一种适用于高固相半固态流变压铸的铝合金材料

摘要

本发明公开了一种适用于高固相半固态流变压铸的铝合金材料。该铝合金材料的固相体积分数在25‑70％之间，该铝合金材料的合金成分以质量百分比计为：Si 4‑8％、Fe 0.3‑0.8％，Mg 0.1‑0.6％(或者Mg 0.1‑0.6％，Cu 2.5‑4.5％)，Ti≤0.2％，Sr≤0.05％，余量为铝，其中还包括不可避免的杂质元素，每种杂质元素含量≤0.05％，杂质元素含量总和≤0.2％。本发明的铝合金材料在高固相半固态浆料制备过程中组织、成分、固相分数分布均匀，浆料固相分数易于控制，制浆工艺窗口大，控制简单；在流变压铸过程中粘模倾向低，易于脱模，适合进行流变压铸成形。

说明书

技术领域

本发明涉及铸造铝合金材料，具体涉及一种适用于高固相半固态流变压铸的低粘模倾向铝合金材料，属于半固态成形技术领域。

背景技术

铸造铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。

铝硅系铸造铝合金在所有铸造铝合金中铸造性能最好，应用也最广泛。传统铸造方法有重力铸造、低压铸造、差压铸造、高压铸造(压铸)等。压铸以外的传统铸造工艺用铝硅系合金一般硅含量在5-9％之间，具有较好的铸造性能和使用性能。而铁元素是这些铸造合金中的有害元素(形成针状硬质相，恶化材料性能)，一般要控制在0.25％以内，严格的甚至要控制在0.15％以内。常规的铝硅系铸造铝合金包括如354、355、356、357等。压铸铝合金的用量几乎是压铸外其他铸造铝合金用量的2倍以上。压铸铝合金的硅含量一般在8-12％之间，具有最好的流动性。为了缓解压铸铝合金的粘模倾向，一般压铸铝合金中的铁含量要在0.7％以上，牺牲部分力学性能来缓解高温高压下压铸的粘模问题。常用的压铸铝合金包括如360、380、383等。

半固态成形技术是上世纪70年代开发的一类新型铸造技术。与传统压铸技术相结合，开发的半固态流变压铸成形技术尤其是高固相半固态流变压铸成形技术近年来在乘用车、商用车、新能源汽车、通讯、电子等领域展现出越来越好的应用前景。高固相半固态流变压铸成形技术是指在铝合金熔体凝固过程中施加外场，制备出具有近球形晶粒组织的半固态浆料，半固态浆料的固相体积分数在25-70％之间，可以形成固定形状，不能自然流动，将高固相分数的半固态浆料放入压铸机料筒中，再压铸成形的工艺。高固相半固态流变压铸由于浆料粘度高，流动平稳，因此压铸成形过程中卷气倾向低，气孔缺陷少；又由于浆料温度低，在模具中的凝固收缩小，因此缩孔缺陷少。高固相半固态流变压铸产品由于气孔、缩孔等缺陷少，因此具有更优异的性能，得到行业越来越广泛的关注。高固相半固态流变压铸成形技术由于存在制浆过程，而且需要对半固态浆料的固相分数进行有效控制，因此对铝合金材料提出了特殊的要求。目前，专门应用于高固相半固态流变压铸工艺的铝合金材料还几乎没有，成熟应用的铝合金材料还是356、357等传统铸造铝硅系合金。但由于这些材料中铁元素含量低，在后续压铸成形过程中粘模倾向严重，给工业应用造成较大困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于高固相半固态流变压铸的低粘模倾向铝合金材料，既满足浆料制备技术要求又满足压铸成形技术要求，对推进高固相半固态流变压铸技术工业应用具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种技术方案是：一种适用于高固相半固态流变压铸的铝合金材料，该铝合金材料的固相体积分数在25-70％之间，该铝合金材料的合金成分以质量百分比计为：Si 4-8％、Fe 0.3-0.8％，Mg 0.1-0.6％，Ti≤0.2％，Sr≤0.05％，余量为铝，其中还包括不可避免的杂质元素，每种杂质元素含量≤0.05％，杂质元素含量总和≤0.2％。在该技术方案中，Mg作为主要强化元素，Ti和Sr作为主要细化和变质元素。

本发明的另一种技术方案是：一种适用于高固相半固态流变压铸的铝合金材料，该铝合金材料的固相体积分数在25-70％之间，该铝合金材料的合金成分以质量百分比计为：Si 4-8％、Fe 0.3-0.8％，Mg 0.1-0.6％，Cu 2.5-4.5％，Ti≤0.2％，Sr≤0.05％，余量为铝，其中还包括不可避免的杂质元素，每种杂质元素含量≤0.05％，杂质元素含量总和≤0.2％。在该技术方案中，Mg和Cu作为主要强化元素，Ti和Sr作为主要细化和变质元素。

本发明的有益效果：

本发明的铝合金材料在高固相半固态浆料制备过程中组织、成分、固相分数分布均匀，浆料固相分数易于控制，制浆工艺窗口大，控制简单；在流变压铸过程中粘模倾向低，易于脱模，适合进行流变压铸成形。

附图说明

图1为Si含量对半固态制浆工艺窗口的影响。

图2为Fe元素含量对在Al-7Si合金中对AlFeSi三元相的影响。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明针对高固相半固态流变压铸成形工艺，制浆过程中的固相分数控制非常重要。一般情况下，高固相的半固态浆料(体积)固相分数需要控制在25-70％之间。固相分数过低(＜25％)，半固态浆料无法形成固定形状，浆料的转运存在严重问题；固相分数过高(＞70％)，半固态浆料太硬，触变性差，流动充型困难，且容易产生固液分离，不利于后续的压铸成形。针对上述固相分数控制范围，本发明首先确定合金中硅元素的含量范围为：5-8％。硅元素是铝硅合金半固态浆料制备过程中固相分数的主要决定性元素。通过热力学计算，得到如图1所示的不同硅元素含量下，固相分数随温度的变化规律。硅元素含量太低(＜5％)，温度变化引起的固相分数变化太敏感，生产控制困难；硅元素含量太高(＞8％)，固相分数超过一定限度后变化速度出现突变，敏感性急剧上升，生产也无法有效控制。针对半固态合金粘模问题，本发明其次确定了合金中铁元素的含量范围为：0.3-0.8％。铁含量过低(＜0.3％)，粘模倾向过高，连续生产困难；铁含量过高(＞0.8％)，在半固态浆料制备过程中优先析出Al-Fe-Si相，如图2所示。当含铁相析出过多，会在半固态浆料中形成骨架，后续流变压铸成形困难。而且Fe含量过高，合金性能严重恶化，也不利于产品应用。上述核心元素决定了半固态浆料的均匀性一致性以及压铸过程的粘模倾向。

本发明的第二方面确定了合金的主要强化元素为Mg和Cu。Mg元素含量为：0.1-0.6％，是合金中的主要强化元素。随着Mg元素含量的提高，热处理后合金的抗拉强度和屈服强度越高，而断后伸长率有所下降。Cu元素也是合金中的有效强化元素。合金中可以不含Cu元素，即主要合金成分为Al、Si、Mg，则Mg作为主要的强化元素。合金中也可以含有Cu作为主要的强化元素，则Cu元素的含量为：2.5-4.5％。Cu元素的加入可以提升材料的高温性能。Cu元素还可以与Mg和Si形成AlSiMgCu四元强化相，提高材料屈服强度和抗拉强度，但断后伸长率会显著下降。

本发明的第三方面确定了合金中的微量元素为Ti和Sr。Ti主要起到晶粒细化的作用，而Sr主要起到共晶硅变质的作用。Ti含量需要控制在0.2％以下。Ti含量过高，会在合金中形成粗大Al

以下实施中采用连续多少模后出现粘模现象来表示粘模情况，模数越多表示粘模倾向越低。

以下实施例中的断后伸长率指金属材料受外力(拉力)作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比。采用GB/T228-2002(金属材料室温拉伸试验方法)进行测定。断后伸长率的计算公式为：σh＝(Lh-L0)/L0*100％

最初标距长度(L0)：在试件变形前的标距长度。

最终标距长度(Lh)：在试件断裂后并且将断裂部分仔细地对合在一起使之处于一直线上的标距长度。

抗拉强度的测定采用GB/T228.1-2010(金属材料拉伸试验-第1部分：室温试验方法)进行测定。

屈服强度的测定采用GB/T228.1-2010(金属材料拉伸试验-第1部分：室温试验方法)进行测定。

实施例1

设计Al-Si合金，其中Si元素含量为4％，加入强化元素Mg，Mg含量控制在0.1％左右，合金中加入Fe元素降低粘模倾向，Fe元素含量控制在0.3％。根据图1，在低Si含量范围内，浆料固相分数较高时固相分数随温度的变化较低，控制容易。因此选择目标固相分数65％，固相分数范围60-70％，对应的制浆温度窗口为18℃。制浆完成后进行薄板试样(厚度2mm，尺寸100mm×50mm)流变压铸成形试验。在相同的成形工艺条件下(内浇口速度10米/秒，增压压力60MPa，保压时间10秒，脱模剂喷涂5秒)，连续制备35件样品后发现轻微粘模现象。薄板样件进行T6热处理后进行力学性能测试，得到的力学性能为抗拉强度260MPa，屈服强度200MPa，断后伸长率15％。

实施例2

设计Al-Si合金，其中Si元素含量为8％，加入强化元素Mg和Cu，Mg含量控制在0.6％左右，Cu含量控制在4.5％左右，合金中加入Fe元素降低粘模倾向，Fe元素含量控制在0.8％，同时加入0.2％的Ti元素细化晶粒，0.05％的Sr元素变质共晶Si。根据图1，在高Si含量范围内，浆料固相分数较低时固相分数随温度的变化较低，控制容易。因此选择目标固相分数30％，固相分数范围25-35％，对应的制浆温度窗口为11℃。制浆完成后进行薄板试样(厚度2mm，尺寸100mm×50mm)流变压铸成形试验。在相同的成形工艺条件下(内浇口速度10米/秒，增压压力60MPa，保压时间10秒，脱模剂喷涂5秒)，连续制备150件样品后发现轻微粘模现象。薄板样件进行T6热处理后进行力学性能测试，得到的力学性能为抗拉强度430MPa，屈服强度360MPa，断后伸长率2％。

实施例3

设计Al-Si合金，其中Si元素含量为6.5％，加入强化元素Mg和Cu，Mg含量控制在0.4％左右，Cu含量控制在2.5％左右，合金中加入Fe元素降低粘模倾向，Fe元素含量控制在0.5％，同时加入0.1％的Ti元素细化晶粒，0.03的Sr元素变质共晶Si。根据图1，在中等Si含量范围内，浆料固相分数中等时固相分数随温度的变化较低，控制容易。因此选择目标固相分数50％，固相分数范围45-55％，对应的制浆温度窗口为14℃。制浆完成后进行薄板试样(厚度2mm，尺寸100mm×50mm)流变压铸成形试验。在相同的成形工艺条件下(内浇口速度10米/秒，增压压力60MPa，保压时间10秒，脱模剂喷涂5秒)，连续制备120件样品后发现轻微粘模现象。薄板样件进行T6热处理后进行力学性能测试，得到的力学性能为抗拉强度400MPa，屈服强度300MPa，断后伸长率4％。

对比例

采用传统的半固态压铸357合金材料，其中Si元素含量为6.5％，Mg含量控制在0.5％左右，Fe元素含量控制在0.1％，同时加入0.1％的Ti元素细化晶粒，0.03％的Sr元素变质共晶Si。选择目标固相分数50％，固相分数范围45-55％，对应的制浆温度窗口为14℃。制浆完成后进行薄板试样(厚度2mm，尺寸100mm×50mm)流变压铸成形试验。在相同的成形工艺条件下(内浇口速度10米/秒，增压压力60MPa，保压时间10秒，脱模剂喷涂5秒)，连续制备20件样品后发现轻微粘模现象。薄板样件进行T6热处理后进行力学性能测试，得到的力学性能为抗拉强度340MPa，屈服强度280MPa，断后伸长率8％。

实施例1-3与对比实施例4比较，粘模倾向有显著改善。