CN112301259A

CN112301259A - 高强压铸铝合金、其制备方法和应用

Info

Publication number: CN112301259A
Application number: CN202011076668.6A
Authority: CN
Inventors: 李新涛
Original assignee: Institute Of Materials And Processing Guangdong Academy Of Sciences
Current assignee: Institute Of Materials And Processing Guangdong Academy Of Sciences
Priority date: 2020-10-10
Filing date: 2020-10-10
Publication date: 2021-02-02

Abstract

本发明公开了高强压铸铝合金、其制备方法和应用，涉及压铸铝合金技术领域。高强压铸铝合金包括以下重量百分含量的组分：Si 11.0‑15.0％，Zn 2‑12％，Cu 1.0‑3％，Mg 0.3‑0.85％，Ti 0.1‑0.3％，Zr 0.01‑0.05％，Sr 0.01‑0.06％，P 0.01‑0.05％，不可避免的杂质和Al。结合了Al‑Si系、Al‑Cu系和Al‑Zn系铸造铝合金的优点，在室温条件下析出Al₂Cu、MgZn₂等具有良好自然时效作用的析出相。铸件无需进行高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效，材料的抗拉强度和屈服强度都较为理想，能够满足壳体类铸件的尺寸要求。

Description

高强压铸铝合金、其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及压铸铝合金技术领域，且特别涉及高强压铸铝合金、其制备方法和应用。

背景技术

铝硅合金具有良好的铸造性能和耐磨性能，以及致密性高、膨胀系数低等特点，其压铸产品广泛应用于汽车零部件，如差速器壳体、空压机壳体、泵壳体等壳体部件。常规的铝合金压铸件由于充型速度快，冷却强度大，模具内的气体很难排除干净，残存的气体容易卷入铸件中，在铸件内形成气孔。这些气体在热处理过程中会形成鼓泡，影响表面质量，严重时造成铸件报废。

目前，汽车壳体类压铸件一般采用ADC12合金，其铸态抗拉强度≤300MPa，屈服强度≤160MPa。对于力学性能要求高的铸件，一般采用采用真空压铸或低压铸造等方式生产毛坯，然后通过T4、T5、T6等热处理来提高其强度。这样，不仅工艺复杂、工序多，生产成本也很高；而且在热处理时，结构复杂的铸件或者薄壁铸件由于温度、应力不均匀，铸件容易发生变形，需要通过大的加工量才能达到铸件的尺寸精度要求和装配要求。

因此，在铝硅合金的基础上，开发出不需要通过热处理、具有自然时效特征的高强压铸铝合金，对于优化铸件生产工序，满足形状复杂的结构件或者薄壁铸件的尺寸要求等方面具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强压铸铝合金及其制备方法，旨在无需进行高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效处理就可以达到高强度的要求。

本发明的另一目的在于提供上述高强压铸铝合金在制备壳体类铸件中的应用。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出了一种高强压铸铝合金，包括以下重量百分含量的组分：Si 11.0-15.0％，Zn 2-12％，Cu 1.0-3％，Mg 0.3-0.85％，Ti 0.1-0.3％，Zr 0.01-0.05％，Sr0.01-0.06％，P 0.01-0.05％，不可避免的杂质和Al。

本发明还提出一种高强压铸铝合金的制备方法，按照上述高强压铸铝合金的组成进行原料配比，形成所述高强压铸铝合金。

本发明还提出上述高强压铸铝合金在制备壳体类铸件中的应用。

本发明实施例提供一种高强压铸铝合金及其制备方法的有益效果是：其通过Si、Zn、Cu、Mg、Ti、Zr、Sr、P用量的调整，结合了Al-Si系、Al-Cu系和Al-Zn系铸造铝合金的优点，在室温条件下析出Al₂Cu、MgZn₂等具有良好自然时效作用的析出相。铸件无需进行高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效，材料的抗拉强度和屈服强度都较为理想。

其中，Si是合金主要成分，在合金中起到改善流动性的作用；合金中加入Zn元素，在铸造冷却条件下可以完全固溶在Al基体中，实现自动淬火，添加11.0-15.0％的Si可以减轻由于添加Zn导致的增重；Cu在合金中有固溶强化作用，可以提高合金的抗拉强度；P和Sr是变质剂，分别将合金中的初晶Si和共晶Si起到变质细化的作用；合金中加入0.1-0.3％的Ti，能够形成Al₃Ti晶核，能够使压铸件厚壁处保持较细的精力组织，降低合金的厚壁效应；合金中加入0.01-0.05％的Zr，能够形成细小的Al₃Zr，能够起到细化精力，减小铸件热裂倾向的作用。

本发明实施例还提供上述高强压铸铝合金在制备壳体类铸件中的应用，由于制备过程中不存在高温固溶、人工时效等热处理，不会产生应力不均匀现象，进而不容易导致铸件变形，满足形状复杂的结构件或者薄壁铸件的尺寸要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例中提供的压铸的差速器外壳实物图；

图2为本发明对比例中提供的压铸的差速器外壳实物图；

图3为本发明对比例中提供的压铸的差速器外壳实物图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例提供的高强压铸铝合金、其制备方法和应用进行具体说明。

本发明实施例提供了一种高强压铸铝合金，包括以下重量百分含量的组分：Si11.0-15.0％，Zn 2-12％，Cu 1.0-3％，Mg 0.3-0.85％，Ti0.1-0.3％，Zr 0.01-0.05％，Sr0.01-0.06％，P 0.01-0.05％，不可避免的杂质和Al。

需要说明的是，发明人通过优化铝合金的原料配比使铸件无需进行高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效，材料的抗拉强度达到380MPa，屈服强度达到300MPa，断后伸长率大于1.1％。

具体地，Si是合金主要成分，含量为11.0-15.0％，在Al-Si合金的共晶点附近，保证了合金具有良好的流动性，有利于复杂结构压铸件和薄壁压铸件成型；在压铸条件下，合金在温度下降过程中析出细小的共晶硅，可以提高材料的强度。

具体地，合金中加入Zn元素，在铸造冷却条件下可以完全固溶在Al基体中，实现自动淬火。在自然时效时析出MgZn₂等强化相，起到自然时效强化作用。同时，合金中加入的Mg与Si反应析出Mg₂Si化合物，有利于提高合金强度。由于Zn的密度远大于基体材料，添加11.0-15.0％的Si可以减轻由于添加Zn导致的增重，当Si的含量超过15％时，会析出较多的初晶硅，恶化材料的拉伸性能，同时铸件加工难度增加。

具体地，Cu在合金中有固溶强化作用，可以提高合金的抗拉强度，在自然时效时析出Al₂Cu等强化相，具有明显的自然时效作用。由于Cu的化学电位高于铝，故铜含量过高时容易产生晶间腐蚀。

具体地，P和Sr是变质剂，分别将合金中的初晶Si和共晶Si起到变质细化的作用。合金中加入0.1-0.3％的Ti，能够形成Al₃Ti晶核，能够使压铸件厚壁处保持较细的晶粒组织，降低合金的厚壁效应；Ti含量超过0.3％时，合金铸造性能下降。合金中加入0.01-0.05％的Zr，能够形成细小的Al₃Zr，能够起到细化晶粒，减小铸件热裂倾向的作用。

在本发明优选的实施例中，高强压铸铝合金包括以下重量百分含量的组分：Si11.0-15.0％，Zn 2-12％，Cu 1.0-3％，Mg 0.3-0.85％，Mn 0.1-0.4％，Fe 0.2-0.6％，Ti0.1-0.3％，Zr 0.01-0.05％，Sr 0.01-0.06％，P 0.01-0.05％，杂质总和≤0.25％，余量为Al。更优选地，高强压铸铝合金由以下重量百分含量的组分组成：Si 11.0-13.5％，Zn 2-12％，Cu 1.0-3％，Mg 0.3-0.85％，Mn 0.1-0.4％，Fe 0.2-0.6％，Ti 0.1-0.3％，Zr 0.01-0.05％，Sr 0.01-0.03％，P 0.01-0.03％，杂质总和≤0.25％，余量为Al。

需要说明的是，加入适量的Fe可以使铸件表面氧化膜不连续，有利于脱模，合金中Fe含量过低或不加入Fe会发生粘模现象。但是，Fe会降低合金的力学性能，尤其是延伸率，加入适量的Mn可以减轻Fe的有害作用，Mn/Fe比控制在0.5～0.8为宜，过高容易生成粗大的α(AlFeMn)相，降低材料的力学性能。

本发明实施例还提供了一种高强压铸铝合金的制备方法，按照上述高强压铸铝合金的组成进行原料配比，形成高强压铸铝合金。由于铝合金原料配比的改进，使制备过程中无需经过高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效即可形成高强压铸铝合金。具体包括如下步骤：

(1)熔炼

先将铝锭和配比好的Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Zr、Ti的原料进行熔炼得到熔炼混合料。优选地，熔炼混合料是先将铝锭加热熔化之后，依次加入Si、Cu、Mn、Fe、Mg和Ti，待加入的原料熔化后再加入Zn和Zr。通过优化加料的步骤，防止Mg等原料挥发，影响产品的性能。

具体地，Si为硅铝中间合金或速溶硅；Cu为铝铜中间合金或纯铜；Mn为铝锰中间合金或锰添加剂；Fe为铝铁中间合金或铁添加剂；Ti为铝钛中间合金；Zr为铝锆中间合金；P为铜磷中间合金或铝磷中间合金。锰添加剂和铁添加剂为铝合金制备过程中的常用原料，不做过多赘述。

(2)变质处理

再将熔炼混合料与Sr和P的原料混合进行变质处理，通过变质处理改变组织中硅的形态，改善其流动性。具体地，变质处理是先将熔炼混合料升温至750-780℃，再加入Sr和P变质15-45min，以有效的改变硅的不利形态，提高力学性能。

(3)精炼处理

精炼处理是通入精炼剂和惰性气体，对铝合金熔体精炼5-15min，扒去浮渣后静置10-30min；精炼温度为720-760℃。通过精炼之后，使夹杂物充分上浮或者下沉，再扒去浮渣。

具体地，精炼剂为粉状精炼剂，采用喷粉精炼的方式，以惰性气体为载体，将精炼剂喷入熔体内部进行精炼。惰性气体为氮气或氩气。

(4)压铸

压铸在700-760℃的条件下进行，铸件无需进行高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效，材料的抗拉强度达到380MPa，屈服强度达到300MPa，断后伸长率大于1.1％。

本发明实施例还提供了上述高强压铸铝合金或上述制备方法制备得到的高强压铸铝合金在制备壳体类铸件中的应用，由于制备过程中不存在高温固溶、人工时效等热处理，不会产生应力不均匀现象，进而不容易导致铸件变形，满足形状复杂的结构件或者薄壁铸件的尺寸要求。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1-4

实施例1-4均提供一种高强压铸铝合金，其化学组成如表1，其中，Si、Mn、Fe、Ti、Zr、Mg、Zn的原料采用与铝形成的中间合金，P为铜磷中间合金。

实施例1-5均提供一种高强压铸铝合金的制备方法，区别仅在于原料的配比，包括如下步骤：

(1)熔炼：将铝锭加入熔化炉中加热，待完全熔化后，依次加入配好的Si、Cu、Mn、Fe、Mg和Ti，待加入的原料熔化后再加入Zn和Zr全部材料熔化后搅拌均匀。

(2)变质处理：将步骤(1)制备的熔体升温至770℃，加入Al-Sr中间合金和P-Cu中间合金进行变质，变质时间15min。

(3)精炼：通入粉状精炼剂和氩气，对铝合金熔体进行除气除渣精炼处理，精炼时间10min，精炼时间为750℃，扒去浮渣。

(4)压铸：将步骤(3)获得的熔体降温至在720℃，然后使用630吨压铸机制备差速器外壳。

实施例6

本实施例提供一种高强压铸铝合金，其化学组成与实施例1不同之处仅在于：不含有Mn和Fe。

需要补充的是，在其他实施例中，还可以改变制备方法中的温度时间等参数，在此不进行一一列举，在本发明实施例中规定的参数范围内进行调整均不会对性能产生较大影响。

对比例1-3

对比例1-3提供一种高强压铸铝合金及其制备方法，与实施例1的区别仅在于：铝合金的化学组成，具体见表1。

表1铝合金的化学组成(wt.％)

试验例

测试实施例1-6和对比例1-3中制备得到的铝合金的性能，其中，抗拉强度和屈服强度的测试标准参照《GB/T16865-2013》，断后伸长率的测试标准参照《GB/T16865-2013》，其结果如表2所示。

表2铝合金的性能

可以看出，经过60天自然时效后，合金抗拉强度≥370MPa，屈服强度≥300MPa以上，延伸率≥1.1％。

在对比例1中，Si含量为9.2％，Zn含量为13.1，合金流动性下降，铸件上出现浇不足缺陷。同时Cu含量超出了3％的上限，Mn/Fe比<0.5，造成合金力学性能降低。

在对比例2中，Si含量为16.3％，Zn和Cu含量低，导致铸件铸态强度显著下降，自然时效作用不明显。

在对比例3中，Si含量为16.6％，Zn、Cu和Ti含量高，导致铸件表面出现裂纹，并且自然时效作用不明显。

试验例2

测试实施例1和对比例1、对比例3中压铸形成的差速器的外壳实物图，如图1、图2和图3。

图1为实施例1中压铸的差速器外壳实物图，未出现缺陷；图2为对比例1中压铸的差速器外壳实物图，由于合金中Si含量偏低，Cu的含量达到了3.5％，合金的流动性下降，铸件上出现了浇不足缺陷。图3为对比例3中压铸的差速器外壳实物图，由于合金中Zn、Cu和Ti的含量高，合金的流动性下降，铸件上出现了浇不足缺陷，同时，随着合金元素含量的增加，铸件内应力增大，铸件表面出现了裂纹。

综上所述，本发明提供的高强压铸铝合金及其制备方法，其通过Si、Zn、Cu、Mg、Ti、Zr、Sr、P用量的调整，结合了Al-Si系、Al-Cu系和Al-Zn系铸造铝合金的优点，在室温条件下析出Al₂Cu、MgZn₂等具有良好自然时效作用的析出相。铸件无需进行高温固溶、人工时效等热处理，仅通过自然时效，材料的抗拉强度和屈服强度都较为理想。

本发明还提供的上述高强压铸铝合金在制备壳体类铸件中的应用，由于制备过程中不存在高温固溶、人工时效等热处理，不会产生应力不均匀现象，进而不容易导致铸件变形，满足形状复杂的结构件或者薄壁铸件的尺寸要求。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种高强压铸铝合金，其特征在于，包括以下重量百分含量的组分：Si 11.0-15.0％，Zn 2-12％，Cu 1.0-3％，Mg 0.3-0.85％，Ti 0.1-0.3％，Zr 0.01-0.05％，Sr0.01-0.06％，P 0.01-0.05％，不可避免的杂质和Al。

2.根据权利要求1所述的高强压铸铝合金，其特征在于，包括以下重量百分含量的组分：Si 11.0-15.0％，Zn 2-12％，Cu 1.0-3％，Mg 0.3-0.85％，Mn 0.1-0.4％，Fe 0.2-0.6％，Ti 0.1-0.3％，Zr 0.01-0.05％，Sr 0.01-0.06％，P 0.01-0.05％，杂质总和≤0.25％，余量为Al。

3.根据权利要求2所述的高强压铸铝合金，其特征在于，由以下重量百分含量的组分组成：Si 11.0-13.5％，Zn 2-12％，Cu 1.0-3％，Mg 0.3-0.85％，Mn 0.1-0.4％，Fe 0.2-0.6％，Ti 0.1-0.3％，Zr 0.01-0.05％，Sr 0.01-0.03％，P 0.01-0.03％，杂质总和≤0.25％，余量为Al。

4.一种高强压铸铝合金的制备方法，其特征在于，按照权利要求1-3中任一项所述的高强压铸铝合金的组成进行原料配比来制备所述高强压铸铝合金。

5.根据权利要求4所述的高强压铸铝合金的制备方法，其特征在于，包括：将原料依次经过熔炼、变质处理、精炼处理和压铸，以形成所述高强压铸铝合金；

优选地，先将铝锭和配比好的Si、Cu、Mn、Fe、Mg、Zn、Zr、Ti的原料进行熔炼得到熔炼混合料，再将所述熔炼混合料与Sr和P的原料混合进行变质处理，然后再依次经过精炼处理和压铸；

更优选地，所述压铸在在700-760℃的条件下进行。

6.根据权利要求5所述的高强压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼混合料是先将铝锭加热熔化之后，依次加入Si、Cu、Mn、Fe、Mg和Ti，待加入的原料熔化后再加入Zn和Zr。

7.根据权利要求6所述的高强压铸铝合金的制备方法，其特征在于，Si为硅铝中间合金或速溶硅；

优选地，Cu为铝铜中间合金或纯铜；

优选地，Mn为铝锰中间合金或锰添加剂；

优选地，Fe为铝铁中间合金或铁添加剂；

优选地，Ti为铝钛中间合金；

优选地，Zr为铝锆中间合金；

优选地，P为铜磷中间合金或铝磷中间合金。

8.根据权利要求5所述的高强压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述变质处理是先将所述熔炼混合料升温至750-780℃，再加入Sr和P变质15-45min。

9.根据权利要求5所述的高强压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述精炼处理是通入精炼剂和惰性气体，对铝合金熔体精炼5-15min，扒去浮渣后静置10-30min；

优选地，精炼温度为720-760℃；

优选地，惰性气体为氮气或氩气。

10.权利要求1-3中任一项所述的高强压铸铝合金或权利要求4-9中任一项所述制备方法制备得到的高强压铸铝合金在制备壳体类铸件中的应用。