CN111041290B

CN111041290B - 一种铝合金及其应用

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Publication number: CN111041290B
Application number: CN201911327356.5A
Authority: CN
Inventors: 郭强; 王梦得; 杨涛; 王榕; 安维; 付景松
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd; BYD Auto Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd; BYD Auto Industry Co Ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: US20220380869A1; EP4079880B1; WO2021120437A1; CN111041290A; EP4079880A4; EP4079880A1

Abstract

为克服现有铝合金的性能存在难以兼顾压铸所需的各项性能要求的问题，本发明提供了一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：Si的含量为8‑11％，Cu的含量为2‑4％，Zn的含量为0.6‑4％，Mn的含量为0.65‑1.1％，Mg的含量为0.35‑0.65％，Cr的含量为0.001‑0.05％，Sr的含量为0.01‑0.03％，Ti的含量为0.08‑0.12％，B的含量为0.008‑0.02％，Fe的含量为0.1‑0.3％，Ga的含量为0.01‑0.02％，Sn的含量为0.008‑0.015％，余量为铝及其他元素，所述其他元素的总量低于0.1％。同时，本发明还公开了上述铝合金在压铸材料中的应用。本发明提供的铝合金突破了现有Al‑Si系中强高韧的最佳表现，对工艺要求较低，应用于压铸工艺中具有良好的工艺适应性。

Description

一种铝合金及其应用

技术领域

本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种铝合金及其应用。

背景技术

压铸是利用高压强制将金属熔液压入形状复杂的金属模内的精密铸造法。经由压铸而铸成的压铸件之尺寸公差甚小，表面精度较高。

铝合金的压铸对铝合金的材料力学性能，如屈服强度、断裂延伸率、熔体的流动性等具有较高的要求，现有的Al-Si系铝合金材料，如ADC12，在进行压铸时，对成型工艺的控制条件精度依赖性较高，受工艺参数的微小波动影响较大，其原因主要在于Al-Si系铝合金材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率等难以兼顾，在不同类型的Al-Si系铝合金材料中，通常屈服强度和抗拉强度较高的其延伸率会相应降低，而延伸率较高的其屈服强度会相应降低，而屈服强度、抗拉强度和延伸率等均为压铸材料性能影响较大的因素。

发明内容

针对现有铝合金的性能存在难以兼顾压铸所需的各项性能要求的问题，本发明提供了一种铝合金及其应用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：

Si的含量为8-11％，Cu的含量为2-4％，Zn的含量为0.6-4％，Mn的含量为0.65-1.1％，Mg的含量为0.35-0.65％，Cr的含量为0.001-0.05％，Sr的含量为0.01-0.03％，Ti的含量为0.08-0.12％，B的含量为0.008-0.02％，Fe的含量为0.1-0.3％，Ga的含量为0.01-0.02％，Sn的含量为0.008-0.015％，余量为铝及其他元素，所述其他元素的总量低于0.1％。

可选的，所述铝合金包括如下质量百分比的组分：

Si的含量为9-11％，Cu的含量为2-3％，Zn的含量为0.6-2％，Mn的含量为0.65-0.8％，Mg的含量为0.35-0.65％，Cr的含量为0.001-0.02％，Sr的含量为0.01-0.02％，Ti的含量为0.08-0.1％，B的含量为0.008-0.01％，Fe的含量为0.1-0.3％，Ga的含量为0.01-0.02％，Sn的含量为0.008-0.015％，余量为铝及其他元素，所述其他元素的总量低于0.1％，单个其他元素的含量低于0.01％。

可选的，所述铝合金中，P的质量百分比含量低于0.001％。

可选的，所述铝合金中，Ti与B的质量比例为(4～10):1。

可选的，所述铝合金中，Ga的质量百分比含量大于B的质量百分比含量。

可选的，所述铝合金中，Mn与Mg的质量比例为(1～2.5):1。

可选的，所述铝合金中，Ga与Sn的质量比例为(0.8-1.5):1。

可选的，所述铝合金中，Zn、Mn和Mg之间的质量比例满足：

-3.979+4.9Mn+3.991Mg≤Zn≤8.598-5.047Mn-3.762Mg。

可选的，所述铝合金的屈服强度大于230MPa，抗拉强度大于380Mpa，延伸率大于3％以上，热导率为120W/(k·m)以上。

另一方面，本发明提供了如上所述的铝合金在压铸材料中的应用。

根据本发明提供的铝合金，通过调整铝合金中各元素的配比控制，得到的铝合金突破了现有Al-Si系中强高韧的最佳表现，通常在AlSi系合金当中，当材料强度高于230MPa时，在保证成型良好不开裂的前提下，材料的断裂延伸率小于3％，在拥有较高的导热性的前提下，同时保证了屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率的提高，断裂延伸率使得材料在压铸产品上表现出优异的韧性，解决了现有Al-Si系铝合金无法兼顾屈服强度、抗拉强度和延伸率的问题且该铝合金材料对工艺要求较低，应用于压铸工艺中具有良好的工艺适应性。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的铝合金的金相图；

图2是本发明实施例1提供的铝合金的SEM照片；

图3是图2中十字形标记处的EDS图谱；

图4是本发明实施例1提供的铝合金的SEM照片；

图5是图4中十字形标记处的EDS图谱；

图6是本发明实施例1提供的铝合金的SEM照片；

图7是图6中十字形标记处的EDS图谱；

图8是本发明实施例2提供的铝合金的SEM照片；

图9是图8中十字形标记处的EDS图谱。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一实施例提供了一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：

本发明通过调整铝合金中各元素的配比控制，得到的铝合金突破了现有Al-Si系中强高韧的最佳表现，在拥有较高的导热性的前提下，同时保证了屈服强度和断裂延伸率的提高，使得材料在压铸产品上表现出优异的韧性，且该铝合金材料对工艺要求较低，应用于压铸工艺中具有良好的工艺适应性。

在一些实施例中，所述铝合金包括如下质量百分比的组分：

在具体的实施例中，Si的含量为9％、9.5％、10％、10.5％或11％，Cu的含量为2％、2.2％、2.6％、2.8％或3％，Zn的含量为0.6％、0.9％、1.1％、1.5％、1.8％或2％，Mn的含量为0.65％、0.7％、0.73％、0.78％或0.8％，Mg的含量为0.35％、0.42％、0.48％、0.53％、0.59％或0.65％，Cr的含量为0.001％、0.005％、0.01％、0.013％、0.017％或0.02％，Sr的含量为0.01％、0.014％、0.018％或0.02％，Ti的含量为0.08％、0.09％或0.1％，B的含量为0.008％、0.009％或0.01％，Fe的含量为0.1％、0.16％、0.25％或0.3％，Ga的含量为0.01％、0.014％或0.02％，Sn的含量为0.008％、0.01％、0.013％或0.015％。

具体的，Si含量在8-11％时，大部分形成共晶Si，Si的加入在不牺牲材料导热性能的条件下，一方面保证材料的流动性，提升材料的成型能力，另一方面在Sr等元素的变质作用下，形成极为细小的纤维状共晶硅(0.01-1μm)，极大地提升了材料晶界强度，从而提升了材料的整体强度(屈服强度和+抗拉强度)。可与Mg和Fe生成Mg₂Si相及Al₁₂Fe₃Si相，进而增加材料整体强度(屈服强度和抗拉强度)。

Cu：与Al形成固溶相，同时也通过析出的Al₂Cu分弥散分布到晶界上，该析出的相为强化相，可增加材料强度，但过量会损害材料韧性，降低断裂延伸率。

Zn元素固溶到α铝合金基体中，极大地增强了合金整体的强度，同时与Cu形成CuZn相，既保证了高强度下的良好塑性，同时与Mg结合形成MgZn₂强化相，均匀弥散的分布在晶界处，提升晶界能，提升了材料的屈服强度及韧性。

Mn和Cr：Mn、Cr可以固溶到Al合金基体中，强化基体性能，抑制初生Si和α-Al的晶粒生长，使得初生Si含量弥散分布到各晶粒之间，起到弥散强化的作用，提高材料的强度和韧性。对于Mn，大部分Mn偏析到晶界处，与Fe结合，形成针状的AlFeMnSi相，可以提高材料的整体强度，Mn含量过高时，大量针状组织会造成基体的割裂，材料韧性降低。

Ti和B：能够形成TiB团聚粒子，通过Ti、Ga的引诱，与原晶界处的Mg、Fe结合产生团聚，形成了大量球状的相，弥散分布到晶粒之间，使得初晶硅能够均匀的分布到α-Al中，同时也极大的抑制了α-Al的长大(粒径缩小了三分之一)，从而提高材料强度及韧性。

需要说明的是，铝合金的力学性能、导热性和延伸率是上述元素的综合作用结果，任一元素偏移本发明提供的范围均偏离了本发明的发明意图，导致铝合金在力学性能、导热性或延伸率上的降低，从而不利于铝合金作为压铸材料的使用。

在一些实施例中，所述铝合金中，P的质量百分比含量低于0.001％。

发明人通过进一步试验发现，若所述铝合金中P的含量过高时，则会导致铝合金的延伸率下降，不利于铝合金的压铸。

在一些实施例中，所述铝合金中，Ti与B的质量比例为(4～10):1。

Ti与B在该比例下，保证了材料的高强度和较高的导热效果，原因是由于Ti元素在该含量范围内，均匀分布到共晶硅的周边，提升了强度，同时该比例下B元素的添加在保证高强度的同时也保证了良好的导热效果。

在一些实施例中，所述铝合金中，Ga的质量百分比含量大于B的质量百分比含量。

若B的百分比大于Ga，多余的B会包覆在Ga的周围，阻碍了Ga细化晶粒的作用，无法均匀分布在共晶硅和α固溶体之间，除了导致材料韧性降低，导热也会随之降低。

在一些实施例中，所述铝合金中，Mn与Mg的质量比例为(1～2.5):1。

在该比例下，铝合金材料的韧性达到最佳状态，当比值超过该比例时，多余的Mn将会以杂质的形式存在，无法固溶于材料中，导致材料内部夹杂严重，出现黑色孔洞缺陷。当比值低于该比例时，Mg的作用增加，材料时效性能明显，对温度较敏感，材料热处理后延伸率下降较快材料韧性不足。

在一些实施例中，所述铝合金中，Ga与Sn的质量比例为(0.8-1.5):1，Ga的加入能够增加材料的韧性和强度，Sn与Mg会形成中间合金相Mg₂Sn，有效抑制晶粒长大，增加材料强度及韧性，Ga和Sn的添加比例满足上述要求，可保证材料强度的同时不损伤材料韧性，Ga与Sn的质量比值超过该比例时，镁锡合金相的分布逐渐减少，甚至出现偏聚，从原来的树枝状变为线条形依旧分布在铝合金的晶界处，且富Ga相的形成会夺取Mg₂Sn中的镁原子，使得镁锡合金相相对含量减少，从而发生逐渐偏聚形成线条形分布会严重的割裂基体，导致材料韧性降低，断裂延伸率下降。但Ga与Sn的质量比值小于该比例时，合金相Mg₂Sn会形成大量的网络状和鱼骨状的分布，该种相为脆性相，降低材料韧性。

在一些实施例中，所述铝合金中，Zn、Mn和Mg之间的质量比例满足：

-3.979+4.9Mn+3.991Mg≤Zn≤8.598-5.047Mn-3.762Mg。

当三种元素符合该条件时，材料能保证在较高的强度下有较好的韧性。

在一些实施例中，所述铝合金的屈服强度大于230MPa，抗拉强度大于380Mpa，延伸率大于3％以上，热导率为120W/(k·m)以上。

在更优选的实施例中，所述铝合金的屈服强度在230-260MPa之间，抗拉强度在380-410Mpa之间，延伸率在4-7％之间，热导率在130-150W/(k·m)之间。

本发明的另一实施例提供了如上所述的铝合金在压铸材料中的应用。

所述铝合金在不牺牲材料强度及流动性的条件下，拥有较高的韧性和较好的延伸率，材料对工艺要求较低，适用于作为压铸材料使用。

压铸后的铝合金有较高的导热率，且有较高的韧性。材料优异的流动性及成型性结合高韧性能，在压铸手机中板时三杆弯最大断裂力表现出色。

以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。

表1

注：表1中各配比均以重量百分比计，另外，不可避免的杂质元素总重量小于0.1％。

实施例1

本实施例用于说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括以下操作步骤：

按表1所示，铝合金成分以质量含量计为：Si的含量为10％，Cu的含量为2.5％，Zn的含量为1.5％，Mn的含量为0.7％，Mg的含量为0.5％，Cr的含量为0.015％，Sr的含量为0.015％，Ti的含量为0.09％，B的含量为0.01％，Fe的含量为0.2％，Ga的含量为0.013％，Sn的含量为0.013％，根据上述铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质熔融混合制成铝合金铸锭。然后将铝合金铸锭经过7d自然时效后得到铝合金。

实施例2-41

实施例2-41用于说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：

采用表1中实施例2-41所示的铝合金成分，根据铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质熔融混合制成铝合金铸锭。然后将铝合金铸锭经过7d自然时效后得到铝合金。

对比例1

本对比例用于对比说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括以下操作步骤：

按表1所示，铝合金成分以质量含量计为：Si的含量为10％，Cu的含量为2.5％，Zn的含量为1.5％，Mn的含量为0.7％，Mg的含量为0.5％，Cr的含量为0.015％，Sr的含量为0.015％，Ti的含量为0.09％，B的含量为0.01％，Fe的含量为0.2％，Ga的含量为0.013％，Sn的含量为0.013％，P的含量为0.15％根据上述铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质熔融混合制成铝合金铸锭。然后将铝合金铸锭经过7d自然时效后得到铝合金。

对比例2-23

对比例2-23用于说明本发明公开的铝合金及其制备方法，包括实施例1中大部分的操作步骤，其不同之处在于：

采用表1中对比例2-23所示的铝合金成分，根据铝合金成分的质量含量计算所需的各种中间合金或金属单质的质量，然后将各种中间合金或金属单质熔融混合制成铝合金铸锭。然后将铝合金铸锭经过7d自然时效后得到铝合金。

性能测试

一、对上述实施例1制备得到的铝合金进行金相组织观察，得到的金相照片如图1所示。

图中白色区域为α-Al，呈球状或棒状形态，大小约在10μm；

深灰色区域为初晶Si，无规则状分布在α-Al晶界间；

浅灰色区域为Al₂Cu分布在α-Al晶界间，呈不规则外形的骨骼状；

呈颗粒形和椭圆形密集分布区域为共晶Si和强化相；主要分布在α-Al晶粒周边。

对上述实施例1制备得到的铝合金进行扫描电子显微镜成像，得到的SEM照片如图2、图4和图6所示，对图2中作十字形标记处进行EDS能谱检测，得到EDS能谱如图3所示，分析得到图2中十字形标记处的成分如表2所示。

表2

Element	Wt％	At％
			OK	00.80	01.76
MgK	00.69	00.99
			AlK	53.54	69.69
SiK	03.65	04.57
			MnK	01.07	00.69
FeK	00.62	00.39
			CuK	39.63	21.91

由表2结果可知，此相属于CuAl₂，形貌呈不规则骨骼状，未侵蚀呈淡粉色，为合金中的主要强化相之一，由于此相过小，测试点的最小测试范围为1μm²，所以测试成分略有偏差。

对图4中作十字形标记处进行EDS能谱检测，得到EDS能谱如图5所示，分析得到图4中十字形标记处的成分如表3所示。

表3

Element	Wt％	At％
			OK	00.02	00.05
AlK	62.01	71.21
			SiK	14.09	15.54
MnK	16.66	09.40
			FeK	04.31	02.39
CuK	02.90	01.41

由表3测试结果可知，此相属于α(AlMnSi或Al₁₂MnSi)相，多呈不规则形状，未侵蚀前呈亮灰色，其中的Fe、Mn、Cu、Cr可相互替代。

对图6中作十字形标记处进行EDS能谱检测，得到EDS能谱如图7所示，分析得到图6中十字形标记处的成分如表4所示。

表4

由表4测试结果可知，此相属于W(Al_xCu₄Mg₅Si₄)，为四元相，共晶呈骨骼状或冰块状密集结晶，由于此相过小，测试点的最小测试范围为1μm²，所以测试成分略有偏差。

对上述实施例2制备得到的铝合金进行扫描电子显微镜成像，得到的SEM照片如图8所示，对图8中作十字形标记处进行EDS能谱检测，得到EDS能谱如图9所示，分析得到图8中十字形标记处的成分如表5所示。

表5

Element	Wt％	At％
			OK	00.25	00.43
ZnL	00.39	00.16
			MgK	00.31	00.35
AlK	60.50	61.71
			SiK	37.75	36.99
CuK	00.81	00.35

由表5的测试结果可知，此相属于共晶Si，多呈颗粒状均匀弥散分布在α-Al周边，为该合金中的主要强化相之一。

二、对上述实施例1-41和对比例1-23制备得到的铝合金进行如下性能测试：

拉伸性能测试：

采用GBT 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法，测试屈服强度、抗拉强度、延伸率。

三杆弯测试对比分析：

将铝合金压铸形成手机中框样品，测试前对样品确认尺寸；设置两根水平平行的支撑杆，支撑杆直径6mm，钢质，调整两根支撑杆，直至轴心距离为110mm；放置样品，使其正面朝上，在样品顶部设置压杆，压杆直径6mm，钢质，样品中心与压杆位置重合；在压杆尚未接触样品时，对力进行清零；按照5mm/min的速度，进行施压，当压杆与前壳样品的受力＝3N，对力、位移进行清零，同时继续保持速度进行加载，直至断裂；记录最大断裂力及断裂挠度。

流动性测试：

测试条件:蚊香模试验，大气压铸

测试方法：在相同成型条件范围下，比较待测材料和标准材料ADC12压铸工艺下试样长度，流动率＝待测材料长度/标准材料长度，以评价材料流动成型性能。

热导率测试：

制成φ12.7×3mm的铸锭导热圆片，在待测试样的两面均匀喷涂石墨涂层；将处理好的试样放入激光导热仪中进行测试。按照《ASTM E1461闪光法测定热扩散系数的标准方法》，进行激光导热测试。

得到的测试结果填入表6。

表6

对比实施例1-41和对比例1-23的测试结果可知，相对于本发明提供元素范围外的铝合金，本发明提供的铝合金具有较好的力学强度，能够满足压铸工艺的要求，同时兼顾较好的热传导性能、延伸率和压铸成型性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铝合金，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：

Si的含量为8-11％，Cu的含量为2-4％，Zn的含量为0.6-4％，Mn的含量为0.65-1.1％，Mg的含量为0.35-0.65％，Cr的含量为0.001-0.05％，Sr的含量为0.01-0.03％，Ti的含量为0.08-0.12％，B的含量为0.008-0.02％，Fe的含量为0.1-0.3％，Ga的含量为0.01-0.02％，Sn的含量为0.008-0.015％，余量为铝及其他元素，所述其他元素的总量低于0.1％；

所述铝合金中，Ti与B的质量比例为(4～10):1。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金包括如下质量百分比的组分：

3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中，P的质量百分比含量低于0.001％。

4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中，Ga的质量百分比含量大于B的质量百分比含量。

5.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中，Mn与Mg的质量比例为(1～2.5):1。

6.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中，Ga与Sn的质量比例为(0.8-1.5):1。

7.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中，Zn、Mn和Mg之间的质量比例满足：

-3.979+4.9Mn+3.991Mg≤Zn≤8.598-5.047Mn-3.762Mg。

8.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的屈服强度大于230MPa，抗拉强度大于380Mpa，延伸率大于3％以上，热导率为120W/(k·m)以上。

9.如权利要求1～8任意一项所述的铝合金在压铸材料中的应用。