的提升。Si元素的质量百分含量控制在2.0％～7.0％，防止在压铸过程中形成大尺寸初晶硅相，影响阳极氧化效果，适量的Si可有效提高合金的流动性，降低合金的压铸温度，使合金的压铸性能显著提升；同时，随着Si元素含量的增加，合金的强度逐渐提升，在压铸过程中仍会产生少量的Al-Si共晶相，添加适量稀土元素，可使Al-Si共晶相变质，由粗大棒状的第二相转变为细小的球状相，有利于降低Al-Si相对阳极氧化效果的恶化作用。通过成分和熔铸工艺的调控，使铝合金的铸锭组织的第二相面积占比为8～25％，压铸件组织的第二相尺寸小于20μm，铸锭组织第二相尺寸小于40μm，一方面，减小了大尺寸第二相对合金力学性能的恶化作用，保证合金具有较高的强度，另一方面，使合金在压铸过程中不易产生菱形大尺寸Al-Mn相和棒状大尺寸Al-Si相，从而使压铸件中第二相的分布更加细小均匀，在提高合金伸长率的同时，降低了压铸件中第二相与基体的电位差，使生产的氧化膜更加均匀连续，色差值更低，进而提高了阳极氧化性能。所述合金的铸锭组织二次枝晶间距小于30μm，主要目的为控制晶粒尺寸，防止压铸产品晶粒度不均，导致色差增加，影响阳极氧化效果。因为Fe元素会严重影响合金的强度和阳极氧化效果，添加Mn元素替代Fe元素，使该压铸合金具有较好的脱模性，同时将Mn元素含量控制在共晶点附近，保证合金的流动性。Ti元素的添加，有利于晶粒细化，能够提高合金的流动性能和阳极氧化性能。本发明通过控制合金中总杂质的含量小于等于0.3％，减少合金中杂质相的产生，保证阳极氧化膜的均匀连续。本发明提供的阳极氧化压铸铝合金材料，添加了大量的Zn元素，使固溶强化效果得到充分体现，同时起到细化Al-Mn相的作用，使合金强度和阳极氧化效果同时得到提升；添加了适量的Si元素和稀土元素，能够在提高合金强度和压铸性能的同时细化Al-Si相，降低粗大Al-Si相对阳极氧化和伸长率的不良影响，使阳极氧化压铸合金的强度、伸长率、阳极氧化性能和压铸性能均得到提升。
以下结合实施例和对比例对本发明进行详细说明。
实施例1
将原料工业纯Al锭、工业纯Zn锭、Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金置于熔炼炉内加热至800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃～770℃，再将纯Mg压入熔炼炉至纯Mg完全熔化，保温30min后，将稀土元素压入熔炼炉并充分熔化，得到熔化后的物料。
向熔炼炉内加入无钠精炼剂和Al-Ti-B细化剂后，搅拌除气15min，除气完毕后静置15min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量之和的2‰，Al-Ti-B细化剂的加入量为原料质量之和的3‰。
当扒渣后的样品温度达到720℃时进行浇铸，得到压铸铝合金铸坯，其中浇铸模具的温度为200℃；
浇铸得到的铝合金铸坯经压铸成形、CNC处理、表面喷砂后，进行阳极氧化处理，阳极氧化处理步骤包括：一次水洗，阳极氧化，二次水洗，染色，封孔，得到阳极氧化压铸铝合金。
阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：Si 2.19％、Zn 2.84％、Mn1.67％、Mg 0.82％、Fe 0.04％、Ti 0.11％、RE 0.18％、包括Fe在内的所有杂质总量为0.11％，余量为Al。
实施例2
将原料工业纯Al锭、工业纯Zn锭、Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金置于熔炼炉内加热至780℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃～770℃，再将纯Mg压入熔炼炉至纯Mg完全熔化，保温30min后，将稀土元素压入熔炼炉并充分熔化，得到熔化后的物料。
向熔炼炉内加入无钠精炼剂和Al-Ti-C细化剂后，搅拌除气17min，除气完毕后静置20min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量之和的3‰，Al-Ti-C细化剂的加入量为原料质量之和的2‰。
当扒渣后的样品温度达到700℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金铸坯，其中浇铸模具的温度为220℃；
浇铸得到的铝合金铸坯经压铸成形、CNC处理、表面喷砂后，进行阳极氧化处理，阳极氧化处理步骤包括：一次水洗，阳极氧化，二次水洗，染色，封孔，得到阳极氧化压铸铝合金。
阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：Si 4.33％、Zn 3.52％、Mn1.56％、Mg 0.77％、Fe 0.08％、Ti 0.13％、RE 0.16％、包括Fe在内的所有杂质总量为0.13％，余量为Al。图1为实施例2阳极氧化压铸铝合金铸锭的微观形貌金相图。
实施例3
将原料工业纯Al锭、工业纯Zn锭、Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金置于熔炼炉内加热至790℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃～770℃，再将纯Mg合金压入熔炼炉至纯Mg完全熔化，保温30min后，将稀土元素压入熔炼炉并充分熔化，得到熔化后的物料。
向熔炼炉内加入无钠精炼剂和Al-Ti-B细化剂后，搅拌除气20min，除气完毕后静置17min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量之和的3‰，Al-Ti-B细化剂的加入量为原料质量之和的3‰。
当扒渣后的样品温度达到680℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金铸坯，浇铸模具的温度为180℃；
浇铸得到的铝合金铸坯经压铸成形、CNC处理、表面喷砂后，进行阳极氧化处理，阳极氧化处理步骤包括：一次水洗，阳极氧化，二次水洗，染色，封孔，得到阳极氧化压铸铝合金。
阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：Si 6.13％、Zn 6.34％、Mn1.52％、Mg 1.79％、Fe 0.05％、Ti 0.13％、RE 0.19％、包括Fe在内的所有杂质总量为0.23％，余量为Al。
对比例1
将原料工业纯Al锭、工业纯Zn锭、Al-Mn中间合金置于熔炼炉内加热至800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃～770℃，再将纯Mg合金压入熔炼炉至纯Mg完全熔化，得到熔化后的物料。
向熔炼炉内加入无钠精炼剂和Al-Ti-B/Al-Ti-C等细化剂后，搅拌除气15min，除气完毕后静置15min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量的3‰，Al-Ti-B/Al-Ti-C等细化剂的加入量为原料质量的3‰。
当扒渣后的样品温度达到740℃时进行浇铸，浇铸模具的温度为200℃，浇铸后得到阳极氧化压铸铝合金，阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：Zn 1.95％、Mn1.90％、Mg 0.75％、Fe 0.06％、Ti 0.13％、余量为Al。图2为对比例1铝合金铸锭的微观形貌金相图。
对比例2
将原料工业纯Al锭、工业纯Zn锭、Al-Mn中间合金置于熔炼炉内加热至800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃～770℃，再将纯Mg合金压入熔炼炉至纯Mg完全熔化，得到熔化后的物料。
向熔炼炉内加入无钠精炼剂和Al-Ti-B/Al-Ti-C等细化剂后，搅拌除气15min，除气完毕后静置15min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量的2‰，Al-Ti-B/Al-Ti-C等细化剂的加入量为原料质量的3‰。
当扒渣后的样品温度达到740℃时进行浇铸，浇铸模具的温度为200℃，浇铸后得到阳极氧化压铸铝合金，阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：Zn 0.83％、Mn1.80％、Mg 0.30％、Fe 0.13％、Ti 0.13％、Si 0.05％，余量为Al。
实施例1～3和对比例1～2合金的实测性能数据如表1所示。
表1实施例1～3和对比例1～2合金的实测性能数据
Figure BDA0003368520100000071
由表1可知，对比例1合金阳极氧化性能较好，但铸锭组织中第二相面积占比较低，导致合金强度低于180MPa，难以应用于强度要求较高的产品，且合金流动性较差，难以应用于结构复杂的产品。对比例2合金压铸性能较好，但其二次枝晶间距较大，导致合金色差值增大，影响阳极氧化效果，且强度较低，难以应用于实际产品。实施例1～3合金具有非常高的强度和优异的流动性能，能够满足对强度和结构要求较高的产品，应用范围更广，更易进行压铸生产，且阳极氧化效果良好，氧化膜均匀连续，色差值小，△E＜0.5，易于均匀染色。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种阳极氧化压铸铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量包括：Si2.0％～7.0％、Zn 2.0％～7.0％、Mn 1.5％～3.5％、Mg 0％～2.0％、Ti 0.1％～0.2％、RE 0.05～0.2％以及所有杂质的质量百分含量之和小于等于0.3％，其中杂质Fe＜0.2％，余量为Al；所述RE元素为La和Ce；采用所述成分的铝合金制备的铸锭金相组织的第二相面积占比为8～25％；采用所述成分的铝合金制备的压铸件金相组织的第二相尺寸小于20μm，采用所述成分的铝合金制备的铸锭金相组织的第二相尺寸小于40μm。
2.根据权利要求1所述的一种阳极氧化压铸铝合金，其特征在于，所述第二相包括：AlFeMnSi相、Al6Mn相、AlSi共晶相。
3.根据权利要求1所述的一种阳极氧化压铸铝合金，其特征在于，采用如权利要求1所述成分的铝合金制备的铸锭金相组织的二次枝晶臂间距小于30μm。
4.根据权利要求1所述的一种阳极氧化压铸铝合金，其特征在于，采用如权利要求1所述成分的铝合金制备的铸棒的抗拉强度大于180MPa。
5.根据权利要求1所述的一种阳极氧化压铸铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量包括：Si 2.0％～5.0％、Zn 2.0％～5.0％、Mn 1.6％～2.3％、Mg 0.7％～1.5％、Ti 0.1％～0.2％、RE 0.1～0.2％以及所有杂质的质量百分含量之和小于等于0.1％，其中杂质Fe＜0.05％，余量为Al。
6.一种如权利要求1-5任一所述阳极氧化压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将原料工业纯Al锭、工业纯Zn锭、Al-Mn中间合金、Al-Si中间合金置于熔炼炉内加热至780℃～800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃～770℃，再将纯Mg压入熔炼炉至纯Mg完全熔化，保温30min后，将稀土元素压入熔炼炉并完全熔化，得到熔化后的物料；
(2)向熔炼炉内加入精炼剂和细化剂后搅拌除气15min～20min，静置15min～20min后扒渣，得到扒渣后的样品；
(3)当扒渣后的样品达到680℃～720℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金铸坯；其中浇铸模具的温度为180℃～220℃；
(4)将得到的铝合金铸坯经压铸成形、CNC处理、表面喷砂后，进行阳极氧化处理，所述阳极氧化处理步骤包括：一次水洗，阳极氧化，二次水洗，染色，封孔。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中精炼剂的加入量为步骤(1)添加的原料质量之和的1.5～3‰；细化剂的加入量为步骤(1)添加的原料质量之和的1～3‰。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中精炼剂为块状或颗粒状无钠精炼剂。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中细化剂为Al-Ti-B或者Al-Ti-C丝。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中压铸过程中铸件的冷却速率大于200℃/s。
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