一种高导热再生压铸铝合金材料及其制备方法

1.本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种高导热再生压铸铝合金材料及其制备方法。


背景技术：

2.铝合金具有比强度、比刚度高，极佳的耐蚀、导热和加工性能，以及近100％的可回收等优良特性，广泛应用于国民经济的各个领域，成为国民经济不可或缺的基础原材料之一。我国是铝产销量最大的国家，特别是电解铝产量约占全球的57％。但伴随而来的是巨大的能源消耗(碳排放)和不可逆转的环境污染。为了应对全球气候变暖和人类生存环境恶化，我国于2020年9月提出了双碳目标，旨在降低碳排放步伐，加速再生铝循环利用的技术创新，提高我国再生铝品质。
3.经过近十余年的快速发展，我国的再生铝回收率基本与欧美国家相近，但在再生铝品质方面仍存在较大的差异。据上海有色网统计，我国变形铝合金的保级回收利用比例仅为20％，而日本及西方发达国家则超过50％以上，造成了极大的资源浪费。此外，铸造铝合金领域除了汽车轮毂可基本保持保级回收外，其余汽车部件由于成分不尽相同，基本都会降级使用，制备adc12、adc10等杂质元素含量高的合金。因此，如何提高再生铝的品质和性能，对于再生铝的高效循环利用十分关键。
4.cn113584359a公开了一种用再生铝生产的高导热压铸铝合金材料及其制备方法。该合金所使用的材料以再生料为主，其主要成分包括si：7.0％～11.0％，mg：0.3％～1.0％，fe：0.6％～0.90％，sr：0.02％～0.06％，b≤0.03％，余量为al，制备方法采用“硼化处理”和延长静置时间等工艺，制备的铝合金材料导热系数不低于160w/(m
·
k)。cn109468497a公开了一种高导热铝合金材料及废铝回收制备该材料的方法。该合金的成分包括：si:0.5％～2％，fe：0.6％～1.8％，mg≤0.3％，ni≤0.2％，余量为铝及不可避免的杂质。合金的导热系数可达到170～200w/(m
·
k),抗拉强度≥180mpa；布氏硬度≥70hb。上述两个专利合金涉及的元素种类较少，对废铝的质量提出了要求较高。
5.cn112921194b公开了一种由废铝制备高性能目标成分再生铝合金的方法，该方法以废铝为主要原材料，通过废铝的成分检测、分类、破碎、磁选除铁、加热熔化成铝合金液，对铝合金液进行成分在线检测和调配、细化变质处理、喷粉精炼除气除杂处理，最后铸造获得目标成分的再生铝合金。该专利涉及未确定的目标铝合金成分，对合金原材料和成分调整也有较高的要求。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高导热再生压铸铝合金材料及其制备方法。
7.本发明的目的采用以下技术方案来实现：
8.第一方面，本发明提供一种高导热再生压铸铝合金材料，按照重量百分比计算，包
括以下成分：
9.si 9.6～11.5％，fe 0.75～1.1％，mn≤0.3％，zn≤1.0％，mg≤0.25％，ti≤0.1％，cr≤0.1％，ni≤0.1％，v≤0.1％，cu≤2.0％，sr＝0.03～0.05％，re＝0.04～0.06％，b＝0.01～0.02％，杂质元素总和≤0.15％，杂质元素的单个含量≤0.05％，其余为铝。
10.优选地，所述高导热再生压铸铝合金材料的成分中，sr、re以al-sr-re的形式加入，sr的质量含量为9.5～10.5％，re的质量含量为10～20％，且re为ce和er组成的混合稀土。
11.第二方面，本发明提供一种高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
12.步骤1，投料：将废铝合金预热后，通过传送带投入熔化炉中；
13.利用烟气余热预热无法识别废铝种类和成分的原料，随后通过传送带投入熔化炉中；
14.步骤2，重熔：将熔化炉升温至熔融温度，保温；
15.步骤3，熔体成分测试：待原料完全熔化后，搅拌熔体，并取样测试熔体的合金成分；
16.步骤4，成分调整：通过合金成分中si、fe元素的测试结果，与预设的铝合金材料中si、fe元素含量对比，添加回收fe料和si锭，其余元素不做调整；
17.步骤5，熔体成分二次测试与转移：再次混合均匀之后第二次取样测试熔体的成分，以确保si、fe两种元素的含量达到设定要求，随后转移至精炼炉；
18.步骤6，熔体在线精炼与除气：调整熔体的温度，以高纯惰性气体为载体，添加精炼剂，进行精炼；
19.步骤7，细化与变质：精炼完成后，随后将al-sr-re复合变质剂和al-3b中间合金压入熔体，并轻微搅拌；
20.步骤8，熔体静置后扒渣，使用铸造成型设备或铸锭机铸造，获得高导热再生压铸铝合金铸件或铸锭。
21.优选地，所述步骤1中，废铝合金是指无法识别废铝种类和成分的原料。
22.优选地，所述步骤1中，预热是利用烟气的余热处理。
23.优选地，所述步骤2中，熔化炉的温度为750～780℃。
24.优选地，所述步骤6中，高纯氮气的纯度为99.00％，熔体温度为700～730℃。
25.优选地，所述步骤6中，精炼剂的添加量为熔体质量分数的0.1％，精炼时间15-35min。
26.优选地，所述步骤7中，精炼完成后熔体保温10～25min，al-sr-re复合变质剂和al-3b中间合金均经过预热，且al-sr-re复合变质剂和al-3b中间合金是使用ti合金钟罩压入熔体中的。
27.优选地，所述步骤8中，熔体静置15～30min后扒渣。
28.本发明的有益效果为：
29.1、本发明以废料占比95％以上，且品位较低的再生料为原料，通过简单的成分调整，达到压铸成型对si和fe元素的要求，具有成本低、工艺简单的特点。经过大量的调研发
现，再生铝熔体中的si含量≥5.5％，fe含量为0.5～1.1％。因此所添加的si和fe控制在4.5％之内。
30.2、采用sr和re复合变质共晶硅。为了减少sr的烧损和吸气倾向，以及变质的时效性，本技术采用al-sr-re的形式加入；为了不增加变质剂的加入量，al-sr-re中sr的含量与常用的al-10sr一致，同时提高re的含量至10～20％。sr、re的复合添加一方面有利于进一步提高熔体的成分过冷，促进共晶硅异质形核；另一方面，吸附在共晶硅生长台阶处，抑制si原子的迁移和长大，从而达到深度变质的目的。共晶硅的深度变质不仅有利于提高合金的强韧性，同时还可以大幅提高合金的导热系数。
31.3、采用加b的方式提高合金的力学性能和导热性能。b是al-si合金(si≥4.0％)中有效的细化剂之一，有利于提高合金的塑性。当熔体温度降低至660℃左右时，含b的al-si合金将l
→
al alb2共晶反应，同时形成大量的细小α-al晶核，从而达到细化晶粒的作用。为了减少sr、b之间的毒化作用，本技术将两种元素的含量都控制在较低的水平。
32.此外，b的加入对于提高铸件的导热系数也有明显的提高，其主要原因是b能与部分过渡元素cr、v、ti等元素形成硼化物，减少过渡元素在al基体中的溶解度，从而提高铸件的导热系数。
33.4、本发明制备的压铸件，其铸态的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到280～350mpa、120～150mpa、3～6％，导热系数可达到140w/(m
·
k)以上；t1热处理后，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到200～250mpa、100～130mpa、4-8％，导热系数不低于148w/(m
·
k)。
附图说明
34.利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
35.图1是本发明实施例1所制备得到的高导热再生压铸铝合金材料的金相图；
36.图2是本发明对比例3所制备得到的高导热再生压铸铝合金材料的金相图。
具体实施方式
37.为了更清楚的说明本发明，对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
38.以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
39.结合以下实施例对本发明作进一步描述。
40.实施例1
41.一种高导热再生压铸铝合金材料，按照重量百分比计算，包括以下成分：
42.si＝11％；fe＝0.9％；mn＝0.2％；zn＝0.8％；mg＝0.2％；ti＝0.001％，cr＝0.001％，ni＝0.001％，v＝0.001％，cu＝1.0％，sr＝0.03％，re＝0.05％，b＝0.015％，杂质元素总量0.12％，单个含量均低于0.05％，其余为al。
43.上述高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
44.(1)投料：利用烟气余热预热无法识别废铝种类和成分的原料，随后通过传送带投入熔化炉中；
45.(2)重熔：将熔化炉温度升至780℃，保温。
46.(3)熔体成分测试：待原料完全熔化后，搅拌熔体，并取样测试熔体的合金成分。
47.(4)成分调整：重点关注熔体中的si、fe元素，添加回收fe料和si锭，其余元素不做调整。
48.(5)熔体成分二次测试与转移：取样第二次测试熔体的成分，确保si、fe两种元素的含量达到设定要求；随后转移至精炼炉；
49.(6)熔体在线精炼与除气：调整熔体温度至720℃，以纯度为99.00％的高纯氩气为载体，添加质量为熔体质量分数0.1％的精炼剂，精炼时间30min。
50.(7)细化与变质：精炼完成后熔体保温10min，随后用ti合金钟罩将经预热过的al-10sr-15re复合变质剂和al-3b中间压入熔体，并轻微搅拌。
51.(8)熔体静置20min后扒渣，直供铸造成型设备，获得高导热再生压铸铝合金铸件。
52.实施例2
53.一种高导热再生压铸铝合金材料，按照重量百分比计算，包括以下成分：
54.si＝10％；fe＝0.80％；mn＝0.05％；zn＝1.0％；mg＝0.22％；ti＝0.05％，cr＝0.04％，ni＝0.001％，v＝0.001％，cu＝0.001％，sr＝0.03％，re＝0.06％，b＝0.02％，杂质元素总量为0.08％,单个含量均低于0.04％，其余为al。
55.上述高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
56.(1)投料：利用烟气余热预热无法识别废铝种类和成分的原料，随后通过传送带投入熔化炉中；
57.(2)重熔：将熔化炉温度升至760℃，保温。
58.(3)熔体成分测试：待原料完全熔化后，搅拌熔体，并取样测试熔体的合金成分。
59.(4)成分调整：重点关注熔体中的si、fe元素，添加回收fe料和si锭，其余元素不做调整。
60.(5)熔体成分二次测试与转移：取样第二次测试熔体的成分，确保si、fe两种元素的含量达到设定要求；随后转移至精炼炉；
61.(6)熔体在线精炼与除气：调整熔体温度至710℃，以纯度为99.5％的高纯氮气为载体，添加质量为熔体质量分数0.1％的精炼剂，精炼时间25min。
62.(7)细化与变质：精炼完成后熔体保温15min，随后用ti合金钟罩将经预热过的al-10sr-20re复合变质剂和al-3b中间压入熔体，并轻微搅拌。
63.(8)熔体静置20min后扒渣，直供铸造成型设备，获得高导热再生压铸铝合金铸件。
64.实施例3
65.一种高导热再生压铸铝合金材料，按照重量百分比计算，包括以下成分：
66.si＝11.5％；fe＝1.0％；mn＝0.15％；zn＝0.001％；mg＝0.02％；ti＝0.01％，cr＝0.04％，ni＝0.001％，v＝0.004％，cu＝1.85％，sr＝0.04％，re＝0.05％，b＝0.01％，杂质元素含量0.15％，单个含量均低于0.05％，其余为al。
67.上述高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
68.(1)投料：利用烟气余热预热无法识别废铝种类和成分的原料，随后通过传送带投入熔化炉中；
69.(2)重熔：将熔化炉温度升至760℃，保温。
70.(3)熔体成分测试：待原料完全熔化后，搅拌熔体，并取样测试熔体的合金成分。
71.(4)成分调整：重点关注熔体中的si、fe元素，添加回收fe料和si锭，其余元素不做调整。
72.(5)熔体成分二次测试与转移：取样第二次测试熔体的成分，确保si、fe两种元素的含量达到设定要求；随后转移至精炼炉；
73.(6)熔体在线精炼与除气：调整熔体温度至700℃，以纯度为99.99％的高纯氩气为载体，添加质量为熔体质量分数0.1％的精炼剂，精炼时间20min。
74.(7)细化与变质：精炼完成后熔体保温20min，随后用ti合金钟罩将经预热过的al-10sr-13re复合变质剂和al-3b中间压入熔体，并轻微搅拌。
75.(8)熔体静置30min后扒渣，直供铸锭机，获得高导热再生压铸铝合金铸锭。
76.实施例4
77.一种高导热再生压铸铝合金材料，按照重量百分比计算，包括以下成分：
78.si＝9.8％，fe＝0.75％，mn＝0.1％，zn＝0.5％，mg＝0.2％，ti＝0.05％，cr＝0.02％，ni＝0.005％，v＝0.001％，cu＝0.80％，sr＝0.05％，re＝0.07％，b＝0.018％，杂质元素含量0.10％；单个含量均低于0.04％，其余为al。
79.上述高导热再生压铸铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
80.(1)投料：利用烟气余热预热无法识别废铝种类和成分的原料，随后通过传送带投入熔化炉中；
81.(2)重熔：将熔化炉温度升至770℃，保温。
82.(3)熔体成分测试：待原料完全熔化后，搅拌熔体，并取样测试熔体的合金成分。
83.(4)成分调整：重点关注熔体中的si、fe元素，添加回收fe料和si锭，其余元素不做调整。
84.(5)熔体成分二次测试与转移：取样第二次测试熔体的成分，确保si、fe两种元素的含量达到设定要求；随后转移至精炼炉；
85.(6)熔体在线精炼与除气：调整熔体温度至720℃，以纯度为99.99％的高纯氩气为载体，添加质量为熔体质量分数0.1％的精炼剂，精炼时间20＝min。
86.(7)细化与变质：精炼完成后熔体保温15＝min，随后用ti合金钟罩将经预热过的al-10sr-14re复合变质剂和al-3b中间压入熔体，并轻微搅拌。
87.(8)熔体静置15min后扒渣，直供铸锭机，获得高导热再生压铸铝合金铸锭。
88.对比例1
89.一种高导热再生压铸铝合金材料，制备步骤与实施例1相同，区别在于：
90.在制备过程中不添加细化剂和变质剂，即不进行实施例1的步骤(7)。
91.对比例2
92.一种高导热再生压铸铝合金材料，制备步骤与实施例1相同，区别在于：
93.在步骤(7)中只添加al-3b细化剂，不添加al-sr-re变质剂。
94.对比例3
95.一种高导热再生压铸铝合金材料，制备步骤与实施例1相同，区别在于：
96.在步骤(7)中只添加al-sr-re细化剂，不添加al-3b变质剂。
97.本发明将实施例1-4和对比例1-3制备的铝合金材料压铸成型分别对其压铸态和t1热处理后的拉伸力学性能和导热系数进行检测，结果如下表1：
98.表1铸件力学性能及导热系数统计表
[0099][0100]
由上表1能够看出，本发明制备的压铸件，其铸态的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到280～350mpa、120～150mpa、3～6％，导热系数可达到140w/(m
·
k)以上；t1热处理后，抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到200～250mpa、100～130mpa、4-8％，导热系数不低于148w/(m
·
k)。
[0101]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。