一种新型高性能铝合金材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种新型高性能铝合金材料，包含以重量百分比计的组分：Si：16.0~18.0%，Fe：0.60~1.0%，Cu：4.0~5.0%，Mg：0.65~0.85%，Mn：≤0.50%，Cr：≤0.098%，Ni：≤0.09%，Zn：≤1.4%，Ti：≤0.09%，Pb：≤0.095%，Sn：≤0.09%，Ca：≤0.006%，P：≥0.0075%；余量为Al和不可避免的杂质。本发明工艺的规划精细、合理，稳定性和操作性方便，可调余地大；得到的合金晶粒均质化、质量好，颗粒度和变质优异；得到的铝合金膨胀系数小，耐磨性和机械强度高，且由于工艺结晶范围宽和可调余地大的优势，对于紧急订单可快速转换铝液规格，保证客户的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金，尤其是一种新型高性能铝合金材料及其制备方法。

背景技术

随着铝合金材料的使用日益普遍，铝合金的种类不断增加大，现今铝合金材质成分种类繁多，铝合金锭/铸造铝的生产都是二次熔炼，以回收利用的铝制品做为原料，如：报废的汽车铝制品、日常生活铝制品、其他铝加工的边角料、压铸厂回收料等，进行熔炼后变废为宝，再次利用。

在铝锭/铸造铝生产过程中，最理想状态就是使用的原材料和生产规格铝液的成分规格相近，如此可以减少配料工序的操作，有利于提高生产效率，降低能耗。由于市场铝废料价格波动大、废铝/回收铝料量的不稳定性，造成每阶段时期原材料的规格和量不相同，以及规格原料的库存量和实际需求规格原料有差距，只能使用好料或者纯铝锭添加造成成本和资源的浪费。中间合金如能代替单质元素添加，有利于提高生产效率。同时替代部分规格的铝原料，确保现场配料使用。在此基础上，对新型、高性能的铝合金材料的研发和探索也节约了很多成本，利用得好，可以说是铝合金高效生产工艺开发的捷径。

发明内容

发明目的：为了利用铝废料/中间合金，开发一种新型的铝合金，其具备优良的综合性能，本发明提供一种新型高性能铝合金材料及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容：一种新型高性能铝合金材料，包含以下重量百分比的组分：Si：16.0～18.0％，Fe：0.60～1.0％，Cu：4.0～5.0％，Mg：0.65～0.85％，Mn：≤0.50％，Cr：≤0.098％，Ni：≤0.09％，Zn：≤1.4％，Ti：≤0.09％，Pb：≤0.095％，Sn：≤0.09％，Ca：≤0.006％，P：≥0.0075％；余量为Al和不可避免的杂质。

作为优选，所述P组分的重量含量在0.0075％～0.015％。微量的P组分对铝合金具有积极作用，大于75ppm可得到所需积极效果；P属于易挥发元素，一般在75～150ppm之间为工艺匹配优化值，再增加有困难，考虑到工艺控制和成本的投入，一般不会加太多。

一种新型高性能铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1-1)、一次熔硅：铝汤形成后进行一次熔硅，熔硅前进行液面测试和铝汤重量的确认，确定铝汤重量，铝汤温度控制在780～800℃；熔硅操作前进行耙铁作业，熔硅时先投入1～2‰重量份的磷铜，然后熔金属硅；一次熔硅后，依据实际硅含量和试算的硅含量，预估铝汤重量并记录，一次熔硅完成后取圆样；

(1-2)、二次熔硅：铝汤温度控制在780～800℃，按铝汤重量试算；二次熔硅时加入铜，再投入1～2‰重量份的磷铜，然后熔金属硅，二次熔硅完成后取圆样；记录投入磷铜的时间、重量和温度；

(2)、配料完成：对铝汤进行铜含量的补正和镁含量的添加，使各元素成分达到要求，配料完成后取圆样，记录温度；

(3-1)、除气：将铝汤温度调整到790～850℃，开始除气；除气后，取样块，取圆样以及铝锭1/3处断面，如符合出汤要求，可不进行细化变质操作，准备放汤作业，进入步骤(5)，记录此时温度；如断面不符合变质要求，进行除钙和细化变质操作，进入步骤(4-2)，也记录此时温度；

(3-2)、细化变质：根据步骤(4-1)的条件进行细化变质，将铝汤温度调整到790℃，细化变质时，磷铜使用量为铝液的1.0‰，电磁搅拌中取圆样分析成分；继续电磁搅拌，边搅拌边投入磷铜，人工铁耙搅拌2分钟，取样块，铝锭1/3处断面观察细化情况；再电磁搅拌，790℃时取样块，取圆样和观察断面；

(4)、放汤样块判断：取样块，铝锭1/3处断面观察，断面细化要求为1～3级合格，圆样分析硅含量16～18％时可放汤；

(5)、放汤：铝汤温度在790℃，放汤，铝锭重量控制在4～6kg，成品进行成分颗粒检查，记录温度；然后进行在线除气；

(6)、成品检验：铝锭细化等级符合4级以上要求，铝锭的硅含量均值符合16～18.0％要求；9点分析值如超出3点以上不在15～19.5％范围内，则判断为不合格，重新取样；当出现不合格铝锭时，重新取样测试，如复测该件铝锭不合格则判断此件不合格，同时对相邻铝锭取样测试。

作为优选，步骤(1-1)中，一次熔硅的硅含量控制在5～10％，并记录液位和铝汤重量。一次熔硅先熔一部分使二次熔硅工艺操作难度得以降低。

作为优选，步骤(1-1)和(1-2)中，所熔的金属硅为553金属硅。553金属硅含Ca量少，Ca是不利元素，应采用少者可降低其对合金性能的不利影响。

作为优选，步骤(3-2)中，记录细化前、细化后以及细化过程中每个取样的点的温度，记录细化时间、细化剂用量，细化过程操作时间在40min。细化时间的控制使细化更彻底，细化步骤较为关键，细化前、中、后的取样点的温度，以及时间和用量以监控细化的效果、影响因素，使工艺更为精准和可控。

作为优选，步骤(4)中，圆样分析硅含量均值在17±0.8％以外范围时，多取圆样若干组，与原来的圆样分析结果综合判断，硅含量综合判断在18.0％以上时，进行降硅补正处理。细化硅含量分析检测对铝合金的性能具有举足轻重的作用，将硅含量严格控制有利于其他元素联合作用于铝合金的协同效果以及后续工艺的顺利性。

作为优选，步骤(5)中，在线除气采用3～4根石墨转子，转速450转。石墨转子的数量和转速使在线除气达到良好的工况，优化工艺的除气效果，同时考虑到了能源消耗的经济性。

本发明的有益效果在于：本发明的一种新型高性能铝合金材料，配方精细、工艺控制分步合理，检验到位。它在现有的铝合金基础上，进行熔硅处理铝汤；通过中间合金配比，减少了配料原料种类，提高了生产效率；通过中间合金使用保证对于部分原材规格的需求，减少了纯料(纯铝锭、电解铜等)的用量，减少资源的浪费；在工艺上，通过两次熔硅，减少熔硅步骤含量确定的检测负担，精确度得以提高；除气和细化变质步骤提高和调整了铝合金的质量；贯穿全局的多步记录和检测圆样与断面，使工艺过程得到精细的监测，可控性得以大幅提高。本发明工艺的规划精细、合理，稳定性和操作性方便，可调余地大；得到的合金晶粒均质化、质量好，颗粒度和变质优异；得到的铝合金膨胀系数小，耐磨性和机械强度高，且由于工艺结晶范围宽和可调余地大的优势，对于紧急订单可快速转换铝液规格，保证客户的需求。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例作简单地介绍。一种新型高性能铝合金材料，包括表1中的实施例所涉及的重量份组分。

表1实施例的组分(单位：重量份％)

一种新型高性能铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1-1)、一次熔硅：铝汤形成后进行一次熔硅，熔硅前进行液面测试和铝汤重量的确认，确定铝汤重量，铝汤温度控制在780～800℃；熔硅操作前进行耙铁作业，熔硅时先投入1～2‰重量份的磷铜，然后熔金属硅，所熔的金属硅为553金属硅；一次熔硅后，依据实际硅含量和试算的硅含量，预估铝汤重量并记录，一次熔硅完成后取1个圆样；一次熔硅的硅含量控制在5～10％，并记录液位和铝汤重量；

(1-2)、二次熔硅：铝汤温度控制在780～800℃，按铝汤重量试算；二次熔硅时加入铜，再投入1～2‰重量份的磷铜，然后熔金属硅，所熔的金属硅为553金属硅，二次熔硅完成后取2个圆样；记录投入磷铜的时间、重量和温度；

(2)、配料完成：对铝汤进行铜含量的补正和镁含量的添加，使各元素成分达到要求，配料完成后取2个圆样，记录温度；

(3-1)、除气：将铝汤温度调整到790～850℃，开始除气；除气后，取样块，取2个圆样以及铝锭1/3处断面(不做成分测试)，如符合出汤要求，可不进行细化变质操作，准备放汤作业，进入步骤(5)，记录此时温度；如断面不符合变质要求，进行除钙和细化变质操作，进入步骤(4-2)，也记录此时温度；

(3-2)、细化变质：根据步骤(4-1)的条件进行细化变质，将铝汤温度调整到790℃，细化变质时，边搅拌边加入磷铜，磷铜使用量为铝液的1.0‰，电磁搅拌过程中取2个圆样，做成分测试；继续电磁搅拌，边搅拌边投入磷铜，人工铁耙搅拌2分钟，取样块，铝锭1/3处断面观察细化情况，不做成分测试；再电磁搅拌，790℃时取样块，取圆样和观察断面；在细化前、细化后以及细化过程中记录每个取样块(圆样、断面)的点的温度，记录细化时间、细化剂用量，细化过程操作时间在40min；

(4)、放汤样块判断：取样块，铝锭1/3处断面观察，断面细化要求为1～3级合格，取2个圆样，6点圆样有4个及以上点分析硅含量16～18％时可放汤；圆样分析硅含量均值在17±0.8％以外范围时，多取圆样若干组，与原来的圆样分析结果综合判断，硅含量综合判断在18.0％以上时，进行降硅补正处理；

(5)、放汤：铝汤温度在790℃，放汤，铝锭重量控制在4～6kg，成品进行成分颗粒检查，记录温度，成品取样5件、15件、25件、35件，成分颗粒检查；然后进行在线除气；所述在线除气采用3～4根石墨转子，转速450转；

(6)、成品检验：铝锭细化等级符合4级以上要求，铝锭的硅含量均值符合16～18.0％要求；9点分析值如超出3点以上不在15～19.5％范围内，则判断为不合格，重新取样；当出现不合格铝锭时，重新取样测试，如复测该件铝锭不合格则判断此件不合格，同时对相邻铝锭取样测试。

所得铝合金基本性能测试结果见表2。

表2实施例的基本性能指标

以上4个实施例均为合格品，符合铝合金使用要求。经应用，本发明的铝合金在汽车、机械、电子等领域比常规牌号铝合金晶粒形态好，细化程度佳，高强高硬，硬度高于普通牌号或接近成本的铝合金，且经久耐用；并且工艺灵活可调控，满足客户多元化的需求。

以上实施例仅用以说明本发明的优选技术方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，所做出的若干改进或等同替换，均视为本发明的保护范围，仍应涵盖在本发明的权利要求范围中。