CN113862529A

CN113862529A - 一种铝合金及其制备方法

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Publication number: CN113862529A
Application number: CN202010613851.9A
Authority: CN
Inventors: 郭强; 王梦得; 安维; 付景松
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-12-31
Anticipated expiration: 2040-06-30
Also published as: CN113862529B

Abstract

为克服现有铝合金难以兼顾力学性能以及延伸率的问题，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8‑13％，Cu的含量为1.6‑2％，Zn的含量为0.002‑0.8％，Mn的含量为0.2‑0.5％，Mg的含量为0.2‑0.5％，Cr的含量为0.001‑0.02％，Sr的含量为0.01‑0.03％，Ti的含量为0.03‑0.08％，Fe的含量为0.1‑0.4％，Ga的含量为0.01‑0.02％，Mo的含量为0.002‑0.01％，La的含量为0.001‑0.02％，余量为Al以及其它元素，所述其它元素的总量小于0.1％。同时，本发明还公开了上述铝合金的制备方法。本发明提供的铝合金的屈服强度和抗拉伸强度得到显著的提高，而且在保证强度的前提下也有较好的延伸率。

Description

一种铝合金及其制备方法

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制备方法。

背景技术

压铸铝合金具有比强度高、良好的耐腐蚀、导电导热以及铸造加工等性能，被广泛应用于汽车、通讯电子和航空航天等的领域中。

由于铝合金中存在共晶体，共晶体能保证良好的压铸性能，随着共晶体的增加又使得铝合金变脆，从而降低力学性能，而现有的铝合金材料对延伸率也具有较高的要求，这使得现有的铝合金很难兼顾对力学性能要求以及延伸率的要求。

发明内容

针对现有铝合金难以兼顾力学性能以及延伸率的问题，本发明提供了一种铝合金及其制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：

Si的含量为8-13％，Cu的含量为1.6-2％，Zn的含量为0.002-0.8％，Mn的含量为0.2-0.5％，Mg的含量为0.2-0.5％，Cr的含量为0.001-0.02％，Sr的含量为0.01-0.03％，Ti的含量为0.03-0.08％，Fe的含量为0.1-0.4％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.002-0.01％，La的含量为0.001-0.02％，余量为Al以及其它元素，所述其它元素的总量小于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10-13％，Cu的含量为1.6-1.9％，Zn的含量为0.2-0.6％，Mn的含量为0.3-0.5％，Mg的含量为0.3-0.5％，Cr的含量为0.01-0.02％％，Sr的含量为0.01-0.03％，Ti的含量为0.03-0.08％，Fe的含量为0.1-0.4％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.002-0.005％，La的含量为0.01-0.02％，余量为Al以及其它元素，所述其它元素的总量小于0.1％。

可选的，所述铝合金中，Fe和La的质量百分比含量满足：Fe：La＞10:1。

可选的，所述铝合金中，Ga，Mo与Si的质量百分比含量比值满足：(Ga+Mo)：Si＜3:1000。

可选的，所述铝合金中，Ga，Mo，La与Cu的质量百分比含量比值满足：60(Mo+La+Ga)＜Cu。

可选的，所述其它元素包括Zr和/或Y。

可选的，所述铝合金的屈服强度大于280MPa，抗拉伸强度大于350MPa，断裂延伸率大于3％。

根据本发明配比提供的铝合金，通过调整铝合金中各元素的配比，使铝合金的屈服强度和抗拉伸强度得到显著的提高，在保证强度的前提下也有较好的延伸率，而且在使用本发明提供的配方熔炼压铸得到的铝合金还具有对设备要求低、热处理步骤简单、生产周期短降低、压铸成型时铸件含气量低、避免高温起泡和变形问题的优势，应用于压铸工艺中具有良好的工艺适应性。

另一方面，本发明提供了如上所述的铝合金的制备方法，包括以下操作步骤：

按照铝合金中元素配比称取所需比例份数的Al剂、Si剂、Mn剂、Cu剂、Zn剂、Ga剂、La剂、部分Fe剂以及Ca剂，加入至熔炼炉中进行熔炼，得到熔体；

使用精炼剂对所述熔体进行精炼，去除Ca剂，通入惰性气体，扒出浮渣；

称取所需比例份数的Mg剂，加入至所述熔炼炉中；

分别称取所需比例份数的Sr剂、Cr剂、Mo剂、Ti剂以及剩余Fe剂进行变质处理，除气，浇铸得到铝合金铸锭；

将所述铝合金铸锭压铸成型。

可选的，熔炼过程中加入的Ca剂中的Ca元素添加质量为0.3-1％。

可选的，去除Ca剂的方法包括：

加入AlF₃去除Ca剂；

或，以所述惰性气体为载体通入氯气或四氯化碳去除Ca剂。

可选的，在变质处理中，先加入Sr剂，Cr剂与剩余Fe剂，后加入Mo剂和Ti剂。

可选的，对压铸成型后的铝合金进行人工时效处理，在空气放置24-48h后，升温至150℃-200℃后保温，保温时间2-4h。

本发明的制备方法中，先加入所需份数的Al剂、Si剂、Mn剂、Cu剂、Zn剂、Ga剂、La剂、部分Fe剂以及Ca剂，再加入精炼剂精炼并除去Ca剂，再加入Mg剂，后加入Sr剂、Cr剂、Mo剂、Ti剂以及剩余Fe剂进行变质处理，浇铸压铸得到本发明提供的铝合金，本发明通过大量的实验发现，先引入Ca剂，之后去除Ca剂，而且在不引入多余的杂质能明显提高熔炼的效率。而通过多种合金进行变质处理，进一步地，加强铝合金的强度以及工业上的适用性范围。

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。

本发明实施例提供了一种铝合金，包括如下质量百分比的组分：

根据本发明配比提供的铝合金，通过调整铝合金中各强化元素的配比，铝合金的屈服强度和抗拉伸强度得到显著的提高，在保证强度的前提下也有较好的延伸率。而且在使用本发明提供的配方熔炼压铸得到的铝合金还具有对设备要求低、热处理步骤简单、生产周期短降低、压铸成型时铸件含气量低、避免高温起泡和变形问题的优势，应用于压铸工艺中具有良好的工艺适应性。

在本发明涉及的材料中，Si作为主要元素，Si的加入可以提高合金的流动性，也能在不牺牲合金导热性的条件下，增加合金的强度。且Si和Mg或Fe分别生成Mg₂Si及Al₁₂Fe₃Si，而Mg₂Si及Al₁₂Fe₃Si为强化相，会增强合金强度以及韧性。

Cu与Al形成固溶相，同时也通过析出的Al₂Cu弥散分布到晶界上，析出的Al₂Cu相为强化相，可增加合金强度及韧性，但Cu的过量添加不仅会降低合金热处理性能，同时会损害合金的韧性，降低断裂延伸率。

合金强度以及时效需要通过Mg来提升，使得合金具有良好的综合性能。Zn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，可保证合金强度的同时，提升合金的韧性。

Mn和Cr可以固溶到铝合金基体中，以强化基体性能。Mn和Cr可抑制初生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，提高合金的强度和韧性。对于Mn，大部分Mn偏析到晶界处，与Fe结合，形成针状的AlFeMnSi相，可以提高合金的整体强度。尤其是，Mn含量在0.2-0.5％时，能够避免过量的针状组织生成，防止基体的割裂，保持合金的韧性。

Fe的存在可以降低压铸合金的粘膜性，当Fe的含量本发明提供的含量范围0.1-0.4％时，抑制Fe形成针状物，降低热传导。

Ti的作用主要表现为三个方面:一是晶粒细化作用,合金材料细化后可获得较高的强度和延伸率,合金的热膨胀系数小以及铸造性能好；二是Ti可在合金中形成金属间化合物,使合金的组织发生复杂性变化；三是Ti与基体元素Al的α-Al引发合金强化，即产生沉淀强化,提高合金的强度。

在铝合金组织中，一部分析出相为AlSiMgFe，其中铁含量较高；另一部分析出相为AlSiMgFeLa，其形状呈较小的粒状，可以起到弥散强化的作用。

La具有很好的吸附氢的功能，可以通过生成化合物的方式固定住铝合金中的氢，减少游离态的氢，使得其在熔体凝固时的聚集和长大能力减弱，从而减少缺陷的数量。同时，Al₂O₃可以被La还原成Al，生成细小的La氧化物，La氧化物可以降低Al₂O₃对合金性能的不利影响，增加合金的抗拉强度和延伸率。

Mo与铝合金中的基体Al会生成Mo₃Al₈相，其中，当Si的含量大于10％时，Mo₃Al₈相又与大量的Si反应生成第二相产物MoSi₂、Mo(Si,Al)₂、Mo(Si,Al)₂、Mo₅Si₃和Mo(Al,Si)₃，这些第二相产物具有良好的高温抗氧化性，起到弥散强化以及强韧化的作用，从而提高合金的强度和韧性。

在一些优选的实施例中，所述铝合金包括如下质量百分比的组分：

在其他具体的实施例中，Si的含量为8％、8.6％、9.5％、10.2％、11.4％、12.3％或13％，Cu的含量为1.6％、1.7％、1.9或2.0％，Zn的含量为0.002％、0.005％、0.009％、0.011％、0.25％、0.31％、0.5％或0.8％，Mn的含量为0.2％、0.3％、0.4％或0.5％，Mg的含量为0.2％、0.3％、0.4％或0.5％，Cr的含量为0.001％、0.004％、0.008％、0.01％、0.014％或0.02％，Sr的含量为0.01％、0.02％或0.03％，Ti的含量为0.03％、0.05％、0.07％或0.08％，Fe的含量为0.1％、0.2％、0.3％或0.4％，Ga的含量为0.01％、0.013％、0.016％或0.02％，Mo的含量为0.002％、0.005％、0.008％或0.01％，La的含量为0.001％、0.004％、0.01％、0.013％或0.02％，余量为Al以及其它元素，所述其它元素的总量小于0.1％。

在一些实施例中，Fe和La的质量百分比含量为Fe：La＞10:1。

发明人通过进一步试验发现，Fe和La在该比例下，在铝合金中会更利于AlSiMgFeLa的复杂化合物的析出，进一步提升弥散强化的作用，从而提高合金的强度和韧性。La的加入量满足Fe：La＞10:1时，可防止Si被大量消耗，有利于维持基体的硬度，提升合金的强度和韧性。

在一些实施例中，Ga，Mo与Si的质量百分比含量比值满足：(Ga+Mo)：Si＜3:1000。

当Ga与Mo过量时，Mo、Ga与Si、Fe等合金元素形成了粗大的金属间化合物，从而割裂基体，在拉伸时容易成为断裂源，使合金的抗拉强度和伸长率同时降低。

在一些实施例中，Ga，Mo，La与Cu的质量百分比含量比值满足：60(Mo+La+Ga)＜Cu。

Mo、La及Ga所形成的强化相，有利于材料强度及韧性的提升，当Ga，Mo，La与Cu的含量满足60(Mo+La+Ga)＜Cu时，能够提升Cu元素的固溶度，提高弥散组织分布的均匀性，进而加强Cu元素的时效强化及时效稳定性作用。

在一些实施例中，所述其它元素包括Zr和/或Y。

Zr、Y为杂质元素，固溶到合金中与铝合金中的元素生成杂质相，使得晶粒细化，大大降低合金的导热性，在所述铝合金中需尽量通过减少杂质的方式避免，优选实施中，所述铝合金不包括上述其它元素。

在一些实施例中，所述铝合金的屈服强度大于280MPa，抗拉伸强度大于350MPa，断裂延伸率大于3％。

本发明的另一实施例提供了如上所述的铝合金的制备方法，包括以下操作步骤：

称取所需比例份数的Mg剂，加入至所述熔炼炉中；

将所述铝合金铸锭压铸成型。

本发明中，Al剂、Si剂、Mn剂、Cu剂、Zn剂、Ga剂、La剂、Fe剂、Ca剂、Mg剂、Sr剂、Cr剂、Mo剂和Ti剂是能够提供制备本发明的压铸铝合金所需各种元素的物料，可以是含上述元素的中间合金、金属化合物或纯金属，只要加入的铝合金原料熔炼后得到的铝合金中的组成成分在上述范围内即可。

本发明的制备方法中，先加入所需份数的Al剂、Si剂、Mn剂、Cu剂、Zn剂、Ga剂、La剂、部分的Fe剂以及Ca剂，再加入精炼剂精炼并除去Ca剂，再加入Mg剂，后加入Sr剂、Cr剂、Mo剂、Ti剂以及剩余Fe剂进行变质处理，浇铸压铸得到本发明提供的铝合金，本发明通过大量的实验发现，先引入Ca剂，之后去除Ca剂，而且在不引入多余的杂质能明显提高熔炼的效率。而通过多种合金进行变质处理，进一步地，加强铝合金的强度以及工业上的适用性范围。

由于Mg剂在熔炼过程中易氧化，同时容易在精炼过程中被除去，再精炼之后加入Mg剂，以便于精确控制铝合金中Mg元素的含量，提高原料的利用效率。

在一些实施例中，熔炼过程中加入的Ca剂中的Ca元素添加质量为0.3-1％。

在一些实施例中，去除Ca剂的方法包括：

加入AlF₃去除Ca剂；

或，以所述惰性气体为载体通入氯气或四氯化碳去除Ca剂。

通过引入AlF₃、氯气或四氯化碳与Ca剂反应生成CaF₂，能够有效对Ca剂进行去除，同时也不引入新的杂质。

在一些实施例中，在变质处理中，先加入Sr剂，Cr剂与剩余Fe剂，后加入Mo剂和Ti剂。

发明人通过实验发现，变质处理的元素加入顺序对铝合金的性能有一定影响，经大量实验发现，先加入Sr剂，Cr剂可以有效提升铝液的变质处理效果，压铸后的铝合金在保证断裂延伸率的前提下具有更高的屈服强度。

在一些实施例中，对压铸成型后的铝合金进行人工时效处理，在空气放置24-48h后，升温至150℃-200℃后保温，保温时间2-4h。

在上述人工时效处理中，当铝合金的温度升至150℃-200℃时，随着保温时间的延长，铝合金硬度迅速升高，在2h左右达到最大。经过人工时效，使得Al合金产生了沉淀硬化，同时加快了Al₂Cu相的析出，强化了晶界强度，从而提升了合金的强度和硬度，可通过测试其力学性能观察其效果。

在一些实施例中，所述Sr剂和所述剩余Fe剂为Al-Fe-Sr合金，所述Cr剂为Al-Cr5％合金，所述Mo剂为Al-Mo合金，所述Ti剂为Al-Ti合金。

以上添加的中间合金或单质金属的各个元素含量百分比总和均位于本发明的提供的铝合金组分含量范围内。

在一些实施例中，所述精炼剂包括六氟乙烷、铝精炼剂ZS-AJ01C中的一种或两种，所述惰性气体包括氮气和/或氩气。

更优选地，惰性气体为氮气。

在一些实施例中，所述精炼的温度为730-750℃，所述变质处理的温度为700-740℃。

更优选地，所述变质处理的温度为720℃。

在一些实施例中，在所述铝合金铸锭压铸成型中，压铸温度680-720℃，压铸机速度为1.6-2m/s，保温时间为1-3s。

以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。

表1为本发明的铝合金成分的质量百分比(％)，铝合金的总质量以100％计，除表1所计的成分外，剩余成分的质量百分比为Al。。

表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11％，Cu的含量为1.8％，Zn的含量为0.5％，Mn的含量为0.3％，Mg的含量为0.35％，Cr的含量为0.01％，Sr的含量为0.02％，Ti的含量为0.06％，Fe的含量为0.25％，Ga的含量为0.014％，Mo的含量为0.004％，La的含量为0.004％,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，余量为Al以及其它元素，其它元素的总量小于0.1％，并按照下述的步骤加入并进行操作：

步骤1、当炉温为200℃-300℃加入纯铝；

步骤2、当炉温升至700℃左右时，按照质量百分比加入Si剂和0.5％熔体质量百分比的Ca元素的Ca剂；

步骤3、待炉温达到800-850℃时，按照质量百分比加入Mn剂、Cu剂、Zn剂、Ga剂、La剂以及部分的Fe剂，熔化后进行搅拌和静置，交替操作3次，每次搅拌时间为3min，静置时间为8min；

步骤4、加入剩下的纯铝，调整熔炼温度为760℃；

步骤5、利用精炼剂对熔体进行精炼，按照质量百分比去除多余的Ca剂(加入AlF₃去除Ca剂，或通入以惰性气体为载体，通入氯气或四氯化碳去除Ca剂)，采用氮气或氩气一起喷吹到熔体中，温度为730-750℃，精炼后扒出表面浮渣；

步骤6、加入Mg，检测金属熔液成分，待调整合格后在进行后续步骤；

步骤7、当温度为700-740℃时，加入变质剂对熔体进行变质处理，分别按照质量百分比计算加入Al-Fe-Sr中间合金、Al-Cr5％中间合金、Al-Mo中间合金和Al-Ti中间合金，其中Al-Fe-Sr中间合金与Al-Cr5％中间合金优先加入，待Fe、Sr、Cr充分分散后，再加入Al-Mo中间合金和Al-Ti中间合金，再进行除气浇料；

步骤8、对铝合金铸锭进行压铸工艺，设置压铸温度680-720℃，压铸机速度1.6-2m/s，保温时间1-3s。

步骤9、将压铸后的试样统一在空气中放置24h-48h后，将热处理炉升温至150℃-200℃后进行保温，放入试样，保温持续120-240分钟后，取出试样，在空气下自然冷却。

实施例2-28

实施例2-28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2-28所示的铝合金成分，其他操作步骤与实施例1相同。

实施例29

实施例29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29所示的铝合金成分；

步骤2：当炉温升至700℃左右时，按照质量百分比加入Si剂；

步骤5：利用精炼剂对熔体进行精炼，采用氮气或氩气一起喷吹到熔体中，温度为730-750℃，精炼后扒出表面浮渣。

实施例30

实施例30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30所示的铝合金成分；

步骤7：当温度为700-740℃时，加入变质剂对熔体进行变质处理，分别按照质量百分比计算加入Al-Fe-Sr中间合金、Al-Cr5％中间合金和Al-Mo中间合金，其中Al-Mo中间合金和Al-Ti中间合金优先加入，待Mo充分分散后，再加入Al-Fe-Sr中间合金与Al-Cr5％中间合金，再进行除气浇料。

对比例1-24

对比例1-24用于对比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1-24所示的铝合金成分，其他操作步骤与实施例1相同。性能测试

对上述实施例1-30和对比例1-24制备得到的铝合金进行如下性能测试：

拉伸强度测试

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

得到的测试结果填入表2。

表2

从表2的测试结果可以看出：

对比实施例1-30和对比例1-24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更优的屈服强度以及抗拉伸强度，在保证强度的前提下也有较好的延伸率，满足3C类产品对性能要求。

对比实施例1-25和实施例26的测试结果可知，当材料成分中Fe、La的质量百分比含量Fe：La大于10:1，合金强度得到提升，提高延伸率。

对比实施例1-25和实施例27的测试结果可知，当材料成分中Ga，Mo与Si的质量百分比含量比值Ga+Mo：Si小于3:1000时，提升材料强度和延伸率。

对比实施例1-25和实施例28的测试结果可知，当材料成分中Ga，Mo，La与Cu的质量含量60(Mo+La+Ga)小于Cu时，材料强度得到提升。

对比实施例1和实施例29的测试结果可知，当熔炼原料中仅加入配比所需的Ca剂，熔炼时间明显变长，熔炼速度较慢，说明加入Ca剂有利于提高熔炼效率。

对比实施例1和实施例30的测试结果可知，变质处理过程中，先加入Sr剂，Cr剂与剩余Fe剂，后加入Mo剂和Ti剂，合金的屈服强度得到提升。

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：

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：

Si的含量为10-13％，Cu的含量为1.6-1.9％，Zn的含量为0.2-0.6％，Mn的含量为0.3-0.5％，Mg的含量为0.3-0.5％，Cr的含量为0.01-0.02％，Sr的含量为0.01-0.03％，Ti的含量为0.03-0.08％，Fe的含量为0.1-0.4％，Ga的含量为0.01-0.02％，Mo的含量为0.002-0.005％，La的含量为0.01-0.02％，余量为Al以及其它元素，所述其它元素的总量小于0.1％。

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，Fe和La的质量百分比含量满足：Fe：La＞10:1。

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，Mo与Si的质量百分比含量比值满足：(Ga+Mo)：Si＜3:1000。

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，Ga，Mo，La与Cu的质量百分比含量比值满足：60(Mo+La+Ga)＜Cu。

6.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述其它元素包括Zr和/或Y。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的铝合金，所述铝合金的屈服强度大于280MPa，抗拉伸强度大于350MPa，断裂延伸率大于3％。

8.如权利要求1～7任意一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

称取所需比例份数的Mg剂，加入至所述熔炼炉中；

将所述铝合金铸锭压铸成型。

9.根据权利要求8所述的铝合金的制备方法，其特征在于，熔炼过程中加入的Ca剂中的Ca元素添加质量为0.3-1％。

10.根据权利要求8所述的铝合金的制备方法，其特征在于，去除Ca剂的方法包括：

加入AlF₃去除Ca剂；

或，以所述惰性气体为载体通入氯气或四氯化碳去除Ca剂。

11.根据权利要求8所述的铝合金的制备方法，其特征在于，在变质处理中，先加入Sr剂，Cr剂与剩余Fe剂，后加入Mo剂和Ti剂。

12.根据权利要求8所述的铝合金的制备方法，其特征在于，对压铸成型后的铝合金进行人工时效处理，在空气放置24-48h后，升温至150℃-200℃后保温，保温时间2-4h。