本發明屬于鋁合金材料，涉及一種可陽極氧化的壓鑄鋁合金及其制備方法。

背景技術：

1、鋁合金作為一類重要的金屬材料，根據其元素組成的不同，分為不同種類的鋁合金，應用領域眾多，例如在航天、航空、交通運輸、建筑、機電、輕化和日用品等領域中均有廣泛的應用。根據鋁合金加工方法的不同，可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，其中壓鑄鋁合金作為鑄造鋁合金中的一種，可用于生產結構復雜、壁厚較薄的產品，但適合壓鑄成型的鋁合金材料需要具備較好的流動性，常規可用于壓鑄的鋁合金通常是鋁硅系合金，利用材料中較高的硅含量，使其具備良好的流動性，但同樣因為硅含量較高，鋁硅系合金在陽極氧化時表面可能會出現流痕，從而造成表面色差，使其并不適合用于陽極氧化處理，影響其應用范圍。

2、對于現有的適合做陽極氧化的鋁合金，通常無法進行壓鑄，而是需要采用機械加工的方式進行生產，例如目前常采用的cnc加工中心，對于結構較為復雜的鋁合金產品，采用該種加工方式，加工工序多，加工效率較低，從而造成生產過程耗時長，成本高，對材料的利用率低，因而需要對鋁合金的成分進行改進，從而制得適合壓鑄，且可用于彩色陽極氧化的鋁合金材料。

3、目前，雖然也有公開一些可用于壓鑄成型的陽極氧化鋁合金，但其強度、硬度等力學性能偏低，且壓鑄流動性相對較差，造成壓鑄成型的難度提高。cn?103526088a公開了一種數碼電子產品用壓鑄鋁合金，該鋁合金的化學組成與配比包括zn?4.5～4.8wt％、cu?1.8～2.0wt％、mg?1.6～1.8wt％、si?2.2～2.5wt％、zr0.05～0.1％、ni?0.4～0.6wt％、ti0.5～1wt％，余量為鋁和不可避免的雜質；所述鋁合金的制備方法包括：原料準備、熔煉、壓鑄、固溶-淬火處理、人工時效以及陽極氧化處理。該鋁合金中硅含量仍相對較高，可采用由壓鑄的方式制備，但陽極氧化的難度較大，且容易造成性能下降，且高含量的元素種類較多，容易造成性能的沖突。

4、cn?112481529a公開了一種基于環保的壓鑄鋁合金陽極氧化膜及其環保制備工藝，用于進行陽極氧化的壓鑄鋁合金包含：mg?3.0～6.0wt％、zn?2.5～4.5wt％、si?1.0～2.5wt％、mn?0.5～1.0wt％、cr?0.3～0.8％，余量為al；所述鋁合金的制備方法包括：按質量配比稱取原料后熔煉，得到金屬熔液，加入精煉劑進行精煉，精煉過程中進行攪拌；精煉后的金屬熔液除雜后澆鑄，得到鋁合金鑄錠，將鋁合金鑄錠熔融后壓鑄成型，得到壓鑄鋁合金。該鋁合金中的mg、zn、si的含量均相對較高，并未明確各元素的作用及其壓鑄工藝的具體操作，其重點在于陽極氧化膜工藝及陽極氧化膜性能的提高，并未明確壓鑄后的性能優劣。

5、綜上所述，對于適合壓鑄成型以及陽極氧化的鋁合金成分的選擇，需要根據各元素的特性選擇合適的組分配比以及制備工藝，保證壓鑄鋁合金的力學性能，并降低生產成本，提高生產效率。

技術實現思路

1、針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種可陽極氧化的壓鑄鋁合金及其制備方法，所述鋁合金通過zn、mg、cu等合金元素的選擇，提高鋁合金的流動性能、壓鑄性能和力學性能，再輔以ti、sc、zr、sr等元素，消除鋁合金的內部應力和缺陷，細化晶粒，起到彌散強化作用，提高陽極氧化時的著色效果，使得所述鋁合金適合壓鑄制備，力學性能優異，又可進行陽極氧化，生產成本低。

2、為達此目的，本發明采用以下技術方案：

3、一方面，本發明提供了一種可陽極氧化的壓鑄鋁合金，所述壓鑄鋁合金的元素組成按質量分數計包括：zn?3.0～6.0wt％，例如3.0wt％、3.5wt％、4.0wt％、4.5wt％、5.0wt％、5.5wt％或6.0wt％等，mg?0.3～2.0wt％，例如0.3wt％、0.5wt％、0.8wt％、1.0wt％、1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％或2.0wt％等，cu≤0.5wt％，例如0.5wt％、0.45wt％、0.4wt％、0.35wt％、0.3wt％、0.25wt％、0.2wt％或0.1wt％等，ti≤0.5wt％，例如0.5wt％、0.45wt％、0.4wt％、0.35wt％、0.3wt％、0.25wt％、0.2wt％或0.1wt％等，sr≤0.5wt％，例如0.5wt％、0.45wt％、0.4wt％、0.35wt％、0.3wt％、0.25wt％、0.2wt％或0.1wt％等，sc≤0.5wt％，例如0.5wt％、0.45wt％、0.4wt％、0.35wt％、0.3wt％、0.25wt％、0.2wt％或0.1wt％等，zr≤0.5wt％，例如0.5wt％、0.45wt％、0.4wt％、0.35wt％、0.3wt％、0.25wt％、0.2wt％或0.1wt％等，余量為al；但并不僅限于所列舉的數值，在各自數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

4、本發明中，根據鋁合金元素組成的不同，其適合的制備方法以及應用方向也會有所不同，為得到適合壓鑄、可陽極氧化的鋁合金，本發明在al的基礎上以zn、mg為主要合金元素，根據兩者特性來提高材料熔融后的流動性和壓鑄成型性能，同時具有較高的強度和硬度，再通過cu元素的添加，提高合金材料的機械性能，再輔以ti、sr、sc、zr等元素，ti元素可有效細化晶粒，消除缺陷，提高均勻性，sr元素可與鋁形成穩定的相互溶解體，使鋁合金的晶界和位錯發生阻尼作用，從而提高合金的強度、硬度和耐熱性能，sc、zr元素同樣可消除合金組織的不均勻性與殘余應力，起到強化作用；通過上述元素種類及組成的選擇，所述鋁合金可由壓鑄制得，大幅降低鋁合金的加工成本，提高生產效率，且力學性能優異，強度、硬度較高，可進一步進行陽極氧化，擴展其應用范圍。

5、以下作為本發明優選的技術方案，但不作為本發明提供的技術方案的限制，通過以下技術方案，可以更好地達到和實現本發明的技術目的和有益效果。

6、作為本發明優選的技術方案，所述壓鑄鋁合金中的元素組成還包括si≤0.06wt％，例如0.06wt％、0.05wt％、0.04wt％、0.03wt％、0.02wt％或0.01wt％等，fe≤0.08wt％，例如0.08wt％、0.07wt％、0.06wt％、0.05wt％、0.04wt％、0.03wt％、0.02wt％或0.01wt％等，以及不可避免的雜質，但并不僅限于所列舉的數值，在各自數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

7、本發明中，所述鋁合金的元素組成中si元素含量極低，雖然si是改善流動性能的主要成分，適合壓鑄，但卻并不適合陽極氧化，si無論是分布在晶界上還是分布在基體中，均會造成鋁的氧化膜不均勻與不完整，如果分布在基體中，會使氧化膜厚度不均勻，如果分布在晶界上，會夾雜在氧化鋁薄膜中，造成氧化膜間斷，因而需要降低si，選擇其他可提高壓鑄性能的元素；

8、本發明中同樣需要控制鐵含量，鐵在鋁合金中會生成硬脆的al6(femn)相，會降低鋁合金的延展性和可加工性，使其變得更加脆弱和易碎；此外，雖然在一定程度上提高fe含量會使得粘模現象減輕，但鐵含量過高會使得生成的金屬化合物形成硬點，降低機械性能和鑄件品質。

9、另一方面，本發明提供了一種上述壓鑄鋁合金的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

10、(1)將鋁單質熔融后除渣，再按照質量配比加入經預熱后的各元素原料進行熔煉，得到熔融液；

11、(2)將步驟(1)得到的熔融液轉移到模具中進行壓鑄，得到壓鑄件；

12、(3)將步驟(2)得到的壓鑄件依次進行均勻化處理和時效處理，得到壓鑄鋁合金。

13、作為本發明優選的技術方案，步驟(1)所述鋁單質的純度為99.9％以上，例如99.9％、99.91％、99.92％、99.93％、99.94％、99.95％、99.96％、99.97％、99.98％或99.99％等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

14、優選地，步驟(1)所述鋁單質采用坩堝進行熔融，所述坩堝在使用前先進行清理，并在坩堝內部涂上氧化鋁。

15、優選地，步驟(1)所述鋁單質熔融的溫度為750～800℃，例如750℃、760℃、770℃、780℃、790℃或800℃等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

16、優選地，步驟(1)采用通入惰性氣體的方式除渣，所述惰性氣體包括氦氣、氖氣、氬氣等。

17、作為本發明優選的技術方案，步驟(1)所述各元素原料中，zn、mg、cu是以單質的形式加入，ti、sr、sc、zr是以合金形式加入。

18、本發明中，待加入鋁液的金屬中，鎂是較為活潑的金屬，需要將保護罩完全沒入鋁液中，避免發生氧化導致成分不合格，其中保護罩可選擇碳化硅材質，不會影響鋁液的成分；鎂能夠與鋁形成固溶體，使晶格緊密度增加，同時形成高強度的mg2al3化合物，顯著提高鋁合金的強度和剛性，鎂的添加還可提高鋁合金的硬度，但鎂含量過高，硬度反而會降低，這是因為鎂元素的加入會導致晶粒變細，從而導致晶界的強度下降，鋁合金的韌性會受到影響。

19、ti、sr、sc、zr基本是以該元素與鋁的合金形式加入的，例如鋁鈦硼絲、鋁鍶合金、鋁鈧合金及鋁鋯合金。

20、優選地，步驟(1)所述各元素原料的預熱溫度獨立地為150～250℃，例如150℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃或250℃等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

21、優選地，步驟(1)所述各元素原料分批依次加入，先加入cu、zn，再加入mg，然后加入sc、zr，最后加入ti、sr。

22、本發明中，各元素的加入順序中，cu、zn的密度大于al，沉入底部，mg的密度小于al，漂浮在鋁液上面；sc、zr元素一起加入，主要是鈧鋯聯合能起到加強鋁合金力學性能的功能，ti、sr加入時具有時間限制，盡量控制在30min之內倒出鋁液，否則沒有細化和變質的效果，所以在最后加入。

23、優選地，步驟(1)所述熔煉的溫度為700～770℃，例如700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃或780℃等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

24、優選地，步驟(1)所述各元素原料全部熔融后，檢查熔融液的成分是否合格。

25、優選地，所述熔融液成分的檢查方式包括oes測試。

26、作為本發明優選的技術方案，步驟(2)所述熔融液轉移到壓鑄模具中直接進行壓鑄。

27、優選地，所述壓鑄用的模具先預熱至120～200℃，例如120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用，然后將熔融液加入到模具的型腔中。

28、本發明中，壓鑄模具進行預熱是為了盡量減少模具中的水汽，防止壓鑄時產生氣氣泡。

29、優選地，所述熔融液在模具型腔中的流速為50～180mm/s，例如50mm/s、60mm/s、80mm/s、100mm/s、120mm/s、140mm/s、160mm/s或180mm/s等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

30、優選地，所述壓鑄的壓力為100～150mpa，例如100mpa、110mpa、120mpa、130mpa、140mpa或150mpa等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

31、本發明中，對于鋁合金中的鈦元素，是以鋁鈦硼絲的形式加入的，其能夠細化純鋁及鋁合金的晶粒，消除鑄造缺陷，從而提高產品的力學性能，例如提高產品的塑性、機械性能和熱處理效果，進一步增強材料的強度和韌性；也可提高產品表面質量，例如提高后續進行陽極氧化時的著色效果和均勻程度。

32、作為本發明優選的技術方案，步驟(2)所述熔融液先轉移到水冷模具中澆鑄得到鋁合金澆鑄件，所述鋁合金澆鑄件再熔融后進行壓鑄。

33、優選地，所述熔融液澆鑄到水冷模具中冷凝固化，所述水冷模具中設有冷卻水通道。

34、優選地，所述熔融液澆鑄的速率為10～50mm/s，例如10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s、35mm/s、40mm/s、45mm/s或50mm/s等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

35、優選地，所述熔融液冷凝固化前的降溫速率為1～10℃/min，，例如1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、8℃/min或10℃/min等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用；冷凝固化后的降溫速率為1～10℃/min，例如1℃/min、2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、8℃/min或10℃/min等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

36、優選地，所述熔融液冷凝固化后移出水冷模具，將其再次熔融后同樣采用壓鑄模具進行壓鑄。

37、本發明中，所述鋁合金熔融液可以先經過澆鑄制得澆鑄件，然后再次熔融后進行壓鑄的方式，主要是為了便于熔融工序和壓鑄工序不在同一場合，無法連貫操作時應用，先制成澆鑄件便于運輸。

38、作為本發明優選的技術方案，步驟(3)所述均勻化處理的溫度為350～550℃，例如350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、480℃、500℃、520℃或550℃等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

39、優選地，步驟(3)所述均勻化處理的時間為1～12h，例如1h、2h、4h、6h、8h、10h或12h等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

40、本發明中，鋁合金中的銅主要固溶于鋁基體中，起到固溶強化作用，并能改善鋁合金的耐蝕性。

41、含sc、zr元素的鋁合金均勻化處理的目的在于：消除合金組織與成分的不均勻性，消除非平衡凝固過程中產生的殘余應力，從過飽和固溶體中分解析出納米級的二次a1(sc，zr)粒子，起到彌散強化作用。

42、優選地，步驟(3)所述均勻化處理后進行水冷，降溫至常溫。

43、本發明中，鋁合金壓鑄時，熔體冷卻速度快，基本近似為過飽和固溶體，晶界處存在富zn、mg的低熔點非平衡相，鑄錠需要進行均勻化處理，均勻化處理過程中，一方面晶界區域富zn、mg的低熔點非平衡相逐步溶入基體中，另一方面過飽和固溶體分解析出非平衡相，隨均勻化溫度升高，析出的非平衡相又會重新回溶入基體中。

44、作為本發明優選的技術方案，步驟(3)所述時效處理的溫度為100～150℃，例如100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

45、優選地，步驟(3)所述時效處理的時間為12～24h，例如12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

46、優選地，步驟(3)所述時效處理后自然冷卻至室溫。

47、基于上述鋅元素作用的表述，除了提供壓鑄性能和力學性能，還具有較好的自然時效強化作用，使壓鑄產品可適合預期強度相對較高的應用場景。

48、作為本發明優選的技術方案，所述制備方法包括以下步驟：

49、(1)將鋁單質熔融后除渣，所述鋁單質的純度為99.9％以上，采用坩堝進行熔融，所述坩堝在使用前先進行清理，并在坩堝內部涂上氧化鋁；所述鋁單質熔融的溫度為750～800℃，采用通入惰性氣體的方式除渣，再按照質量配比加入經預熱后的各元素原料進行熔煉，所述各元素原料中，zn、mg、cu是以單質的形式加入，ti、sr、sc、zr是以合金形式加入，預熱溫度獨立地為150～250℃，所述各元素原料分批依次加入，先加入cu、zn，再加入mg，然后加入sc、zr，最后加入ti、sr，所述熔煉的溫度為700～770℃，得到熔融液，檢查熔融液的成分是否合格，檢查方式包括oes測試；

50、(2)將步驟(1)得到的熔融液轉移到壓鑄模具中直接進行壓鑄，所述壓鑄用的模具先預熱至120～200℃，然后將熔融液加入到模具的型腔中，所述熔融液在模具型腔中的流速為50～180mm/s，所述壓鑄的壓力為100～150mpa；或所述熔融液先轉移到水冷模具中澆鑄得到鋁合金澆鑄件，所述熔融液澆鑄到水冷模具中冷凝固化，所述水冷模具中設有冷卻水通道，所述熔融液冷凝固化前的降溫速率為1～10℃/min，冷凝固化后的降溫速率為1～10℃/min，所述熔融液澆鑄的速率為10～50mm/s，所述熔融液冷凝固化后移出水冷模具，將其再次熔融后同樣采用壓鑄模具進行壓鑄，得到壓鑄件；

51、(3)將步驟(2)得到的壓鑄件依次進行均勻化處理和時效處理，所述均勻化處理的溫度為350～550℃，時間為1～12h，所述均勻化處理后進行水冷，降溫至常溫，所述時效處理的溫度為100～150℃，時間為12～24h，自然冷卻至室溫，得到壓鑄鋁合金。

52、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

53、(1)本發明所述鋁合金通過zn、mg、cu等合金元素的選擇，提高鋁合金的流動性能、壓鑄性能和力學性能，再輔以ti、sc、zr、sr等元素，消除鋁合金的內部應力和缺陷，細化晶粒，起到彌散強化作用；

54、(2)本發明通過鋁合金元素種類及組成的選擇，使得鋁合金可由壓鑄制得，大幅降低鋁合金的加工成本，提高生產效率，且力學性能優異，強度、硬度較高，抗拉強度達到350mpa以上，屈服強度達到300mpa以上，硬度達到110hb以上，延伸率達到4％以上；

55、(3)本發明所述壓鑄鋁合金適合進一步陽極氧化，著色效果好，應用領域更為廣泛。