高延伸率耐热铸造铝合金及其压力铸造制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高延伸率耐热铸造铝合金及其压力铸造制备方法，所述合金包括按重量百分数计的如下元素：9.0‑12.0％Si、0.05‑0.4％Cu、0.02‑0.05％Mg、0.05‑0.1％Sc、0.3‑0.5％M，余量为Al和不可避免的杂质，其中M为Ti，Zr，V中的至少一种元素。本发明专利技术的高延伸率耐热铸造铝合金经压力铸造后，压铸态合金的室温屈服强度达到169MPa，延伸率达到10.0％，200℃高温抗拉强度达到190MPa，高温延伸率达到14.0％，室温和耐热性能优异，而且无需固溶热处理便可应用于汽车零件，满足汽车轻量化发展的需求。

High elongation heat-resistant cast aluminium alloy and its preparation by pressure casting

【技术实现步骤摘要】
高延伸率耐热铸造铝合金及其压力铸造制备方法
本专利技术涉及一种高延伸率耐热铸造铝合金及其压力铸造制备方法，属于工业用铝合金及制造领域。
技术介绍
铝合金具有密度小、比强度和比刚度较高、耐蚀性好及导电导热性优良、回收容易、低温性能好等特点，广泛应用于交通运输、航空航天、电子电器等领域。压力铸造是一种将液态金属在高压作用下高速填充入压铸模型腔内并在在压力下凝固形成铸件的铸造方法。压铸不仅使铸件具有较高的强度、尺寸精度和表面光洁度，而且易于实现机械化和自动化，生产效率很高，可以生产形状复杂的薄壁铸件，因此，在汽车、电子仪表、电讯等行业获得了广泛的应用。Al-Si系合金是典型的铸造铝合金，具有流动性好、铸件致密、不易产生铸造裂纹等优异的铸造性能、抗蚀性能和中等的切削加工性能，已成为制造业中最受重视的结构材料之一，已经广泛用于生产发动机缸体和缸盖及轮毂等零件。Al-Si系铸造铝合金典型牌号包括国内的YL102(AlSi12)、YL112(AlSi8.5Cu3.5)、YL113(AlSi811Cu3)，日本的ADC12(AlSi11Cu3)、ADC10(AlSi8.5Cu3.5)以及美国的A380(AlSi8.5Cu3.5)等，这些合金强度和硬度一般，塑性和韧性相对较低，限制了其应用。A380铝合金是最广泛使用的Al-Si系合金，其Si含量高达7.5wt％～9.5wt％，有良好的铸造性能，而高的Cu含量(3.0wt％～4.0wt％)可获得高的强度和良好的可加工性，现已被广泛应用于交通运输行业(汽车、摩托车等工业)、航天航空、电子/电器等各个领域。同时，也因为A380中Cu含量高，生成的富Cu相的标准电极电位高，在潮湿或者液体环境中易于腐蚀。A360铝合金也是使用较为广泛的Al-Si系合金，跟A380相比最显著的区别是Cu含量低，最大值为0.6％，形成的富铜相比A380少很多，耐腐蚀性能也略好于A380合金，但由于其熔焊和铜焊性能差，限制了在工业生产中的应用，一般用作盖板和仪器外壳。铸造获得Al-Si系合金A380和A360合金，非热处理态屈服强度一般只有120MPa，延伸率只有1％左右，不能满足实际需求，需要热处理才能进一步提高强度。而且A380和A360铝合金的耐热性能差，200℃时的抗拉强度只有120MPa。镁Mg在Al中的极限固溶度是14.9wt％，Mg与Si反应生成的Mg2Si相，具有典型的时效析出强化效应，是Al-Si系铸造铝合金中重要的合金化元素。由于Mg2Si相在180-200℃下即出现明显过时效，纳米析出相迅速粗化，高温性能显著降低。同时随着Mg含量的增加，合金的屈服强度、抗拉强度均有明显的提升，但延伸率显著降低。同时由于180℃以上Mg2Si相显著粗化，导致Al-Si-Mg系合金200℃的耐高温性能较差，主要用于常温下服役的、形状复杂的薄壁铸件。Cu是Al-Si合金中重要的强化元素，显著提高合金的室温和高温强度。由于Cu在525℃时的固溶度高达4.6％，常温下只有0.2％，含Cu的Al-Si系合金可以通过热处理来提高强度。中国专利技术专利201710640233.1(锆锶复合微合金化和镁合金化的高硬度耐腐蚀铝硅铜系铸造铝合金及制备方法)的专利公开了一种Zr、Sr复合微合金化和Mg合金化的高硬度耐腐蚀Al-Si-Cu系铸造铝合金及制备方法，所专利技术的组分及其质量百分比为：7.88～8.02％Si、2.04～2.08％Cu、0.406～0.421％Mg、0.179～0.182％Zr、0.0066～0.0069％Sr，余量为铝和少量杂质元素。该专利技术技术的仍存在以下问题：该合金的Cu含量超过1％导致合金的凝固区间增大，易产生铸造缺陷，降低力学性能；Mg含量过高，降低延伸率和高温性能，该专利技术中延伸率低于6％。Sc是Al合金中一种高效细化剂，添加微量的Sc可以显著细化晶粒，同时提高材料的强度和韧性。在Al合金中添加Sc会形成大量Al3Sc粒子，Al3Sc的晶格常数为0.4103nm，与Al基体的错配度仅为1.32％，与基体是完全共格的，可以有效细化晶粒和提高合金的强度。中国专利技术专利201210584709.1(用连续铸轧法生产汽车散热片用铝-锰-锌-钪铝合金箔)的专利公开了一种用连续铸轧法生产汽车散热片用铝-锰-锌-钪铝合金箔的方法，所专利技术的汽车散热片用铝-锰-锌-钪铝合金箔，具体化学成份质量百分数为：0.06％Sc、0.44％Si、0.46％Fe、0.11％Cu、1.06％Mn、0.05％Mg、1.47％Zn、Cr≤0.017％、Ni≤0.014％、Ti≤0.012％、Zr≤0.026％，余量为Al。该专利技术技术的仍存在以下问题：该专利技术中Si含量只有0.44％，Zn含量1.47％，是变形铝合金，需要复杂的连续铸轧和热处理工艺，不同于Al-Si系铸造铝合金。另外Zn含量1.47％，由于Zn的熔点低和扩散速率快，不利于150℃以上的高温性能，容易导致铝合金老化。中国专利技术专利201810801603.X(一种Al-Si-Mg-Zr-Ti-Sc合金的时效工艺)的专利公开了一种Al-Si-Mg-Zr-Ti-Sc合金的时效工艺，该专利技术的Al-Si-Mg-Zr-Ti-Sc合金的成分按质量百分比构成如下：Si6.5％，Mg0.35％，Ti0.2％，Zr0.25，Sc0.01％，余量为铝。该专利技术Al-Si-Mg-Zr-Ti-Sc合金的时效工艺，通过二段时效处理充分挖掘合金潜力，以提高铝合金的力学性能。该专利技术时效工艺步骤：固溶处理工艺为：540℃固溶保温310min，出炉淬火，出炉至水中时间控制在15s内，水中冷却时间为3～5min。时效处理工艺为：125℃时效保温150min，紧接着在155℃时效保温100～200min，出炉空冷。该专利技术技术的仍存在以下问题：硅含量太低，不利于高温性能。该专利技术需要固溶和二级时效处理，容易导致热处理过程中铸造部件变形，不适于压铸和薄璧等铸件，而且复杂的热处理操作导致生产成本升高，很难在工业上进行大规模的应用。此外，中国专利技术专利201811331020.1(一种石墨烯稀土钪协同增强Al-Si-Mg铸造铝合金及其制备方法)中公开了一种铝合金的元素组成为：Si6.00～8.00％，Mg0.20～0.45％，石墨烯0.003～0.007％，Sc0.50～0.60％，Li≤0.05％，Be≤0.05％，B≤0.05％，Na≤0.05％，P≤0.05％，Ti≤0.10％，V≤0.10％，Cr≤0.05％，Mn≤0.10％，Fe≤0.10％，Ni≤0.05％，Cu≤0.10％，Zn≤0.10％，Zr≤0.05％，Sn≤0.05％，Pb≤0.10％，余量为Al。该专利技术的仍存在以下问题：Sc含量太高，导致成本太高，不利于工业上的大规模应用；另外该专利技术的合金体系复杂，很多合金元素发生反应，导致功能得不到发挥。例如添加的Na和P元素均可以对Si产出变质效应，但是同时添加导致Na与P反应形成Na3P导致变质失效；又例如添加的石墨烯与铝熔体发生反应形成容易水解的Al4C3，4Al+3C＝Al4C3,不能发挥石墨烯的功效，而且导致合金不稳定，获得的合金屈服强度仅为142-144MPa，同时该强度下的延伸率仅为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高延伸率耐热铸造铝合金，其特征在于，包括按重量百分数计的如下元素：9.0‑12.0％Si、0.05‑0.4％Cu、0.02‑0.05％Mg、0.05‑0.1％Sc、0.3‑0.5％M，余量为Al和不可避免的杂质；所述M为Ti、Zr和V中的至少一种元素。

【技术特征摘要】
1.一种高延伸率耐热铸造铝合金，其特征在于，包括按重量百分数计的如下元素：9.0-12.0％Si、0.05-0.4％Cu、0.02-0.05％Mg、0.05-0.1％Sc、0.3-0.5％M，余量为Al和不可避免的杂质；所述M为Ti、Zr和V中的至少一种元素。2.如权利要求1所述的高延伸率耐热铸造铝合金，其特征在于，所述不可避免的杂质包括Fe，且所述Fe的重量百分数含量不超过0.2％；所述Al的重量百分数不低于87％。3.如权利要求1所述的高延伸率耐热铸造铝合金，其特征在于，所述M元素中，按合金中元素总量计，包括以下重量百分数含量的各元素：Ti0-0.3％、Zr0-0.3％、V0-0.3％，且三种元素的含量不同时为0。4.一种如权利要求1～3中任意一项所述的高延伸率耐热铸造铝合金的压力铸造制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)按合金成分及化学计量比，计算所需原料的用量；将工业纯铝锭、工业纯镁锭和Al-Si中间合金均去除氧化层并烘干预热；(2)将工业纯铝锭全部熔化后，升温，将Al-Si中间合金加入，并保温；(3)待所述Al-Si中间合金全部熔化后，升温至760～780℃，依次加入Al-Cu、Al-M中间合金、Al-Sc中间合金，待所有中间合金都加入完毕后在760～780℃保温15～20分钟；(4)待所有中间合金都熔解完毕，将熔体温度降至695～705℃加入工业纯镁锭，待所述工业纯镁锭完全熔化后，在715～725℃时加入精炼剂进行精炼，精炼后静置10～20分钟，撇去表面浮渣，得到铝合金熔体；(5)将所述铝合金熔体降温至650～700℃之间，撇去表面浮渣，以0.5～8m/s的速度压射到预热至220～27...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚杰，王春涛，叶兵，蒋海燕，丁文江，
申请(专利权)人：宁波合力模具科技股份有限公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33