一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件、及其组织控制方法及用途

技术领域

本发明涉及Al-Si合金技术，尤其涉及一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件、及其组织控制方法及用途。

背景技术

随着汽车轻量化的提出，汽车结构件正向着集成化、轻量化、高效率的设计和制造方向发展，比如一体压铸车身、一体压铸副车架等。目前汽车结构件免热处理压铸铝合金的研究聚焦于Al-Si系合金，其由于良好的铸造性能被广泛应用于汽车零部件的生产和一体化压铸车身等。

但Al-Si合金在使用过程中也存在一定问题，其综合性能受合金中粗大的α-Al枝晶和脆性Si相的形貌、分布及尺寸的影响。共晶组织中的Al/Si界面适配度不高，粗大的板片状或针条状共晶Si会严重割裂合金基体，在共晶Si尖端和棱角处引起应力集中，导致合金力学性能尤其是塑性下降。

为了提高压铸Al-Si合金的塑性，目前常用的方法是变质处理。向Al-Si合金中加入Sr元素从而改变共晶Si的形貌，虽然小型压铸件能够获得较好的力学性能，但是变质后合金吸气倾向加剧，熔体流动性下降，远距离充填后力学性能大幅降低。除变质处理外，晶粒细化也是提高压铸Al-Si合金塑性的有效途径，但是在采用Sr作为变质剂的前提下，压铸件很难同时实现良好的细化和变质效果，原因在于含Sr的变质剂和含B的细化剂易发生交互作用，从而产生毒化现象，导致细化和变质效能下降。因此，如何避免毒化作用，控制压铸Al-Si合金凝固组织，从而提高Al-Si合金塑性成为目前亟需解决的工程问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前向压铸Al-Si合金中加入Sr和B变质细化产生毒化现象，导致细化和变质效能下降的问题，提出一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件组织控制方法，其工艺简单，成本低廉，制备得到的高延伸率Al-Si合金一体化压铸件在保持较好抗拉强度的同时，还具备较高的延伸率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件组织控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)原材料准备：Al-Ti-B中间合金，压铸Al-Si合金和Al-Sr中间合金；

(2)熔炼及细化处理：将Al-Ti-B中间合金加入到压铸Al-Si合金熔体中，通过辅助工艺在短时间内促使其完全熔化，从而得到熔体Ⅰ；

(3)变质处理：向熔体Ⅰ中一次性加入Al-Sr中间合金，充分搅拌使其均匀，变质处理得到熔体Ⅱ；

(4)压铸：压铸熔体Ⅱ得到具有高延伸率Al-Si合金一体化压铸件。

进一步地，所述Al-Ti-B中间合金中1.8≤Ti/B≤2.5，Ti元素和B元素主要形成中间相TiB

进一步地，所述Al-Si合金中Si质量含量≥5％；

进一步地，所述Al-Sr中间合金中Sr质量含量为5％-15％，或为85％-95％。

进一步地，步骤(2)中Al-Ti-B中间合金的加入量应满足：熔体Ⅰ中Al-Ti-B中间合金的含量为0.1％～3.0％，优选为1％-2％，其中B是过量的，属于炉内硼化。

进一步地，步骤(2)所述辅助工艺能促使Al-Ti-B中间合金在1分钟之内完全溶解，并使TiB

进一步地，区别于传统熔炼，本发明针对一体化压铸采用的大容量汤勺技术特征，将细化和变质所用的原料(Al-Ti-B中间合金和Al-Sr中间合金)统一在勺内添加，本发明步骤(3)通过在熔炼后、压铸前快速加入Al-Sr中间合金，并快速混合的工艺，向熔体Ⅰ中引入Sr，能有效缩短Sr与B的接触时间，避免Sr与B的毒化作用，使压铸Al-Si合金在保持较高抗拉强度的前提下，同时具备较高的延伸率。

进一步地，步骤(2)和步骤(3)中，采用机械臂向熔体内添加Al-Ti-B中间合金和Al-Sr中间合金。

进一步地，步骤(3)中Al-Sr中间添加量应满足：熔体Ⅱ中Sr的质量分数为0.01-0.05％。

进一步地，步骤(4)中一级压射速度为0.1-0.7m/s，二级压射速度为0.5-3.5m/s，模具温度为50-300℃，压铸机单元锁模力＞3000t，真空度＜200mbar。

本发明的另一个目的还公开了一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件，采用上述方法制备而成。

进一步地，所述高延伸率Al-Si合金一体化压铸件的延伸率为12％-17％。

进一步地，所述高延伸率Al-Si合金一体化压铸件，在达到500-800毫米充填距离时，其延伸率仍可以保持近浇口位置的70％以上。

本发明的另一个目的还公开了一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件在汽车结构件领域的用途。

本发明一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件、及其组织控制方法及用途，与现有技术相比较具有以下优点：

1)对于传统Al-Si系铸造合金而言，合金中共晶Si相形貌普遍为粗大的针刺状且杂乱分布在α-Al基体上，这些端部尖锐的共晶Si相很容易在受到载荷的情况下产生应力集中，从而成为合金裂纹源，严重影响合金力学性能。本发明中合金包含Sr、B元素，在生产高延伸率Al-Si合金时起到了协同作用，B细化了合金微观方式和组织，提高合金的流动性，Sr使粗大的针片状共晶Si转变为细小的纤维状，二者协同保障了一体化压铸件在远距离充填后，Al-Si合金的压铸组织细小、均匀、致密，从而提高一体化压铸件整体延伸率。

2)本发明对B的添加方式进行改良，采用在线添加的方式，结合辅助熔化分散技术对Al-Si合金的组织进行控制，细化晶粒，可以提高延伸率。

3)本发明对Sr的添加方式进行改良，采用压铸前勺内添加的方式短时接触，可有效避免Sr和B之间发生毒化作用，从而高效改善Si的形貌，提高延伸率，与基体相比，延伸率可提高25％-100％，达到12％-17％。

4)本发明高延伸率Al-Si合金一体化压铸件组织控制方法条件易实现，生产成本低廉，能适用于工业批量化生产。

附图说明

图1为高延伸率Al-Si合金一体化压铸件组织控制方法示意图；

图2为实施例1高延伸率Al-Si合金一体化压铸件与Al-Si系合金基体的力学性能对比示意图。

图3为实施例2高延伸率Al-Si合金一体化压铸件与未做变质处理的Al-Si系合金的应力-应变曲线对比示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件的组织控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)原材料准备：1)Al-Ti-B中间合金(其中Ti元素与B元素主要以中间相TiB

(2)熔炼及细化处理：将Al-Ti-B中间合金加入到压铸Al-Si熔体中，通过电磁搅拌技术在5分钟内促使其完全熔化，从而得到熔体Ⅰ，其中Al-Ti-B中间合金的含量为1.0％；

(3)变质处理：向熔体Ⅰ中一次性加入Al-Sr合金，使熔体中Sr的质量含量为熔体总质量的0.02％，充分搅拌使其均匀，变质处理得到熔体Ⅱ；

(4)压铸：压铸熔体Ⅱ得到具有较高延伸率的Al-Si合金一体化压铸件，压铸条件如下：一级压射速度为0.3m/s，二级压射速度为1.4m/s，模具温度为240℃，压铸机单元锁模力>3000t，真空度<200mbar。

该实施例获得的Al-Si合金一体化压铸件延伸率为12.5％，相比基体提高30％。

图2为本实施方式的Al-Si系一体化压铸件即实施例1与Al-Si系合金基体的力学性能对比示意图，可见细化与变质处理后的合金压铸件延伸率明显上升，说明本发明效果显著。

实施例2

本实施例公开了一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件的组织控制方法，包括以下步骤：

(1)原材料准备：1)Al-Ti-B中间合金(其中Ti元素与B元素主要以中间相TiB

(2)熔炼及细化处理：将Al-Ti-B中间合金加入到压铸Al-Si熔体中，通过电磁搅拌技术在5分钟内促使其完全熔化，从而得到熔体Ⅰ，其中Al-Ti-B中间合金的含量为1.5％；

(3)变质处理：向熔体Ⅰ中快速加入Al-Sr合金，使熔体中Sr的质量含量为熔体总质量的0.02％，充分搅拌使其均匀，变质处理得到熔体Ⅱ；

(4)压铸：压铸熔体Ⅱ得到具有较高延伸率的Al-Si合金一体化压铸件，压铸条件如下：一级压射速度为0.3m/s，二级压射速度为1.4m/s，模具温度为240℃，压铸机单元锁模力>3000t，真空度<200mbar。

该实施例获得的高延伸率Al-Si合金一体化压铸件延伸率为14.2％，相比基体提高约50％。

图3为本实施方式的Al-Si系一体化压铸件即实施例2的应力应变曲线与未做变质处理的Al-Si系合金的应力应变曲线对比示意图。可以看出Sr和B的复合加入对压铸件的延伸率具有显著影响，较未采用压铸前勺内添加方式进行变质处理的合金，延伸率提升约50％。

实施例3

本实施例公开了一种高延伸率Al-Si合金一体化压铸件的组织控制方法，包括以下步骤：

原材料准备：1)Al-Ti-B中间合金(其中Ti元素与B元素主要以中间相TiB

(2)熔炼及细化处理：将Al-Ti-B中间合金加入到压铸Al-Si熔体中，通过电磁搅拌技术在5分钟内促使其完全熔化，从而得到熔体Ⅰ，其中Al-Ti-B中间合金的含量为1.0％；

(3)变质处理：向熔体Ⅰ中快速加入Al-Sr合金，使熔体中Sr的质量含量为熔体总质量的0.02％，充分搅拌使其均匀，变质处理得到熔体Ⅱ；

(4)压铸：压铸熔体Ⅱ得到具有较高延伸率的Al-Si合金一体化压铸件，压铸条件如下：一级压射速度为0.3m/s，二级压射速度为1.4m/s，模具温度为240℃，压铸机单元锁模力>3000t，真空度<200mbar。

该实施例获得的Al-Si合金一体化压铸件延伸率可达12.4％。

由表1可见，通过本发明的实施方式生产的压铸件的延伸率与基体相比均大幅提升，说明本发明中的组织控制方法是有效的，能够得到高延伸率的Al-Si合金一体化压铸件。

对照例1

本对照例公开了一种Al-Si合金压铸件，采用炉内添加Sr和B，得到的Al-Si合金压铸件延伸率仅为7.9％，步骤如下：

原材料准备：1)1)Al-Ti-B中间合金(其中Ti元素与B元素主要以中间相TiB

(2)熔炼、细化及变质处理：将Al-Ti-B中间合金和Al-Sr中间合金共同加入到压铸Al-Si熔体中，通过电磁搅拌技术在5分钟内促使其完全熔化，从而得到熔体Ⅰ。

(3)压铸：压铸熔体Ⅰ以传统熔炼方式得到Al-Si合金压铸件。压铸条件如下：一级压射速度为0.3m/s，二级压射速度为1.4m/s，模具温度为240℃，压铸机单元锁模力>3000t，真空度<200mbar。

该对照例获得的Al-Si合金压铸件的延伸率如表1所示，仅为7.9％。是应为Sr和B之间发生反应形成SrB

表1为各实施例以及基体的性能结果

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。