一种可免热处理的压铸铝合金及其制备方法和应用

本发明属于金属材料，尤其涉及一种可免热处理的压铸铝合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、汽车给人们带来生活便利的同时，也带来了能耗和环境污染。为了应对全球性的能源和环境危机，传统的燃油车逐渐被新能源汽车所替代。受限于电池能量密度，目前电池所增加的重量较相同级别燃油车高15-30％，成为新能源汽车续航能力的障碍之一。因此，新能源汽车的轻量化较燃油车更为迫切。

2、近年来，压铸一体化成型技术成为实现汽车轻量化的有效途径之一，但相应的材料却无法通过热处理来改善其强度，亟待开展非/免热处理的高强韧压铸铝合金材料的研究。

3、cn115125420a公开了一种可免热处理高性能结构件铸造铝合金，该合金含有si：6.0％～8.5％，mg：0.05％～0.40％，cu：0.50％～0.85％，cr：0.20％～0.60％，er：0.01％～0.10％，mn：0.45％～0.75％，zn：0.1％～3.0％，v：0.04％～0.14％，ni：0.01％～0.1％，ba≤0.1％，y≤0.1％，fe≤0.16％，余量为al。通过添加特定含量的cu，mg，si元素，形成al2cu，mg2si，al-si-cu-mg等强化相，大幅改善铸件的强度。铸件抗拉强度达到290mpa，但伸长率不足10％。

4、cn115961183a公开了一种免热处理高强韧压铸铝合金，该合金由7.0～10.0％的硅，不大于0.05％的铜，不大于0.4％的镁，0.3～0.7％的锰，不大于0.2％的铁，不大于0.07％的锌，不大于0.2％的钛，0.015～0.03％的锶，0.01～0.1％的钒，0.01～0.1％的锆组成。通过调控mg和zr的含量，抗拉强度和伸长率分别达到260mpa和15.5％以上。但屈服强度仅为120mpa左右。

5、cn116287891a公开了一种免热处理压铸铝合金，该合金包含6.5～8.3％的si，0.2～0.4％的mg，0.25～0.50％的cu，0.09～0.25％的fe，0.5～0.8％的mn，0.05～0.20％的ti，0.02～0.04％的sr，0.01～0.1％的zr，小于或等于0.05％的hf，小于或等于0.25％的zn，小于或等于0.1％的稀土元素，小于或等于0.05％的其他杂质元素和余量的al；其中，所述稀土元素包括la，ce和y中的至少一种；cu和mg的总重量与zr和hf的总重量之比小于或等于22。通过引入了hf，zr，re元素，控制晶粒，第二相和析出相，提高铝合金性能。铸件抗拉强度，屈服强度和伸长率分别达到276mpa，133mpa和10.7％以上，但合金中含有较低的fe含量和稀贵金属hf含量，成本较高。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的至少一个问题，本发明的目的之一在于提供一种可免热处理压铸铝合金，其是一种兼具良好的铸造成型性和强韧性的可免热处理压铸合金。

2、本发明的目的之二在于提供一种上述压铸铝合金的制备方法。

3、本发明的目的之三在于提供一种上述压铸铝合金在汽车领域中的应用。

4、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

5、本发明的第一方面提供了一种可免热处理的压铸铝合金，由以下质量百分比的成分组成：10～13％si，0.05～0.15％mg，0.35～0.65％fe，0.2～0.45％mn，0.16～0.32％微量元素，余量为杂质元素和al；所述微量元素包括以下质量百分比的成分：0.08～0.15％zr，0.012～0.03％sr，0.02～0.09％re，0～0.05％ti，所述sr与re以al-sr-re中间合金的形式加入；所述mn与fe的质量百分比之和为0.75～0.9％。

6、本发明以al-si合金为基础，设计si的含量在其共晶点附近，以最大限度地提高合金的流动性能；设计mg的含量在其固溶度范围内，通过固溶强化来提高合金的强度；而fe、mn均可有效减少粘模，一方面通过总量控制，达到不粘模的最优化；另一方面通过si、fe、mn相对含量来调控富铁相的形态，减少富铁相的危害，提高合金塑性。当si含量较高时，fe含量较高，mn含量较低，反之亦然，利用热力学计算精确分析α-al、al-si共晶、富铁相的形成温度区间，根据si含量优化mn、fe的含量；添加合适用量的微量元素有利于提高合金的强度和塑性，其中，添加微量的zr可以细化晶粒，尤其是当si含量相对较低时，仍有少部分初生α-al形成；添加al-sr-re中间合金作为复合变质剂，深度变质共晶硅，细化共晶硅的尺寸，提高合金塑性；ti为可选的添加成分，添加适量的ti可一定程度上细化晶粒，有利于提高合金的塑性和强度。

7、优选地，所述压铸铝合金的成分中，si的质量百分比为10.5～13％；非限制性示例如11％、11.5％、12％或12.5％。

8、优选地，所述压铸铝合金的成分中，mg的质量百分比为0.08～0.15％；非限制性示例如0.09％、0.1％、0.11％、0.12％、0.13％或0.14％。

9、优选地，所述压铸铝合金的成分中，fe的质量百分比为0.35～0.55％；非限制性示例如0.4％、0.42％、0.45％、0.48％或0.5％。

10、优选地，所述压铸铝合金的成分中，mn的质量百分比为0.3～0.45％；非限制性示例如0.32％、0.35％、0.37％、0.4％或0.42％。

11、优选地，所述压铸铝合金的成分中，所述mn与fe的质量百分比之和为0.8～0.87％；非限制性示例如0.81％、0.82％、0.83％、0.84％、0.85％或0.86％。

12、优选地，所述压铸铝合金的成分中，微量元素的质量百分比为0.16～0.232％；非限制性示例如0.17％、0.18％、0.19％、0.2％、0.21％、0.22％或0.23％。

13、所述微量元素的成分中，zr的质量百分比的非限制性示例如0.09％、0.1％、0.11％、0.12％、0.13％或0.14％。

14、所述微量元素的成分中，sr的质量百分比的非限制性示例如0.008％、0.01％、0.012％、0.015％或0.018％。

15、所述微量元素的成分中，re的质量百分比的非限制性示例如0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％或0.08％。

16、所述微量元素的成分中，ti的质量百分比的非限制性示例如0.01％、0.02％、0.03％或0.04％。

17、优选地，所述压铸铝合金由以下质量百分比的成分组成：10.5～13％si，0.08～0.15％mg，0.35～0.55％fe，0.3～0.45％mn，0.16～0.232％微量元素，余量为杂质元素和al；所述微量元素由以下质量百分比的成分组成：0.08～0.15％zr，0.012～0.02％sr，0.02～0.09％re，0～0.05％ti；所述mn与fe的质量百分比之和为0.8～0.87％。

18、优选地，所述压铸铝合金的成分中，杂质元素的质量百分比＜0.5％；进一步优选地，所述杂质元素中，单个杂质元素的质量百分比＜0.1％。

19、优选地，所述re为la和ce的混合物。

20、优选地，所述re中，所述la与ce的质量比为0.2～0.5。

21、优选地，所述压铸铝合金的拉伸强度为280～320mpa；进一步优选为295～310mpa。

22、优选地，所述压铸铝合金的屈服强度为135～160mpa；进一步优选为140～155mpa。

23、优选地，所述压铸铝合金的伸长率为12～20％；进一步优选为12.5～18.5％。

24、优选地，所述压铸铝合金中含有球形的共晶硅晶粒。

25、优选地，所述共晶硅的平均粒径为0.5～5μm；进一步优选为0.5～3μm；更进一步优选为0.5～2μm。

26、本发明的第二方面提供了一种如本发明的第一方面所述的压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：将含有目标成分的初始原料熔化，进行第一次精炼，调整除mg、sr、re外的其他成分的含量至目标含量，进行第二次精炼，调整mg、sr、re的含量至目标含量，浇铸，得到所述的压铸铝合金。

27、通过进行两次精炼，可以提高合金的纯度和强韧性，且由于mg、sr、re属于易烧损元素，在第二次精炼后再调整其含量，最终得到含有各目标含量和目标成分的压铸铝合金，制得兼具铸造成型性和强韧性的可免热处理的压铸合金。

28、优选地，所述初始原料包括al-si、al-mn、al-si-mg、al-mg-mn-fe或al-mg-mn系合金中的至少一种。

29、在本发明的一些具体实施方式中，所述初始原料选自铝合金废料；在本发明的一些更具体实施方式中，所述铝合金废料在所述压铸铝合金的所有原料中的质量百分比≥50％；非限制性示例如60％、70％、80％、90％或100％。

30、由于本发明的压铸铝合金中除了si外，还含有一定量的mg，fe，mn，ti，sr等元素，这为铝合金废料的加入提供了前提条件，通过合适的配比，废料的质量比例最高可达50％以上，若通过铝合金废料成分的合理调配，使其满足压铸铝合金中各成分组成的要求，铝合金废料用量可达100％。

31、本发明采用铝合金废料作为初始原料时，实际上是提供了一种铝合金废料的保级回收方法，最终制得一种兼具铸造成型性和强韧性的可免热处理的压铸铝合金。本发明的方法可选用50％以上的铝合金废料作为原料，能够大幅度降低合金制备过程中的碳排放和能耗，同时可抵消添加微量稀土元素带来的成本，且得到的合金具有良好的铸造成型性和强韧性。

32、在本发明的一些具体实施方式中，调整成分含量的方式为添加调控原料；所述调控原料包括含有该成分的单质、中间合金或化合物中的至少一种。

33、在本发明的一些具体实施方式中，调整sr、re的含量时，所采用的调控原料为al-sr-re中间合金。

34、优选地，所述熔化的温度为700～750℃。

35、优选地，所述第一次精炼的温度为700～750℃。

36、优选地，所述第二次精炼的温度为700～750℃。

37、优选地，所述第一次精炼和第二次精炼在精炼剂和保护性气体存在的条件下进行。

38、优选地，所述精炼剂包括氯化物、氟化物或其组合；进一步优选地，所述精炼剂选自氯化物和氟化物的组合。

39、优选地，所述保护性气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种。

40、优选地，所述浇铸具体为：待熔体静置15～30min后扒渣，然后在覆盖剂的条件下进行浇铸。

41、优选地，所述覆盖剂选自氯化物。所述氯化物可以保护溶体，有利于浇铸进行。

42、本发明的第三方面提供了一种如本发明的第一方面所述的压铸铝合金在汽车领域中的应用。

43、优选地，所述汽车为轻量化汽车；进一步优选地，所述轻量化汽车为新能源汽车。

44、本发明的有益效果是：本发明以al-si合金为基础，通过调整mg的含量，有利于晶粒细化和共晶硅深度变质细化组织，利用热力学计算设计fe、mn含量，以调控富铁相的类型、形貌与分布，以及添加特定含量的微量元素，包括zr、sr、re和可选的ti，以改善合金的强度和塑性，最终制得兼具铸造成型性和强韧性的可免热处理的压铸铝合金，在汽车尤其是轻量化领域中具有广泛的应用。

45、更具体地，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

46、1、本发明的压铸铝合金具有良好的铸造成型性，制备合金过程中不粘模。本发明中，si的共晶点约为12.6％(质量百分比)，通过设计si的含量在共晶点附近，最大限度地提高合金的流动性能；另外，fe、mn均可有效减少粘模，通过总量控制，达到不粘模的最优化。

47、2、本发明的压铸铝合金具有良好的强韧性。关于强度，主要是通过设计mg的含量在固溶度范围内，通过固溶强化提高合金的强度。而关于韧性和塑性，主要是通过以下几个方面：首先，通过添加微量的zr来细化晶粒，尤其是确保si含量相对较低时，仍有少部分初生α-al形成；其次，通过添加al-sr-re复合变质剂，深度变质共晶硅，细化共晶硅的尺寸；最后，通过si、fe、mn的相对含量来调控富铁相的形态，减少富铁相的危害，从而提高合金塑性。

48、3、本发明的压铸铝合金可采用铝合金废料作为初始原料，通过合适的配比，废料的质量比例最高可达50％以上，这为铝合金废料提供了一种保级回收方法，可大幅度降低合金制备过程中的碳排放和能耗，同时可抵消添加微量稀土元素带来的成本，且得到的合金具有良好的铸造成型性和强韧性。