本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，具體涉及一種高韌性壓鑄鋁合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著汽車和通訊行業(yè)輕量化的發(fā)展，汽車輕量化新材料和新工藝是未來的需求。輕量化新材料是輕量化的主要手段，安全性是輕量化的前提，人們在對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，也對鋁合金材料的性能提出了更高的要求，不僅要求鋁合金具有較高的強(qiáng)度，而且要求具有良好的塑性，因此，研發(fā)一種高韌性壓鑄鋁合金材料對于汽車、通訊行業(yè)的輕量化發(fā)展是非常有必要的。
在汽車和機(jī)械行業(yè)，隨著輕量化的推進(jìn)，“以鑄帶鍛、以鋁帶鋼”已經(jīng)成為汽車、通訊輕量化的一種趨勢。汽車零配件中鋁合金零配件的比例越來越高，壓鑄件是汽車零配件常見的工藝，但由于壓鑄件不能熱處理強(qiáng)化，且存在縮松和縮孔的問題，壓鑄件只能用于汽車非結(jié)構(gòu)件。目前、汽車上的結(jié)構(gòu)件主要是高強(qiáng)鋼、鑄鐵和鍛造鋁合金，結(jié)構(gòu)件對材料強(qiáng)度要求較高。高端汽車鋁合金件比例明顯高于普通車，原因是高檔車鋁合金零配件采用的是高強(qiáng)度鍛造鋁合金，鍛造鋁合金強(qiáng)度高，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，鋁合金零配件強(qiáng)度不低于鋼件和鑄鐵件，但是鍛造鋁合金成本高，加工工藝復(fù)雜，大規(guī)模推廣難度較大。為了推進(jìn)鋁合金在汽車零配件上的使用比例，亟需開發(fā)一種高韌性壓鑄鋁合金，可以用鑄造工藝達(dá)到鍛造鋁合金的強(qiáng)度，減少成本。
鋁硅合金是鑄造鋁合金中品種最多，用途最廣的一類合金，該類合金鑄件占鋁鑄件的85-90%左右。鋁硅合金用的最多的是AD12合金，該合金由于具有較好的流動(dòng)性，在汽車、通信行業(yè)壓鑄件上得到了大量的使用。但是隨著新能源汽車的興起和汽車、通訊輕量化的推進(jìn)，很多鋼件會(huì)逐步用鋁合金代替，實(shí)現(xiàn)以鑄代鍛，以鋁代鋼。
對于結(jié)構(gòu)件，尤其是底盤和車身對強(qiáng)度和塑性代替高的結(jié)構(gòu)件，對鑄件的強(qiáng)度和塑性有很高的要求，但是常規(guī)的AD12合金延伸率和強(qiáng)度滿足不了要求，主要存在以下問題：1）鑄件強(qiáng)度不高；2）延伸率不高延伸率只有2.5，AD12目前的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了汽車結(jié)構(gòu)件對延伸率6%以上的要求，尤其是新能源汽車，對鑄件強(qiáng)度要求更高。由于Al-Si合金具有良好的流動(dòng)性，可以壓鑄薄壁件和形狀復(fù)雜的零件。國外合金比較成熟的是德國牌號的SF36合金，但是該合金需要T7處理后才能發(fā)揮較好的性能，對于大型復(fù)雜薄壁件壓鑄，T7處理會(huì)導(dǎo)致鑄件變形，影響鑄件尺寸給后續(xù)處理增加困難和成本。
因此，自主開發(fā)一種高強(qiáng)高韌鋁合金體系是非常有必要的，本發(fā)明還是基于Al-Si系為基礎(chǔ)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：嚴(yán)格控制Cu的含量，加入少量的Cu合金，達(dá)到一個(gè)好的固溶強(qiáng)化效果，不需要后續(xù)熱處理，保證Cu在固溶狀態(tài)；降低Fe含量，因?yàn)镕e含量增加后會(huì)形成針狀的脆性相，影響合金塑性；為了改善合金的粘膜性，用Mn元素代替Fe元素，改善粘膜性；添加少量的稀土元素Ce，進(jìn)一步提高合金的塑性和耐腐蝕性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
、本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的一目的是提供一種高韌性壓鑄鋁合金，Al-Si-Cu-Mn-Ce鋁合金，該高韌性壓鑄鋁合金20℃下鑄件的屈服強(qiáng)度140.5-165Pa，抗拉強(qiáng)度310.8-322.3MPa，延伸率7.2-9.7%。該合金可用于汽車和通訊行業(yè)形狀復(fù)雜且對強(qiáng)度要求較高的零部件上面，相對常規(guī)鋁合金，本發(fā)明合金有高韌性和鑄造流動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的另一目的是提供一種高韌性壓鑄鋁合金的制備方法。
、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明一目的所采用的技術(shù)方案為：一種高韌性壓鑄鋁合金，所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：9wt%～10wt%；Cu：0.1wt%～0.3wt%；Mn：0.2wt%～0.3wt%；Ce：0.1wt%～0.3wt%，其余為鋁和其它雜質(zhì)元素，其它雜質(zhì)元素含量小于0.005%。
作為本發(fā)明的一優(yōu)選技術(shù)方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：9wt%～10wt%；Cu：0.1wt%～0.2wt%；Mn：0.2wt%～0.3wt%；Ce：0.1wt%～0.3wt%，其余為鋁和其它雜質(zhì)元素，其它雜質(zhì)元素含量小于0.005%。
作為本發(fā)明的一優(yōu)選技術(shù)方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為Si：9wt%～10wt%；Cu：0.2wt%～0.3wt%；Mn：0.2wt%～0.3wt%；Ce：0.1wt%～0.3wt%，其余為鋁和其它雜質(zhì)元素，其它雜質(zhì)元素含量小于0.005%。
作為本發(fā)明的一優(yōu)選技術(shù)方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：10wt%；Cu：0.1wt%；Mn：0.2wt%；Ce：0.1wt%，其余為鋁和其它雜質(zhì)元素，其它雜質(zhì)元素含量小于0.005%。
作為本發(fā)明的一優(yōu)選技術(shù)方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：10wt%；Cu：0.2wt%；Mn：0.2wt%；Ce：0.1wt%，其余為鋁和其它雜質(zhì)元素，其它雜質(zhì)元素含量小于0.005%。
作為本發(fā)明的一優(yōu)選技術(shù)方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：10wt%；Cu：0.3wt%；Mn：0.2wt%；Ce：0.1wt%，其余為鋁和其它雜質(zhì)元素，其它雜質(zhì)元素含量小于0.005%。
作為本發(fā)明的一優(yōu)選技術(shù)方案：所述高韌性壓鑄鋁合金各組成成分為：Si：9wt%；Cu：0.2wt%；Mn：0.3wt%；Ce：0.3wt%，其余為鋁和其它雜質(zhì)元素，其它雜質(zhì)元素含量小于0.005%。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明另一目的所采用的技術(shù)方案為：一種高韌性壓鑄鋁合金的制備方法，其包括制備步驟如下：
1）備料和爐子清理：根據(jù)合金成分比例備料，料備完?duì)t子需要清洗干凈，合金元素以純合金和中間形式加入，Si元素以單質(zhì)或則Al-Si中間合金形式加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金形式加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金形式加入，Ce元素以Al-Ce中間合金形式加入；
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗干凈后，將純鋁錠放入井式爐坩堝內(nèi)進(jìn)行加熱熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間；
3）加入中間合金：待鋁液溫度達(dá)到700℃時(shí)，將烘干后的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化；
4）精煉：鋁液溫度達(dá)到755℃時(shí)，開始加入鋁合金用精煉劑進(jìn)行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分，精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然后進(jìn)行拔渣；
5）變質(zhì)：鋁液溫度740℃時(shí)進(jìn)行變質(zhì)處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進(jìn)行變質(zhì)，攪拌充分后靜置10分鐘，靜置后拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質(zhì)；
6）將精煉、變質(zhì)后的鋁液溫度降至700℃準(zhǔn)備澆注，采用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻后，鑄件取出；
7）自然時(shí)效：鑄件取出后常溫下放置48h自然時(shí)效后檢測力學(xué)性能。
、本發(fā)明的有益效果。
1）本發(fā)明解決了目前AD12鋁合金遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了汽車結(jié)構(gòu)件對延伸率6%以上的要求。本發(fā)明的高韌性壓鑄鋁合金，其強(qiáng)度和延伸率得到了明顯提升，抗拉強(qiáng)度達(dá)到322.3MPa，延伸率9.7%，比現(xiàn)有AD12鋁合金的抗拉強(qiáng)度250MPa提高了28.9%，延伸率提高了300%。本發(fā)明的高韌性壓鑄鋁合金完全滿足了汽車、通訊行業(yè)對結(jié)構(gòu)件抗拉強(qiáng)度250MPa，延伸率6%的要求。
2）本發(fā)明針對現(xiàn)有的Al-Si合金，通過加入Mn、Cu、Ce微量元素，通過合理的固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化而達(dá)到一個(gè)良好的強(qiáng)化效應(yīng)，在合金的制備過程中無需熱處理強(qiáng)化就可以達(dá)到較好的強(qiáng)度，解決了國外牌號SF36合金通過T7處理后才能達(dá)到一個(gè)比較好的性能的問題。
3）本發(fā)明合金的流動(dòng)性良好，容易壓鑄，可以生產(chǎn)薄壁件。
4）本發(fā)明選用Al-5Ti-B和Al-Sr進(jìn)行復(fù)合細(xì)化變質(zhì)處理，使得合金組織更加細(xì)小、圓整，提高了合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率。
具體實(shí)施方式
為了使專利局的審查員尤其是公眾能夠更加清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)和有益效果，申請人將在下面以實(shí)施例的方式作詳細(xì)說明，但是對實(shí)施例的描述均不是對本發(fā)明方案的限制，任何依據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所作出的僅僅為形式上的而非實(shí)質(zhì)性的等效變換都應(yīng)視為本發(fā)明的技術(shù)方案范疇。
實(shí)施案例1
以25kg為例，根據(jù)Al-10Si-0.1Cu-0.2Mn-0.1Ce配比為例，計(jì)算出中間合金的質(zhì)量，進(jìn)行備料。
1）準(zhǔn)備原材料和爐子清理，爐子需要清洗干凈，避免殘留的合金影響合金的性能。現(xiàn)根據(jù)合金成分比例備料，合金元素可以以純合金和中間合金形式加入，Si元素以單質(zhì)或則Al-Si中間合金加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金加入，Ce元素以Al-Ce中間合金加入。
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗干凈后，將純鋁錠放入井式爐坩堝內(nèi)，加熱坩堝進(jìn)行熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間。
3）加入中間合金：待鋁液溫度達(dá)到700℃時(shí)，將烘干后的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化。
4）精煉：鋁液溫度達(dá)到755℃時(shí)，開始加入鋁合金專用精煉劑進(jìn)行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分。精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然后進(jìn)行拔渣。
5）變質(zhì)：鋁液溫度740℃時(shí)進(jìn)行變質(zhì)處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進(jìn)行變質(zhì)，攪拌充分后靜置10分鐘。靜置后拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質(zhì)。
6）將精煉、變質(zhì)后的鋁液溫度降至700℃準(zhǔn)備澆注，采用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻后，鑄件取出。
7）自然時(shí)效：鑄件取出后常溫下放置48h自然時(shí)效后檢測力學(xué)性能。
該高強(qiáng)度鑄造合金20℃下鑄件的屈服強(qiáng)度161.3MPa，抗拉強(qiáng)度310.8MPa，延伸率8.2%。
實(shí)施案例2
以25kg為例，根據(jù)Al-10Si-0.2Cu-0.2Mn-0.1Ce配比為例，計(jì)算出中間合金的質(zhì)量，進(jìn)行備料。
1）準(zhǔn)備原材料和爐子清理，爐子需要清洗干凈，避免殘留的合金影響合金的性能。現(xiàn)根據(jù)合金成分比例備料，合金元素可以以純合金和中間合金形式加入，Si元素以單質(zhì)或則Al-Si中間合金加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金加入，Ce元素以Al-Ce中間合金加入。
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗干凈后，將純鋁錠放入井式爐坩堝內(nèi)，加熱坩堝進(jìn)行熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間。
3）加入中間合金：待鋁液溫度達(dá)到700℃時(shí)，將烘干后的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化。
4）精煉：鋁液溫度達(dá)到755℃時(shí)，開始加入鋁合金專用精煉劑進(jìn)行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分。精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然后進(jìn)行拔渣。
5）變質(zhì)：鋁液溫度740℃時(shí)進(jìn)行變質(zhì)處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進(jìn)行變質(zhì)，攪拌充分后靜置10分鐘。靜置后拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質(zhì)。
6）將精煉、變質(zhì)后的鋁液溫度降至700℃準(zhǔn)備澆注，采用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻后，鑄件取出。
7）自然時(shí)效：鑄件取出后常溫下放置48h自然時(shí)效后檢測力學(xué)性能。
該比例下高強(qiáng)度鑄造合金20℃下鑄件的屈服強(qiáng)度156.0MPa，抗拉強(qiáng)度315.2MPa，延伸率8.5%。
實(shí)施案例3
以25kg為例，根據(jù)Al-10Si-0.3Cu-0.2Mn-0.1Ce配比為例，計(jì)算出中間合金的質(zhì)量，進(jìn)行備料。
1）準(zhǔn)備原材料和爐子清理，爐子需要清洗干凈，避免殘留的合金影響合金的性能?，F(xiàn)根據(jù)合金成分比例備料，合金元素可以以純合金和中間合金形式加入，Si元素以單質(zhì)或則Al-Si中間合金加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金加入，Ce元素以Al-Ce中間合金加入。
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗干凈后，將純鋁錠放入井式爐坩堝內(nèi)，加熱坩堝進(jìn)行熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間。
3）加入中間合金：待鋁液溫度達(dá)到700℃時(shí)，將烘干后的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金一起加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化。
4）精煉：鋁液溫度達(dá)到755℃時(shí)，開始加入鋁合金專用精煉劑進(jìn)行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分。精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然后進(jìn)行拔渣。
5）變質(zhì)：鋁液溫度740℃時(shí)進(jìn)行變質(zhì)處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進(jìn)行變質(zhì)，攪拌充分后靜置10分鐘。靜置后拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質(zhì)。
6）將精煉、變質(zhì)后的鋁液溫度降至700℃準(zhǔn)備澆注，采用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻后，鑄件取出。
7）自然時(shí)效：鑄件取出后常溫下放置48h自然時(shí)效后檢測力學(xué)性能。
該比例下高強(qiáng)度鑄造合金20℃下鑄件的屈服強(qiáng)度140.5MPa，抗拉強(qiáng)度322.3MPa，延伸率7.2%。
實(shí)施案例4
以25kg為例，根據(jù)Al-9Si-0.2Cu-0.3Mn-0.3Ce配比為例，計(jì)算出中間合金的質(zhì)量，進(jìn)行備料。
1）準(zhǔn)備原材料和爐子清理，爐子需要清洗干凈，避免殘留的合金影響合金的性能?，F(xiàn)根據(jù)合金成分比例備料，合金元素以中間合金形式加入，Si元素以Al-Si中間合金加入，Cu元素是以Al-Cu中間合金加入，Mn元素是以Al-Mn中間合金加入，Ce元素以Al-Ce中間合金加入。
2）熔化鋁錠：鋁錠表面清洗干凈后，將純鋁錠放入井式爐坩堝內(nèi)，加熱坩堝進(jìn)行熔煉，鋁液溫度控制在690-700℃之間。
3）加入中間合金：待鋁液溫度達(dá)到700℃時(shí)，將烘干后的Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Al-Mn中間合金加入到鋁液中，鋁液升溫至745℃，將Al-Ce中間合金加入到鋁液中，保溫20分鐘，保證加入的中間合金全部熔化。
4）精煉：鋁液溫度達(dá)到755℃時(shí)，開始加入鋁合金專用精煉劑進(jìn)行精煉，精煉過程中用精煉勺上下攪拌5分鐘至合金精煉充分。精煉降溫至725℃保溫、靜置5分鐘，使夾雜物充分的上浮或者下沉，然后進(jìn)行拔渣。
5）變質(zhì)：鋁液溫度740℃時(shí)進(jìn)行變質(zhì)處理，加入Al-5Ti-B和Al-Sr進(jìn)行變質(zhì)，攪拌充分后靜置10分鐘。靜置后拔渣，去除表面氧化皮和底部雜質(zhì)。
6）將精煉、變質(zhì)后的鋁液溫度降至700℃準(zhǔn)備澆注，采用金屬型重力澆注工藝，澆注模具在烘箱中升溫至200℃，用料勺將鋁液加入到模具之中，模具冷卻后，鑄件取出。
7）自然時(shí)效：鑄件取出后常溫下放置48h自然時(shí)效后檢測力學(xué)性能。
該比例下高強(qiáng)度鑄造合金20℃下鑄件的屈服強(qiáng)度165MPa，抗拉強(qiáng)度310.0MPa，延伸率9.7%。