CN112921219B - 一种铝合金及其制备方法和铝合金结构件 - Google Patents

Abstract

本申请提供了铝合金及其制备方法和铝合金结构件。所述铝合金包括；8.0‑13.0wt％的Si；2.0‑3.0wt％的Cu；3.0‑5.0wt％的Zn；0.6‑0.9wt％的Mg；0.5‑0.8wt％的Mn；0.1‑0.3wt％的Fe；0.05‑0.35wt％的Zr；0.01‑0.05wt％的Ti；0.005‑0.04wt％的Sr；0.001‑0.02wt％的Cr；0.01‑0.02wt％的Ga；0.001‑0.35wt％的Er；0.005‑0.1wt％的Ni；余量为Al和不可避免的杂质；其中Er的重量含量与Zr的重量含量比为0.01‑1.0:1。该铝合金通过控制合金元素的组成及含量，在具有较高的屈服强度的同时，兼具延展性佳、抗拉强度性优异，适用于对强度要求高的结构件，如3C产品结构件等。

Description

一种铝合金及其制备方法和铝合金结构件

技术领域

本申请涉及材料技术领域，具体的，涉及一种铝合金及其制备方法和铝合金结构件。

背景技术

铝合金具有质量轻、韧性好、耐腐蚀以及特有的金属光泽等特性，被越来越多的电子电器、通讯器材、照明器件、汽车等零部件所采用，如智能手机、笔记本电脑、平板电脑的外壳，LED灯的散热器和灯罩，新能源汽车的控制器机箱、驱动电机外壳等。上述应用，对铝合金的强度和韧性提出了更高的要求。目前最常用的铸造铝合金是Al-Si系铸造铝合金，该Al-Si系铸造铝合金具有很好的铸造流动性，能够满足铸造的工艺要求，但力学性能一般，无法满足对强度要求较高的铝合金压铸件产品。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本申请的一个目的在于提出一种具有较高的屈服强度高、抗拉强度好及延伸率好的铝合金。

在本申请的一个方面，本申请提供了一种铝合金，所述铝合金包括：

8.0-13.0wt％的Si；

2.0-3.0wt％的Cu；

3.0-5.0wt％的Zn；

0.6-0.9wt％的Mg；

0.5-0.8wt％的Mn；

0.1-0.3wt％的Fe；

0.05-0.35wt％的Zr；

0.01-0.05wt％的Ti；

0.005-0.04wt％的Sr；

0.001-0.02wt％的Cr；

0.01-0.02wt％的Ga；

0.001-0.35wt％的Er；

0.005-0.1wt％的Ni；

余量为Al和不可避免的杂质；

其中，Er的重量含量与Zr的重量含量比为0.01-1.0:1。

该铝合金通过控制合金元素的组成及含量，并控制铝合金中Er的重量含量与Zr的重量含量比为0.01-0.5:1，使得到的铝合金在具有较高的屈服强度高的同时，兼具好的抗拉强度和好的延伸率，适用于对强度和韧性要求高的结构件，如3C产品结构件等。

在本申请的另一个方面，本申请提供了一种制备前面所述的铝合金的方法。根据本申请的实施例，该方法包括：先将制备所述铝合金的反应原料加热融化，得到铝合金液；然后将所述铝合金液进行除渣处理、精炼处理和浇铸处理，得到所述铝合金。该方法操作简单、方便，易于工业化实施，且得到的铝合金兼具机械强度高、抗拉强度和延伸率好。

在本申请的又一个方面，本申请提供了一种铝合金结构件。根据本申请的实施例，该铝合金结构件的至少一部分是由前面所述的铝合金形成的。铝合金结构件具有前面所述的铝合金的全部特征和优点，在此不再一一赘述。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本申请的一个方面，本申请提供了一种铝合金，所述铝合金包括：

8.0-13.0wt％的Si；

2.0-3.0wt％的Cu；

3.0-5.0wt％的Zn；

0.6-0.9wt％的Mg；

0.5-0.8wt％的Mn；

0.1-0.3wt％的Fe；

0.05-0.35wt％的Zr；

0.01-0.05wt％的Ti；

0.005-0.04wt％的Sr；

0.001-0.02wt％的Cr；

0.01-0.02wt％的Ga；

0.001-0.35wt％的Er；

0.005-0.1wt％的Ni；

余量为Al和不可避免的杂质；

其中，Er的重量含量与Zr的重量含量比为0.01-1.0:1。

该铝合金通过控制合金元素的组成及含量，并控制Er的重量含量与Zr的重量含量比为0.01-1.0:1。使得铝合金在具有较高的屈服强度高的同时，兼具抗拉强度高和延伸性好，适用于对强度要求高的结构件，如3C产品结构件等。

具体的，该铝合金中Si的含量为8.0-13.0wt％。进一步优选的，Si的含量可以为9.0-11.5wt％，其中，Si为所述铝合金中的主要元素，可明显改善所述铝合金的压铸流动性，降低所述铝合金的收缩性，以提高压铸性能，Si也可以与Mg和Fe生成Mg2Si及Al12Fe3Si，提高所述铝合金的力学性能，但当Si的含量过多时，所述铝合金的延伸率降低，在本申请的上述铝合金中，Si的含量可以为8.5wt％、9.0wt％、9.5wt％、10.0wt％、10.5wt％、11.0wt％、11.5wt％、12.0wt％和12.5wt％。Si的含量在上述范围内时，所述铝合金的铸造收缩应力明显小于金属晶粒间的结合力，具有良好的屈服强度、拉伸强度和延伸率。

具体的，铝合金中Cu的含量为2.0-3.0wt％。进一步优选为2.3-2.8wt％。Cu可以与Al形成固溶相Al₂Cu，同时Al₂Cu相弥散分布到晶界上，提高铝合金的强度及韧性；另外，Cu作为合金强化元素，也有助于改善所述铝合金的力学性能。但过量不仅会降低材料热处理性能，同时会损害材料韧性，降低断裂延伸率。在本申请的上述铝合金中，Cu的含量可以为2.0wt％、2.3wt％、2.5wt％、2.8wt％和3.0wt％。Cu在上述范围内，能够同时提高铝合金强度、韧性和延伸率。

具体的，该铝合金中Zn的含量为3.0-5.0wt％，进一步优选为3.5-4.5wt％。Zn能溶解在α(Al)中形成固溶体，可以起到强化力学性能效果。所述Zn的含量可以为3.0wt％、3.5wt％、4.0wt％、4.5wt％和5.0wt％。在本申请的上述铝合金中，控制Zn含量在上述范围内，可以同时提高铝合金的强度、韧性和延伸率。

具体的，该铝合金中Mg的含量为0.6-0.9wt％，进一步优选为0.6-0.75wt％。Mg和Zn结合形成MgZn2强化相，均匀弥散的分布在晶界处，提升晶界能，可保证材料强度的同时，提升材料韧性。在本发明的具体实施例中，所述Mg的含量可以为0.6wt％、0.65wt％、0.7wt％、0.75wt％、0.8wt％、0.85wt％和0.9wt％。在本申请的上述铝合金中，控制Mg含量在上述范围内，可以同时提高铝合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率。

在前面所述的配方中，当所述Zn的含量与所述Cu的含量的重量比为1.2-2.5:1时，Cu与Zn结合形成CuZn结合相，在提高材料强度的同时，保证了材料的延伸率；可提升屈服强度约提升20MPa；当所述Zn的含量与所述Cu的含量的重量比为1.2-2.5:1时，铝合金具有好的成型性，铝合金的延伸率在4％以上，材料屈服强度可以达到250MPa。在本发明的具体实施例中，所述Zn的含量与所述Cu的含量的重量比为1.2:1、1.5:1、1.8:1、2.0:1、2.2:1和2.5:1。

具体的，铝合金中Mn的含量为0.5-0.8wt％，进一步优选为0.6-0.8wt％。铝合金中Cr的含量为0.001-0.02wt％，进一步优选为0.001-0.01wt％。Mn和Cr可以固溶到Al合金基体中，强化基体性能，抑制初生Si和α-Al的晶粒生长，使得初生Si含量弥散分布到各晶粒之间，起到弥散强化的作用，提高材料的强度和韧性。对于Mn，大部分Mn偏析到晶界处，与Fe结合，形成针状的AlFeMnSi相，可以提高材料的整体强度，Mn含量过高时，大量针状组织会造成基体的割裂，材料韧性降低。在本发明的具体实施例中，所述Mn的含量可以为0.5wt％、0.55wt％、0.6wt％、0.65wt％、0.7wt％、0.75wt％和0.8wt％。所述Cr的含量可以为0.001wt％、0.002wt％、0.005wt％、0.01wt％、0.015wt％和0.02wt％。Mn和Cr的含量在上述范围内，可以同时提高铝合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率。

具体的，铝合金中Fe的含量为0.1-0.3wt％，进一步优选为0.1-0.2wt％。所述Fe的含量在上述范围内，可以较好地改善铝合金的的流动性，降低所述铝合金的粘模倾向。但Fe的加入需要适量，当超过一定含量时，此时的Fe会形成针状物，降低铝合金的延伸率。在本发明的具体实施例中，所述Fe的含量可以为0.1wt％、0.15wt％、0.2wt％、0.25wt％和0.3wt％。

具体的，铝合金中Zr的含量为0.05-0.35wt％，进一步优选为0.15-0.3wt％。铝合金中添加微量Zr元素，Zr在铝合金中可以固溶在Al基体中，铸锭均质化处理过程中生成粗大Al3Zr相，同时还可以形成β′(Al3Zr)亚稳态相和Al3Zr衡相。在铝合金中添加微量Zr元素，可起到抑制再结晶，钉扎位错，阻碍再结晶形核的作用；同时可以改善合金的强度和韧性。Zr的加入可使材料时效时间提前，快速达到性能稳定状态，有利于材料时效稳定性。在本发明的具体实施例中，所述锆的含量可以为0.05wt％、0.1wt％、0.15wt％、0.2wt％、0.25wt％、0.3wt％和0.35wt％。

具体的，铝合金中Ti的含量为0.01-0.05wt％，进一步优选为0.01-0.04wt％。经过发明人的大量研究后发现，铝合金中的Ti的主要作用是晶粒细化，铝合金材料细化后可获得较高的强度和延伸率，热膨胀系数小，铸造性能好。本发明所述的铝合金中的Ti含量在上述范围内，可以在所述晶粒细化作用较高的基础上，该铝合金的脆性较低，不易断裂，进而使得该铝合金的力学性能较佳。在本发明的具体实施例中，所述钛的含量可以为0.01wt％、0.015wt％、0.02wt％、0.025wt％、0.03wt％、0.035wt％、0.04wt％、0.045wt％和0.05wt％。

具体的，铝合金中Sr的含量为0.005-0.04wt％，进一步优选为0.01-0.03wt％。所述Sr可以作为铝合金中的变质剂，从而可以细化α-Al固溶体以及针状的硅相，改善铝合金组织，净化晶界，减小铝合金内电子运动的阻力，从而进一步提升铝合金的力学性能。在本发明的具体实施例中，所述Sr的含量可以为0.005wt％、0.01wt％、0.015wt％、0.02wt％、0.025wt％、0.03wt％、0.035wt％和0.04wt％。在本申请的上述铝合金中，控制锶含量在上述范围内，可以同时提高铝合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率。

具体的，铝合金中Ga的含量为0.01-0.02wt％。Ga的含量在上述范围内，Ga能够增加形核率，减小晶核长大速率，优化晶间结构，从而提高材料强度，在本发明的具体实施例中，所述Ga的含量可以为0.01wt％、0.015wt％和0.02wt％。在本申请的上述铝合金中，控制Ga含量在上述范围内，可以同时提高铝合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率。

具体的，所述铝合金中，所述Er的含量为0.001-0.35wt％，进一步优选为0.012-0.25wt％。稀土Er在铝合金中的作用主要是固溶强化，细晶强化，以及与Al形成Al3Er等第二相强化。稀土Er在铝合金中主要分布在α(Al)相中、相界、晶界以及枝晶间偏聚处，它们或固溶在α(Al)基体中，或以化合物(Al3Er)的形式存在，使枝晶组织和晶粒细化。Er在凝固过程中提供非均质形核。大部分Er偏聚于合金的晶界处，形成粗大的金属间化合物，部分Er与Al生成次生金属间化合物，弥散分布于基体中，产生弥散强化作用。在Er的含量在上述范围内，随着Er含量的增加，铝合金的抗拉强度提高。

具体的，铝合金中Ni的含量为0.005-0.1wt％。Ni在铝合金中的固溶度很小，容易在铝基体中饱和析出富Ni相颗粒，在铝合金中加入Ni元素能形成稳定性很高的化学成分和晶格结构复杂如Al3Ni、Al7Cu4Ni、Al3CuNi等富镍相。同时Ni还能与Fe元素形成Al9FeNi等沉淀相，有效地除去铝合金中的部分Fe杂质。所述镍的含量在上述范围内，能够提高铝合金力学性能。

具体的，铝合金中，所述Er与Zr的重量比为(0.01-1.0):1，进一步优选为0.01-0.8:1，本发明的发明人发现，当铝合金中Er和Zr的重量比在上述范围内时，所述铝合金的屈服强度有明显提升，在原有基础上提升约10-20MPa，延伸率不减小。当铝合金中Er和Zr的重量比在上述范围外时，强度和延伸率均会降低。产生上述现象的原因初步分析为，由于Er原子半径与Zr的接近，且两者均能有效细化晶粒，且Er的添加，一方面能够与Al结合形成Al3Er相，同时也可和Zr结合形成热稳定性更好的Al3(ZrxEr1-x)相，从而达到提升强度且延伸率不下降。在本发明的具体实施例中，所述Er与Zr的重量比可以为0.01:1、0.02:1、0.03:1、0.04:1、0.05:1、0.06:1、0.07:1、0.075:1、0.08:1、0.09:1、0.1:1、0.2:1、0.3:1、0.4:1、0.5:1、0.6:1、0.7:1、0.75:1、0.8:1、0.9:1和1.0:1。

具体的，铝合金中，所述Zr和Ti的重量比为(8-15)：1，进一步优选为(4-15)：1，Ti和Zr两种元素都具备细化晶粒的作用，Ti、Zr单独添加及复合添加都能对合金产生良好的晶粒细化作用。本发明的发明人通过大量的试验发现，按照上述比例添加的Zr和Ti复合添加时的细化效果比二者等量单独添加更加优异。可能的原因是因为Ti和Zr复合添加时不仅具有Ti、Zr单独添加时存在的Al3Zr和Al3Ti粒子充当形核质点，同时还形成大量的Al3(Ti，Zr)复相形核核心，这些粒子共同促进了晶粒的强烈细化。随着Ti、Zr复合含量的增加，形核核心的数量会不断增多，对合金的细化作用也逐渐增强，合金晶粒尺寸的细化程度及力学性能进一步的增加，试验证明，当Zr：Ti＝(8-15)：1时联合添加效果最佳。本发明的具体实施例中，所述Zr和Ti的重量比可以为8：1、9：1、10：1、11：1、12：1、13：1、14：1和15：1。

根据本申请的实施例，该铝合金还包括不可避免的杂质，基于所述铝合金的总质量，按照质量百分比计，所述不可避免的杂质中单个元素的含量不大于0.01％，且所述不可避免的杂质的总含量不大于0.02％。具体的，由于原料的纯度很难达到100％，且制备过程中也很可能引入杂质，因此铝合金中通常均含有不可避免的杂质(如Co、Pb等)，在本申请中，铝合金中杂质元素单个元素的含量具体可以为0.01％、0.009％、0.008t％、0.007％、0.006％、0.005％、0.004％、0.003％、0.002％、0.001％等等，而杂质元素的总含量具体可以为0.1％、0.09％、0.08％、0.07％、0.06％、0.05％、0.04％、0.03％、0.02％、0.01％等。具体的，以铝合金中含有Co、Pb等杂质元素为例，Co、Pb中每一种元素的含量均小于0.01％，而Co、Pb两种元素的含量之和小于0.1％。由此，可以很好的保证铝合金的各项性能满足要求，不会对铝合金产生负面影响。

在本申请的另一个方面，本申请提供了一种制备前面所述的铝合金的方法。根据本申请的实施例，该方法包括：将制备所述铝合金的反应原料加热融化，得到铝合金液；将所述铝合金液进行除渣处理、精炼处理和浇铸处理，以便得到所述铝合金。该方法操作简单、方便，易于工业化实施，且得到的铝合金兼具机械强度高、延展性佳、铸造成型性优异。

根据本申请的实施例，该方法的具体工艺条件和参数不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行灵活选择。在本申请的一些具体的实施例中，该方法可以具体包括：经配料计算后，按所需量称取纯Al锭、纯Zn、纯Mg、纯Cu、纯Fe、Al-Si中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Ni中间合金及Al-Ti中间合金；将纯Al锭、Al-Si中间合金放入熔炼炉加热至全部熔化，间隔2min～3min搅拌熔体一次(共搅拌约3次～5次)；然后依次加入Al-Si中间合金、纯Cu、Al-Mn中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Ti中间合金及Al-Zr中间合金没入所述熔体中直至熔化；最后加入纯Zn锭，纯Mg锭，待其熔化后，搅拌，使成分均匀。将铝合金液搅拌均匀，检测并调整各元素成分含量直至达到要求的范围，再加入0.5％除渣剂除渣，0.5％精炼剂精炼除气，完成后扒渣静置10分钟～15分钟，然后降温至700℃左右开始浇铸成锭。该方法操作简单、方便，易于工业化实施，且得到的铝合金兼具机械强度高、延展性佳、铸造成型性优异。

根据本申请的实施例，该方法还可以包括：将所述铝合金进行压铸成型处理，由此可以将铝合金加工成各种复杂形状，满足不同环境的使用要求。具体的，温度为680-720℃，(具体如680℃、700℃、710℃、720℃等)；压铸机的速度为1.6m/s～2m/s(具体如1.6m/s、1.7m/s、1.8m/s、1.9m/s、2.0m/s等)。保温时间为1-3S。该条件下更利于铝合金的成型。

在本申请的又一个方面，本申请提供了一种铝合金结构件。根据本申请的实施例，该铝合金结构件的至少一部分是由前面所述的铝合金形成的。铝合金结构件具有前面所述的铝合金的全部特征和优点，在此不再一一赘述。

根据本发明的实施例，所述铝合金结构件包括3C产品结构件。具体可以为手机中框、手机后盖、手机中板等结构件。由此，该结构件具有较好的力学强度、塑性和压铸性能，能够很好的满足用户对产品高强度的要求，提高用户体验。

下面详细描述本申请的实施例。

实施例1

按照表1的配方，根据下述熔炼步骤和压铸参数获得铝合金压铸件：

经配料计算后，按所需量称取纯Al锭、纯Zn、纯Mg、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Ni中间合金及Al-Ti中间合金；将纯Al锭、Al-Si中间合金放入熔炼炉加热至全部熔化，间隔2min～3min搅拌熔体一次(共搅拌约3次～5次)；然后依次加入Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Ni中间合金、Al-Ti中间合金及Al-Zr中间合金没入所述熔体中直至熔化；最后加入纯Zn锭，纯Mg锭，待其熔化后，搅拌，使成分均匀。将铝合金液搅拌均匀，检测并调整各元素成分含量直至达到要求的范围，再加入0.5％除渣剂除渣，0.5％精炼剂精炼除气，完成后扒渣静置10分钟～15分钟，然后降温至700℃左右开始浇铸成锭。待铸锭冷却后进行压铸，温度为680-720℃，压铸机的速度为1.6-2m/s，保温时间1-3s。

实施例2～55

按照表1的配方，实施例1的方法获得铝合金压铸件。

对比例1～24

按照表1的配方，实施例1的方法获得铝合金压铸件。

表1铝合金的配方(单位：重量份数)

性能测试：

力学性能测试:参照《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》测试抗拉强度、屈服强度和延伸率，具体结果见表2。

表2性能测试结果

从表2中可以看出，本发明的铝合金抗拉强度不低于410MPa，屈服强度不低于280MPa，延伸率不低于4％。也就是说本发明的铝合金同时具有好的抗拉强度、屈服强度和延伸率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种铝合金，其特征在于，所述铝合金包括：

8.0-13.0wt％的Si；

2.0-3.0wt％的Cu；

3.0-5.0wt％的Zn；

0.6-0.9wt％的Mg；

0.5-0.8wt％的Mn；

0.1-0.3wt％的Fe；

0.05-0.35wt％的Zr；

0.01-0.05wt％的Ti；

0.005-0.04wt％的Sr；

0.001-0.02wt％的Cr；

0.01-0.02wt％的Ga；

0.001-0.35wt％的Er；

0.005-0.1wt％的Ni；

余量为Al和不可避免的杂质；

其中，Er的重量含量与Zr的重量含量比为0.01-1.0:1。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述Zr的重量含量与Ti的重量含量的比为4-15:1。

3.根据权利要求2所述的铝合金，其特征在于，所述Zr的重量含量与Ti的重量含量的比为8-15:1。

4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述Zn的重量含量与Cu的重量含量的比为1.2-2.5:1。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金包括：

9.0-11.5wt％的Si；

2.3-2.8wt％的Cu；

3.5-4.5wt％的Zn；

0.6-0.75wt％的Mg；

0.6-0.8wt％的Mn；

0.1-0.2wt％的Fe；

0.15-0.3wt％的Zr；

0.01-0.04wt％的Ti；

0.01-0.03wt％的Sr；

0.001-0.01wt％的Cr；

0.01-0.02wt％的Ga；

0.012-0.25wt％的Er；

0.005-0.1wt％的Ni；

余量为Al和不可避免的杂质；

其中，Er的重量含量与Zr的重量含量比为0.01-0.8:1。

6.根据权利要求5所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的抗拉强度不低于410MPa，屈服强度不低于280MPa，延伸率不低于4％。

7.一种制备权利要求1-6中任一项所述的铝合金的方法，其特征在于，包括：

先将制备所述铝合金的反应原料加热融化，得到铝合金液；然后将所述铝合金液进行除渣处理、精炼处理和浇铸处理，得到所述铝合金。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括将所述铝合金进行压铸成型，所述压铸成型的温度为680-720℃，压铸机的速度为1.6-2m/s，保温时间1-3s。

9.一种铝合金结构件，其特征在于，所述铝合金结构件的至少一部分是由权利要求1-6中任一项所述的铝合金形成的。

10.根据权利要求9所述的铝合金结构件，其特征在于，所述铝合金结构件包括3C产品结构件。