一种高强度可阳极氧化压铸铝合金及其制备方法与流程

本发明属于铝合金
技术领域：
，具体涉及一种高强度可阳极氧化压铸铝合金及其制备方法。
背景技术：
：铝及其合金表面很容易生成一层极薄的非晶氧化铝膜，使铝件表面失去原有的光泽度。此外，氧化膜疏松多孔且容易沾染污迹。因此，铝及其合金制品通常需要进行阳极氧化。目前市场上也有大量可用的可阳极氧化铝合金结构件，但其工艺均采用铝板通过大量cnc设备来完成产品的加工，其加工成本相对较高，生产效率很低，制作成本较高，同时原材料浪费多，不环保。压铸件虽然生产成本低且效率高，但是普通压铸用铝合金阳极氧化效果极差，压铸铝合金从良好的铸造性能和机械性能的角度看，以al-si-cu系合金(adc12)为代表的压铸铝合金用量最多，但是adc10和adc12合金由于受si和cu的影响，难以获得均匀的阳极氧化膜。目前市场上以adc6为代表的高强度可阳极氧化压铸铝合金色泽不正，亮度欠佳，其流动性和压铸性能较差，无法用于压铸工艺薄壁复杂结构件的生产。铸造材和压铸材由于形状不同在铸造时的熔液流动与冷却速度差异，其结晶也不同，同时在熔炼过程中夹杂物和氢气含量都会影响合金的阳极效果及力学性能，添加的合金化元素通过对合金组织的调控对阳极氧化膜颜色和外观影响比较大。针对以上问题，有必要提供一种具有良好压铸性能和优异的阳极氧化性能的高强度压铸铝合金，适用于对铝合金强度、压铸性能和阳极氧化性能要求较高的薄壁类壳体构件。技术实现要素：本发明的目的是提供一种具有良好压铸性能、高强度和优异的阳极氧化性能的压铸铝合金，适用于对铝合金强度、压铸性能和阳极氧化性能要求较高的薄壁类壳体构件。根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种高强度可阳极氧化压铸铝合金，所述高强度可阳极氧化压铸铝合金由mg、mn、fe、zn、mo、zr、cr和al组成；优选的，本发明所述高强度可阳极氧化压铸铝合金按重量百分比计算，mg的含量为1.2～2.8wt％，mn的含量为1.0～4.0wt％，fe的含量为0.1～1.2wt％，zn的含量为1.5～3.5wt％，mo的含量为0.1～1.5wt％，zr的含量为0.2～1.5wt％，cr的含量为1.2～2.5wt％，余量为al；更有选的，本发明所述高强度可阳极氧化压铸铝合金按重量百分比计算，mg的含量为1.8wt％，mn的含量为3.0wt％，fe的含量为0.8wt％，zn的含量为2.2wt％，mo的含量为0.6wt％，zr的含量为1.2wt％，cr的含量为1.9wt％，余量为al。根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种高强度可阳极氧化压铸铝合金的制备方法，包括熔炼工序和压力铸造工序；所述熔炼工序具体步骤为：(1)以纯al锭作为合金中铝元素的原料，以al-10wt％mn中间合金作为合金中锰元素的原料，以al-10wt％fe中间合金作为合金中铁元素的原料，以al-70wt％mo中间合金作为合金中钼元素的原料，以al-5wt％zr中间合金作为合金中锆元素的原料，以al-10wt％cr中间合金作为合金中铬元素的原料，以纯mg锭作为合金中镁元素的原料，以纯zn锭作为合金中锌元素的原料，按上述铝合金成分的重量百分比称取相应的原料；所述al-10wt％mn中间合金代表中间合金中mn的重量百分数为10％；所述al-10wt％fe中间合金代表中间合金中fe的重量百分数为10％；所述al-70wt％mo中间合金代表中间合金中mo的重量百分数为70％；所述al-5wt％zr中间合金代表中间合金中zr的重量百分数为5％；所述al-10wt％cr中间合金代表中间合金中cr的重量百分数为10％；其中mg收得率为75～90％、zn收得率为70～85％、fe收得率为90～110％、mo收得率为70～85％、mn收得率为80～90％、zr收得率为70～85％、cr收得率为80～90％，配料时应注意。(2)将纯al锭、纯mg锭、纯zn锭、al-10wt％mn中间合金、al-10wt％fe中间合金、al-70wt％mo中间合金、al-5wt％zr中间合金、al-10wt％cr中间合金放入预热炉中预热到150～200℃，充分去除原料中存在的水分；(3)将预热后的纯al锭放入井式电阻坩埚炉中，升温至铝锭完全熔化，将金属熔液温度调至700℃，加入预热的纯mg锭和纯zn锭，保温15～30min，直至纯mg锭和纯zn锭全部熔化；(4)将金属熔液温度升至730℃，然后将预热的al-10％mn中间合金、al-10％fe中间合金、al-70％mo中间合金、al-5％zr中间合金、al-10％cr中间合金加入金属熔液中，保温35～40min，直至al-mn中间合金、al-fe中间合金、al-mo中间合金、al-zr中间合金、al-cr中间合金全部熔化；(5)将金属熔液温度升至750℃，加入六氯乙烷进行精炼除气，精炼过程中，精炼勺浸入金属熔液深度的2/3处，有序的由上至下搅拌金属熔液8～10min；采用泡沫陶瓷过滤器对金属溶液进行过滤，并且在过滤器表面涂上一层釉质活化涂层，通过泡沫陶瓷过滤器材料与夹杂物之间的交互作用充分的滤除铝合金熔体中的细小非金属夹杂物，利用该涂层的表面改性作用提高合金熔体过滤除杂的效率；过滤除杂后进行除氢，在除氢过程中采用底吹透气砖与脉冲式进气旋转喷吹联用技术，通过安装在冶金容器底部的透气砖吹入惰性气体搅拌金属溶液，可以加快冶金物化反应，促进夹杂物上浮，带走合金熔体内的氢气，同时惰性气体也能通过安装在合金熔体中的转杆和转头喷入到合金熔体内部，采用脉冲进气方式有利于产生射流，使气泡变小，并增加了气泡与熔体接触的比表面积，从而改善了除氢的动力学条件，有利于提高除氢效果，两种除氢技术的联合运用能够有效降低合金熔体的氢含量；精炼除杂、除气完毕后，将温度降至在730℃静止15～20min，进行扒渣去除浮渣得精炼后的高强度可阳极氧化压铸铝合金；压力铸造工序：将熔炼工序处理后的样品温度调至680～720℃，在压铸机上采用金属模具压铸成型，通过模温机将金属模具的温度调至200～250℃，设定低速速度为0.05～0.20m/s，高速速度为2-5m/s，铸造压力为50～100mpa。本发明在压力铸造工序中可根据产品体积大小确定浇注量，在上述压力铸造参数范围内进行参数调整。根据本发明的又一个方面，本发明所述高强度可阳极氧化压铸铝合金可用于制造薄壁类壳体构件。铝中的杂质元素及添加的合金化元素可以以两种形态存在于铝合金中，一种是进入铝原子配列当中成为固溶体，另一种是这些合金化元素与铝结合或这些合金化元素之间结合，成为金属间化合物，分布在铝合金的晶粒边界；固溶体可以与铝一样被氧化，对阳极氧化处理的影响很小，而金属间化合物残留在铝的阳极氧化膜中，改变了阳极氧化膜的颜色，使氧化膜的透明度下降。铝合金组织晶粒过大以及组织状态不均匀都会导致合金的阳极氧化处理性极其不良，尤其是杂质元素容易在熔炼过程中形成夹杂物，会在阳极氧化过程中形成黑点，导致氧化膜不连续。与现有技术相比，本发明具有如下优点：1)相对于现有技术，本发明革除了si和cu两元素，制备出的压铸铝合金可获得均匀的阳极氧化膜，克服了传统al-si-cu系合金(adc12)无法获得均匀的阳极氧化膜的缺点，而且保留了良好的铸造性能和机械性能；2)相对于现有技术，本发明主要严格的控制各合金元素的种类、含量及其添加形式，使zn和mg在压铸这种快冷条件下主要以固溶的形式存在于基体中，通过对mo和zr的含量进行调控，净化熔体，改善铸锭组织，合金元素mn和cr的加入可以在不影响合金阳极效果的条件下显著提高合金的强度，同时抑制粘模。在熔炼过程中然后对熔体进行过滤，通过釉质活化涂层表面改性的泡沫陶瓷过滤器材料与夹杂物之间的相互作用，提高合金熔体的过滤除杂的效率，在除氢过程中采用透气砖底吹与脉冲式进气旋转喷吹联用技术，能够有效降低合金熔体的氢含量，使合金的组织更加均匀，晶粒得到细化，从而使合金在获得高强度的同时兼具良好的压铸性能和优异的阳极氧化性能；3)本发明制备的高强度可阳极氧化压铸铝合金可在压铸机上采用模具压铸成型，直接得到所需产品，无需热处理和变形，大大降低了生产成本，适用于对铝合金强度、压铸性能和阳极氧化性能要求较高的薄壁类壳体构件；4)本发明优化了mg、mn、fe、zn、mo、zr、cr和al的组成比例，制备出的可阳极氧化压铸铝合金的综合性能在mg的含量为1.8wt％，mn的含量为3.0wt％，fe的含量为0.8wt％，zn的含量为2.2wt％，mo的含量为0.6wt％，zr的含量为1.2wt％，cr的含量为1.9wt％，余量为al时综合性能最优异。附图说明图1为高强度可阳极氧化压铸铝合金压铸成型的薄壁类壳体构件代表产品；图2为不同成分经过阳极氧化得到的产品对比图；图3为本发明制备的压铸件本体取样的典型拉伸曲线。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。实施例1：al-1.5mg-2.5mn-0.6fe-2.5zn-0.8mo-0.8zr-2cr高强度可阳极氧化压铸铝合金(即成分含量为：1.5wt％mg、2.5wt％mn、0.6wt％fe、2.5wt％zn、0.8wt％mo、0.8wt％zr、2wt％cr，余量为al)。(1)首先按照该铝合金的成分含量计算需要的纯al锭、纯mg锭、纯zn锭、al-10％mn中间合金、al-10％fe中间合金、al-70％mo中间合金、al-5％zr中间合金、al-10％cr中间合金质量；其中al-10％mn中间合金的成分含量为：10wt％mn，余量为al；al-10％fe中间合金的成分含量为：10wt％fe，余量为al；al-70％mo中间合金的成分含量为：70wt％mo，余量为al；al-5％zr中间合金的成分含量为：5wt％zr，余量为al；al-10％cr中间合金的成分含量为：10wt％cr，余量为al。mg收得率为75～90％、zn收得率为70～85％、fe收得率为90～110％、mo收得率为70～85％、mn收得率为80～90％、zr收得率为70～85％、cr收得率为80～90％。(2)备料及预热：4206g纯al锭、469g纯mg锭、735g纯zn锭、7353gal-10％mn中间合金、1500gal-10％fe中间合金、357gal-70％mo中间合金、5000gal-5％zr中间合金、5882gal-10％cr中间合金，125g六氯乙烷。然后将纯al锭、纯mg锭、纯zn锭、al-10％mn中间合金、al-10％fe中间合金、al-70％mo中间合金、al-5％zr中间合金、al-10％cr中间合金放入预热炉中预热到150～200℃。(3)纯al锭熔化:将全部4206g纯al锭以尽量紧密的方式放入井式电阻坩埚炉，加热升温，使纯al锭完全熔化，将金属熔液温度控制在700～750℃；(4)添加合金元素mg和zn：将金属熔液温度升至700℃，将预热的469g纯mg锭和735g纯zn锭加入金属熔液中，保温15～30min，直至纯mg锭和zn锭全部熔化；(5)添加合金元素mn、fe、mo、zr、cr：将金属熔液温度升至730℃，将预热的7353gal-10％mn中间合金、1500gal-10％fe中间合金、357gal-70％mo中间合金、5000gal-5％zr中间合金、5882gal-10％cr中间合金加入金属熔液中，保温35～40min，直至al-10％mn中间合金、al-10％fe中间合金、al-70％mo中间合金、al-5％zr中间合金、al-10％cr中间合金全部熔化；(6)精炼：将金属熔液温度升至750℃，加入125g六氯乙烷进行精炼除气，精炼过程中，精炼勺浸入金属熔液2/3处，有序的由上至下搅拌金属熔液8～10min；然后对熔体进行过滤，通过釉质活化涂层表面改性的泡沫陶瓷过滤器材料与夹杂物之间的相互作用，提高合金熔体的过滤除杂的效率，在除氢过程中采用透气砖底吹与脉冲式进气旋转喷吹联用技术，能够有效降低合金熔体的氢含量；精炼除杂、除气完毕后，将温度降至在730℃静止15～20min，进行扒渣。(7)压力铸造：将精炼好的高强度可阳极氧化压铸铝合金温度调至660～700℃，在压铸机上采用特定的模具压铸成型，通过模温机将金属模具的温度调至200～250℃，设定低速速度为0.05～0.20m/s，高速速度为2-5m/s，铸造压力为50～100mpa。(8)后加工：按正常压铸件进行整形、除毛边、机加、抛光等后加工。(9)阳极氧化：将经过后加工的样件按照脱脂-水洗-碱浸蚀-水洗-强酸洗-水洗-喷砂-化抛-水洗-硫酸阳极氧化-水洗-酸洗-水洗-上色-封孔-水洗-烘干的标准阳极氧化工艺进行处理，所得到的产品颜色均匀，色泽度很高，并且适用于各种颜色。实施例2组成：al-2.8mg-4.0mn-1.2fe-3.5zn-1.5mo-1.5zr-2.5cr高强度可阳极氧化压铸铝合金(即成分含量为：2.8wt％mg、4.0wt％mn、1.2wt％fe、3.5wt％zn、1.5wt％mo、1.5wt％zr、2.5wt％cr，余量为al)。原料和制备方法同实施例1。实施例3组成：al-1.8mg-3.0mn-0.8fe-2.2zn-0.6mo-1.2zr-1.9cr高强度可阳极氧化压铸铝合金(即成分含量为：mg的含量为1.8wt％，mn的含量为3.0wt％，fe的含量为0.8wt％，zn的含量为2.2wt％，mo的含量为0.6wt％，zr的含量为1.2wt％，cr的含量为1.9wt％，余量为al)。原料和制备方法同实施例1。对比例1与实施例3相比直接采取纯金属元素来替代合金，即采用纯锰金属替代al-10％mn中间合金，纯铁金属替代al-10％fe中间合金、纯钼金属替代al-70％mo中间合金，纯锆金属替代al-5％zr中间合金、纯铬金属替代al-10％cr中间合金，但制备出的压铸铝合金各元素含量相同(精炼导致的误差忽略)。对实施例1-3及其对比例1制备的压铸铝合金进行铸造性能检测，结果如表1：表1压铸合金的铸造性能注：adc12为市售的日本压铸铝合金；晶粒平均面积是在金相显微镜下观察通过网格法进行测量得出的。铸造性能结果表明，本发明在不添加si和cu两种金属元素的情况下流动性均较市售的adc12相当，但收缩率、晶粒大小和抗热裂性较adc12有所提高；实施例3制备出的压铸铝合金收缩性和流动性最为优异，抗热裂性较实施例1差，但晶粒平均面积远远小于实施例1(晶粒的平均面积越小表明合金的组织更加均匀，表明压铸铝合金的内外表面质量优异)；相比于对比例1(原料采用纯金属形式)，整体铸造性能均有很大提高；所以本发明配方在铸造性能上较传统的压铸铝合金在铸造性能上有所提高。对实施例1-3及其对比例1制备的压铸铝合金进行力学性能检测(在t4态下的拉伸强度及延伸率)，结果如表2：表2压铸合金的力学性能试验结果表明，采取合金形式制备的压铸铝合金(实施例1-3)较采取纯金属形式的添加方式(对比例1)制备出的压铸铝合金力学性能更为优异，尤其是实施例3；比较实施例1-3表明不同含量配比会影响压铸铝合金的拉伸强度和延伸率，从而影响压铸铝合金的力学性能(强度和塑性)，综合压铸性能(收缩率、流动性和抗热裂性)及其晶粒平均面积，本发明最终选定al-1.8mg-3.0mn-0.8fe-2.2zn-0.6mo-1.2zr-1.9cr高强度可阳极氧化压铸铝合金(即成分含量为：mg的含量为1.8wt％，mn的含量为3.0wt％，fe的含量为0.8wt％，zn的含量为2.2wt％，mo的含量为0.6wt％，zr的含量为1.2wt％，cr的含量为1.9wt％，余量为al)，而且采用al-10％mn中间合金、al-10％fe中间合金、al-70％mo中间合金、al-5％zr中间合金、al-10％cr中间合金的形式来添加mn、fe、mo、zr和cr元素。对比例2值得一提的是cr元素常在压铸铝合金中最为杂质元素或者微量元素来控制，当作为杂质元素控制时其含量通常为万分之几，甚至于百万分之几(例如cn105063442b或cn105821266a)；在前期研发过程中，本发明偶然添加1％以上的cr其拉伸强度和抗热裂性能得到大大提高。组成：al-1.8mg-3.0mn-0.8fe-2.2zn-0.6mo-1.2zr(记为s1，不含有cr元素)，al-1.8mg-3.0mn-0.8fe-2.2zn-0.6mo-1.2zr-0.5cr(记为s2，cr元素为0.5wt％)；与实施例3相比，元素的种类和数量除了cr含量不一致外，其余完全一致，来测试制备出的压铸铝合金的拉伸强度和抗热裂性能，结果见表3表3cr元素含量对压铸铝合金拉伸强度和抗热裂性能的影响以上试验结果与实施例3制备的样品相比，起拉伸强度和抗热裂性大大降低，s2中拉伸强度仅为实施例3的55.5％。对比例3由于添加的合金化元素通过对合金组织的调控，铝合金成分差别及杂质量大小将直接影响氧化膜的颜色及外观质量。本发明对相关元素含量进行调整，并对比于商用压铸铝合金牌号adc6、adc12的阳极氧化效果，各合金成分及编号如表4所示。在阳极氧化过程中为了更好的观察阳极氧化膜的颜色、均匀性及透光性，各合金均不进行染色处理，阳极氧化结束后直接进行封孔。表4合金编号及成分合金编号合金成分阳极效果1#(adc12)al-11si-0.4fe-3.2cu-0.2mg-0.4mn-0.7zn-0.4ni-0.2sn差2#(实施例3)al-1.8mg-3.0mn-0.8fe-2.2zn-0.6mo-1.2zr-1.9cr良好3#(实施例2)al-2.8mg-4.0mn-1.2fe-3.5zn-1.5mo-1.5zr-2.5cr良好4#(实施例1)al-1.5mg-2.5mn-0.6fe-2.5zn-0.8mo-0.8zr-2.0cr优良5#al-1.8mg-3.0mn-2.0fe-2.2zn-1.9cr很差6#(adc6)al-3.5mg-0.4zn-0.5fe-0.5mn-0.7si-0.2ti一般7#al-3mg-5mn-1.2fe-4.5zn-1.5mo-1.5zr-3.5cr较差根据相关行业人员已有结论并结合现有试验结果，我们揭示了相关合金元素对铝合金阳极氧化效果的影响规律。总体来说，合金元素含量越低，合金的阳极氧化效果越好，本发明实施例1-3中实施例2合金元素含量最高，其光泽度最低，实施例1合金元素含量最低，其阳极效果最好(阳极氧化效果见说明书附图2中的a图)。7号合金由于mg、mn、cr、zn这几种主要合金元素含量过高，使其组织均匀性和第二相的形貌及分布条件发生变化，导致其阳极氧化膜的均匀性和透光性降低。5号合金相(阳极氧化效果见说明书附图2中的b图)比于2号合金没有添加变质细化剂mo和zr，同时增加了fe元素的含量，导致合金组织不均匀，晶粒粗大，含铁第二相增多，其阳极氧化表面形貌明显恶化，在表面生成大量黑色物质，阳极效果最差。而adc12由于si和cu含量过高，难以获得均匀透光的氧化膜。在阳极氧化时硅不会被氧化或溶解，部分进入膜层使膜呈暗灰色，当si含量大于2％时，阳极氧化膜呈灰色甚至是黑灰色，含硅10％～12％的铸铝合金所生成的膜层呈不均匀的色调，当cu含量较高时将会生成cual2第二相，在阳极过程中极易溶解，使膜层较薄且厚度不均匀，孔隙率高，硬度低，无光泽，着色效果差，严重时出现疏松的膜层。adc6(阳极氧化效果见说明书附图2中的c图)镁含量较高，当镁含量低于3％时以固溶体形式存在，对膜层质量影响不大，而当其含量高于3％时，合金会析出含镁第二相，它在阳极时容易溶解，使成膜效率低，膜层薄，均匀性较差。因此，综合来看，本发明通过对合金元素种类的挑选及含量的控制，获得了一种具有优良阳极效果的铝合金，能够满足消费电子壳体外观要求。本发明附图1为采用高压压力铸造的薄壁手机壳后盖压铸件，可以看到该铸件充型完整，轮廓清晰，表面未见明显裂纹，表明该合金具有优良的流动性和抗热裂性，由于该合金凝固收缩率较低，在凝固过程中对型腔的包紧力较小，较高的mn含量能够抑制粘模，从而使压铸件能够顺利脱模，同时不产生顶出变形，获得较高的尺寸精度。本发明附图3为本发明制备的压铸件本体取样的典型拉伸曲线，由图可以看出可阳极铝合金的强度达到300mpa以上，通过对大量元素的添加，以及zr和mo元素的变质细化作用，显著提升材料的抗拉强度，使其远远高于市面上普通的可阳极铝合金200mpa。本发明的优势：相对于现有技术，本发明主要严格的控制各合金元素的种类、含量及其添加形式，使zn和mg在压铸这种快冷条件下主要以固溶的形式存在于基体中，通过对mo和zr的含量进行调控，净化熔体，改善铸锭组织，合金元素mn和cr的加入可以在不影响合金阳极效果的条件下显著提高合金的强度，同时抑制粘模。在熔炼过程中然后对熔体进行过滤，通过釉质活化涂层表面改性的泡沫陶瓷过滤器材料与夹杂物之间的相互作用，提高合金熔体的过滤除杂的效率，在除氢过程中采用透气砖底吹与脉冲式进气旋转喷吹联用技术，能够有效降低合金熔体的氢含量，使合金的组织更加均匀，晶粒得到细化，从而使合金在获得高强度的同时兼具良好的压铸性能和优异的阳极氧化性能。尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。当前第1页12