一种真空一体化压铸用高强韧免热铝合金及其制备方法与流程

本发明涉及铝合金材料，尤其涉及一种真空一体化压铸用高强韧免热铝合金及其制备方法。

背景技术：

1、轻量化是汽车行业发展的大趋势。车身常用轻质材料主要有超高强钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料、塑料等。其中，铝合金成本相对较低、性能优良、密度小、耐腐蚀、导热性能佳、比强度高、熔点低，是汽车轻量化的首选材料。

2、目前，壳体、散热类的轻量化替代早已由压铸铝合金完成，底盘零部件的主流材质仍然为铸铁和冲压钢材，铝合金是最重要的轻量化替代材质。铝合金铸件尤其是压铸件，越来越向着大型化、复杂化、一体化的方向发展，一体化压铸在特斯拉等新能源车企的引领下，开发和应用进程日趋加速。特斯拉一体化压铸后地板、前机舱已经在model y上批量应用，下车体及整个白车身一体化压铸的开发工作也在规划开发之中。

3、汽车大型结构件对铝合金材料的性能提出了新的要求，要求在非热处理条件下即可获得高的强度，另外出于自冲铆接(spf)等连接技术的要求，或者出于耐冲击性能的要求，对材料的延伸率也提出了更高的要求。传统的压铸铝合金，如yl102强韧性均不能满足要求；yl101、yl104强度尚可，韧性无法满足要求；yl112、yl113为al-si-cu系合金，加入了2-4％的铜元素，强度稍显不足，韧性无法满足要求，而且材料成本大幅上升，主要用于耐热铸件的使用；yl302为al-mg系铸造铝合金，铸造性能偏差，无法满足铝合金压铸件日趋大型化、复杂化、一体化的趋势。

4、此外，需要特别指出的是：在al-si合金中，一般是将cu、mg、mn作为主合金元素，将zn作为杂质元素进行控制，这是因为含zn量较低时，强化效果并不明显，而含zn量过高时，会使合金热裂性增加，耐腐蚀性能降低。

5、如cn115961183a公开了一种免热处理高强韧压铸铝合金及其制备方法与制品，包括下述质量百分比含量的组分：7.0～10.0wt.％的硅，不大于0.05wt.％的铜，不大于0.4wt.％的镁，0.3～0.7wt.％的锰，不大于0.2wt.％的铁，不大于0.07wt.％的锌，不大于0.2wt.％的钛，0.015～0.03wt.％的锶，0.01～0.1wt.％的钒，0.01～0.1wt.％的锆，其他不可避免的杂质元素单个不大于0.05wt.％，其他不可避免的杂质元素总和不大于0.25wt.％，其余为铝。抗拉强度为270～300mpa，屈服强度120～150mpa，伸长率为12～17％。

6、cn116200635a公开的低碳免热处理的高压铸造铝合金包括：6.0～7.5重量％的硅；0.15～0.3重量％的铁；0.02～0.1重量％的铜；0.02～0.15重量％的锌；0.4～0.6重量％的锰；0.02～0.15重量％的铬；0.1～0.4重量％的镁；0.02～0.1重量％的钒；0.02～0.1重量％的钛；0.01～0.03重量％的镓；0.01～0.03重量％的锶；0.02～0.3重量％的稀土单个杂质元素最多0.03重量％，其余为铝。

7、以上专利虽然也能达到一体化压铸铝合金对延伸率及强度的要求，但是铁含量及锌含量上限偏低，导致不能或者只能加入较少比例的再生废料，不利于减碳减排；加入了钒、稀土等较贵重的金属元素，导致成本偏高，且不利于循环回收利用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种真空一体化压铸用高强韧免热铝合金及其制备方法，解决现有的免热处理铝合金无法添加较高比例再生废料，不利于减碳减排的问题；添加较多贵重金属元素，成本偏高，且不利于循环回收利用的问题。

2、针对汽车大型结构件尺寸大、结构复杂、强韧性要求高，且难以热处理的特点，本发明提出了一种真空一体化压铸用高强韧免热铝合金，该合金属于al-si-zn-mg系，其由以下质量百分比的组分组成：

3、硅6.0～9.0wt％，锌4.0～6.0wt％，镁0.1～0.2wt％，锰0.2～0.3wt％，铁0.2-0.42wt％，锶0.01～0.04wt％，铬0.1-0.3wt％，铜≤0.6wt％，其余为铝和不可避免的微量杂质，其中微量杂质的单个元素的含量≤0.05wt％，且微量杂质的总量≤0.15wt％。

4、本发明根据材料的特点和铸造、加工要求，合理控制各元素范围，严格控制主要合金元素配比，特别时zn/mg比和mn/fe比。

5、si是本发明高强韧免热铝合金中的第一主要合金化元素，含量控制在6.0-9.0wt％，保证合金良好充型能力的同时，兼顾强韧性。含硅量低于6.0wt％时，合金强度未达峰值区域，且合金铸造性能偏差；含硅量高于9.0wt％时，强度增加有限，韧性降速增加。优选地，硅的含量为6.4～8.2wt％，进一步优选6.4～7.5wt％。

6、在本发明中，将zn做为al-si合金的主合金化元素，通过控制合理的添加比例，既能保证其固溶强化效果，同时将其负面作用控制在一定范围之内。

7、具体地，zn是本发明高强韧免热铝合金中的第二主要合金化元素，含量控制在4.0-6.0wt％。zn在al中固溶度高，固溶强化效果明显；含zn的α固溶体很稳定，在铸造冷却过程中不发生分解；含zn铝合金可通过人工或自热时效进一步提高性能；提高合金致密性，利于脱模。zn可以与mg生成mgznx多元强化相，其中x为al，si，mn中的一种或两种以上，mgznx多元强化相可以减弱mg的扩散能力，阻碍mg2si相的连续析出，增加材料的强度，一定程度上提升材料的耐蚀性。zn可以提高cu的溶解度，使得更多的cu溶解在a-al中，形成过饱和固溶体，提高材料的强度和塑性。优选地，锌的含量为4.4～5.92wt％，优选4.89～5.80wt％

8、mg是本发明高强韧免热铝合金中的第三主要合金化元素，含量控制在0.1-0.2wt％。mg会与si形成mg2si强化相，可以显著提高合金的室温强度，但是也会使合金的韧性显著降低；zn/mg比合适时，mg还会与zn形成mgznx多元强化相，mgznx多元强化相与mg2si相相比，强化效果更佳显著，对韧性的负面影响偏低。在本发明中，考虑到真空一体化压铸高冷速、铸造缺陷少的特点，将mg含量控制在0.1～0.2wt％的范围，将zn/mg比控制在20-60，优选27-54，含mg铸造al-si合金具备通过热处理或自然时效进一步提高其力学性能的潜力。

9、mn是本发明高强韧免热铝合金中的第四主要合金化元素，含量控制在0.2-0.3wt％，mn在本发明高强韧免热铝合金中的作用主要有三个，一是溶解杂质铁，形成(fe，mn)al6，减小铁的有害影响，二是防止粘模，提高模具寿命，三是作为强化元素，与铝形成mnal6相，四是提高合金抗腐蚀性能。在本发明高强韧免热铝合金中须严格控制mn含量范围和mn/fe比b为0.5-1.5，优选0.6-0.9。

10、fe是本发明高强韧免热铝合金中的第五合金化元素，含量控制在0.3-0.42wt％。fe在本发明高强韧免热铝合金中的主要作用是防止粘模，提高模具寿命。考虑到含fe相对合金韧性负面影响较大，因此须严格控制含量范围和mn/fe比为0.5-1.0。

11、sr是本发明高强韧免热铝合金中的第六合金化元素，含量控制在0.01-0.04wt％。sr在本发明高强韧免热铝合金中的主要作用是变质共晶si相和含fe相。在本发明专利中，考虑到含fe相的变质效果，在防止共晶si相过变质的前提下，将含sr量控制在较普通铸造铝硅合金的较高范围。

12、cr是本发明高强韧铝合金的第七合金化元素，含量控制在0.1-0.3wt％。cr在本发明高强韧免热铝合金中的主要作用是提高合金抗腐蚀性能，另外也有补充强化的效果。

13、cu在本发明高强韧免热铝合金中作为杂质元素进行控制，含量≤0.6wt％。cu在本发明高强韧免热铝合金中作为杂质元素，含量范围上限较其它杂质元素明显提高，主要是因为：1)在此含量范围之内，微量cu的存在既可以起到强化作用，改善耐腐蚀性能，对韧性的影响相对较小；2)实际铝锭生产中，可选废旧铝件使用范围显著增多。

14、本发明还提供一种上述的真空一体化压铸用高强韧免热铝合金的制备方法，包括以下步骤：

15、(1)按照比例准备原料备用，包括：重熔用铝锭、工业硅、纯锌锭、纯镁锭、alfe10中间合金、almn10中间合金、alsr10中间合金、alcr5中间合金等。

16、(2)熔铝炉内按比例投入重熔用铝锭、工业硅、alfe10中间合金、almn10中间合金、alcr5中间合金，炉温控制在770-780℃并加热至充分熔化，得到第一合金液；

17、(3)在第一合金液中按比例加入纯锌锭、纯镁锭、alsr10中间合金，得到第二合金液；

18、(4)将第二合金液在线除气、除渣，过滤和铸造，得到高强韧免热铝合金材料。

19、进一步地，在步骤(4)中，所述除渣时调整熔炉温度至710-730℃，加入3wt‰精炼剂进行净化处理。

20、进一步地，在步骤(4)中，所述精炼剂采用cn109306412a中公开的精炼剂。

21、进一步地，在步骤(4)中，所述除气为炉内除气；所述炉内除气时调整熔炉温度至690-710℃，使用氮气进行炉内除气。

22、进一步地，在步骤(4)中，所述炉内除气的氮气出口压力为0.4-0.6mpa，除气时间不少于50min。进一步地，所述在线除气的除气机转速为460-500rpm，氮气流量为15-25lpm；在线除气前，除气箱进行预热处理，温度为350-450℃。

23、进一步地，在步骤(4)中，所述铸造为浇铸，浇铸温度为660-690℃，浇铸速率为30-50hz。

24、在原材料选用方面，本发明高强韧免热铝合金，与美铝c611等免热合金比较，fe、zn、cu元素上限提高，因此在原材料选用方面，可以选择更高的再生铝添加比例；与莱茵菲尔德castsail-37等免热合金比较，没有添加mo、v、zr等较贵重的合金化元素。考虑到以上两点，本发明高强韧免热铝合金与其它免热铝合金相比，在保证使用性能的同时具有明显的成本优势。

25、在净化处理方面，本发明通过对铝液中非金属夹杂物、氧化物及含气的高效去除，保证铝液具有较高的纯净度，避免因铝液中含气量的净化处理效果不好，导致后期不良品的产生。

26、在浇铸工艺方面，本发明提供了适宜的浇铸温度和浇铸参数，保证该合金具有均匀、致密的晶粒组织。

27、本发明的优点和有益效果：

28、本发明高强韧铝合金材料主要应用于大尺寸、结构复杂、强韧性要求较高，且难以热处理的汽车大型结构件的生产，在无须热处理的情况下，即可满足抗拉强度≥270mpa、屈服强度≥130mpa、伸长率≥10％的汽车结构件生产需求，该合金技术可突破低碳再生免热合金产业化推广技术瓶颈，从而促进高性能结构件用铝合金材料的国产化生产。