一种阳极氧化压铸铝合金及其制备方法与流程

本发明属于铝合金及其铸造技术领域，特别涉及一种阳极氧化压铸铝合金及其制备方法。

背景技术：

随着人们生活水平的提高，对阳极氧化装饰件产品的需求量逐渐增大，对颜色和外观的要求也逐渐多样化，但目前阳极氧化铝制品主要使用铝型材，具有流程长、浪费多、cnc时间长等问题，无法进一步降低生产成本，使得铝合金装饰件产品不具有竞争优势。压铸产品具有短流程、适合大批量生产的优势，生产成本低，适应市场化发展，但现有压铸铝合金为获得优良的铸造性能，主要以si为主合金元素，阳极氧化后会出现表面发灰、氧化膜不连续等问题，且只能做黑色阳极氧化，其他颜色难以实现，现有压铸铝合金产品无法作为装饰件使用。

新型压铸铝合金，如al-mn系合金，具有较好的流动性和脱模性，但其强度远远低于al-si合金，难以应用于对强度要求较高的装饰件和结构件；且al-mn合金容易形成菱形大尺寸al6mn相，菱形大尺寸al6mn相容易形成应力集中，降低铸件的力学性能，且al6mn相尺寸越大，与基体的电位差就越大，越容易在阳极氧化过程中影响氧化膜的均匀性和连续性，普通的al-mn系合金由于其会形成大尺寸的al6mn相，导致合金力学性能和阳极氧化性能降低，无法应用于对外观和力学性能要求较高的产品。有研究为细化al6mn第二相，向合金中大量添加稀土、sc等元素，在一定程度上可以使第二相细化，但导致合金的生产成本急剧提高，难以应用于工业化生产。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本发明提供一种具有较高强度和压铸性能的合金，本发明的合金在阳极氧化后能够形成均匀连续氧化膜，氧化膜表面色差值△e小于0.2，便于染色，且该合金不包含sc、稀土等价格较高的元素，生产成本较低。

本发明采用以下技术方案：

一种阳极氧化压铸铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：mg0.2％～1.0％、zn1.0％～3.0％、mn1.0％～3.0％、fe0.2％-0.8％、si＜0.2％、ti0.05％-0.5％、zr0.1％-0.5％、余量为al；其中，zn与mg的质量比为2.5～3.5，mn与fe的质量比大于3，包括si在内的所有杂质的质量百分含量小于等于0.3％；所述铝合金的铸锭组织的第二相面积占比小于5.5％，所述铝合金的铸锭组织的第二相尺寸小于100μm。

根据上述的阳极氧化压铸铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：mg0.3％～0.7％、zn1.5％～2.4％、mn1.6％～2.3％、fe0.3％-0.5％、si＜0.15％、ti0.1％-0.2％、zr0.1％-0.3％、余量为al；其中，zn与mg的质量比为2.6-2.9，mn与fe的质量比大于6，包括si在内的所有杂质的质量百分含量小于等于0.2％。

根据上述的阳极氧化压铸铝合金，其特征在于，所述铝合金的铸锭在压铸过程中铸件的冷却速率大于30℃/s。

一种基于上述的阳极氧化压铸铝合金的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将原料工业纯al锭、工业纯zn锭、al-mn中间合金、fe剂置于熔炼炉内加热至780℃-800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃-770℃，再将纯mg与al-zr中间合金压入熔炼炉至纯mg与al-zr中间合金完全熔化，得到熔化后的物料；

(2)向熔炼炉内加入精炼剂和细化剂后搅拌除气15min-20min，静置15min-20min后扒渣，得到扒渣后的样品；

(3)当扒渣后的样品达到720℃-740℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金；浇铸模具的温度为180℃-220℃。

根据上述的阳极氧化压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中精炼剂的加入量为步骤(1)中工业纯al锭的质量、工业纯zn锭的质量、al-mn中间合金的质量、fe剂的质量、纯mg的质量、al-zr中间合金的质量之和的2～5‰；细化剂的加入量为步骤(1)中工业纯al锭的质量、工业纯zn锭的质量、al-mn中间合金的质量、fe剂的质量、纯mg的质量、al-zr中间合金的质量之和的3～5‰。

根据上述的阳极氧化压铸铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中精炼剂为块状或颗粒状无钠精炼剂，细化剂为al-ti-b。

本发明的有益技术效果：本发明的阳极氧化压铸铝合金添加了zn、mg和mn、fe元素，不仅提高了合金的固溶强化效果，同时使含mn相转化为细小弥散的第二相，降低了基体与第二相的色差，有效提高了合金的阳极氧化性能，同时改善了力学性能。本发明的阳极氧化压铸铝合金具有较好的力学性能、压铸性能和极高的阳极氧化效果，在阳极氧化后能够形成均匀连续、色差值△e小于0.2的氧化膜，氧化膜膜层厚度大于10um，且阳极氧化工艺简单，成品易于染色，同时该合金不添加sc、稀土等价格较高的元素，仅添加少量zr元素，具有生产成本低的优势，可应用于对外观和力学性能要求较高的壳体类结构件和装饰件中。本发明的阳极氧化压铸铝合金在压铸过程中，铸件冷却速率大于30℃/s，有利于在表面形成细小的晶粒组织和细小弥散的第二相，有利于阳极氧化色差值的降低，提高了阳极氧化性能。本发明的方法操作简单，易于规模化生产。

附图说明

图1为实施例3阳极氧化压铸铝合金铸锭的微观形貌金相图；

图2为对比例1铝合金铸锭的微观形貌金相图。

具体实施方式

本发明的一种阳极氧化压铸铝合金，组分及其质量百分含量为：mg0.2％～1.0％、zn1.0％～3.0％、mn1.0％～3.0％、fe0.2％-0.8％、si＜0.2％、ti0.05％-0.5％、zr0.1％-0.5％、余量为al；其中，zn与mg的质量比为2.5～3.5，mn与fe的质量比大于3，包括si在内的所有杂质的质量百分含量小于等于0.3％。优选的，阳极氧化压铸铝合金，组分及其质量百分含量为：mg0.3％～0.7％、zn1.5％～2.4％、mn1.6％～2.3％、fe0.3％-0.5％、si＜0.15％、ti0.1％-0.2％、zr0.1％-0.3％、余量为al；其中，zn与mg的质量比为2.6-2.9，mn与fe的质量比大于6，包括si在内的所有杂质的质量百分含量小于等于0.2％。铝合金的铸锭在压铸过程中铸件的冷却速率大于30℃/s。铝合金的铸锭组织的第二相面积占比小于5.5％，铝合金的铸锭组织的第二相最大尺寸小于100μm。通过控制合金第二相组织面占比和尺寸，降低了第二相与基体的色差，保证合金阳极氧化后色差均匀。

阳极氧化压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原料工业纯al锭、工业纯zn锭、al-mn中间合金、fe剂置于熔炼炉内加热至780℃-800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃-770℃，再将纯mg与al-zr中间合金压入熔炼炉炉体底部直至纯mg与al-zr中间合金完全熔化，得到熔化后的物料。

(2)向熔炼炉内加入精炼剂和细化剂后搅拌除气15min-20min，静置15min-20min后扒渣，得到扒渣后的样品；精炼剂为块状或颗粒状无钠精炼剂，细化剂为al-ti-b。精炼剂的加入量为步骤(1)中工业纯al锭的质量、工业纯zn锭的质量、al-mn中间合金的质量、fe剂的质量、纯mg的质量、al-zr中间合金的质量之和的2～5‰；细化剂的加入量为步骤(1)中工业纯al锭的质量、工业纯zn锭的质量、al-mn中间合金的质量、fe剂的质量、纯mg的质量、al-zr中间合金的质量之和的3～5‰。

(3)当扒渣后的样品温度达到720℃-740℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金；浇铸模具的温度为180℃-220℃。

本发明的阳极氧化压铸铝合金材料，对化学成分和比例进行了优化，通过向铝合金中添加适量的mn、zn、mg、fe、ti、zr元素，使合金获得细小均匀分布的第二相组织，从而具有良好的压铸性能、阳极氧化性能和力学性能。其中，zn元素的质量百分含量控制在1.0％-3.0％，mg元素的质量百分含量控制在0.2％-1.0％，压铸过程中冷却速率大于30℃/s，zn、mg在压铸条件下，能够完全固溶于基体，起到固溶强化的作用，同时控制zn/mg质量比能够促进菱形大尺寸al6mn相转化为细小弥散的球状al85(mn0.72,fe0.28)14si相，有利于力学性能和阳极氧化效果的提升；zn、mg元素在al基体中的固溶度较大，在压铸过程中不会析出mgzn2相，因此zn、mg元素的强化作用主要表现为zn、mg原子固溶于al基体，增加合金的固溶强化效果，使合金的强度显著提升。zn与mg的质量比控制在2.5～3.5范围内，固溶于基体的zn、mg原子在压铸过程中可促进含mn相的转化，使析出的菱形大尺寸al6mn相转化为球状小尺寸al85(mn0.72,fe0.28)14si相；同时，按照比例添加的zn、mg元素，可以有效降低基体中的空位浓度，限制空位运动，减缓al85(mn0.72,fe0.28)14si相的长大，使析出的al85(mn0.72,fe0.28)14si相更加细小弥散，通过熔铸工艺的调控，将铸锭组织中的第二相面积占比控制在5.5％以下，第二相最大尺寸<100um，使合金在压铸过程中不易产生菱形大尺寸第二相，并使得压铸件中第二相的分布更加细小均匀，从而降低了压铸件中第二相与基体的电位差，使生产的氧化膜更加均匀连续，色差值更低，进而提高了阳极氧化性能，并减小了大尺寸第二相对合金力学性能的恶化作用。mn元素的添加可以替代si、fe元素，使合金仍然具有较好的流动性，将mn元素含量控制在共晶点附近，保证合金的流动性，同时减少含mn相的析出，保证阳极氧化性能；fe元素的添加一方面有利于脱模性的提高，另一方面控制mn/fe比的含量，可以使al-fe相在mn元素的变质作用下形成al-mn-fe相，减少针状al-fe相对力学性能和阳极氧化性能的恶化作用，同时在zn、mg元素的促进作用下，al-mn-fe相转化为小尺寸al85(mn0.72,fe0.28)14si相，有利于力学性能和阳极氧化性能的提升；在mn与fe的质量比大于3时，一方面添加适量的fe元素有利于脱模性的提升，另一方面过量的mn元素可以使含fe相充分变质，减少易恶化力学性能和阳极氧化性能的针状含fe相析出，同时，一定量的fe元素有利于al6mn相向细小al85(mn0.72,fe0.28)14si相的转化。向合金中添加0.1-0.5％的zr，可生成细小弥散的al3zr相，起到钉扎晶界的作用，从而阻碍晶粒的长大，使得压铸铝合金晶粒细化，提高阳极氧化性能。ti元素的添加，有利于晶粒细化，能够提高合金的流动性能和阳极氧化性能。本发明通过控制合金中总杂质的含量小于等于0.3％，减少合金中杂质相的产生，保证阳极氧化膜的均匀连续。本发明提供的阳极氧化压铸铝合金材料，一方面选择了固溶度较大的mn、zn、mg元素，使固溶强化效果得到充分体现；另一方面，利用zn、mg、mn、fe的合理配比，将菱形和针状的大尺寸第二相转化为球状和棒状的细小第二相，减少对阳极氧化的不利影响；同时ti元素和zr的添加细化了晶粒组织，使得阳极氧化膜的色泽更加均匀，更易于染色。本发明中zr元素可在高温条件下生成细小弥散的al3zr相，能够钉扎晶界，阻碍晶粒的长大，从而细化晶粒，起到提高阳极氧化性能的作用。

以下结合实施例和对比例对本发明进行详细说明。

实施例1

将原料工业纯al锭、工业纯zn锭、al-mn中间合金、fe剂置于熔炼炉内加热至800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃，再将纯mg与al-zr中间合金压入熔炼炉炉体底部直至纯mg与al-zr中间合金完全熔化，得到熔化后的物料。

向熔炼炉内加入无钠精炼剂和al-ti-b细化剂后，搅拌除气15min，除气完毕后静置15min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量的2‰，al-ti-b细化剂的加入量为原料质量的3‰。

当扒渣后的样品温度达到740℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金锭，其中浇铸模具的温度为200℃，阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：mg0.7％、zn1.8％、mn1.8％、fe0.5％、ti0.1％、zr0.2％、余量为al。

实施例2

将工业纯al锭、工业纯zn锭、al-mn中间合金、fe剂置于熔炼炉内加热至800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃，再将纯mg与al-zr中间合金压入熔炼炉炉体底部直至纯mg与al-zr中间合金完全熔化，得到熔化后的物料。

向熔炼炉内加入无钠精炼剂和al-ti-b细化剂后，搅拌除气15min，除气完毕后静置15min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量的3‰，al-ti-b细化剂的加入量为原料质量的3‰。

当扒渣后的样品温度达到740℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金锭，其中浇铸模具的温度为200℃，阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：mg0.4％、zn1.4％、mn1.8％、fe0.5％、ti0.1％、zr0.3％、余量为al。

实施例3

将工业纯al锭、工业纯zn锭、al-mn中间合金、fe剂置于熔炼炉内加热至800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃，再将纯mg与al-zr中间合金压入熔炼炉炉体底部直至纯mg与al-zr中间合金完全熔化，得到熔化后的物料。

向熔炼炉内加入无钠精炼剂和al-ti-b细化剂后，搅拌除气15min，除气完毕后静置15min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量的3‰，al-ti-b细化剂的加入量为原料质量的3‰。

当扒渣后的样品温度达到740℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金锭，浇铸模具的温度为200℃，阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：mg0.7％、zn2.4％、mn1.8％、fe0.5％、ti0.1％、zr0.3％、余量为al。图1为实施例3阳极氧化压铸铝合金铸锭的微观形貌金相图。

实施例4

将工业纯al锭、工业纯zn锭、al-mn中间合金、fe剂置于熔炼炉内加热至800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃，再将纯mg与al-zr中间合金压入熔炼炉炉体底部直至纯mg与al-zr中间合金完全熔化，得到熔化后的物料。

向熔炼炉内加入无钠精炼剂和al-ti-b细化剂后，搅拌除气15min，除气完毕后静置15min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量的3‰，al-ti-b细化剂的加入量为原料质量的3‰。

当扒渣后的样品温度达到740℃时进行浇铸，得到阳极氧化压铸铝合金锭，浇铸模具的温度为200℃，阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：mg0.7％、zn1.8％、mn2.2％、fe0.7％、ti0.1％、zr0.3％、余量为al。

对比例1

将工业纯al锭、al-mn中间合金、fe剂置于熔炼炉内加热至800℃，熔炼炉内的原料熔化后将熔炼炉降温至760℃，再将al-zr中间合金压入熔炼炉炉体底部直至al-zr中间合金完全熔化，得到熔化后的物料。

向熔炼炉内加入无钠精炼剂和al-ti-b细化剂后，搅拌除气15min，除气完毕后静置15min，扒渣，得到扒渣后的样品。无钠精炼剂的加入量为原料质量的3‰，al-ti-b细化剂的加入量为原料质量的3‰。

当扒渣后的样品温度达到740℃时进行浇铸，浇铸模具的温度为200℃，浇铸后得到阳极氧化压铸铝合金，阳极氧化压铸铝合金的组分及其质量百分含量为：mn1.8％、fe0.5％、ti0.1％、zr0.3％、余量为al。图2为对比例1铝合金铸锭的微观形貌金相图。

实施例1～4和对比例1合金的实测性能数据如表1所示。

表1实施例1～4和对比例1合金的实测性能数据

由表1可知，对比例1合金虽然压铸性能优异，但是合金强度低，同时铸锭组织中第二相面积占比高，且第二相尺寸大，导致阳极表面色差大，△e＞0.2，不合格。实施例1～4合金具有较高的强度和优异的压铸性能，阳极氧化效果良好，氧化膜均匀连续，色差值小，△e＜0.2，易于染色，同时不添加sc、稀土等价格较高的元素，仅添加少量zr元素，具有生产成本低的优势，可用于对强度和外观要求较高的壳体类结构件和装饰件中。