一种用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金，旨在解决目前铝合金在高温固溶处理情况下会产生气泡缺陷，进而导致产品不良、成本较高的技术问题。本发明所提供的高压铸造铝合金材料，通过合理配置各元素含量及配比，并控制所加入的锰、铬、钴元素与铁元素含量比例，使高压铸造铝合金材料在经过T5热处理后，能够达到更好的抗拉强度、屈服强度、延伸率，满足副车架和底盘类复杂结构零部件的性能要求，避免了材料在高温固溶处理过程中所产生的气泡缺陷，提高产品良率的同时降低了生产成本。此外，本发明还提供了上述用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金材料的制备方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压铸造铝合金，尤其涉及一种用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金及其制备方法。

背景技术

近年来，随着能源和环境问题成为人类关注的焦点，汽车轻量化已成为汽车行业节能减排的“新时尚”，而针对汽车零部件材料“轻量化”的技术研究，则成了汽车生产企业的重要方向。其中，副车架作为支撑前后车桥、悬挂的支架，一直在做轻量化技术研究。根据材料的不同可以分为：钢制副车架、铝合金副车架、镁合金副车架、钛合金副车架、碳纤维复合材料副车架等。目前，车型上主要使用铝合金或铝镁合金副车架。

目前的高压铸造副车架主要采用AlSi

近年来，对于开发汽车一体化副车架的高性能铝合金材料，本领域中已经作出不少尝试。

中国专利申请CN114737091A提供了一种用于汽车构件的压铸铝合金及其制备方法，主要涉及铝合金(半固态)压铸技术领域；其中，压铸铝合金主要由以下质量百分数的成分组成：Si 8.0～11.0％，Mg 0.1～0.5％，Co 0.1～1.0％，Cd 0.1～0.5％，Sr 0.01～0.05％，Fe≤0.2％，其余为A1和不可避免的杂质；所述不可避免杂质总量低于0.2％。该专利认为：经过上述配方以及制备方法的协同调节，本发明中压铸铝合金的抗拉强度≥320MPa，屈服强度≥250MPa，伸长率≥6％。

中国专利申请CN108950316B提供了一种稀土改性铝合金汽车车身板材的制备方法，板材由以下重量百分比的元素组成：Si：1.0～1.5％、Mg：0.25～0.6％、Fe：0.30～0.50％、Cu：0.10～0.20％、Mn：0.10～0.20％、Cr：0.05～0.10％、Ti：0.05～0.15％、V：0.2～0.8％、Bi：0.01～0.05％、Zr：0.25～0.35％、Be：0.50～1.8％、Co：0.2～0.8％、Ca：0.30～1.5％、Ce：0.3～0.5％、Yb：0.20～0.4％、Zn≤0.20％，其它杂质元素单个含量≤0.05％、其它杂质元素总含量≤0.15％，余量为Al。该专利认为：所发明的含铈、镱汽车车身用铝合金板材在具有一般的铝镁硅合金的所具有的常温和低温力学性能的基础上，具有更优异的成形性、抗时效稳定性等。

但上述专利申请CN114737091A主要采用半固态压铸，且依然是将得到的铝合金结构件进行T6热处理，即，在520℃的温度下固溶处理4小时，最终获得的压铸铝合金的抗拉强度、屈服强度较大，但伸长率较低。上述专利申请CN108950316B在压铸过程中，同样是将得到的铝合金板材进行T6热处理，将锯切后的铝合金成品板材在520～560℃进行固溶处理。换言之，上述专利申请仍然存在压铸铝合金经过高温固溶热处理中所存在的技术问题。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金材料方案，能够采用T5热处理，温度不超过250℃，不会产生前述的缺陷，具有良好的稳定性，并且，抗拉强度、屈服强度、延伸率仍然能够达到更高要求，使得抗拉强度≥280mpa、屈服强度≥180mpa、断裂延伸率≥8.0％，满足副车架和底盘类复杂结构零部件的性能要求。

为达到本发明以上至少一个优势，本发明提供一种用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金材料，其中，所述高压铸造铝合金包括：

7.0～8.5重量％的硅；

最多0.25重量％的铁；

0.1～0.4重量％的镁；

最多1.0重量％的铜；

0.2～0.5重量％的锰；

0.01～0.05重量％的钒；

0.01～0.03重量％的镓；

0.01～1.0重量％的锌；

0.01～0.2重量％的钴；

0.05～0.15重量％的铬；

0.05～0.15重量％的钛；

0.01～0.03重量％的锶；

最多0.1重量％的镧、铈一种或者两种稀土；

其他杂质元素单个最多0.03重量％、其他杂质元素整体最多O.15重量％，其余为铝。

进一步地，所述高压铸造铝合金中，控制所加入的锰、铬、钴、铁元素含量，使1Mn+3Cr+5Co：Fe处于7∶1～10∶1范围内。

进一步地，所述高压铸造铝合金中，控制所加入的锰、铬、钴、铁元素含量，使1Mn+3Cr+5Co：Fe处于8∶1～9∶1范围内。

进一步地，所述高压铸造铝合金中，硅含量优选为7.5～8.5重量％。

进一步地，所述高压铸造铝合金中，铁含量优选为最多0.2重量％。

进一步地，所述高压铸造铝合金中，铜含量优选为0.5重量％。

进一步地，所述高压铸造铝合金中，铜含量优选为0.3重量％。

进一步地，所述高压铸造铝合金中，锌含量优选为0.3重量％。

进一步地，所述高压铸造铝合金材料采用T5热处理，炉内温度不超过250℃，保温时间为0.5～8小时。

进一步地，所述高压铸造铝合金材料采用T5热处理，炉内温度优选为180～230℃，保温时间为2～4小时。

为达到本发明以上至少一个优势，本发明还提供一种制备方法，以制备上述用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金材料，所述制备方法包含以下步骤：

1)备料和炉子清理：

根据合金成分比例备料，将炉子清洗干净，其中，合金元素以纯合金或中间合金形式加入炉内；

2)熔化铝锭：

纯铝锭表面清洁干净后，将纯铝锭和单质3303硅放入电阻坩埚内进行加热熔炼，铝液温度控制在710～730℃之间；

3)加入中间合金：

待铝液温度达到720℃时，将烘干后的除锶之外的其他合金元素加入到铝液中，铝液升温至740℃，保温15～30分钟，保证加入的材料全部熔化；

4)精炼变质除气：

铝液温度降低至不低于720℃时，开始用除气机将铝合金无钠精炼剂压入进行精炼，在精炼时加入铝锶中间合金，精炼时间30分钟，然后扒渣，静置不低于15分钟，静置后用在线测氢仪检测氢气含量，达到0.15ml/100g以下时，则进行压铸，未达到0.15ml/100g以下时，则继续施行上述精炼变质除气的步骤；

5)T5热处理

将压铸合格的铝合金材料放入烤箱，随炉升温至180～230℃，保温时间为2～4小时，烘烤后将铝合金材料取出自然冷却。

进一步地，所述步骤1)中的合金元素以纯合金或中间合金形式加入，具体为，Cu元素以A1-Cu中间合金形式加入，Si元素以单质3303硅形式加入，Mg元素以纯Mg锭形式加入，Mn元素是以Al-Mn中间合金形式加入，Ti元素以Al-Ti中间合金形式加入，Cr元素以中间合金形式加入，Co元素以中间合金形式加入，Sr元素以Sr中间合金形式加入。

进一步地，所述Ti元素以AlTi

综上所述，使用本发明制备方法所制备的应用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金材料，通过合理配置各元素含量及配比，且控制锰、铬、钴含量与铁含量的比例，使得1Mn+3Cr+5Co：Fe处于7∶1～10∶1范围内，经过T5热处理后，即能够达到更好的抗拉强度、屈服强度、延伸率，具有≥280mpa的抗拉强度、≥180mpa的屈服强度、≥8.0％的断裂延伸率，满足副车架和底盘类复杂结构零部件的性能要求。

本发明所提供的应用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金材料及其制备方法，避免了材料在高温固溶处理过程所产生的气泡缺陷，在提高产品良率的同时降低了生产成本。

附图说明

附图用以辅助对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于说明本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为自制流动性模具验证材料的Cu含量变化对流动距离的影响。

图2为根据本发明制备的高压铸造铝合金材料的微观组织示意图。

图3为根据本发明制备的3mm压铸试片成品。

图4为用以制备图3所示压铸试片的3mm压铸试片模具。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明，以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

依本发明一较佳实施例的一种用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金材料将在以下被详细地阐述，其中，所述高压铸造的铝合金包括：

7.0～8.5重量％的硅；

最多0.25重量％的铁；

0.1～0.4重量％的镁；

最多1.0重量％的铜；

0.2～0.5重量％的锰；

0.01～0.05重量％的钒；

0.01～0.03重量％的镓；

0.01～1.0重量％的锌；

0.01～0.2重量％的钴；

0.05～0.15重量％的铬；

0.05～0.15重量％的钛；

0.01～0.03重量％的锶；

最多0.1重量％的镧、铈一种或者两种稀土；

其他杂质元素单个最多0.03重量％、其他杂质元素整体最多0.15重量％，其余为铝。

本发明的高压铸造铝合金的成分详细描述如下：

硅：7.0～8.5重量％

在上述实施例中，硅在高压铸造的铝合金中的份额为7.0～8.5重量％。该区间范围内的压铸铝合金属于亚共晶铝合金，在压铸后具有优良的自然时效性和良好的流动性，且凝固收缩率低，铸件热裂倾向极小。通过目前一体化压铸实践证明，硅含量在7.5～8.5之间流动充填距离能达到7500吨压铸机模具的要求，收缩抱紧力小，产品脱模后变形量达到使用需求。

铁：最多0.25重量％

在铝合金中，铁对材料的延伸率影响最大，在常规铝合金发明过程中，重点是降低铁含量对材料性能的影响。在上述实施例中，铁在高压铸造铝合金中的份额最多0.25重量％。铁在该范围内，优选最多0.2重量％，可以最大限度利用再生铝生产，降低成本。铁含量的降低，能最大避免因铁相对塑性的影响，尤其在目前大铸件壁厚不均匀情况下，在低铁情况下，壁厚位置因冷却速度低原因避免出现针状的铁相。

镁：0.1～0.4重量％

在上述实施例中，镁在高压铸造铝合金中的份额为0.1～0.4重量％。镁主要在铝合金中与硅及锌生产Mg

铜：最多1.0重量％

在上述实施例中，铜在高压铸造铝合金中的份额最多为1.0重量％。铜主要在铝合金中与铝生成Al

锰：0.2～0.5重量％

在上述实施例中，锰在高压铸造铝合金中的份额为0.2～0.5重量％。锰在高压铸造铝合金中能够减少铁的有害影响，使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织，故一般铝合金允许有0.5％以下的锰存在。含锰量过高时，会引起偏析，在适量锰的作用下，可减少产品粘模倾向。

钒：0.01～0.05重量％

在上述实施例中，钒在高压铸造铝合金的比例为0.01～0.05重量％。钒的加入让β-Fe相的平均长度随V含量的增加逐渐变小，这是因为钒的加入与铝、硅及一部分铁生成了AlSiVFe相，即钒的加入消耗掉了一部分铁，在有锰的情况下，钒将鱼骨状α-A1FeMnSi球化，提高了材料的塑性。

锌：0.01～1.0重量％

锌在铝合金中能提高流动性、增加热脆性、降低耐蚀性，在铝硅铜镁系铝合金中，加入一定量的锌，在热处理过程中能显著提高材料的强度；铝硅铜系合金中含锌量过多，将产生裂纹的倾向。故应控制锌的含量在规定范围，以综合腐蚀及热裂的影响，在上述实施例中，锌在高压铸造铝合金中的份额控制在最多0.3％重量。

钴：0.01～0.2重量％

在上述实施例中，钴在高压铸造铝合金中的份额为0.01～0.2重量％。钴的加入能使富铁相朝球形方向生长，且能细化铝基体，提高材料的延伸率，还有利于钛与铁反应以产生FeTi(Fe

铬：0.05～0.15重量％

铬在高压铸造铝合金中会形成(CrFe)Al

钛：0.05～0.15重量％

铝合金材料中，钛与铝产生AlTi

锶：0.01～0.03重量％

在上述实施例中，于高压铸造铝合金中所加入的锶，可对共晶硅的形态进行变质处理，避免了粗大的片状硅相产生。换言之，在铝合金材料中加入锶后，能够形成细小的棒状共晶硅组织。由此，变质过后的共晶硅对铸件产品的机械性能影响很大，特别是能够大幅提升断裂延伸率。

稀土元素：最多0.1重量％的镧、铈一种或者两种

稀土元素在铝合金中的强化作用，主要体现在细晶强化、有限固溶强化和稀土化合物的第二相强化等。

当稀土加入量不同时，稀土在铝合金中主要以三种形式存在：(1)固熔在基体α-A1中；(2)偏聚在相界、晶界和枝晶界；(3)固熔在化合物中或以化合物形式存在。而当稀土含量较低时(低于0.1重量％)，稀土主要以前两种形式分布。第(1)种形式起到了有限固溶强化的作用，第(2)种形式增加了变形阻力、促进位错增殖，使铝合金强度提高。

本发明实施方式中，加入稀土元素后，铝合金的铸态组织中合金晶粒明显减少，二次枝晶间距有可能细化，稀土元素与铝、镁、硅等元素形成的金属间化合物呈球状和短棒状分布在晶界或界内，组织中有大量位错分布。所以镧、铈一种或者两种稀土控制在最多0.1％重量。

综上所述，本发明的实施方式，在高压铸造铝合金中加入了0.2～0.5％重量的锰及0.05～0.15％重量的铬，复合加入的作用在于，锰、铬与铁原子大小相近，能够替代(AlFeSi)相与(AlFe)相中的铁元素，对β-Fe相的生长有抑制作用，且能使针状β-Fe相产生断裂、分解。

但是，复合作用下，铁相主要还是以块状及鱼骨状的形态呈现，对材料的延伸率提升不明显。此时，再复合加入0.01～0.2重量％的Co，能使富铁相朝球形方向生长，且能细化铝基体，提高材料的延伸率，还有利于钛与铁反应以产生FeTi(Fe

经反复实验验证，为了保证上述复合作用，使得富铁相的球化更加明显，并且进一步细化铝合金晶粒，需控制所加入的锰、铬、钴元素与铁元素的含量比例，使得1Mn+3Cr+5Co：Fe处于7∶1～10∶1范围内，进一步优选为8∶1～9∶1，此时，经T5热处理后的材料性能更佳，具有≥280MPa的抗拉强度、≥180MPa的屈服强度、≥8.0％的断裂延伸率，满足副车架和底盘类复杂结构零部件的性能要求，避免了材料在高温固溶处理过程所产生的气泡缺陷，在提高产品良率的同时降低了生产成本。图2示出了根据本实施方式制备的高压铸造铝合金材料的微观组织示意图。

但是，本领域技术人员应当知道的是，本发明所提出的高压铸造铝合金材料，不局限于采用T5热处理，同时也能够适应T6热处理，即，高压铸造铝合金材料经过500℃左右的高温处理后，其性能也能达到本发明性能要求。

依本发明另一较佳实施例的一种用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金材料的制备方法将在以下被详细地阐述，所述制备方法包含以下步骤：

1)备料和炉子清理：

根据合金成分比例备料，将炉子清洗干净，其中，合金元素以纯合金或中间合金形式加入炉内。

例如：Cu元素以Al-Cu中间合金形式加入；Si元素以单质3303硅形式加入；Mg元素以纯Mg锭形式加入；Mn元素是以Al-Mn中间合金形式加入；Ti元素以Al-Ti中间合金形式加入，较佳地，Ti元素以AlTi

2)熔化铝锭：

纯铝锭表面清洁干净后，将纯铝锭和单质3303硅放入电阻坩埚内进行加热熔炼，铝液温度控制在710～730℃之间。

3)加入中间合金：

待铝液温度达到720℃时，将烘干后的除了铝锶中间合金之外的其余中间合金加入到铝液中，例如，Al-Mn中间合金、镁锭、Al-Cr、Al-Ti等，铝液升温至740℃，保温15～30分钟，保证加入的中间合金全部熔化。

4)精炼变质除气：

铝液温度降低至不低于720℃时(例如，730℃)，开始用移动式旋转除气机将铝合金无钠精炼剂压入进行精炼，在精炼时加入铝锶中间合金，精炼时间30分钟，然后扒渣，静置不低于15分钟(例如，1小时)，静置后用在线测氢仪检测氢气含量，达到0.15ml/100g以下时，则进行压铸，未达到0.15ml/100g以下时，则继续施行上述精炼变质除气的步骤。

所述压铸生产具体包含以下内容：

①生产设备及辅助配件：

280T力劲压铸机，自动给汤机，模温机，品牌真空机，市面上压铸结构件专用进口脱模剂，进口颗粒珠，3mm*80mm*190mm自制试片模具，50mm冲头及熔杯。

②压铸工艺控制：

压铸铝液温度控制在680～690℃，模温机温度控制在160～170℃，高速速度控制在2.7～2.9m/S，真空度控制在10～40mbar之间，增压压力65mpa。

图3示出了根据本实施方式制备的3mm压铸试片成品，图4示出了对应的3mm压铸试片模具。

5)T5热处理

将压铸合格的铝合金材料放入烤箱，随炉升温至不超过250℃，保温时间介于0.5～8小时范围内，一般情况下，推荐炉内温度介于180～230℃之间、保温时间介于2～4小时之间(例如，随炉升温至225℃，保温2小时)，烘烤后将铝合金材料取出自然冷却。

6)性能测试

将上述冷却后的铝合金材料，按照GBT228标准进行线切割获得试片，用三思拉力机、进口引伸计进行性能测试。

此外，根据本发明，采用不同成分配比分别制备出铝合金材料，然后均按照GBT228标准进行线切割以获得不同试片，最后进行性能对比测试。

实施例

通过以下对比例和实施例，使得本发明的特点和优势显而易见，实施例旨在描述而非以任何方式限制本发明。

实施例1～8为根据本发明制备方法所制作的高压铸造铝合金材料，各实施例间的主要区别在于，所添加的锰、铬、钴元素含量有所不同，同时，严格控制锰、铬、钴元素与铁元素含量的比例——1Mn+3Cr+5Co：Fe，使其在3～13.5范围内变化。W3合金为目前市面上合金材料。具体参见下表1：

表1高压铸造铝合金材料成分表

根据本发明实施方式中的压铸生产验证方法，对实施例1～8的高压铸造铝合金材料及W3合金材料进行性能测试，测试内容为对铝合金材料进行T5热处理前后的抗拉强度(mpa)、屈服强度(mpa)、延伸率(％)。具体参见下表2：

表2高压铸造铝合金材料的性能测试结果

根据表1、表2可知：

实施例1～2的高压铸造铝合金材料，钴含量为0重量％，1Mn+3Cr+5Co：Fe比例为3∶1～5∶1。

实施例3～8的高压铸造铝合金材料，钴含量为0.01～0.2重量％，1Mn+3Cr+5Co：Fe比例为7∶1～13.5∶1。

根据性能测试结果可知：

参见实施例1～2，当钴含量为0重量％、1Mn+3Cr+5Co：Fe比例较低时，经过T5热处理后的材料，虽然抗拉强度符合本发明性能要求(≥280mpa)，但屈服强度、延伸率较低，不符合本发明性能要求。

参见实施例3～7，当钴含量为0.01～0.2重量％、1Mn+3Cr+5Co：Fe比例处于7∶1～10∶1时，经过T5热处理后的材料，抗拉强度、屈服强度、延伸率均能够达到本发明性能要求。随着1Mn+3Cr+5Co：Fe比例逐渐增高，经过T5热处理后的材料性能呈抛物线状，在1Mn+3Cr+5Co：Fe比例处于8∶1～9∶1时，针对抗拉强度、屈服强度、延伸率的综合性能评价能够达到更佳(参见实施例5、6，其中，实施例6为最佳)。

参见实施例8，当钴含量为0.01～0.2重量％、1Mn+3Cr+5Co：Fe比例大于10∶1时，经过T5热处理后的材料，抗拉强度符合本发明性能要求(≥280mpa)，但屈服强度、延伸率较低，不符合本发明性能要求。

此外，本发明针对实施例3～7所示的高压铸造铝合金材料，还进行了T6热处理的实验，即，对高压铸造铝合金材料进行500℃左右的热处理，性能测试结果显示，根据本发明的高压铸造铝合金材料经过T6热处理后，也能够达到本发明性能要求。

本发明经过反复实验验证，对上述高压铸造铝合金材料中，除铝元素之外的其他主要元素制定合理的控制范围，按重量％计，最终确定成分配比如下表3：

表3高压铸造铝合金材料成分配比

综上所述，使用本发明制备方法所制备的应用于汽车一体化副车架的高压铸造铝合金材料，通过合理配置各元素含量及配比，且控制锰、铬、钴元素与铁元素含量的比例，使1Mn+3Cr+5Co：Fe处于7∶1～10∶1范围内，经过T5热处理后，即能够达到较佳的抗拉强度、屈服强度、延伸率，使得抗拉强度≥280mpa、屈服强度≥180mpa、断裂延伸率≥8.0％，满足副车架和底盘类复杂结构零部件的性能要求。本发明实质上避免了材料在高温固溶处理时所产生的气泡缺陷，提高产品良率的同时降低了生产成本。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的优势已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。