一种高强韧免热处理铝合金材料及制备方法
阅读说明：本技术 一种高强韧免热处理铝合金材料及制备方法 (High-strength and high-toughness heat-treatment-free aluminum alloy material and preparation method thereof ) 是由 郭军辉 张秋合 赵玉兵 王妍妍 徐瑞 宁增超 郑聚备 郑红亮 艾武 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强韧免热处理铝合金材料及制备方法,属于铝合金铸造技术领域,按质量百分比计,包括以下组分：Si8.0-10.5％,Fe≤0.15％,Mg0.05-0.3％,Zn0.05-0.3％,Mn0.3-0.6％,Cu≤0.1％,Ti0.05-0.15％,Ca≤0.005％,Sr0.005-0.030％,Zr0.1-0.3％,Mo0.01-0.1％,V0.01-0.3％,Cr≤0.02％,Na≤0.002％,P≤0.002％,Cd≤0.01％,Li≤0.001％,B≤0.0025％,Ga≤0.05％,余量为Al和不可避免的杂质；该合金无须热处理,具有优越的铸造性能和充型能力,良好的抗拉强度、屈服强度和韧性。(The invention discloses a high-strength and high-toughness heat-treatment-free aluminum alloy material and a preparation method thereof, belonging to the technical field of aluminum alloy casting, and comprising the following components in percentage by mass: 8.0 to 10.5 percent of Si, less than or equal to 0.15 percent of Fe, 0.05 to 0.3 percent of Mg0.05 to 0.3 percent of Zn0.05 to 0.3 percent of Mn0.3 to 0.6 percent of Cu, less than or equal to 0.1 percent of Cu, 0.05 to 0.15 percent of Ti0.05 percent of Ca, less than or equal to 0.005 percent of Sr0.005 to 0.030 percent of Zr0.1 to 0.3 percent of Mo0.01 to 0.1 percent of V, 0.01 to 0.3 percent of Cr, less than or equal to 0.02 percent of Na, less than or equal to 0.002 percent of P, less than or equal to 0.01 percent of Cd, less than or equal to 0.001 percent of Li, less than or equal to 0.0025 percent of B, less than or equal to 0.05 percent of Ga, and the balance of Al and inevitable impurities; the alloy does not need heat treatment, and has excellent casting performance, mold filling capacity, tensile strength, yield strength and toughness.)
技术领域
本发明涉及铝合金铸造技术领域，特别是涉及一种高强韧免热处理铝合金材料及制备方法。
背景技术
随着环保和节能的需求，汽车轻量化设计已经成为世界汽车发展的潮流。汽车轻量化的发展，离不开材料、成型技术、设备、结构设计等相关领域的发展。其中结构件压铸工艺及结构件用材料制造技术是汽车轻量化发展的关键。
汽车结构件是指在车身上起到主要支撑及承载作用的构件，作为车身零部件的安装基础；通常具有尺寸大、壁薄、结构复杂、可焊接等特征；由于与汽车安全性密切相关，因此在保证较高抗拉和屈服强度的同时，还需要具备良好的韧性。
传统的结构件一般由钢板冲压、拼接而成，需要经过数十到上百次的铆接/焊接过程。采用铝合金铸造成型，可实现一次简单压铸加工，由焊接几小时改善为压铸几分钟，精简连接工序、降本增效；而随着集成化领域的进一步扩大，集成后的结构件具有尺寸更大、形状更复杂的特点，不适合热处理强化，而传统的铝合金材料在未经热处理的条件下，力学性能不能达到标准要求。且热处理需要消耗大量的能量、精力和时间，增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强韧免热处理铝合金材料及制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，该铝合金材料可一次铸造成型，省去了铆焊工艺和热处理工艺，具有优越的铸造性能和充型能力，良好的抗拉强度、屈服强度和韧性，以其制作汽车结构件，具有结构集成化、易加工成型和性能稳定性良好的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种高强韧免热处理铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：
Si8.0-10.5％，Fe≤0.15％，Mg0.05-0.3％，Zn0.05-0.3％，Mn0.3-0.6％，Cu≤0.1％，Ti0.05-0.15％，Ca≤0.005％，Sr0.005-0.030％，Zr0.1-0.3％，Mo0.01-0.1％，V0.01-0.3％，Cr≤0.02％，Na≤0.002％，P≤0.002％，Cd≤0.01％，Li≤0.001％，B≤0.0025％，Ga≤0.05％，余量为Al和不可避免的杂质。
进一步地，所述不可避免的杂质中单种元素含量≤0.02wt％，总含量≤0.15wt％。
本发明还提供一种上述的高强韧免热处理铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照比例准备原料备用；
(2)将熔炉升温至750-760℃进行保温，投入各种原料并加热至熔化，得到第一合金液；
(3)将第一合金液经除渣、除气和静置后，得到第二合金液；
(4)将第二合金液在线除气、过滤和铸造，得到高强韧免热处理铝合金材料。
进一步地，在步骤(3)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。
进一步地，所述精炼剂选自铝锆中间合金。
进一步地，在步骤(3)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℃，在氮气条件下进行炉内除气。
进一步地，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℃。
进一步地，在步骤(4)中，所述铸造为浇铸，浇铸温度为650-680℃，浇铸速率为30-50Hz。
本发明公开了以下技术效果：
针对汽车结构件尺寸大、结构复杂、强韧性要求高，且难以热处理的特点，本发明提供了一种高强韧免热处理铝合金材料，具有以下优点：
1.成分设计方面：根据材料的特点和铸造、加工要求，合理控制各元素范围。
Si是Al-Si系合金中主要合金化元素，控制在8.0-10.5％，处于亚共晶系列的上限，在此范围合金既有良好的铸造、填充性能，又有良好的收缩性，同时不会出现初晶硅，适用于大型组件和填充复杂结构。
Sr控制在0.005-0.03％，能够有效的改善共晶硅的形态，从针状、片状变为短棒状，避免对铝基体的割裂，有效提升合金的强度和韧性。
Mn控制在0.3-0.6％，在合金中形成Al12Mn3Si2和AlFeMnSi化合相，呈球状颗粒或汉字状组织，避免长针状Fe相的形成，改善合金的脱模性；同时还可以和Mg形成均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能。
Zr、Mo、V、Ti分别控制在0.1-0.3％，0.01-0.1％、0.01-0.3％、0.05-0.15％，作为α铝相的异质形核质点，细化合金α铝相组织晶粒，同时提高合金的再结晶温度，提升合金抗拉强度、屈服强度和韧性。
Mg、Zn控制在0.05-0.3％，Cu控制在≤0.1％，可形成强化相Mg2Si、Al2Cu、MgZn2，对合金产生明显的强化作用，显著提升合金的抗拉强度和屈服强度，并且不会对合金的韧性产生不良影响，同时利用Zn的自然时效特性，保证合金强度的长效稳定性。
严格控制微量元素Ca、Na、P等杂质元素的范围，制定合理的控制范围，保证其具有良好的力学性能、铸造性能和充型能力。
2.材料选用方面：依据成分设计结构，选用纯度较高的电解铝、工业硅和其他添加材料，保证杂质Fe、Ca、Na、P等元素尽可能少的带入，使得该铝合金材料具有良好的铸造能力和充型能力、较好的延展性、良好的抗拉强度和良好的屈服强度。
3.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。
4.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。
本发明的高强韧免热处理铝合金材料主要应用于大尺寸、结构复杂、强韧性要求较高，且难以热处理的结构件的生产，在无须热处理的情况下，即可满足抗拉强度≥250Mpa、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，对推动汽车轻量化发展具有重大意义。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例的材料选用如下：
序号
材料名称
规格型号及批号
供应商
1
A00
Al99.7
DT
2
工业硅
441
FD
3
铝钛中间合金
AlTi10
ST
4
铝锆中间合金
AlZr10
ST
5
铝锶杆
AlSr10
ST
6
电解锰
DJMn99.7
HN
7
金属镁
二级
YH
8
金属锌
1#
ST
9
铝钼中间合金
AlMo5
ST
10
铝钒中间合金
AlV10
ST
实施例1
本实施例提供一种高强韧免热处理铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：
Si9.5％，Fe0.10％，Mg0.2％，Zn0.15％，Mn0.5％，Cu0.08％，Ti0.09％，Ca0.004％，Sr0.015％，Zr0.2％，Mo0.05％，V0.15％，Cr0.015％，Na0.002％，P0.002％，Cd0.01％，Li0.001％，B0.0025％，Ga0.05％，余量为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质中单种元素含量最大为0.018wt％，总含量0.13wt％。
其制备方法包括以下步骤：
(1)按照合金元素比例准备原料备用；
(2)将熔炉升温至755℃进行保温，先投入A00铝锭，待完全熔化后，投入其余原料，搅拌15min使各合金元素充分混溶于熔体中，得到第一合金液；
(3)精炼除渣：调整熔炉温度至720℃，加入熔体3wt‰的铝锆中间合金，加入方式为以氮气为载体喷吹入铝液内部，使其覆盖整个熔池，充分搅拌15min后静置5min，将浮渣扒出，以最大程度去除铝液内的夹杂物；
(4)炉内除气：调整熔炉温度至700℃，使用四管除气耙将氮气吹入铝液内部，氮气出口压力0.5Mpa，除气时间60min；静置15min；
(5)在线除气：浇铸时铝液自熔炉流入除气箱，除气箱内按照双转子GBF除气机进行全过程在线除气，除气机转速设定480rpm，氮气流量20LPM，覆盖整个浇铸过程；
(6)浇铸：铝液经20ppi泡沫陶瓷过滤板过滤后，去除熔体内残留或因铸造落差产生的夹杂物，进行浇铸；浇铸前预热除气箱至400℃，浇壶烘烤25min，模具预热至130℃，浇铸温度670℃，浇铸速率4Hz，得到高强韧免热处理铝合金材料。
实施例2
本实施例提供一种高强韧免热处理铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：
Si10.5％，Fe0.08％，Mg0.05％，Zn0.3％，Mn0.3％，Cu0.1％，Ti0.15％，Ca0.005％，Sr0.005％，Zr0.3％，Mo0.1％，V0.28％，Cr0.02％，Na0.002％，P0.0015％，Cd0.009％，Li0.001％，B0.0025％，Ga0.03％，余量为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质中单种元素含量最大为0.02wt％，总含量0.14wt％。
其制备方法包括以下步骤：
(1)按照合金元素比例准备原料备用；
(2)将熔炉升温至750℃进行保温，先投入A00铝锭，待完全熔化后，投入其余原料，搅拌15min使各合金元素充分混溶于熔体中，得到第一合金液；
(3)精炼除渣：调整熔炉温度至730℃，加入熔体3wt‰的铝锆中间合金，加入方式为以氮气为载体喷吹入铝液内部，使其覆盖整个熔池，充分搅拌15min后静置5min，将浮渣扒出，以最大程度去除铝液内的夹杂物；
(4)炉内除气：调整熔炉温度至690℃，使用四管除气耙将氮气吹入铝液内部，氮气出口压力0.6Mpa，除气时间50min；静置20min；
(5)在线除气：浇铸时铝液自熔炉流入除气箱，除气箱内按照双转子GBF除气机进行全过程在线除气，除气机转速设定460rpm，氮气流量25LPM，覆盖整个浇铸过程；
(6)浇铸：铝液经20ppi泡沫陶瓷过滤板过滤后，去除熔体内残留或因铸造落差产生的夹杂物，进行浇铸；浇铸前预热除气箱至350℃，浇壶烘烤30min，模具预热至80℃，浇铸温度680℃，浇铸速率30Hz，得到高强韧免热处理铝合金材料。
实施例3
本实施例提供一种高强韧免热处理铝合金材料，按质量百分比计，包括以下组分：
Si8.0％，Fe0.15％，Mg0.3％，Zn0.05％，Mn0.6％，Cu0.08％，Ti0.05％，Ca0.004％，Sr0.030％，Zr0.1％，Mo0.09％，V0.3％，Cr0.02％，Na0.001％，P0.002％，Cd0.01％，Li0.0008％，B0.0020％，Ga0.02％，余量为Al和不可避免的杂质，不可避免的杂质中单种元素含量最大为0.015wt％，总含量0.15wt％。
其制备方法包括以下步骤：
(1)按照合金元素比例准备原料备用；
(2)将熔炉升温至760℃进行保温，先投入A00铝锭，待完全熔化后，投入其余原料，搅拌15min使各合金元素充分混溶于熔体中，得到第一合金液；
(3)精炼除渣：调整熔炉温度至710℃，加入熔体3wt‰的铝锆中间合金，加入方式为以氮气为载体喷吹入铝液内部，使其覆盖整个熔池，充分搅拌15min后静置5min，将浮渣扒出，以最大程度去除铝液内的夹杂物；
(4)炉内除气：调整熔炉温度至710℃，使用四管除气耙将氮气吹入铝液内部，氮气出口压力0.4Mpa，除气时间70min；静置10min；
(5)在线除气：浇铸时铝液自熔炉流入除气箱，除气箱内按照双转子GBF除气机进行全过程在线除气，除气机转速设定500rpm，氮气流量15LPM，覆盖整个浇铸过程；
(6)浇铸：铝液经20ppi泡沫陶瓷过滤板过滤后，去除熔体内残留或因铸造落差产生的夹杂物，进行浇铸；浇铸前预热除气箱至450℃，浇壶烘烤20min，模具预热至150℃，浇铸温度650℃，浇铸速率50Hz，得到高强韧免热处理铝合金材料。
对比例1
与实施例1的不同之处仅在于，合金材料元素中Si含量为11％。
对比例2
与实施例1的不同之处仅在于，合金材料元素中Sr含量为0.005％。
对比例3
与实施例1的不同之处仅在于，合金材料元素中Sr含量为0.03％。
对比例4
与实施例1的不同之处仅在于，合金材料元素中Sr含量为0.004％。
对比例5
与实施例1的不同之处仅在于，合金材料元素中Sr含量为0.035％。
对比例6
与实施例1的不同之处仅在于，合金材料元素中Ga含量为0.01％。
对比例7
与实施例1的不同之处仅在于，合金材料元素中Ga含量为0.06％。
对比例8
与实施例1的不同之处仅在于，合金材料元素中Ga含量为0.08％。
对照例1
采用发明专利CN111139381A实施例1中的合金材料。
对照例2
采用发明专利CN111254325A实施例3中的合金材料。
对照例3
采用发明专利CN113106300A实施例8中的合金材料。
将实施例1-3、对比例1-8和对照例1-3中的铝合金材料不经热处理，通过真空压铸，制成厚度2-5.5mm的薄壁结构件，测定其力学性能，结果取均值，如表1。
表1
抗拉强度/Mpa
屈服强度/Mpa
伸长率/％
实施例1
268
148
21
实施例2
259
142
13
实施例3
255
134
14
对比例1
214
105
11
对比例2
252
133
12
对比例3
256
137
15
对比例4
242
131
9
对比例5
246
121
11
对比例6
266
149
20
对比例7
242
132
13
对比例8
231
125
8
对照例1
192
97
9
对照例2
232
143
8
对照例3
175
92
10
将实施例1中的铝合金材料本体取样(DF)，制成单根试棒，测定其抗拉强度为310Mpa，屈服强度为150Mpa，伸长率为13.5％。
由上述结果可知，本发明通过产品成分及工艺设计，产品汽车结构件的力学性能，不经热处理的前提下，即可满足抗拉强度≥250Mpa、屈服强度≥130Mpa、伸长率≥10％的性能要求，满足客户使用需求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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