基于再生铝的免热处理压铸铝合金及其制备方法、结构件与流程

本发明涉及铝合金，尤其涉及一种基于再生铝的免热处理压铸铝合金的制备方法、由该制备方法制得的免热处理压铸铝合金、及结构件。

背景技术：

1、为了改善脱模性能，需要向免热处理压铸铝合金（如al-si系免热处理压铸铝合金）中加入fe，fe的加入量需大于0.6wt%，但过量的fe易形成针状或片状的β-alfesi相，导致铝合金的塑性降低。降低fe的加入量时，可加入适量mn，来确保铝合金具有较好的抗粘模性能，同时避免产生针状或片状的β-alfesi相。由于要求fe含量较低，目前产业中主要采用电解铝锭直接配制免热处理压铸铝合金，不能使用再生铝（fe含量高），这导致成本较高。

2、因此，急需要研发出一种成本较低、抗拉强度、屈服强度、及伸长率均优异的免热处理压铸铝合金。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于再生铝的免热处理压铸铝合金，旨在保证基于再生铝的免热处理压铸铝合金具有较低的成本，还具有较佳的抗拉强度、屈服强度、及伸长率。

2、本发明提供还一种基于再生铝的免热处理压铸铝合金的制备方法，包括以下步骤：

3、提供再生铝；

4、对所述再生铝进行加热处理，得到再生铝液；

5、对所述再生铝液进行化验，获得所述再生铝液的元素及含量；

6、根据所述再生铝液的元素及含量和预设的基于再生铝的免热处理压铸铝合金的元素及含量，计算待加入至所述再生铝液中的si、cu、mn、mg、zn、ti、sr、及b的量；

7、向所述再生铝液中加入si、cu、mn、mg、zn、ti、sr、及b，进行第二次加热处理，得到合金液；

8、对所述合金液进行精炼处理、电磁搅拌、扒渣处理、及压铸处理，得到铝合金零部件；及

9、对所述铝合金零部件进行低温淬火处理，得到所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金，所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金含有al，还含有质量百分比含量为6-9%的si、质量百分比含量为0.1-0.6%的fe、质量百分比含量为0.01-0.4%的cu、质量百分比含量为0.01-0.8%的mn、质量百分比含量为0.01-0.5%的mg、质量百分比含量为0.01-0.5%的zn、质量百分比含量为0.01-0.2%的ti、质量百分比含量为0-0.05%的sr、及质量百分比含量为0-0.01%的b。

10、进一步地，所述低温淬火处理的温度为-200~0°c，时间为0.1~10h。

11、进一步地，所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金含有质量百分比含量为7-9%的si、质量百分比含量为0.2-0.5%的fe、质量百分比含量为0.1-0.3%的cu、质量百分比含量为0.3-0.7%的mn、质量百分比含量为0.2-0.4%的mg、质量百分比含量为0.2-0.4%的zn、质量百分比含量为0.1-0.2%的ti、质量百分比含量为0.005-0.05%的sr、及质量百分比含量为0.005-0.01%的b。

12、进一步地，所述再生铝液中，mn与fe的质量比为0.5-2：1。

13、进一步地，所述制备方法还包括向所述再生铝液中加入cr、re、co、be、及ca中的至少一种的步骤，其中，满足以下条件的至少一种：

14、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，cr的质量百分比含量为0-0.1%；

15、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，re的质量百分比含量为0-0.1%；

16、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，co的质量百分比含量为0-0.1%；

17、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，be的质量百分比含量为0-0.1%；

18、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，ca的质量百分比含量为0-0.1%。

19、进一步地，满足以下条件的至少一种：

20、所述再生铝液中，cr与fe的质量比为0.2-1：1；

21、所述再生铝液中，co与fe的质量比为0.2-1：1。

22、进一步地，所述制备方法还包括向所述再生铝液中加入c的步骤，其中，所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，c的质量百分比含量为0-0.05%。

23、进一步地，所述制备方法还包括向所述再生铝液中加入nb、ni、te、in、mo、ag、cd、v、sn、zr、sb、及bi中的至少一种的步骤，其中，满足以下条件的至少一种：

24、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，nb的质量百分比含量为0-0.1%；

25、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，ni的质量百分比含量为0-0.2%；

26、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，te的质量百分比含量为0-0.1%；

27、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，in的质量百分比含量为0-0.1%；

28、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，mo的质量百分比含量为0-0.2%；

29、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，ag的质量百分比含量为0-0.1%；

30、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，cd的质量百分比含量为0-0.05%；

31、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，v的质量百分比含量为0-0.2%；

32、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，sn的质量百分比含量为0-0.08%；

33、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，zr的质量百分比含量为0-0.2%；

34、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，sb的质量百分比含量为0-0.2%；

35、所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金中，bi的质量百分比含量为0-0.2%。

36、本发明提供一种由所述制备方法所制得的基于再生铝的免热处理压铸铝合金。

37、本发明还提供一种结构件，其至少部分的材质为所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金。

38、本发明技术方案中，所述基于再生铝的免热处理压铸铝合金的制备方法采用再生铝为原料，来降低成本。与原生铝不同，再生铝中，fe含量范围较宽，杂质元素种类过多，且含量较高。为了提高再生铝的利用率，一方面需要有较大的高fe含量的包容性，fe含量较高，综合性能越差，必须调控fe含量/fe形貌以降低fe危害；另一方面还需对再生铝合金中具有较多的杂质元素种类和较高杂质元素成分范围的特性有很强的包容性，降低杂质元素对合金性能的影响。

39、si、cu、mn、mg、zn、ti、sr、及b复合添加至再生铝液中，si、cu、mn、mg、zn、ti、sr、及b相互影响、相互作用，解决了再生铝中fe含量较大，杂质元素种类较多，含量较大等缺点，得到了抗拉强度大于260mpa，屈服强度大于120mpa，伸长率大于10%的免热处理压铸铝合金。该基于再生铝的免热处理压铸铝合金含有质量百分比含量为6-9%的si、质量百分比含量为0.1-0.6%的fe、质量百分比含量为0.01-0.4%的cu、质量百分比含量为0.01-0.8%的mn、质量百分比含量为0.01-0.5%的mg、质量百分比含量为0.01-0.5%的zn、质量百分比含量为0.01-0.2%的ti、质量百分比含量为0-0.05%的sr、及质量百分比含量为0-0.01%的b。具体而言：

40、（1）si可提高铝合金的工艺流动性能，但含量过高时会降低伸长率，si还可与al、fe、mg、cu、b等反应生成mg2si、alfesi、alfesicu、alfemgsi、alcumgsi、alfesib等第二相，来提高铝合金的抗拉强度和屈服强度；

41、（2）mg可与al、fe、si、cu、zn等反应生成alfemgsi、(cumg)al2、alcumgsi、mg2si、mg2zn、mg2sizn等第二相，来提高铝合金的抗拉强度和屈服强度，其中，mg固溶于cual2相和alfesi相中时形成(cumg)al2相和alfesimg相；

42、（3）cu可与al、fe、si、mg、zn等反应生成cual2、alfesicu、alcumgsi、al2cuzn、(cumg)al2等第二相，来提高铝合金的抗拉强度和屈服强度，还可促进mg2si、mg2zn、mg2sizn等第二相的析出，提高析出相的体积分数和弥散程度，后续的自然时效处理或车辆涂装烤漆加热处理（简称t85处理）还可进一步提高cu和mg的时效强化效果；

43、（4）zn可与al、mg、cu及si等反应生成mgzn2、mg2sizn、al2cuzn等第二相，来提高铝合金的抗拉强度和屈服强度，zn可消除单质si，来降低si对铝合金性能的影响，还可促进mg2si、mg2zn、mg2sizn、al2cu等相的析出，提高析出相的体积分数和弥散程度；

44、（5）fe可改善脱模性能，还可与al、si、mg、cu、b反应生成al3fe、alfesi、alfemgsi、alfesicu、alfesib等第二相，来提高铝合金的抗拉强度和屈服强度，然而，fe含量和/或fe形貌需加以调控；

45、（6）mn可与al、fe、si、cu反应生成mnal2、mnal6、α-(fe,mn)al6、a112cumn2、α-al(femn)si、τ(cu2mn3al20)等第二相，来提高铝合金的抗拉强度和屈服强度；mn可通过固溶在基体中产生的晶格畸变及与al反应生产的mnal6弥散质点显著细化晶粒尺寸，以提高伸长率，且mnal6还可溶解fe形成α-(fe,mn)al6相，来降低fe含量并减小fe危害；mn与al、fe、mn和si生成呈球状颗粒状或汉字状的alfemnsi化合相，以避免长针状fe相的形成来降低fe危害，在改善铝合金的脱模性时提高铝合金的抗拉强度和屈服强度；mn可将粗大的针状β-alfesi相转变成为小颗粒状的α-al(femn)si相弥散质点，来改善fe形貌，以消除fe危害，具体的，mn可代替粗大的针状β-alfesi相中的部分fe，生成小颗粒状的弥散β-al(femn)si相，β相的生成和生长形状得到改善，从而减小fe危害；mn还可促进针状的β-al(femn)si相向小颗粒状的α-al(femn)si弥散相转变，生成的α-al(femn)si相弥散质点分布在铝基体中，并强烈地钉扎在铝合金的亚晶界，这主要是因为铝合金中含mn的α相弥散质点可作为β′相时效过程中的非均匀成核位置而诱发其成核，从而加速β′相的析出；mn还能和再生铝液中的杂质相反应生成al-mn-x相（x为杂质元素，包括但不限于过渡族金属元素，如fe、cr，sn，pb，cd等），如此可净化再生铝液，这些相可作为晶粒形核点提高形核率，细化晶粒，净化可提高合金的抗拉强度、屈服强度、伸长率及流动性；

46、（7）sr优先与fe结合形成弥散强化，减少fe在再生铝中的固溶度，来提高铝合金的屈服强度和抗拉强度；sr在结晶学上能改变金属间化合物相的行为，可作为变质剂，通过异质形核理论或孪晶凹谷机理对铝合金进行变质处理来细化晶粒和第二相，如sr可通过变质作用改变共晶硅相的形态，来提高铝合金的伸长率并减少压铸过程中的粘模倾向；sr可使铸锭中粗大的针状β-alfesi、β-alfemnsi相变成小颗粒状的汉字形α-alfesi、α-al(femn)si相，减少了铸锭均匀化时间，可提高铝合金的屈服强度、抗拉强度及伸长率；

47、（8）ti与al反应生成的tial2相，作为结晶时的非自发核心，可细化晶粒、第二相及析出相，来提高铝合金的抗拉强度、屈服强度及伸长率；

48、（9）b可与过渡族金属元素（包括fe等过渡族金属元素）发生硼化反应，生成可与再生铝液分离的化合物如硼铁化合物，来降低fe等过渡族金属元素的含量，以净化再生铝液；b易吸附在富铁相表面，抑制富铁相的长大，起到控制富铁相的尺寸的作用，还可阻止再生铝液中富铁相的生成；b可抑制ti3al的偏聚，因此，ti和b共同使用时效果较好；b还可细化晶粒和第二相，来提高铝合金的伸长率。

49、上述含量范围内的b、mn、及sr三者相配合可调控fe含量、改善fe形貌，来消除fe危害，克服了再生铝中fe含量范围较宽较高的缺陷；上述含量范围内的si、cu、mn、mg、zn、ti、sr、及fe复合作用，可提高铝合金的抗拉强度和屈服强度；上述含量范围内的mn、b、ti、及sr复合作用，可细化晶粒、第二相及析出相，来提高铝合金的伸长率；上述含量范围内的cu和zn可促进第二相的析出，提高析出相的体积分数和弥散程度，进一步提高铝合金的抗拉强度、屈服强度、及伸长率；上述含量范围内的b和mn还可净化再生铝液，去除杂质元素，配合精炼处理和扒渣处理来尽可能多地去除杂质元素。另外，本发明还尽量地提高mn和ti含量范围，mn、b、及ti相配合可尽可能有效地调控fe，净化再生铝液，促进析出相的析出，细化晶粒、第二相及析出相。为了提高合金熔炼的原料来源，充分利用好再生铝资源，增大了主要元素fe、cu、mn、mg、zn、ti中至少一种的含量范围，通过上述元素的合理比例，即使再生铝合金中杂质元素种类过多含量过高，也可通过上述元素相互配合得到性能优异的免热处理压铸铝合金。

50、本发明采用再生铝为原料，再生铝“节能减排”优势明显，再生铝的生产能耗仅为原生铝的4.9%，碳排放仅为原生铝的4.2%。相较于采用原生铝为原料，本发明的成本较低。而且，在上述含量范围内的si、cu、mn、mg、zn、ti、sr、fe及b的复合作用下，配合精炼处理、电磁搅拌、及扒渣处理，有效地调控了再生铝中的fe含量和fe形貌，还扩大了杂质元素的种类及含量范围，得到综合性能优异的免热处理压铸铝合金。另外，si、cu、mn、mg、zn、ti、sr、及b的价格均较低廉，且si含量不大于9%，还可进一步降低成本。

51、由于不能通过时效热处理来提高免热处理压铸铝合金的力学性能，本发明的基于再生铝的免热处理压铸铝合金的大部分溶质原子通常以固溶形式存在于铝基体中，除了细晶强化外，免热处理压铸铝合金的强度增量主要来自固溶原子引起的晶格体积错配和弹性错配对位错的钉扎，即固溶强化。

52、免热处理压铸铝合金在压铸处理后的储存和转运过程中，均会发生自然时效，即随着放置时间的延长，强度增加。这种自然时效归因于铝合金中溶质原子的聚集效应，即溶质原子团簇。溶质原子团簇是溶质原子在铝基体中的无序聚集，其尺寸在数纳米，通常由几个到几十个没有明确晶体结构的无序分布的原子组成。

53、免热处理压铸铝合金的强度的变化主要与溶质原子团簇的尺寸和体积分数有关。在自然时效过程中，团簇的形成长大与过饱和淬火空位浓度的变化紧密相连。而空位属于热缺陷，其浓度与温度有指数函数关系。本发明在压铸处理后，对铝合金零部件进行了低温淬火处理，产生过饱和空位，来提高免热处理压铸铝合金的力学性能。具体的，在压铸处理过程中，平衡空位浓度较大；在后续的淬火处理过程中，高温下的部分空位得以保留，从而产生过饱和空位；而且，所述低温淬火处理还可使铝合金收缩，产生塑性变形，并降低元素在铝中的溶解度，增加团簇的形核点，细化α-al相和共晶si相组织，来提高免热处理压铸铝合金的屈服强度、抗拉强度及伸长率。

54、cu、mn、mg、zn、ti、sr、fe及b的加入也可调控铝合金中的溶质原子团簇行为，如通过调节空位影响原有团簇的形成以及形成新的团簇。在本发明的再生铝液中加入一定含量范围内的mg（0.01-0.5wt%）和cu（0.01-0.4wt%）元素后，mg原子激活了空位的扩散，并促进了mg-si团簇、cu-mg团簇的形成，显著地强化了团簇。mn和sr的原子半径比al的原子半径大很多，上述含量范围内的mn和sr的原子在铝基体内形成晶格畸变，再加上免热处理铝合金中加入的钉扎空位和mg-si团簇、cu-mg团簇，并促进团簇的长大，进一步促进自然时效效果，来提高免热处理铝合金的屈服强度、抗拉强度及伸长率。

55、综上，在上述含量范围内的si、cu、mn、mg、zn、ti、sr、fe及b的复合作用下，得到脱模性能、抗拉强度、屈服强度、及伸长率均优异的基于再生铝的免热处理压铸铝合金。