一种高强度高塑性的挤压铸造铝合金及其制备方法

本发明涉及铝合金及其制备领域，尤其是一种高强度高塑性的挤压铸造铝合金及其制备方法。

背景技术：

1、铝合金具有密度低、比强度高、良好的导电导热性能、可回收再利用等优点，广泛应用于汽车、轨道交通、机械设备等领域，用于制造各种承载受力结构件。随着汽车、轨道交通、机械设备轻量化的发展，对铝合金零部件的综合力学性能也要求更高，如较高的强度和塑性，以提高安全性和使用寿命。挤压铸造是将铝合金液在挤压力的直接作用下进行凝固成型的技术。挤压铸造技术具有强力补缩功能，非常适合于生产高强度的铝合金零部件。

2、公布号为cn112375941a的发明专利文献阐述了《一种挤压铸造铝合金材料及其制备方法》，其公开的铝合金材料的抗拉强度为329.85-354.23mpa，屈服强度为222.07-224.88mpa，伸长率为2.64-2.8％。

3、公布号为cn108251714a的发明专利文献阐述了《一种挤压铸造高强韧铝合金及其挤压铸造方法》，其公开的铝合金材料的抗拉强度为351.4-395.1mpa，屈服强度为303.8-345.2mpa，伸长率为6.2-7.2％。

4、公布号为cn108796317a的发明专利文献阐述了《一种适用于新能源汽车的可半固态挤压铸造铝合金及制备方法》，其公开的铝合金的抗拉强度大于420mpa，屈服强度大于380mpa，导热系数大于160w/m·k，但延伸率低于1％。

5、从生产实践和文献资料检索结果来看，目前挤压铸造铝合金的强度和塑性之间存在相互制约、此消彼长的矛盾的问题，即现有挤压铸造铝合金要么存在强度高塑性低，要么塑性高强度低，使得现有挤压铸造铝合金的强度和塑性无法满足各种承载受力结构件轻量化发展对高强度高塑性的挤压铸造铝合金的要求。因此，现有挤压铸造铝合金及其制备方法仍有待改进和发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高强度高塑性的挤压铸造铝合金及其制备方法，通过科学设计挤压铸造铝合金的成分组成和制备工艺，同时提高挤压铸造铝合金的强度和塑性，使得该挤压铸造铝合金满足各种承载受力结构件轻量化发展对高强度高塑性的挤压铸造铝合金的需求。

2、本发明采用的技术方案如下：一种高强度高塑性的挤压铸造铝合金，该铝合金由以下质量百分比的成分组成：si(6.5-7.5％)，mg(0.25-0.45％)，ti(0.08-0.12％)，sr(0.01-0.03％)，fe不超过0.15％，其余为al和不可避免的其他杂质。

3、其中，s i和mg是挤压铸造铝合金的主要强化元素，si和mg可形成mg2si强化相，显著增强挤压铸造铝合金的强度，s i和mg的含量越高，挤压铸造铝合金的强度也越高，但s i和mg的含量过高，也会降低挤压铸造铝合金的塑性。作为优选地，s i含量为6.5-7.5％，mg含量为0.25-0.45％。

4、t i是以铝钛合金形式存在于挤压铸造铝合金中，主要作用是细化粗大的树枝状α-al晶粒，改善铝合金的组织成分均匀性，提高铝合金的铸造流动性、强度和塑性。t i含量太低，晶粒细化效果不明显；但ti含量太高也不会显著提高晶粒细化效果，反而会增加生产成本。所以作为优选地，t i含量为0.08-0.12％。

5、sr是以铝锶合金形式存在于挤压铸造铝合金中，主要作用是细化变质共晶si相。共晶s i相在铝合金中通常是以粗大片状分布在铝合金基体中，这种粗大片状共晶s i相会严重割裂铝合金基体，是导致挤压铸造铝合金强度低，特别是塑性低的重要原因。添加0.01-0.03％的sr，使挤压铸造铝合金中共晶si的形态从粗大片状转变为细小均匀的颗粒状或纤维状，可显著提高挤压铸造铝合金的强度和塑性。

6、fe是挤压铸造铝合金中不可避免的杂质元素，在铝合金中通常以粗大针状富fe相形式分布在铝合金基体中，粗大针状富fe相会严重割裂铝合金基体，是导致挤压铸造铝合金强度偏低、特别是塑性较低的重要原因。因此，杂质元素fe的含量必须严格控制，使fe的含量≤0.15％。

7、进一步地，其它杂质中，单个元素占比不超过0.05％，总量不超过0.15％。

8、一种铝合金的制备方法，制备所述的高强度高塑性的挤压铸造铝合金，包括以下步骤：

9、s1：按铝合金的成分组成及质量百分比熔炼配制铝合金液，并将铝合金液的温度升高至700-730℃；

10、s2：以氩气为载体，载流精炼剂，对铝合金液采用喷吹精炼的方式进行除渣处理，然后除去铝合金液表面的浮渣；具体的，采用氩气为载体，通过喷粉罐将粉末状的精炼剂喷吹进入铝合金液中进行精炼除渣；

11、s3：以鼓泡方式向铝合金液通入由氩气和氯气组成的混合气体进行除氢处理；

12、s4：将铝合金液通过挤压铸造形成铝合金；

13、s5：将铝合金进行固溶和时效处理，得到高强度高塑性的挤压铸造铝合金。

14、进一步地，在步骤s1中，提供相应元素的原料可以纯铝锭、纯镁锭、铝硅合金、铝钛合金和铝锶合金，经计算和称重后，选择熔炉将原料熔化成铝合金液，随后将铝合金液的温度升高至700-730℃，该温度范围既能保证铝合金液具有较高的流动性，还能降低铝合金液因温度过高发生的氧化损坏，达到降低铝合金液的氧化烧损的目的。

15、需要说明的是，铝合金液中的夹杂物主要是氧化物，尤其是氧化铝，主要来源于铝锭、镁锭、合金等原材料表面的氧化物膜(氧化铝膜)和熔炼过程中铝合金液氧化产生的氧化物(氧化铝)，其他夹杂物还包括非铝物料的燃烧产物和炉衬脱落的碎渣等。这些夹杂物如果留在挤压铸造铝合金内，将形成疏松，会割裂铝基体，破坏铝合金的组织连续性，使局部产生应力集中，成为挤压铸造铝合金断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，最终降低挤压铸造铝合金的强度和塑性。为此，需要对铝合金液进行精炼。

16、进一步地，在步骤s2中，氩气的纯度不低于99.99％，以防止其他气体与铝合金液中元素产生反应生成化合物；即为了获得较好的除渣效果，同时又不引起铝合金液吸氢和氧化或其他化学反应，需要选用纯净度高的氩气作为载流气体。需要特别指出的是，氩气相对于常规使用的氮气，氩气不会与铝合金液发生反应，更不会产生氮化铝夹杂在铝合金液中，从而不会产生含氮化铝的铝渣。

17、进一步地，在步骤s2中，精炼剂的用量占铝合金液重量的0.1-0.2％，喷吹精炼时间为10-20min，以保证精炼除渣效果，还能降低生产成本；具体的，精炼剂的用量不能太少，精炼时铝合金液的温度不能太低，精炼时间不能太短，否者除渣效果不理想。精炼剂用量也不能太多，炼时铝合金液的温度不能太高，精炼时间也不能太长，否者会导致增加铝合金液的氧化和吸氢，并增加生产成本。

18、进一步地，在步骤s3中，氩气的纯度不低于99.99％，所述氯气的纯度不低于99.99％，所述混合气体中氯气的体积百分比为10-15％；所述混合气体的流量为1-2m3/min，所述除氢的时间为10-20min。具体的，铝合金液中的气体主要是氢气，主要来源于熔炼过程中铝合金液与水汽的反应，包括空气中含有的水汽、炉料和燃气带入的水分等。未除气前，铝合金液的含氢量通常在0.3-0.5ml/100gal。氢在铝合金液中主要以原子或离子态分布在铝原子间隙中，少量以分子态气泡形式悬浮在铝合金液中。氢在铝合金液中的溶解度随温度的降低而逐渐下降。氢在固态铝中的溶解度很低，在铝合金液凝固过程中，大量的氢原子逐渐在晶间富集形核和长大，最后膨胀形成氢气孔。该步骤s3能够有效对铝合金液进行除氢处理，使得大量的氢析出，避免氢保留在挤压铸造铝合金中形成氢气孔，提高挤压铸造铝合金的致密度，防止氢气孔割裂铝基体，破坏铝合金的组织连续性；避免局部产生应力集中，防止应力成为挤压铸造铝合金断裂的裂纹源和裂纹扩展方向；最终提高和保证挤压铸造铝合金的强度和塑性。另外，在混合气体中加入氯气，由于氯气性质活泼，易于铝合金液中的氢原子结合带走铝合金液中氢，因而能显著提高除氢效果，并且混合气体中氯气的体积百分比越高，除氢效果也越好。

19、进一步地，在步骤s3中，鼓泡的方式除去铝合金液中的氢气，一方面气泡上浮时对铝合金液还有搅拌作用，避免了炉内铝合金液存在除氢的死角，提高了铝合金液的除氢效率。实现鼓泡的结构可以在熔炉的炉底安装多个多孔的透气砖，然后通过透气砖向炉内的铝合金液中通入由氩气和氯气组成的混合气体，混合气体经过多孔的透气砖后被分解成细小均匀的小气泡，小气泡在上浮过程中捕获铝合金液中的氢气，然后上浮带出铝合金液，起到除气作用。均匀安装有多个多孔透气砖，加上透气砖将混合气体分解成细小均匀的小气泡，使得气泡在铝合金液分布均匀。

20、进一步地，在步骤s4中，挤压铸造时，铝合金液的浇注温度为690-700℃，模具温度为350-400℃，挤压比压为100-150mpa，充型速度为0.5-0.8m/s，保压时间为5-10s。具体的，挤压铸造铝合金的致密度和充型完整性与挤压铸造工艺密切相关，挤压铸造工艺组合不合理，将得不到组织致密和充型完整的挤压铸造铝合金；同样无法获得高强度高塑性的挤压铸造铝合金。本发明通过大量实验研究，发现在铝合金液浇注温度为690-700℃、模具温度为350-400℃、挤压比压为100-150mpa、充型速度为0.5-0.8m/s、保压时间为5-10s条件下，可以获得组织致密和充型完整的挤压铸造铝合金。

21、进一步地，在步骤s5中，固溶处理是将铝合金在540-550℃的环境中加热2-3h，然后水冷至室温；时效处理是将固溶处理后的铝合金在160-170℃环境中加热3-4h，然后随炉冷却至室温。具体的，固溶和时效是进一步提高挤压铸造铝合金强度的重要手段。传统挤压铸造铝合金的固溶和时效温度都比较低，不仅导致挤压铸造铝合金的生产效率低，还导致挤压铸造铝合金的强度和塑性达不到最佳的组合。本发明对固溶和时效工艺进行了大量的探索研究，将挤压铸造铝合金在540-550℃加热2-3h进行固溶，然后放入水中冷却至室温，再将挤压铸造铝合金在160-170℃加热3-4h进行时效，然后随炉冷却至室温，不仅可以大幅提高挤压铸造铝合金的强度和塑性，而且总的加热时间大幅缩短，不仅有利于降低挤压铸造铝合金固溶时效时的能耗和生产成本，还大幅提高了挤压铸造铝合金的生产效率。

22、进一步地，步骤s2中，喷吹精炼所用的精炼剂为粒径不大于2mm的粉末，由以下质量百分比的成分组成：45.1％zncl2，25.3％k2co3，7.6％nano3，11.5％kf，6.3％k2so4，4.2％l i2so4。

23、进一步地，该精炼剂可以在制备高强度高塑性的挤压铸造铝合金时同时制备，也可以预先制备后储存，待制备高强度高塑性的挤压铸造铝合金时使用；该精炼剂的制备包括以下步骤：

24、a1：将原材料按精炼剂的成分组成及质量百分比进行配料；

25、a2：在氩气保护下将原材料加热至1150℃熔化，然后冷却凝固成精炼剂块；

26、a3：将精炼剂块粉碎成粉末，得到所述精炼剂。

27、进一步地，步骤a1中的原材料纯度不低于99.8％；步骤a2中氩气的纯度不低于99.99％；精炼剂的粒径不大于2mm。

28、需要说明的是，铝合金液的除渣效果除了与精炼工艺相关外，还与精炼剂的成分组成及制备方法密切相关。现有市售精炼剂主要采用钠盐、氟盐、氯盐、六氯乙烷等原材料直接破碎混合而成，精炼剂的组分之间互相独立存在，使得精炼剂不仅熔点高，而且除渣效率低，即便使用大量的精炼剂，也不能获得高纯净度的铝合金液。为了提高精炼效果，本发明通过大量的实验探索研究，得到所述精炼剂，该精炼剂以zncl2和k2co3为主要成分，再配上少量的nano3、kf、k2so4和l i2so4，同时突破传统机械混合的制备方法，先将原材料在氩气保护下在1150℃加热熔化，然后再冷却凝固和粉碎成粉末状精炼剂，zncl2的熔点约为290℃，nano3的熔点为306.8℃，k2co3的熔点为891℃，kf的熔点为858℃，k2so4的熔点为1069℃，l i2so4的熔点为859℃，虽然k2co3、kf、k2so4、l i2so4的熔点较高，但通过熔化和凝固结晶，k2co3与kf形成熔点仅为688℃的kf·k2co3共晶体，k2so4与l i2so4形成熔点仅为716℃的k2so4·li2so4共晶体，使精炼剂的熔点大幅下降，使精炼剂在铝合金液中更容易熔解，zncl2分解出cl2，k2co3分解出co2，nano3分解出n2、co2和no气体，大量的气泡在上浮过程中捕获铝合金液中的夹杂物，起到高效的除渣作用。k2so4·l i2so4共晶体熔解成液态熔盐，对氧化铝等夹杂物具有很好的润湿球化作用，促进夹杂物与铝合金液的分离，能进一步提高除渣效率。另外，该精炼剂不含钠盐和六氯乙烷，只含少量氟盐，使用也更加环保。

29、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

30、本发明通过科学设计挤压铸造铝合金的成分组成和制备工艺，能够细化粗大的树枝状α-al晶粒和粗大片状共晶si相，从而提高铝合金液的纯净度，消除粗大树枝状α-al晶粒、粗大片状共晶si相、氢气孔和夹杂物对挤压铸造铝合金强度和塑性的危害，从而大幅提高挤压铸造铝合金的强度和塑性，使挤压铸造铝合金的抗拉强度不低于300mpa，屈服强度不低于270mpa，断后伸长率不低于8％，与同类型的a356、zl101挤压铸造铝合金相比，本发明公开的挤压铸造铝合金的强度提高了10％以上，塑性提高了50％以上。另外，本发明还大幅缩短了挤压铸造铝合金固溶和时效的加热时间，有利于减少固溶时效时的能耗，降低生产成本，提高挤压铸造铝合金的生产效率。