一种Al-Si合金材料及其生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铝合金材料，尤其涉及一种Al-Si合金材料；本发明还涉及这种 合金材料的生产方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济的不断发展，人们的生活水平和思想素质不断提高，对环境保护的意识 也越来越强。在当今节能减排的主旋律下，低排放已成为市场需求必然的趋势。铝是最常 用的轻金属之一，纯铝的比重小（约为2. 7g/cm3)为铁的35%。铝合金的比强度与合金结 构钢相当。铝及铝合金材料除密度小外，还具有一系列的优良性能：耐蚀性好、易成形、可表 面处理、可回收再生回用等。目前铝合金铸件已在汽车、航天、医药等领域中获得广泛应用， 随着铝合金产品性能提升的同时也正在逐步取代黑色金属制品。
[0003] 产品轻量化已成为当今节能的一个新方向，尤其是交通运输工具上。根据文献研 究，车身重量每降低1 %，燃油消耗将会下降〇. 6 % -1 %。从现有情况来看，汽车采用全铝车 身和碳纤维车身设计是大势所趋。但是，铝合金车身因其制造成本相对较低，更容易在普通 车型中普及，未来发展的空间更大。目前SUV汽车大量生产，其四驱传动箱等铝铸件要求有 良好的抗拉强度、硬度等力学性能，而目前国内对材料研发工作做得较少，还没有适合的标 准材料满足使用要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种力学性能好的Al-Si合金材料。
[0005] 本发明的第二个目的在于提供上述合金材料的制备方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的，一种Al-Si合金材料，主要成分及各成分的重量 百分含量为 Si :8· 70-9. 50 % ;Fe :0· 50-0. 60 % ;Cu :2· 70-3. 40 % ;Mn :0· 30-0. 50 % ;Mg : 0· 35-0. 45% ;Ti :0· 05-0. 10% ;Sr :0· 03-0. 05% ;Zn 彡 I. 20% ;其余为 Al。
[0007] 还包括不可避免的杂质，所述杂质及其重量百分含量为Ni彡0. 30%; Sn 彡 0· 10% ;Ca 彡 0· 003% ;Sb 彡 0· 005% ;P 彡 0· 002% ;Pb 彡 0· 20%。
[0008] 其余未提到的杂质元素的总含量< 0.25%，其余未提到的单个杂质元素含量 彡 0· 05%〇
[0009] 本发明的第二个目的是这样实现的，上述Al-Si合金材料的生产方法，所用原 料包括铝锭和回炉料，铝锭的成分及各成分的重量百分含量为Si :8. 70-9. 20% ;Fe : 0. 50-0. 58% ；Cu ：2. 80-3. 30% ；Mn ：0. 3〇-〇. 45% ；Mg ：0. 37-0. 47% ；Ti ：0. 06-0. 10% ；Sr ： 0. 04-0. 06 % ；Zn ^ I. 00 % ；Ni ^ 0. 20 % ；Sn ^ 0. 07 % ；Ca ^ 0. 003 % ；Sb ^ 0. 005 % ； P < 0. 002% ;Pb < 0. 10% ;其余为Al ;回炉料为一级回炉料，回炉料在原料中的重量百分 含量< 40% ;按照以下步骤进行：
[0010] (1)将铝锭和回炉料投入熔炼炉，熔化，等待铝水达到放水温度；
[0011] (2)放水前检测熔炼炉内铝水的化学成分和Sr元素的含量；
[0012] (3)将铝水放出到转水包内，若Sr元素的重量百分含量低于0.045%，则添加 Al-SrlO中间合金，加入Al-SrlO中间合金后通入惰性气体进行旋转除气，以降低铝水含氢 量，然后倒入保温炉；若Sr元素的重量百分含量不低于0. 045%，则直接倒入保温炉；
[0013] (4)将铝水从转水包倒入保温炉后，再次检测Sr元素的含量，若Sr元素的重量百 分比含量低于0.03%，则将铝水转出重复步骤（3)和（4)，直到Sr元素的重量百分比含量 不低于〇. 03%，则进行压铸，形成Al-Si合金材料。
[0014] 由于Sr元素为易烧损元素，根据监测，Sr元素在650_670°C温度下前3小时变化 不大，随后会以每小时约为5% -8%的烧损变化，因此，超过4小时必须对其进行化学成分 检测。
[0015] 步骤（4)中，压铸时铝水的浇铸温度为650-670°C。
[0016] 为了进一步提高合金材料的抗拉强度和硬度，将完成压铸的Al-Si合金材料进行 低温时效处理，处理温度控制在170-180°C，保温7小时。
[0017] 对于Al-Si压铸合金，国际上已有常用的标准及对应的成本含量做出规定，主要 包括美国标准ASTM B85;日本标准JIS H5302;德国标准DIN EN 1706;国标GB/T 15115 等。一般的根据含硅量将Al-Si合金分为三类，亚共晶Al-Si合金、共晶Al-Si合金和过共 晶Al-Si合金。娃含量越尚越能够提尚错水的流动性，有利于广品成型，也能提尚广品的抗 拉强度，但硅含量超过Al-Si合金二元共晶点后必须做变质处理降低板状初生硅和粗针状 共晶硅的形成，否则将大大降低产品的力学性能。另外当硅含量超过二元共晶点，硅含量越 高合金的熔炼温度也越高，能耗越多。过共晶Al-Si合金最突出的性能为耐磨性，主要用 于活塞等摩擦工作状态下的产品，目前国内使用过共晶Al-Si合金材料非常少，市场使用 率不高。
[0018] 本发明针对汽车行业用得最多的亚共晶Al-Si合金进行研究。使用广泛的亚 共晶Al-Si合金的硅含量一般在7-10 %，对比常用的亚共晶Al-Si合金材料如A380、 AlSi9Cu3(Fe)等材料的力学性能，最终选择了 AlSi9Cu3(Fe)牌号成分作为本次研究基础。 为了提高Al-Si合金的各种性能，通常通过加入其它合金元素改善其性能，采用较多的主 要元素有Cu、Fe、Mg、Μη、Zn。合金元素 Cu在Al-Si合金中能够增加合金的流动性且有一 定的固溶强化效果，有着明显的时效强化效果，通常Al-Si合金中铜含量在1. 5% -4. 0% ; 合金元素 Fe在Al-Si合金随含量增加会降低合金抗拉强度和断后延伸率，但Fe元素在 0. 5-0. 8%之间能够有效的改善合金铝液与模具的粘接；合金元素 Mg在Al-Si合金中随着 成分比例增加合金的抗拉强度也随之增加，但随Mg元素含量越高也会降低合金抗腐蚀和 焊接性;Mn元素的加入能够使Al-Mg化合物沉淀，改善Mg元素带来的合金抗腐蚀和焊接性 降低，同时Al-Mn化合物也能够溶解杂质Fe，减小Fe元素的有害影响。Mn元素的增加能够 提高Al-Si合金的抗拉强度但含量超过0. 8 %时会降低；Zn元素单独加入合金中存在应力 腐蚀开裂，当Zn元素成分在低于1 %时对合金的抗拉强度有一定的提高，且Zn元素能够改 善合金抗腐蚀能力。
[0019] 本发明研究人员通过对各种主要元素分析和不同元素成分比例分析，同时考虑 到生产时铝锭与回炉料使用安全范围对铝锭成分进一步优化控制，最终得出一组能够满足 使用要求的Al-Si合金材料的成分及各成分的重量百分含量。因为Fe元素在Al-Si合金 中为杂质元素，考虑到实际生产铝液粘模的风险，由于Fe元素在生产过程中不会烧损且在 精炼过程中容易带入，因此将Fe元素控制在0. 50-0. 58%范围；Cu元素对合金力学性能有 较高的提升，将Cu元素控制在2. 80-3. 30%范围内；Mg和Mn元素在合金中有相辅相成，考 虑到Mg元素在熔炼过程中有轻微烧损，因此将Mg元素成分控制到0. 37-0. 47%，Mn元素成 分控制在0. 30-0. 45% ;Zn元素在一定比例下对合金性能有利有弊控制在< 1. 00%。
[0020] 目前Al-Si合金常用变质剂主要有P和Sr两种元素，P元素变质会受到微量元素 Ca的影响，而Sr元素与Ca为同一族元素，化学性质相同，变质效果不会受Ca元素影响。本 发明选择了 Sr元素作为变质剂进行变质处理。Sr属于表面活性元素，在结晶学上Sr能够 改变金属间化合物金相，同时Sr变质的有效时间长，再现性好。由于Sr元素极易烧损，因 此，本发明将Sr含量控制在0. 03-0. 05%，这样可以使初晶硅减少至最低限度，力学性能得 到显著提高。另一种稀有金属元素 Ti在Al-Si结晶时成为结晶的非自发核心，能够细化铸 件组织，有利于提高合金力学性能。Ti元素在Al-Si合金中临界含量为0. 15%，为控制其 不超过临界点将Ti元素成分控制在0. 06-0. 10%。
[0021] 本发明具有如下有益效果：
[0022] 1、本发明通过对铝合金中不同元素及不同含量对力学性能优劣的影响的研究， 提出一种抗拉性能和硬度高的Al-Si合金材料，通过对该合金材料的主要成分及其含量的 限定，克服了现有合金材料由于成分含量不合理导致力学性能低的问题，提高了铝合金材 料的力学性能。
[0023] 2、本发明从材料金相着手使用变质剂对合金进行变质处理，细化晶粒，从而提高 了 Al-Si合金材料的力学性能。
[0024] 3、采用本发明Al-Si合金制备方法生产的Al-Si合金材料具有较强的力学性能和 硬度，抗拉强度平均达到330MPa，断后延伸率平均达到2. 0%以上，硬度可达95HB以上，可 满足使用需求。
[0025] 4、本发明Al-Si合金制备方法采用常规的生产步骤，原料易得，成本低，易于实 现。
【附图说明】
[0026] 图1为Sr元素同温度下烧损图。
[0027] 图2为未添加 Sr变质的铝合金材料金相组织图，ΙΟΟχ，（金相组织为a (Al) +针状 共晶娃+小块状初晶娃）。
[0028] 图3为本发明添加 Sr变质的铝合金材料金相组织图，IOOx (金相组织为a (Al) +点 状、短杆状共晶硅）。
[0029] 图4为本发明实施例生产的铝合金材料的试验力-时间曲线图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明实施例中，对合金成分的重量含量要求非常严格，其中生产中易带进的Fe 元素的偏差控制在〇. 08%内；熔炼时易烧损的Mg元素的偏差控制在0. 1 %内、Sr元素的偏 差控制在0.02%内。为了很好的控制这几种元素在合金材料中的含量，本发明采用以下 方法：Fe元素作为生产环节最容易带进的成分，应在铝锭阶段以下限控制Fe元素，其次在 熔炼、精炼等任何需接触铝水的铁质工具上刷隔热涂料以避免生产过程中引入Fe元素造 成成分超标。Mg和Sr为易烧损元素，对于Mg元素从固态熔化为液态烧损率约为5%，故铝 锭成分按上限控制即可满足一般生产。Sr从固态熔化为液态烧损率高达30%，生产过程中 及难控制，Sr元素同温度下烧损变化参见图1，图1中纵坐标表示Sr元素的百分含量，横坐 标表示不同阶段。由于Sr元素无论是在熔化、保温等环节都有烧损，因此铝锭可直接以比 标准Sr含量高30%控制，即铝锭中Sr元素含量为0. 04-0. 065%，在熔炼完后将铝水放出 到转水包内，若实测的Sr元素成分低于0. 045 %时必须添加 Al-SrlO中间合金，同样按照 30%烧损比例计算添加量。添加 Al-SrlO中间合金必须满足以下条件：1、铝水温度680°C 以上以保证Sr元素完好变质；2、因为Sr元素在熔化过程中会大量吸氢，因此加入Al-SrlO 中间合金后采用惰性气体进行旋转除气，以减少铝水含氢量。
[0031] 实施例1，一种Al-Si合金材料，所用原