一种非热处理高韧性压铸铝合金及其制备方法与流程

1.本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种非热处理高韧性压铸铝合金及其制备方法。


背景技术：

2.随着碳达峰和碳中和政策的深入推进，碳排放指标不断调低，再生铝体现了能源消耗低的明显优势，而且摆脱了铝业“价随电涨”的依赖，将再生铝业作为主导产业更有利于铝业健康稳定和长期发展。再生铝碳排放显著低于原铝排放，与生产等量的原铝相比，生产1吨再生铝节约3.4吨标准煤，节水14立方米，减少固体废物排放20吨。按1吨标准煤排放3吨二氧化碳计算，1吨再生铝可减少约10.2吨二氧化碳排放量。同时，再生铝经济效益显著。原铝的生产涉及铝土矿的开采、长途运输等，氧化铝和电解铝生产能耗巨大，与原铝生产相比，再生铝的生产成本较低。随着我国废铝的社会保有量快速增长和废旧资源回收体系的不断健全，废铝价格有望进一步下降，再生铝生产相对于原铝的成本优势将更加突出。
3.近年来新能源汽车的不断出现及发展，电池驱动的新能源汽车受动力电池重量、动力电池续航里程的制约以及汽车节能减排政策的高压，在车辆设计和材料选用上，比传统汽车更迫切需要车身减重。铝合金作为轻量化材料之一，无论是应用技术还是运行安全性及循环再生利用都具有比较优势，所以铝合金在汽车行业中逐步代替钢铁，并采用压铸成型工艺来生产汽车零部件产品，广泛应用于汽车、航空航天等领域。
4.汽车和航空航天行业对零部件的要求严苛，要求材料在变形时具备优良的冲击韧性和高的延伸率。对此汽车行业提出汽车车身结构减震塔要求其铝合金压铸件的抗拉强度大于180mpa，屈服强度大于120mpa，延伸率大于10%。传统的adc12压铸铝合金属于fe含量为0.8~1.3%的al-si-cu系，该合金的室温下延伸率不高于2%，其韧性和强度都不高，无法满足汽车结构件的要求。传统的al-si二元合金系列虽然具有较好的强度和良好的铸造性能，但其塑性较差，延伸率低，材料不能满足供汽车使用的大型一体成型压铸件的要求。al-si-mg系合金是新型压铸铝合金的开发对象，在al-mg二元合金系列的基础上加入si元素，来改善合金的铸造性能，同时生成的mg2si强化相可以提高合金的强度，可用于车身形状复杂、综合力学性能要求较高的零部件。
5.本发明就是在此背景下，提供一种非热处理高韧性压铸铝合金及其制备方法。本发明制备的al-mg-si系压铸铝合金打破传统压铸铝合金si含量高的特点，进一步通过调节mg、si含量的比例来制备一种新型的压铸铝合金材料。在不经过热处理的条件下压铸件同时具备高强度和高韧性，并且具有良好的铸造性能，完全可以替代目前汽车行业使用的经过t7热处理的alsi10mnmg材料，从而降低生产成本，满足汽车大型一体成型压铸件的要求。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种非热处理高韧性压铸铝合金，并同时给出了一种非热处理高韧性压铸铝合金的制备方法。
7.本发明涉及一种非热处理高韧性压铸铝合金，该压铸铝合金中各组分的重量百分比为：mg：1.0%-3.5%；si：0.1%-1.2%；fe：0.05%-1.0%；mn：0.1%-1.1%；ti：0.05%-0.5%；be：0.001%-0.005%；la和ce总量：0.05%-0.5%；其余杂质余量小于等于0.25%，余量为铝。
8.本发明在铝合金中加入mg和si，可以提高材料的强度和韧性，改善合金的铸造性能；添加fe和mn元素可以使材料更便于脱模；添加少量ti能够细化晶粒组织，提高材料机械性能；添加微量的be能够改善熔体表面氧化膜特性，减少材料烧损，防止氧化过程中形成较多的氧化夹渣，影响材料品质和材料性能。添加微量la/ce稀土元素可以降低熔体中的氢含量和渣含量，达到净化熔体的效果，也可以起到细化晶粒的作用。
9.本发明还涉及一种非热处理高韧性压铸铝合金的制备方法，其制备步骤如下：（1）炉前准备：将炉底清理干净后开始烘炉，直至炉墙呈红色；将操作工具全部涂刷石墨粉后进行烘干预热。
10.（2）配料：准备金属al锭、金属mg锭、工业si、al-mn中间合金或金属mn、金属fe、al-ti中间合金、al-be中间合金、铝稀土中间合金等作为铝合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按照上述合金组分比例添加。
11.（3）装炉熔化：先将金属al锭投入炉内进行熔炼，熔炼温度控制在670~690℃，待铝锭全部熔化后升温，温度控制在760~780℃，随后添加工业硅、金属fe、al-mn中间合金或金属mn进行熔炼。
12.（4）精炼扒渣：将铝合金熔体温度控制在740~760℃下进行均匀搅拌并加入铝合金专用精炼剂进行一次喷粉精炼和二次喷粉精炼，两次精炼间隔时间控制在50-60min，每次精炼完毕后扒渣，除去液面上的熔剂和浮渣。
13.（5）加入其它金属元素：熔液温度为740~760℃时，炉中加入al-ti中间合金、铝稀土中间合金、金属mg、al-be中间合金锭进行熔炼，获得铝合金熔体后进行取样分析。
14.（6）炉内除气。熔炼温度保持在740~760℃，用氮气进行炉内除气，除气时间约为30~50min，随后静置15~30min。
15.（7）压铸：炉前成分分析合格后，在铝液温度为690~710℃进行高压铸造，得到非热处理状态的压铸件。压射时间为4.5s，冷却时间为3s，打料压力为38mpa。压铸过程使用的模具中包括直径为6.3mm的试棒以及测试流动性的模具。
16.与现有技术相比，本发明具有以下优点： 1.本发明制备的压铸铝合金同时具备高强度和高韧性，而且具有良好的铸造性能，可以满足汽车大型一体成型压铸件的要求，具有重要的工业应用价值。
17.2.在非热处理条件下，本发明制备的一种可回收的非热处理高韧性压铸铝合金的抗拉强度为270mpa~280mpa，屈服强度为140mpa~150mpa，延伸率可达21%~23%。
附图说明
18.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更加明显。
19.图1为实施例2获得的压铸铝合金微观组织金相图，其中图（a）为50x的微观组织金相图；图（b）为200x微观组织金相图。
20.图2为实施例2获得的压铸铝合金的流动性测试模具。
21.图3为实施例2获得的压铸铝合金的拉伸应力应变曲线。
具体实施方式
22.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
23.实施例1本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金各组分的重量百分比为：mg：1.0%；si：0.1%；fe：0.05%；mn：0.1%；ti：0.05%；be：0.001%；la和ce总量：0.05%；其余杂质余量小于等于0.25%，余量为铝。
24.本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：（1）炉前准备：将炉底清理干净后开始烘炉，直至炉墙呈红色；将操作工具全部涂刷石墨粉后进行烘干预热。
25.（2）配料：准备金属al锭、金属mg锭、工业si、al-mn中间合金或金属mn、金属fe、al-ti中间合金、al-be中间合金、铝稀土中间合金等作为铝合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按照上述合金组分比例添加。
26.（3）装炉熔化：先将金属al锭投入炉内进行熔炼，熔炼温度控制在670~690℃，待铝锭全部熔化后升温，温度控制在760~780℃，随后添加工业硅、金属fe、al-mn中间合金或金属mn进行熔炼。
27.（4）精炼扒渣：将铝合金熔体温度控制在740~760℃下进行均匀搅拌并加入铝合金专用精炼剂进行一次喷粉精炼和二次喷粉精炼，两次精炼间隔时间控制在50-60min，每次精炼完毕后扒渣，除去液面上的熔剂和浮渣。
28.（5）加入其它金属元素：熔液温度为740~760℃时，炉中加入al-ti中间合金、铝稀土中间合金、金属mg、al-be中间合金锭进行熔炼，获得铝合金熔体后进行取样分析。
29.（6）炉内除气。熔炼温度保持在740~760℃，用氮气进行炉内除气，除气时间约为30~50min，随后静置15~30min。
30.（7）压铸：炉前成分分析合格后，在铝液温度为690~710℃进行高压铸造，得到非热处理状态的压铸件。压射时间为4.5s，冷却时间为3s，打料压力为38mpa。压铸过程使用的模具中包括直径为6.3mm的试棒以及测试流动性的模具。
31.实施例2本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金各组分的重量百分比为：mg：1.5%；si：0.3%；fe：0.25%；mn：0.2%；ti：0.15%；be：0.002%；la和ce总量：0.15%；其余杂质余量小于等于0.25%，余量为铝。
32.本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：（1）炉前准备：将炉底清理干净后开始烘炉，直至炉墙呈红色；将操作工具全部涂刷石墨粉后进行烘干预热。
33.（2）配料：准备金属al锭、金属mg锭、工业si、al-mn中间合金或金属mn、金属fe、al-ti中间合金、al-be中间合金、铝稀土中间合金等作为铝合金中各元素的原料，适当考虑烧
损后，按照上述合金组分比例添加。
34.（3）装炉熔化：先将金属al锭投入炉内进行熔炼，熔炼温度控制在670~690℃，待铝锭全部熔化后升温，温度控制在760~780℃，随后添加工业硅、金属fe、al-mn中间合金或金属mn进行熔炼。
35.（4）精炼扒渣：将铝合金熔体温度控制在740~760℃下进行均匀搅拌并加入铝合金专用精炼剂进行一次喷粉精炼和二次喷粉精炼，两次精炼间隔时间控制在50~60min，每次精炼完毕后扒渣，除去液面上的熔剂和浮渣。
36.（5）加入其它金属元素：熔液温度为740~760℃时，炉中加入al-ti中间合金、铝稀土中间合金、金属mg、al-be中间合金锭进行熔炼，获得铝合金熔体后进行取样分析。
37.（6）炉内除气。熔炼温度保持在740~760℃，用氮气进行炉内除气，除气时间约为30~50min，随后静置15~30min。
38.（7）压铸：炉前成分分析合格后，在铝液温度为690~710℃进行高压铸造，得到非热处理状态的压铸件。压铸过程中涉及的压铸参数和使用的压铸模具都与实施例1相同。
39.实施例3本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金各组分的重量百分比为：mg：2.0%；si：0.5%；fe：0.45%；mn：0.4%；ti：0.25%；be：0.003%；la和ce总量：0.25%；其余杂质余量小于等于0.25%，余量为铝。
40.本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：（1）炉前准备：将炉底清理干净后开始烘炉，直至炉墙呈红色；将操作工具全部涂刷石墨粉后进行烘干预热。
41.（2）配料：准备金属al锭、金属mg锭、工业si、al-mn中间合金或金属mn、金属fe、al-ti中间合金、al-be中间合金、铝稀土中间合金等作为铝合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按照上述合金组分比例添加。
42.（3）装炉熔化：先将金属al锭投入炉内进行熔炼，熔炼温度控制在670~690℃，待铝锭全部熔化后升温，温度控制在760~780℃，随后添加工业硅、金属fe、al-mn中间合金或金属mn进行熔炼。
43.（4）精炼扒渣：将铝合金熔体温度控制在740~760℃下进行均匀搅拌并加入铝合金专用精炼剂进行一次喷粉精炼和二次喷粉精炼，两次精炼间隔时间控制在50~60min，每次精炼完毕后扒渣，除去液面上的熔剂和浮渣。
44.（5）加入其它金属元素：熔液温度为740~760℃时，炉中加入al-ti中间合金、铝稀土中间合金、金属mg、al-be中间合金锭进行熔炼，获得铝合金熔体后进行取样分析。
45.（6）炉内除气。熔炼温度保持在740~760℃，用氮气进行炉内除气，除气时间约为30~50min，随后静置15~30min。
46.（7）压铸：炉前成分分析合格后，在铝液温度为690~710℃进行高压铸造，得到非热处理状态的压铸件。压铸过程中涉及的压铸参数和使用的压铸模具都与实施例1相同。
47.实施例4本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金各组分的重量百分比为：mg：2.5%；si：0.7%；fe：0.65%；mn：0.6%；ti：0.3%；be：0.004%；la和ce总量：0.35%；其余杂质余量小于等于0.25%，余量为铝。
48.本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：（1）炉前准备：将炉底清理干净后开始烘炉，直至炉墙呈红色；将操作工具全部涂刷石墨粉后进行烘干预热。
49.（2）配料：准备金属al锭、金属mg锭、工业si、al-mn中间合金或金属mn、金属fe、al-ti中间合金、al-be中间合金、铝稀土中间合金等作为铝合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按照上述合金组分比例添加。
50.（3）装炉熔化：先将金属al锭投入炉内进行熔炼，熔炼温度控制在670~690℃，待铝锭全部熔化后升温，温度控制在760~780℃，随后添加工业硅、金属fe、al-mn中间合金或金属mn进行熔炼。
51.（4）精炼扒渣：将铝合金熔体温度控制在740~760℃下进行均匀搅拌并加入铝合金专用精炼剂进行一次喷粉精炼和二次喷粉精炼，两次精炼间隔时间控制在50~60min，每次精炼完毕后扒渣，除去液面上的熔剂和浮渣。
52.（5）加入其它金属元素：熔液温度为740~760℃时，炉中加入al-ti中间合金、铝稀土中间合金、金属mg、al-be中间合金锭进行熔炼，获得铝合金熔体后进行取样分析。
53.（6）炉内除气。熔炼温度保持在740~760℃，用氮气进行炉内除气，除气时间约为30~50min，随后静置15~30min。
54.（7）压铸：炉前成分分析合格后，在铝液温度为690~710℃进行高压铸造，得到非热处理状态的压铸件。压铸过程中涉及的压铸参数和使用的压铸模具都与实施例1相同。
55.实施例5本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金各组分的重量百分比为：mg：3.5%；si：1.2%；fe：1.0%；mn：1.1%；ti：0.5%；be：0.005%；la和ce总量：0.5%；其余杂质余量小于等于0.25%，余量为铝。
56.本实施例的一种非热处理高韧性压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：（1）炉前准备：将炉底清理干净后开始烘炉，直至炉墙呈红色；将操作工具全部涂刷石墨粉后进行烘干预热。
57.（2）配料：准备金属al锭、金属mg锭、工业si、al-mn中间合金或金属mn、金属fe、al-ti中间合金、al-be中间合金、铝稀土中间合金等作为铝合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按照上述合金组分比例添加。
58.（3）装炉熔化：先将金属al锭投入炉内进行熔炼，熔炼温度控制在670~690℃，待铝锭全部熔化后升温，温度控制在760~780℃，随后添加工业硅、金属fe、al-mn中间合金或金属mn进行熔炼。
59.（4）精炼扒渣：将铝合金熔体温度控制在740~760℃下进行均匀搅拌并加入铝合金专用精炼剂进行一次喷粉精炼和二次喷粉精炼，两次精炼间隔时间控制在50~60min，每次精炼完毕后扒渣，除去液面上的熔剂和浮渣。
60.（5）加入其它金属元素：熔液温度为740~760℃时，炉中加入al-ti中间合金、铝稀土中间合金、金属mg、al-be中间合金锭进行熔炼，获得铝合金熔体后进行取样分析。
61.（6）炉内除气。熔炼温度保持在740~760℃，用氮气进行炉内除气，除气时间约为30~50min，随后静置15~30min。
62.（7）压铸：炉前成分分析合格后，在铝液温度为690~710℃进行高压铸造，得到非热
处理状态的压铸件。压铸过程中涉及的压铸参数和使用的压铸模具都与实施例1相同。
63.对比例1本对比例的一种非热处理高韧性压铸铝合金各组分的重量百分比为：si：6.7%；fe：0.09%；cu：0.03%；mn：0.02%；mg：0.43%；zn：0.03%；ti：0.05%；ni：0.006%；cr：0.001%；sr：0.0007%；其余杂质余量小于等于0.25%，余量为铝。
64.本对比例的一种非热处理高韧性压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：（1）炉前准备：将炉底清理干净后开始烘炉，直至炉墙呈红色；将操作工具全部涂刷石墨粉后进行烘干预热。
65.（2）配料：准备金属al锭、金属mg锭、工业si、金属cu、金属zn、金属ni、al-mn中间合金或金属mn、金属fe、al-ti中间合金、al-sr中间合金、al-cr中间合金等作为铝合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按照上述合金组分比例添加。
66.（3）装炉熔化：先将金属al锭投入炉内进行熔炼，熔炼温度控制在670~690℃，待铝锭全部熔化后升温，温度控制在760~780℃，随后添加工业si、金属fe、金属cu、金属zn、金属ni、al-mn中间合金或金属mn进行熔炼。
67.（4）精炼扒渣：将成分合格的铝合金熔体温度控制在740~760℃下进行均匀搅拌并加入铝合金专用精炼剂进行一次喷粉精炼和二次喷粉精炼，两次精炼间隔时间控制在50~60min，每次精炼完毕后扒渣，除去液面上的熔剂和浮渣。
68.（5）加入其它金属元素：熔液温度为740~760℃时，炉中加入al-ti中间合金、金属mg、al-cr、al-sr中间合金锭进行熔炼，获得铝合金熔体后进行取样分析。
69.（6）炉内除气。熔炼温度保持在740~760℃，用氮气进行炉内除气，除气时间约为30~50min，随后静置15~30min。
70.（7）压铸：炉前成分分析合格后，在温度为690~710℃进行高压铸造，得到非热处理状态的压铸件。压铸过程中涉及的压铸参数和使用的压铸模具都与实施例1相同。
71.实施例6本实施例的一种可再生的非热处理高韧性压铸铝合金采用回收废铝来制备，其制备方法包括以下步骤：（1）炉前准备：将炉底清理干净后开始烘炉，直至炉墙呈红色；将操作工具全部涂刷石墨粉后进行烘干预热。
72.（2）配料：将回收的废铝进行分选、处理。然后按合金成分配比准备金属al锭、金属mg锭、工业si、al-mn中间合金或金属mn、金属fe、al-ti中间合金、al-be中间合金、铝稀土中间合金作为铝合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按照所需合金组分比例添加。
73.（3）装炉熔炼：在炉中依次加入40%的金属al锭和60%的废铝进行熔炼，熔炼温度控制在670~690℃，待全部熔化后进行取样分析，然后其它元素根据各自所占比例进行添加。升温，温度控制在760~780℃，随后添加工业硅、金属fe、al-mn中间合金或金属mn进行熔炼。
74.（4）精炼扒渣：将成分合格的铝合金熔体温度控制在740~760℃下进行均匀搅拌并加入铝合金专用精炼剂进行一次喷粉精炼和二次喷粉精炼，两次精炼间隔时间控制在50~60min，每次精炼完毕后扒渣，除去液面上的熔剂和浮渣。
75.（5）加入其它金属元素：熔液温度为740~760℃时，炉中加入al-ti中间合金、铝稀土中间合金、金属mg、al-be中间合金锭进行熔炼，获得铝合金熔体后进行取样分析。
76.（6）炉内除气。熔炼温度保持在740~760℃，用氮气进行炉内除气，除气时间约为30~50min，随后静置15~30min。
77.（7）压铸：炉前成分分析合格后，在温度为690~710℃进行高压铸造，得到非热处理状态的压铸件。压铸过程中涉及的压铸参数和使用的压铸模具都与实施例1相同。
78.实施例7本实施例的一种可再生的非热处理高韧性压铸铝合金采用回收废铝来制备，其制备方法包括以下步骤：（1）炉前准备：将炉底清理干净后开始烘炉，直至炉墙呈红色；将操作工具全部涂刷石墨粉后进行烘干预热。
79.（2）配料：将回收的废铝进行分选、处理。然后按合金成分配比准备金属mg锭、工业si、al-mn中间合金或金属mn、金属fe、al-ti中间合金、al-be中间合金、铝稀土中间合金作为铝合金中各元素的原料，适当考虑烧损后，按照所需合金组分比例添加。
80.（3）装炉熔炼：在炉中加入100%的废铝进行熔炼，熔炼温度控制在670~690℃，待全部熔化后进行取样分析，然后其它元素根据各自所占比例进行添加。升温，温度控制在760~780℃，随后添加工业硅、金属fe、al-mn中间合金或金属mn进行熔炼。
81.（4）精炼扒渣：将成分合格的铝合金熔体温度控制在740~760℃下进行均匀搅拌并加入铝合金专用精炼剂进行一次喷粉精炼和二次喷粉精炼，两次精炼间隔时间控制在50~60min，每次精炼完毕后扒渣，除去液面上的熔剂和浮渣。
82.（5）加入其它金属元素：熔液温度为740~760℃时，炉中加入al-ti中间合金、铝稀土中间合金、金属mg、al-be中间合金锭进行熔炼，获得铝合金熔体后进行取样分析。
83.（6）炉内除气。熔炼温度保持在740~760℃，用氮气进行炉内除气，除气时间约为30~50min，随后静置15~30min。
84.（7）压铸：炉前成分分析合格后，在温度为690~710℃进行高压铸造，得到非热处理状态的压铸件。压铸过程中涉及的压铸参数和使用的压铸模具都与实施例1相同。
85.本发明制备的材料是在非热处理状态下高强度和高韧性同时兼顾的压铸铝合金，同时也具备优异的压铸性能，可以满足汽车行业日益提高的优质高性能铝合金压铸件的实际使用要求。
86.表1是对比例1和实施例1~7中获得非热处理铸件的室温拉伸力学性能及流动性能。
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