铝合金及其制备方法、压铸件与流程

1.本发明涉及有色金属材料领域，特别是涉及一种铝合金及该铝合金的制备方法，和使用该铝合金的压铸件。


背景技术：

2.铝合金为轻量的并且具有优异的导热性和高的耐腐蚀性等诸多特性，因此在汽车、产业机械、航空器、家用电器产品、其它各种领域中作为其构成部件原材料而广泛使用。作为其之一，有压铸用铝合金的领域，作为其代表性的铝合金，有al-si-cu系压铸用铝合金、al-mg系压铸用铝合金、al-si-mg系压铸用铝合金。
3.目前子设备基板、散热管接头、滑油散热器收集盒等压铸铝合金产品都需要通过高温钎焊组装，但现有的压铸用铝合金在进行高温钎焊时发现存在以下技术问题：
4.1.铝硅系压铸用铝合金的熔点低(550℃以下)，而高温钎焊需要加温到约600℃，铝硅系压铸用铝合金在高温钎焊槽中长时间浸泡时会出现软化甚至熔化；
5.2.可钎焊压铸铝合金存在铸造性较差的问题，表现为铸造(压铸)时的流动性和填充性较差、凝固范围宽、压铸制品中容易产生裂纹、压铸生产会出现粘模冷料等。
6.因此同时能兼顾铸造性和可高温钎焊的铝合金要求同时具有下列特性：
7.1.因为高温钎焊需要加温到约600℃，因此要求铝合金的固相线高于600℃并且铝合金在高温下的抗氧化能力越高越好；
8.2.铝合金需要与钎焊材料充分相熔而且润湿夹角越小越好；
9.3.铝合金具有低粘模性，并且铝合金在压铸温度区间内流动性充分、充型收缩小、热裂及内应力趋向小；
10.4.铝合金在使用环境中耐腐蚀性良好。


技术实现要素：

11.针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种同时能兼顾铸造性和可高温钎焊的铝合金及其制备方法。本发明中，对铝合金的成分元素加以说明时，成分组成中的“％”，除特别加以说明的以外均意指“质量％”。
12.一方面，本发明提供一种铝合金，合金成分为：fe(铁)：0.9-1.4％，mg(镁)：0.5-0.9％，mn(锰)：0.2-0.5％，ag(银)：0.15-0.3％，sc(钪)：0.2-0.3％，y(钇)：0.3-0.5％，余量al(铝)。
13.所述铝合金的密度为2.60-2.73g/cm3，所述铝合金的熔点为≥636℃，所述铝合金的导热系数为150-180w/m
·
k。
14.在一实施例中，该铝合金在室温下的机械性能为：维氏硬度为52-55hv、抗拉强度为120-150mpa、屈服强度为80-100mpa、延伸率为≥10.5％。
15.第二方面，本发明提供一种制备上述铝合金的方法，包括如下步骤：
16.步骤一，按照所述铝合金的成分的质量百分比配置原材料，原材料包括a00铝锭、
镁锭、铁粉、电解锰片、银、al-3sc合金、al-10y合金；
17.步骤二，制备al-mn-3fe中间合金，将部分a00铝锭放入熔化炉中并升温熔化至不低于850℃，并在充分的搅拌状态下加入电解锰片(加入的电解锰片的质量为熔化的a00铝锭的质量的1％)，再加入铁粉(可以分批加入铁粉，加入的铁粉的总质量为熔化的a00铝锭的质量的3％)，持续搅拌后加入打渣剂，然后降温至760-780℃，扒渣，最后浇铸成al-mn-3fe中间合金；
18.步骤三，将剩余的a00铝锭放入到熔化炉中熔化到750℃，在充分的搅拌状态下分别加入镁锭、银、al-10y合金，完全合金化后加入al-mn-3fe中间合金，扒渣后保温静置不少于0.5h，然后加入al-3sc中间合金，最后降温至720℃，浇铸成铝合金锭。
19.上述方法制备的铝合金锭即为本发明提供的铝合金。优选的，所述铁粉的颗粒目数为80-120目。
20.其中，步骤二中所述的打渣剂为卤化物盐类，例如氯盐(nacl、kcl、mgcl2等)、氟盐(naf、kf、mgf2、na3alf6等)、碳酸盐(na2co3、k2co3、caco3等)、硫酸盐(na2so4、k2so4等)、硝酸盐(nano3、kno3等)等。优选的，打渣剂为氯化钠、氯化钾、氟化钙、三氯化铝、六氟铝酸钠组成的混合物。
21.第三方面，本发明提供了一种压铸件，该压铸件由上述铝合金制造，压铸方法包括形成熔融状态的所述铝合金。
22.在一实施例中，压铸件为薄壁铸件，该薄壁铸件的自然时效的时间为3-5天。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
24.1.本发明提供一种铝合金，该铝合金是一种可高温钎焊并且铸造性优异的铝合金。该铝合金的成分包括al、fe、mg、mn、ag、sc、y元素，铝合金中少量伪共晶相在压铸条件下的非平衡析出减少了该铝合金的结晶温度区间，其固相线温度不低于636℃、液相线温度不高于658℃，从而增加了铝合金的流动性，赋予了该铝合金优异的压铸性能，能够实现复杂结构一次成型和精密压铸；
25.2.在现有的压铸用铝合金中fe元素作为杂质元素，当fe含量过高时，以feal3和fe2al7的片状或针状析出组织存在于铝合金中会降低机械性能特别是降低延伸率，并且针片状的feal3相会影响铝合金的流动性、出现脆性界面、影响铝合金焊缝的结合强度、出现优先高温析出相、产生热应力及收缩性能的不均匀性，因此现有的压铸用铝合金中fe的质量分数在0.15wt％以下。但本发明提供的铝合金中铁的质量分数为0.9-1.4％，显著高于现有的压铸用铝合金中fe的质量分数，发明人通过材料设计发现，本发明提供的铝合金在由于组分配比使得其在制备过程中优先结合相引发伪共晶，利用伪共晶可以完全改善feal3相的形貌，变有害相为增强相，并且同时改变铝合金的钎焊润湿角和铝合金的压铸粘模性能，利用微合金化改变铝合金的高温抗氧化能力；
26.3.本发明提供的铝合金在保证良好铸造性能的前提下，优化铝合金的组分配比，可满足压铸后的产品无需热处理，常规压铸后3-5天自然时效即可达到6063铝合金型材的性能，有效减少大型薄壁件热处理变形现象，提高成品率，同时，自然时效，不经热处理，在一定程度上解决了现有压铸铝合金在高机械性能、高产品质量和低生产成本难以兼得的问题；
27.4.在现有的al-fe系铝合金中fe的质量分数为1.9％是共晶点，al-1fe在亚共晶区
域，所以熔化后的al-fe系铝合金其凝固析出顺序为先析出过饱和α相，然后析出(feal3 α')共晶相，其中feal3相主要是针状组织。而由于本发明提供的铝合金中含有mg，导致熔化后的铝合金其凝固析出时feal3优先形成fe(mgal)3相，并且凝固析出过饱和α相会转变为(α' fe(mgal)3)共晶相；又铝合金中含有ag、y，导致过饱和α相析出造成的富fe原子团会与析出的ag、y、mg、al优先形成复杂结构的非长程有序的类非晶态相(即半晶态组织，设定为“ε”相)从而造成α'相基本消失，而“ε”相造成的强成分过冷会使α相孕育更快，这样一方面会阻碍已形成“ε”相的生长、另一方面又促进生成更多的新“ε”相，如此形成类似共晶生长的(α “ε”)相的伪共晶组织；又铝合金中含有sc，会造成新α相的生成和新“ε”相生成的动力学加快，使铝合金具有更均匀细小的宏观组织；
28.5.本发明提供的铝合金存在特殊的复杂结构类非晶态组织(即半晶态组织，“ε”相)，“ε”相具有多晶型不定形状态、以及电子轨道未被填满的特性，所以会使高温钎焊材料与铝合金的α相和“ε”相的接合动力学能量变小，从而改善焊接面两种材料的润湿角度和平铺性并形成充分合金化的饱满焊缝组织，从而实现可高温钎焊。本发明提供的铝合金与钎焊材料相熔并且钎焊润湿角θ的范围为：15
°
≤θ《35
°
，容易进行高温钎焊，而且铝合金进行高温钎焊得到的焊缝饱满、强度高；
29.6.发明提供的铝合金的组分配比mg在铝合金中具有较高的固溶度，可实现固溶强化，这样就显著提高了铝合金的强度；sc和mn的协同作用使铝合金的晶粒得到充分细化，实现细晶强化，进而通过细晶强化实现铝合金的高强度、高韧性、高疲劳性能，同时使得铝合金具有优良的高耐热性、低热膨胀系数等性能；
30.7.本发明提供的铝合金在熔融状态下转变成的铝合金液具有良好的流动性，极大的改善了疏松、气孔、冷隔等缺陷，即获得优良的铸造性能；
31.8.本发明提供的铝合金能够实现600℃左右的高温钎焊，并且该铝合金在600℃左右表现出优异的抗氧化能力。该铝合金具有低粘模性，在压铸温度区间它的流动性充分、充型收缩小、热裂及内应力释放快。
32.下面结合具体实施例进行说明。
具体实施方式
33.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
34.本发明的铝合金的成分为：fe(铁)：0.9-1.4％，mg(镁)：0.5-0.9％，mn(锰)：0.2-0.5％，ag(银)：0.15-0.3％，sc(钪)：0.2-0.3％，y(钇)：0.3-0.5％，余量为al(铝)和不可避免的杂质。所述不可避免的杂质中的杂质元素cu(铜)≤0.03％，杂质元素zn(锌)≤0.05％、，其它杂质元素单个＜0.1％，总量＜0.3％。cu改进铝合金的机械强度和硬度，但另一方面，使耐腐蚀性显著降低。因此，为了改进铝合金的耐腐蚀性，除了作为杂质混入以外，有必要使其为低含有。
35.本发明的铝合金中组分的选择和配比结合铝合金生产工艺是使得铝合金同时能兼顾铸造性和可高温钎焊的关键，铝合金中任一组分的缺失和不恰当的铝合金生产工艺都会导致铝合金的铸造性减弱并且导致铝合金不能顺利进行高温钎焊。
36.铝合金中fe具有压铸时的热粘防止效果，因此当fe的质量分数不足0.9％的情况下，铝合金在压铸时的热粘防止效果不够，另一方面，在fe的质量分数大于1.4％的情况下，
虽然上述热粘防止效果变得足够，但该铝合金的韧性降低并且铸造性劣化。并且铝合金中fe使得铝合金的固相线温度和液相线温度提升。
37.铝合金中mg主要以固溶的状态存在，以改善铝合金屈服强度和抗拉强度，另一方面，因过量析出而形成对铸造性和钎焊性造成不利影响的非设计相，同时基于铝合金中fe的配比，mg的优选质量分数范围为0.5-0.9％，该范围内的mg的一部分固溶存在能使铝合金的屈服强度和抗拉强度这样的机械特性改进，而一部分析出的mg与其它析出元素共同结合出类非晶态相。
38.基于铝合金中fe、mg的配比，mn在铝合金中的质量分数范围优选为0.2-0.5％。这是由于，在mn的质量分数不足0.2％的情况下，合金的固溶强化的改进效果不够，析出欠充分，另一方面，在mn的质量分数多于0.5％的情况下，铝合金的流动性降低从而铸造性劣化。
39.铝合金中的ag、y、sc的添加是基于铝合金中其它组分的选择。ag、y、sc促进铝合金中伪共晶组织的生成，从而使得铝合金在具有优异的铸造性的同时容易进行高温钎焊。并且mn和sc还具有协同作用使得铝合金的细晶强化的效果显著提升，使得铝合金具有优良的高耐热性、低热膨胀系数等性能。
40.现有的al-fe系铝合金的微观结构上存在针状片状feal3及(α' feal3)共晶组织，因此现有的al-fe系铝合金的铸造性较差。但本发明提供的铝合金中通过fe、mg、mn、ag、y、sc的协同作用使得铝合金的微观结构上存在(α “ε”)相的伪共晶组织，具有优异铸造性，表现为铝合金具有低粘模性，并且铝合金在压铸温度区间内流动性充分、充型收缩小、热裂及内应力释放快。
41.在制备本发明提供的铝合金时，首先，准备以al、fe、mg、mn、ag、y、sc各元素成分成为上述的预定比例的方式含有的原料。接着，将该原料投入熔化炉中，使它们熔化。根据需要，对熔化的原料即铝合金的金属溶液施予脱氢处理和脱夹杂物处理等的精炼处理。然后，通过使经精炼的金属溶液流入预定的模具等并使其固化，使铝合金的金属溶液成形为铝合金基底金属锭等。
42.更具体的，为了进一步促进铝合金中伪共晶组织的生长，实施例1-4中记载的铝合金均采用如下制备方法进行制备，制备铝合金的方法包括以下步骤：
43.步骤一，按照所述铝合金的成分的质量百分比配置原材料，原材料包括a00铝锭、镁锭、80-120目铁粉、电解锰片、银、al-3sc合金、al-10y合金；
44.步骤二，制备al-mn-3fe中间合金，将部分a00铝锭放入熔化炉中并升温熔化至不低于850℃，并在充分的搅拌状态下加入电解锰片(加入的电解锰片的质量为熔化的a00铝锭的质量的1％)，再分批加入铁粉(加入的铁粉的质量为熔化的a00铝锭的质量的3％)，持续搅拌并加入打渣剂，然后降温至760-780℃静置0.5h以上，扒渣，最后浇铸成al-mn-3fe中间合金；
45.步骤三，将剩余的a00铝锭放入到熔化炉中熔化到750℃，在充分的搅拌状态下分别加入镁锭、银、al-10y合金，完全合金化后加入al-mn-3fe中间合金，扒渣后保温静置不少于0.5h，然后加入al-3sc中间合金，最后降温至720℃，浇铸成铝合金锭。
46.以上步骤二的目的是先制成高度合金化及弥散分布析出的预制feal3及mnal2微粒，保证在后面步骤三加入铝合金熔液中时能快速与al充分合金化，不至于在铝液中残留高温粒子。
47.当实施步骤三时，保证al-mn-3fe中间合金先充分与al合金化，再在降温析出过程中逐步按设计析出与先析出的其它ag、mg、y、sc元素完成类非晶态原子团的生成。
48.另外，在使用本发明的铝合金铸造(压铸)了铝合金压铸件后，根据需要可以实施固溶处理和时效处理等，这样能够改良铝合金压铸件的机械特性。
49.另外，本发明提供的铝合金按照国标gb/t 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和gb/t4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》测得铝合金在室温下的机械性能，包括但不限于维氏硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率。实施例1中记载的铝合金经压铸后在室温下的机械性能为：维氏硬度为52-55hv、抗拉强度为120-150mpa、屈服强度为80-100mpa、延伸率为≥10.5％。
50.另外，实施例1-4中记载的高温钎焊使用的钎焊料可为普通铝合金钎焊料，3003铝合金钎焊料和最新研发的6063钎焊料，若铝合金压铸件的使用环境的温度较高，优选的，钎焊料采用耐高温氧化性及高温强度优良的3003铝合金钎焊料。
51.本发明提供的铝合金可用于制造各种结构铸件或铸造结构(即零件、结构体等等)，包括薄壁铸件或零件或者厚壁铸件或零件。其中，薄壁铸件是壁厚小于或等于2mm的任何部件，厚壁铸件是壁厚大于2mm的任何部件。薄壁铸件或厚壁铸件可以是汽车零件、计算机零件、通信零件或消费电子零件。例如对于汽车零件：结构铸件可以是用于车辆车身的铝基零件，汽车车轮罩或铝基车轮；一些特定的汽车零件包括底盘部件，如发动机架、减震器等等。最终的结构铸件也可以是在电梯、摩托车、自行车、船舶应用中使用的零件。使用本发明提供的铝合金的压铸铸件在制造的过程中无需热处理，常规压铸后3-5天自然时效后即可达到6063铝合金型材t5状态的性能，有效减少大型薄壁件热处理变形现象，提高成品率。
52.需要说明的是，实施例1-4提供的铝合金均可以通过压铸工艺制备成散热器的腔体，例如水冷式散热器的腔体，这是由于实施例1-4提供的铝合金具有下列特性：
53.1.高温钎焊性良好；
54.2.在使用环境中耐腐蚀性良好；
55.3.对冷却剂(例如乙二醇)的耐腐蚀性良好；
56.4.对冷却水(热介质)的耐腐蚀性良好；
57.5对冷凝水的结露的耐腐蚀性良好；
58.6.高温强度与耐高温氧化性良好。
59.上述特性主要是通过控制铝合金的组分配比结合合适的制备铝合金工艺实现的。
60.实施例1
61.本实施例中提供了铝合金，铝合金的成分为：fe(铁)：0.9％，mg(镁)：0.5％，mn(锰)：0.2％，ag(银)：0.15％，sc(钪)：0.2％，y(钇)：0.3％，余量为al(铝)。
62.实施例2：
63.本实施例中提供了铝合金，铝合金的成分为：fe(铁)：1.0％，mg(镁)：0.6％，mn(锰)：0.4％，ag(银)：0.18％，sc(钪)：0.25％，y(钇)：0.4％，余量为al(铝)。
64.熔化本实施例提供的铝合金，并进行压铸生产，其中压铸工艺参数为：浇铸温度685℃、模具预热温度260℃、铸造压力140mpa、压射速度2m/s。
65.本实例所得压铸样件为薄壁铸件(厚度4mm)，不经过热处理，自然时效3天后，经测量室温下其机械性能均可以达到：维氏硬度为52-55hv、抗拉强度为120-150mpa、屈服强度
为80-100mpa、延伸率为≥10.5％。
66.实施例3
67.在本技术的另一个实施例中还提供了铝合金，铝合金的成分为：fe(铁)：1.3％，mg(镁)：0.7％，mn(锰)：0.4％，ag(银)：0.25％，sc(钪)：0.28％，y(钇)：0.36％，余量为al(铝)。
68.制得熔融状态的铝合金液，通过转运包将铝合金液转移到机边炉保温，或者直接在机边炉里对本铝合金锭进行重熔和精炼，获得铝合金液，采用真空压铸技术进行压铸生产，其中压铸工艺参数为：熔体浇铸温度680-700℃、模具预热温度240-260℃、铸造压力120-140mpa、压射速度6-8m/s、真空度≤100mbar。
69.利用上述铝合金液制备的薄壁铸件试样(厚度4mm)，不经过热处理，压铸试样经过自然时效3天后，经测量室温下其机械性能均可以达到：维氏硬度为52-55hv、抗拉强度为120-150mpa、屈服强度为80-100mpa、延伸率为≥10.5％。
70.实施例4
71.在本技术的另一个实施例中还提供了铝合金，铝合金的成分为：fe(铁)：1.4％，mg(镁)：0.9％，mn(锰)：0.5％，ag(银)：0.3％，sc(钪)：0.3％，y(钇)：0.5％，余量为al(铝)。
72.对实施例1-4提供的铝合金进行如下测试：
73.1.按照gbb/t10125-1997的测试标准进行盐雾试验，在12％的氯化钠环境中，以出现锈蚀的天数，表征铝合金的耐腐蚀能力，结果为实施例1-4提供的铝合金的盐雾时间均在130天以上，表现出优异的耐腐蚀能力；
74.2.高温氧化特性测试，将实施例1-4提供的铝合金分别制备成厚1mm的25mm
×
35mm的板材试样，再将板材试样实施600℃
×
30min的相当于高温钎焊的热处理后，对整个面积进行#400湿式研磨加工，从而制成高温氧化试样。再将高温氧化试样在大气 60℃饱和水蒸汽气氛中，进行100次“600℃
×
20min加热
→
常温下放置冷却10min”的循环，将高温氧化试样的试验前与试验后的质量变化除以高温氧化试样的表面积，由此求出单位面积的质量变化。结果为实施例1-4提供的铝合金的单位面积的质量变化的绝对值均如在5mg/cm2以下，表现出优异的高温氧化特性；
75.3.高温钎焊性(润湿性)测试，将实施例1-4提供的铝合金分别制备成厚1mm的10mm
×
20mm的板材钎焊试样，每个实施例提供的板材钎焊试样为2片，在将其中1片试样水平放置的状态下，在其整个表面以0.5mm厚涂布钎焊料，然后在其上重叠另一片试样，构成由试样/钎焊料/试样的3层形成的层叠体，将其保持水平直接放入真空炉内，在真空拉伸后于600℃加热30min。冷却后取出层叠体，观察上面重叠的(未涂布钎焊料的)试样表面，通过将表面中被钎焊料润湿的面积用试样表面的整个面积除，由此求出钎焊料被覆率。结果为实施例1-4提供的铝合金的板材钎焊试样的钎焊料被覆率均为80％以上，表现出优异的高温钎焊性(润湿性)。
76.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
77.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。