阅读说明：本技术 一种再生铝合金及其制备方法 (Regenerated aluminum alloy and preparation method thereof ) 是由 张素卿 孙翠翠 周吉学 马百常 庄海华 宋晓村 王美芳 吴建华 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于铝合金领域,涉及一种再生铝合金及其制备方法。再生铝合金成分主要包括：Si 6.5～17％,Fe 1～5％,Mn 0.5～1.5％,杂质元素0～1％,余量的Al。再生铝合金的制备方法：将废旧铝材熔化,通过添加Al-Fe,Al-Si,Al-Mn等中间合金及纯Al调节铝液成分来达到成分要求,经精炼、保温后,浇注,对熔体施加机械振动,待温度降至半固态温度区间时,进行流变挤压铸造,最终获得一种再生铝合金。本发明通过机械振动、流变挤压铸造,制备了一种综合性能好,可保级利用的再生铝合金,制备方法具有工艺简单,成本低等优点。(The invention belongs to the field of aluminum alloy, and relates to a regenerated aluminum alloy and a preparation method thereof. The regenerated aluminum alloy mainly comprises the following components: 6.5-17% of Si, 1-5% of Fe, 0.5-1.5% of Mn, 0-1% of impurity elements and the balance of Al. The preparation method of the recycled aluminum alloy comprises the following steps: melting waste aluminum materials, adjusting the components of aluminum liquid by adding intermediate alloys such as Al-Fe, Al-Si, Al-Mn and the like and pure Al to meet the component requirements, refining, preserving heat, pouring, applying mechanical vibration to a melt, and performing rheo-extrusion casting when the temperature is reduced to a semi-solid temperature range to finally obtain the regenerated aluminum alloy. The invention prepares a recycled aluminum alloy with good comprehensive performance and guaranteed utilization through mechanical vibration and rheo-extrusion casting, and the preparation method has the advantages of simple process, low cost and the like.)

一种再生铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体而言，涉及一种再生铝合金及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

铝合金由于具有密度低、强度高、塑性好，优良的导热、导电、抗蚀性等优点，而被广泛应用到航空航天、交通运输、建筑、汽车等各个领域。随着经济的快速发展，铝合金的消耗量逐年增加，成为仅次于钢铁的第二大金属材料。在能源日益短缺、环保政策日益严格的大环境下，要大力促进铝合金的循环再利用。

铝及铝合金的产品制造产生的边角料、报废品以及完成使用期限的废品统称为废杂铝，包括工艺边角料、报废汽车、废旧易拉罐、废旧铝合金门窗等。废杂铝由于来源广、杂质含量高等，造成再生铝合金产品面临降级使用、附加值不高等问题，产生了资源能源的浪费。因此，改善再生铝合金的综合性能，实现其保级利用是本领域技术人员急需研究的问题。

再生铝合金的晶粒粗大，成分偏析，存在气孔、缩松等铸造缺陷，严重影响合金性能，使得材料废品率较高。此外，Fe元素在铝合金中一直被认为是危害最大的杂质元素，并随着再生铝的生命循环次数的增加，含量逐渐增加。由于Fe在铝中的固溶度仅为0.05wt.％，大部分的Fe均在铝基体中形成了粗大狭长的针片状脆性富Fe相，对铝合金基体产生了严重的割裂作用，造成铝合金制品的塑性、韧性等明显下降。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种综合性能好的再生铝合金，其具有优良的综合力学性能，较高的强度，且不含贵金属，成本低，具有较好的经济效益。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种再生铝合金，由如下质量百分数的化学成分组成：Si 6.5～17％，Fe 1～5％，Mn 0.5～1.5％，余量Al和不可避免的杂质。

元素Si通常做铝合金中的一种基本元素，加入适量的Si能大幅改善铝合金的流动性和耐蚀性能。加入Fe元素，当形成的富Fe化合物呈汉字状、树枝等形态时，常作为基体强化相，可以提高合金的耐磨性、高温性能及力学性能。元素Mn的加入可有效改善富Fe相的形貌，Mn元素与Fe元素的原子尺寸相近，易与Fe形成置换固溶体，在含Fe的Al-Si合金中加入Mn元素，可置换富Fe相中的Fe，改变富Fe相的晶体结构和优势生长取向，从而消除针状富Fe相。

本发明的第二个方面，提供了一种再生铝合金的制备方法，包括：

将废旧铝材熔化，向其中加入中间合金及纯Al使其化学成分组成达到目标含量，待熔化均匀后进行精练、保温、搅拌；

在凝固冷却过程中施加机械振动，降温至半固态温度区间进行流变挤压铸造；

所述目标含量为再生铝合金由如下质量百分比的化学成分组成：Si 6.5～17％，Fe 1～5％，Mn 0.5～1.5％，余量Al和不可避免的杂质。

该方法在熔体凝固冷却过程中施加机械振动，机械振动促进金属液形核、破碎枝晶(晶粒细化)、减小合金偏析(均化组织)、促进渣气析出和上浮(除气除杂，净化熔体)、增强金属液体补缩(密度提高)等，同时还会影响合金中第二相的形态、大小及分布，从而使铸件金相组织得以改善，铸件综合性能得到提高。

同时在熔体冷却至半固态温度区间时，采用流变挤压铸造。流变挤压铸造成形工艺集合了挤压铸造和半固态加工技术的双重优势。半固态金属粘度高于液态金属，以层流方式充型，能减小甚至消除气体的卷入量，从而减少气体夹杂，降低气孔率。半固态金属在浇注时已经含有相当分数的固相球状颗粒，可以降低缩孔、缩松的概率。挤压铸造由于在较高压力下凝固，且产生了塑性变形，因此能够有效地减少显微缩松、宏观缩孔，细化晶粒，改善合金表面质量。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供了一种再生铝合金材料，其可实现再生铝合金的保级利用，综合力学性能优异，抗拉强度363MPa，延伸率可达2.45％，其强度优于目前常见的再生铝合金。

(2)本发明采用了一种新的铸造技术，即机械振动+流变挤压铸造。其显著的特征是，采用最优的机械振动条件制备出半固态浆料，然后再利用流变挤压铸造。

(3)本发明的铸造技术，可以有效地细化再生铝合金晶粒及第二相的大小分布，不需要添加过多合金元素，而引入不必要的杂质。

(4)本发明的再生铝合金的制备方法简单，流程短，能源消耗低，成本低，且不需要特殊设备即可获得综合性能优异的再生铝合金。

(5)本发明的方法简单、成本低、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1合金的金相组织照片:(a)重力铸造合金的微观组织；(b)机械振动+流变挤压铸造合金的微观组织。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释

本申请中，纯Al、Al-10Fe、Al-10Mn、Al-30Si皆以质量分数计。

一种再生铝合金，其化学成分按质量百分数计包括：Si 6.5～17％，Fe 1～5％，Mn0.5～1.5％，余量Al和不可避免的杂质。

一种再生铝合金的制备方法，该制备方法创新性，工艺简单，制备流程短，包括：熔炼-机械振动-流变挤压铸造。

在一些实施例中，将废旧铝材熔化，按所述Si、所述Fe、所述Mn的含量要求调整铝熔体成分，随后按配比添加Al-Fe、Al-Si、Al-Mn中间合金及纯Al。待原材料均熔化后，对熔体进行精炼、保温、搅拌。其中，富Fe相由于具有高硬度和良好的热稳定性等特点，而能够大幅提高合金的耐磨和耐热性能，因此，可通过改善富Fe相的形貌及尺寸，使其从有害变为有益。

在一些实施例中，所述纯Al、Al-Fe、Al-Si、Al-Mn中间合金的预热温度为200～220℃，预热时间为20～30min。

在一些实施例中，所述的合金熔体降温至600～700℃时，浇注到振动样杯中。所述的振动样杯的预热温度为500～600℃。

在一些实施例中，在凝固冷却过程中对所述的熔体施加机械振动，待所述熔体温度降至固相线温度以上20～100℃时保温继续振动。在机械振动条件下，由于振动样杯杯壁的温度低于熔体的液相温度而产生过冷，形成大量晶核，同时振动产生的熔体对流使得杯壁上的晶核脱落游离，进入熔体内部，由振动引起的熔体中温度起伏和对流将使游离的晶核发生增殖。振动会将内部较高温度的熔体带到表面和杯壁，又产生过冷，形成晶核。此外，对流加剧了熔体内部的结构起伏和能量起伏，使得原子团簇聚集成为晶核的几率大大增加。机械振动产生的对流使得过冷产生的晶核在整个熔体内游离，从而使得各个方向上的生长传热、传质状态趋于一致，而抑制了树枝晶的产生；另一方面，由于对流和晶核运动的作用，晶粒前沿的浓度梯度和温度梯度发生变化，使得晶粒前沿的成分过冷减小，抑制树枝晶的生长。此外，合金凝固过程中施加机械振动，还可以促进渣气析出和上浮、增强金属液体补缩等，减少铸件的宏观和微观缺陷，改善铸件质量。同时，机械振动对合金中第二相的形态、大小及分布也有一定的影响。因此，机械振动能够有效细化合金晶粒，改善合金中的第二相，提高铸件质量，从而改善合金的性能，是一种简单有效的工艺方法。

在一些实施例中，所述的机械振动，其振动频率为10～60HZ，振幅为0.1～1.0mm，振动时间为1～20min。其中，所述的振动时间为合金保温过程中的振动时间。

在一些实施例中，将所述的熔体浇注到挤压模具中，进行流变挤压铸造后，空冷至室温。

流变挤压铸造成形工艺同时集合了挤压铸造和半固态加工技术的双重优势。其中，挤压铸造由于在较高的压力下凝固，同时制件也产生了一定的塑性变形，从而能够有效消除铸件中的显微缩松和宏观缩孔，且能有效细化合金晶粒，使得铸件具有良好的力学性能和表面质量。此外，挤压铸造技术还是一种高效、精确的成形技术，不需要冒口补缩，工艺简单，金属利用率高。半固态加工温度比液态低，凝固收缩小从而铸造疏松少(或无)，充型平稳使得气孔缺陷和氧化物夹杂少(或无)，提高了合金的铸造质量。半固态较低的加工温度有利于模具寿命地延长，具有净成形、高质量、高性能、低能耗、低成本等许多独特的有点。因此，机械振动和流变挤压铸造将会是改善再生铝合金的性能会一种非常有效地加工工艺。

在一些实施例中，所述的流变挤压铸造浇注温度570～630℃，压射比压100～200MPa，挤压速度1～2m/s，保压时间10～60s。

在一些实施例中，所述的流变挤压铸造模具预热温度为150～250℃，并保温至流变挤压铸造结束。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

(1)按照质量百分比配置合金成分，包括：Si:7％，Fe:0.6％，Mn:0.3％，余量Al和不可避免的杂质。将经过清洗、分选和预热处理的1kg废铝料投入井式电阻炉中，加热至800℃，待完全熔化后，搅拌，用取样勺从熔体中部取样，化验合金成分，质量百分数为：Si:11％，Cu:0.5％，Mg:1％，Ni:0.7％，余量Al和不可避免杂质。根据目标合金成分要求添加元素的质量：纯Al:430g，Al-10Fe:94g，Al-10Mn:47g，待投入的配料完全熔化后进行搅拌，降温至720℃后，对熔体进行精炼，除气除杂后静置20分钟，搅拌，随后降温至650℃。

(2)将熔体浇入振动样杯，温度降至630℃时，开启振动，待温度降至605℃时保温，此时振动再持续3min停止。其中，振动样杯预热温度:550℃，振动频率:30HZ，振幅:0.6mm。

(3)振动后的熔体浇入挤压模具中，进行流变挤压铸造，得到再生铝合金材料。其中浇注温度600℃，压射比压150MPa，挤压速度1.5m/s，保压时间15s，挤压模具预热200℃。

实施例2

(1)按照质量百分比配置合金成分，包括：Si:12％，Fe:1.0％，Mn:0.5％，余量Al和不可避免的杂质。将经过清洗、分选和预热处理的1kg废铝料投入井式电阻炉中，加热至800℃，待完全熔化后，搅拌，用取样勺从熔体中部取样，化验合金成分，质量百分数为：Si:11％，Cu:0.5％，Mg:1％，Ni:0.7％，余量Al和不可避免杂质。根据目标合金成分要求添加元素的质量：纯Al:25.4g，Al-30Si:218.8g，Al-10Fe:146.4g，Al-10Mn:73.2g，待投入的配料完全熔化后进行搅拌，降温至720℃后，对熔体进行精炼，除气除杂后静置20分钟，搅拌，随后降温至630℃。

(2)将熔体浇入振动样杯，温度降至610℃时，开启振动，待温度降至580℃时保温，此时振动再持续5min停止。其中，振动样杯预热:500℃，振动频率:40HZ，振幅:0.6mm。

(3)振动后的熔体浇入挤压模具中，进行流变挤压铸造，得到再生铝合金材料。其中浇注温度580℃，压射比压100MPa，挤压速度1.02m/s，保压时间15s，挤压模具预热150℃。

实施例3

(1)按照质量百分比配置合金成分，包括：Si:16％，Fe:2.0％，Mn:2.0％，余量Al和不可避免的杂质。将经过清洗、分选和预热处理的0.1kg废铝料投入井式电阻炉中，加热至800℃，待完全熔化后，搅拌，用取样勺从熔体中部取样，化验合金成分，质量百分数为：Si:11％，Cu:0.5％，Mg:1％，Ni:0.7％，余量Al和不可避免杂质。根据目标合金成分要求添加元素的质量:纯Al:78g，Al-30Si:1028g，Al-10Fe:402g，Al-10Mn:402g。待投入的配料完全熔化后进行搅拌，降温至720℃后，对熔体进行精炼，除气除杂后静置20分钟，搅拌，随后降温至680℃。

(2)将熔体浇入振动样杯，温度降至650℃时，开启振动，待温度降至620℃时保温，此时振动再持续2min停止。其中，振动样杯预热:500℃，振动频率:40HZ，振幅:0.6mm。

(3)振动后的熔体浇入挤压模具中，进行流变挤压铸造，得到再生铝合金材料。其中浇注温度620℃，压射比压170MPa，挤压速度1.2m/s，保压时间15s，挤压模具预热250℃。

表1实施案例中各再生铝合金材料的力学性能(铸态)

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。