程漢明-免熱處理高韌性鑄造鋁合金研發突破及應用進展.pdf

《程漢明-免熱處理高韌性鑄造鋁合金研發突破及應用進展.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《程漢明-免熱處理高韌性鑄造鋁合金研發突破及應用進展.pdf（24頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、免熱處理高韌性鑄造鋁合金研發突破及應用進展鴻勁新材料研究(南通)有限公司程漢明2023.9.13 目錄CONTENTS研發背景產品應用成分設計及優化微觀組織與力學性能Part1研發背景自 強 不 息厚 德 載 物知 行 合 一、世 致 用C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y輕量化新能源汽車采用電池作為動力來驅動汽車運轉，受動力電池重量、動力電池續航里程的限制，在嚴苛的節能降耗法規下，車身輕量化成為新能源車企首先考慮的問題。先進車身制造工藝輕量化合金材料優化車身結構 輕量化合金首選材料：鋁合金，比鋼制汽車減重可達30%-40%，平均每輛汽車可降低

2、質量300kg；優化車身結構：一體化、薄壁化，復雜化車身用鋁示意圖研發背景自 強 不 息厚 德 載 物汽車用鋁合金中鑄造鋁合金占據主導地位，其中高壓壓鑄件占比達55.1%；高壓壓鑄普通鑄造擠壓軋制鍛造汽車用鋁合金成型方式車身中的壓鑄結構件車身結構件特點：尺寸大；結構復雜；壁厚僅23mm 性能難以達到結構件要求；鑄態下伸長率通常僅有5%-7%；不做熱處理？受壓鑄工藝影響，易起泡、卷氣、變形，增加成本，降低生產效率；固溶時效處理？開發應用于新能源汽車車身結構件的免熱處理高韌性壓鑄鋁合金材料迫在眉睫，也是必然趨勢！車身結構件的熱處理成為一項難題!研發背景汽車結構件作為承載受力件與汽車安全性密切相關，

3、對其力學性能要求較高，尤其是伸長率。普通壓鑄鋁合金無法滿足要求，對高強韌壓鑄鋁硅合金的開發主要集中于國外。A柱，6kg815575190 mm車身連接件，4.8kg210550340 mm車架，10.3kg1020690280 mm減震塔，4.1kg532365299 mm壓鑄Al-Si系合金在輕量化車身結構件中的應用高強韌壓鑄鋁硅合金抗拉強度/MPa屈服強度/MPa伸長率/%AlSi10MnMg280-310140-1705-7Silafont-36（德國萊茵公司）Fe含量控制在0.15%以下250-280110-1305-7Aural-2/3系列（加拿大鋁業）Fe含量不超過0.2%260-

4、300120-1405-7EZCASTTM系列（美國鋁業）國外技術壟斷250-270110-15010-14研發背景Part2成分設計及優化自 強 不 息厚 德 載 物為獲得更高韌性的壓鑄件，從合金設計的角度出發，主要途徑有以下幾種：細化晶粒及各種顯微組織細化細化 盡量降低材料中有害雜質的含量純化純化 引入塑性較好的組元，降低脆性相的不利影響復化復化高壓壓鑄，快速充型，極速冷卻凝固，獲得細化晶粒組織添加V、Cr等微量元素，改善第二相的形態和分布，提高合金塑性純化合金成分，降低Fe、Mg，Cu等元素含量，減少粗大針狀第二相割裂基體的有害影響；調控Si元素含量，改變共晶區域面積占比，間接調控-Al

5、 晶粒大??；添加晶粒細化劑合金成分設計及優化自 強 不 息厚 德 載 物免熱處理壓鑄Al-Si合金成分設計方案按照上述思路，在AlSi10MnMg合金基礎上調控元素含量：Si：7%-10%；Al-Si 合金的共晶點為12.5%，在此成分點左側，隨著 Si 含量的上升，合金的結晶溫度區間變窄，熔體粘度和表面張力降低，合金流動性提高，熱裂傾向降低。Mg：0-0.4%；Cu 比 Mg 對合金塑性的不利影響更大，添加少量的 Mg可使合金性能發生較為明顯的變化；Fe：0.1%-0.35%；Ti、V、Cr細化處理從四個層次步步推進、逐步優化，設計開發出適用于汽車結構件的免熱處理高韌性鑄造合金。合金成分設計

6、及優化提高塑性指標權重，優化強韌化指數K表達式：Al-xSi壓鑄合金實測成分Si含量及放置時間對Al-xSi合金力學性能的影響Al-xSi合金共晶Si面積占比及-Al晶粒尺寸統計Al-xSi合金的金相顯微組織Si含量對亞共晶壓鑄Al-xSi合金組織與性能的影響Si含量增加，Al-xSi合金抗拉強度與屈服強度分別提升10.8%和16.2%，斷后伸長率下降至10.48%；隨著Si含量的提高，Al-xSi合金熔點降低，合金在更低的溫度析出-Al初晶相，共晶Si面積分數從30.79%增加至46.17%，形態由以顆粒狀+短棒狀為主轉變為以短棒狀+長條狀為主，結合K值選擇Si含量范圍為8.5%-9.0%做

7、下一步優化.Al8Si-yMg合金實測成分未經自然時效Al8Si-yMg合金的室溫拉伸力學性能自然時效60天后Al8Si-yMg合金的室溫拉伸力學性能自然時效0-60天的Al8Si-yMg合金的室溫拉伸力學性能自然時效60天后，M3合金K值最高；M1合金次之，K值為1.2379，斷后伸長率達到13.1%以此；以此形成高強中韌（Mg含量0.3%）和中強高韌（Mg含量0.1%）兩個合金系列。Mg含量對壓鑄Al8Si-yMg合金組織與性能的影響M0Al8Si-yMg合金合金中的Mg2Si相Al8Si-yMg合金的室溫拉伸斷口形貌M1M4Mg含量對壓鑄Al8Si-yMg合金組織與性能的影響Al8Si0

8、.1Mg-zFe合金實測成分Al8Si0.1Mg-zFe合金的室溫拉伸性能數據Fe含量小于0.15%時壓鑄過程中的粘?，F象Fe含量為0.285%時（F3合金），Fe相開始在晶界處聚集，塑性明顯下降，綜合確定Fe元素含量為：(0.2 0.05)%wtF2合金F3合金壓鑄AlSi8Mg0.1合金Fe的容許度分析細化工藝設計方案AlSi8Mg0.1Fe0.2合金細化工藝方案實測成分不同細化工藝AlSi8Mg0.1Fe0.2合金的力學性能細化處理前后AlSi8Mg0.1Fe0.2合金的金相組織僅添加微量Ti時，合金的斷后伸長率略微下降；復合添加Ti+0.15%Cr，塑性明顯提升，強度變化不大；經Ti+

9、0.1%V復合細化處理后，AlSi8Mg0.1Fe0.2合金晶粒組織得到明顯的細化和均勻化，K值最高，細晶強化效果最明顯。微量元素Ti、Cr、V對壓鑄AlSi8Mg0.1Fe0.2合金強塑性的影響Part3微觀組織與力學性能結晶溫度范圍一定時，金屬凝固時固液界面前沿溫度梯度G與凝固區間L成反比，由于薄壁區域冷卻速度更快，界面溫度梯度G值更大，凝固區間L變窄，合金液形核生長的時間縮短，晶粒由此得到細化合金的凝固區間表達式：AlSi8A合金的微觀組織與力學性能用孔洞圓整度c來表示孔洞的形狀特征，c為單個孔洞的等體積球的表面積與其實際表面積的比值，當孔洞形狀越接近于理想的球體，c值越接近于1；對微觀

10、缺陷進行三維重構，發現樣件內部主要存在氣孔、縮孔和疏松三類缺陷，分析了各類缺陷的形成原因，氣孔的產生來源于金屬液的卷氣和熔煉過程的吸氣；縮孔由金屬液補縮不足引起，疏松在高固相體積分數階段形成，與金屬液的凝固進程和內部壓力有關。CT掃描重構的三維缺陷圖試樣內部孔洞的三維重構鋁合金熔體中的夾雜物通常以塊狀、針狀、片狀等形態存在，嚴重破壞材料基體的完整性以及結構的均勻性，因此對機械性能和其他性能的影響巨大，易在此形成材料斷裂的裂紋源，斷后伸長率可能由8-10%直接降至1-3%。產生原因鋁合金液在集中熔解過程中除氣去渣不理想；鋁合金液保溫時間過長（4小時以上），以致Sr元素氧化，導致鋁合金液污染嚴重。

11、解決措施對于高性能鋁合金純凈度判斷不能再依賴于傳統K模，而要借助于介載物分析儀，采用鋁業過濾法；重新熔解鋁合金材料。鋁液純凈度對高強韌鋁合金性能的影響Part4產品應用產品應用采用優化得到的合金進行電池端板壓鑄件的工程試制，針對試制出的壓鑄件取樣進行SPR和微觀組織分析。工程試制的壓鑄件表面質量優異，微觀組織致密，SPR鉚接測試無裂紋，滿足零件鏈接性能要求，可以代替現有AlSi10MnMg材料產品應用采用優化得到的合金進行一體化后底板壓鑄件的工程試制，針對試制出的壓鑄件取樣進行力學性能測試和微觀組織分析。工程試制的壓鑄件表面質量優異，力學性能良好，抗拉強度230-260MPa，屈服強度125-

12、135MPa，斷后伸長率平均在9.68%，滿足零件力學性能以及連接要求。優勢1.該材料設計之初充分考慮添加再生鋁，目前已經突破百分至三十的比例2.采用特殊高效的中間合金，使得a-Al得到細化，同時提高流動性，產品遠端填充性能優秀，強度性能無明顯下降。產品應用采用優化得到的合金進行防撞盒壓鑄件的工程試制，針對試制出的壓鑄件取樣進行力學性能測試和微觀組織分析。工程試制的壓鑄件表面質量優異，力學性能良好，抗拉強度240-271MPa，屈服強度121-132MPa，斷后伸長率6.2-12.54%，滿足零件力學性能均值要求.抗拉強度240，屈服強度120.伸長率6本項目以研發適用于汽車結構件的免熱處理高

13、強韌壓鑄Al-Si合金為目標，針對具有良好強韌性的AlSi10MnMg合金進行了熱處理試驗，以此為基礎設計與優化了免熱處理高強韌亞共晶壓鑄Al-Si合金成分，并進行了電池端板.一體化后地板。防撞盒壓鑄件的工程試制，結論如下：（1）試驗發現，Fe含量對Al-Si合金塑性和壓鑄模具影響顯著。當Fe含量低于0.15%時，對模具的侵蝕嚴重，壓鑄件脫模困難；高于0.25%時，-Al15(Fe,Mn)3Si2相在晶界處聚集，斷后伸長率下降明顯；從力學性能、鑄造工藝和生產成本等方面綜合考慮，確定高強韌壓鑄鋁硅合金的Fe含量為（0.2 0.05）wt%；經Ti+0.15%V復合細化處理后，AlSi8Mg0.1Fe0.2合金組織得到明顯的細化和均勻化，V元素與-Al15(Fe,Mn)3Si2相反應形成五元金屬化合物，進一步改善合金的塑性，優化后合金的抗拉強度、屈服強度和塑性分別提升了5.4%、7.1%和14.7%，分別：為293MPa、138MPa和14.98%，達到并超過目標性能值。（2）不同壁厚區力學性能的差異由內部晶粒組織差異引起；當結晶溫度范圍(TmTn)一定時，金屬凝固時固液界面前沿溫度梯度G與凝固區間L成反比，由于薄壁區域冷卻速度更快，界面溫度梯度G值更大，凝固區間L變窄，合金液形核生長的時間縮短，晶粒得到細化。結論謝謝2023年9月