一种铸造铝合金及其制备工艺的制作方法

本发明属于铝合金材料制备领域，具体涉及一种铸造铝合金及其制备工艺。

背景技术：

1、al-si系合金铸造方便，成品件的机械性能好，并具有密度小、比强度高、高的韧性和耐腐蚀性使之适应了航空结构材料和汽车零部件的需求，而被广泛应用在了航天领域和交通运输领域，其应用占铝合金铸件产品的85％～90％，但这类合金的片状共晶硅极大影响了合金的性能，所以共晶硅变质一直是al-si系合金在应用中需要解决的实际问题。

2、目前，共晶硅的有效变质剂主要有na、sr、sb和te等，但是na易挥发、易烧损而使有效变质时间大大缩短，变质过程中产生烟雾污染空气，易吸气，增加气孔数量，影响铸件性能；sr变质吸收率低，潜伏时间长，易烧损，吸气倾向极其严重，在低倍扫描照片下即可明显观察到气孔存在，严重影响拉伸性能和耐腐蚀性能；sb变质共晶硅的能力较弱，其变质后的部分共晶硅形貌仍为粗大片层状，只是降低了硅的尺寸而已，同时，sb的变质效果对冷却速度的敏感性极大，对于缓冷的厚壁砂型铸件效果不明显，同时sb的毒性较大，不当使用会对人体和环境造成伤害和污染；te作用时间较长，但是其变质需要一定的孕育期，且价格昂贵，限制了其在工业上的应用。

3、稀土具有许多积极作用，包括微合金化作用，除氢、精炼及净化作用和细化变质作用。稀土变质不仅可以使合金中的共晶硅得到细化，使共晶硅变成细小的短棒状或纤维状，还会形成含稀土的金属间化合物。稀土变质维持时间长，不会对环境造成任何污染，是一种绿色变质材料。但是稀土元素通常成本较高，熔炼铸造过程中会导致生产成本增加，并且单独使用稀土变质剂会导致铝硅合金的凝固区间变宽，导致铸造过程难以控制，增加产生铸造缺陷的风险。

4、变质剂的添加可以改善合金的组织形貌，提高合金的力学性能，且不同变质剂的变质效果也各有不同，适用于不同的条件。但是随着工业的高速发展，对材料性能需求越来越高，单一变质逐渐无法满足人们对于高品质铸造铝合金的要求，目前铸造铝硅合金因其较低的强韧性限制了其实际应用范围。因此迫切需要对al-si系合金成分优化改变现状，提高其性能，拓展其应用场合并满足其严苛的使用要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高强高韧铸造铝合金及其制备工，解决了目前铸造铝硅合金强韧性不足的问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种铸造铝合金，以质量百分比计，包括以下组分：

4、si：6.5～7.5％，cu：0.05～0.2％，mn：0.05～0.1％，mg：0.45～0.75％，zn：0.01～0.1％，ti：0.04～0.07％，be：0.05～0.15％，zr：0.1～0.2％，sb：0.01～0.1％，te：0.01～0.1％，稀土元素re：0.2％～0.3％，杂质总量≤0.15％，余量为al。

5、进一步，所述稀土元素为sc、er、la、ce和y中的两种或多种组合。

6、进一步，be、sb及te这三种元素含量之和为：0＜(be+sb+te)≤0.5wt％。

7、进一步，所述铸造铝合金的抗拉强度为375-400mpa，延伸率为9％-10％。

8、本发明还公开了所述铸造铝合金的制备工艺，包括以下步骤：

9、s1、配料：将工业纯al、工业纯mg、工业纯zn以及中间合金和变质剂按照设计好的比例并考虑实际的烧损量，将原料打磨去除氧化皮后进行配料；

10、s2、预热：将所用到的模具和各种工业纯al、工业纯mg、工业纯zn以及中间合金和变质剂进行预热处理，充分去除水分；

11、s3、熔炼：将预热完成的工业纯al、工业纯mg、工业纯zn以及中间合金进行真空压差熔炼；

12、s4、精炼：合金全部熔炼完成后充分搅拌均匀并对其进行精炼处理；

13、所述精炼处理采用真空净化处理方法，精炼温度为720～740℃，精炼时间20～30min，精炼完成后静置保温15～20min；

14、s5、变质：精炼完成后加入sb、te、be和re进行复合变质，得到合金熔体；

15、s6、铸造：将所得合金熔体浇铸成铸锭；

16、s7、热处理：将铸锭依次进行固溶处理和时效处理，得到所述铸造铝合金。

17、进一步，步骤s2中，所述预热温度为200～250℃，时间为1～2h。

18、进一步，步骤s3中，所述真空压差熔炼采用的设备为真空差压熔炼炉，凝固压力350～400kpa，凝固压差30～50mpa。

19、进一步，步骤s3中，熔炼炉初始温度设置为700℃，等到用于放置铝锭的坩埚温度随熔炼炉的温度升至700℃后，将铝锭放入熔化后升温至750～760℃，分批次将其他原料及中间合金依次加入，熔化后充分搅拌均匀。

20、进一步，步骤s6中，合金熔体浇铸温度为690～710℃。

21、进一步，步骤s7中，固溶处理工艺分为两个阶段，第一阶段温度为480～540℃，时间为3～8h；第二阶段温度为540～550℃，时间为3～6h；80℃水淬；

22、时效处理工艺分为两个阶段，第一阶段温度为130～180℃，时间为5～10h；第二阶段温度为190～210℃，时间为2～5h。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

24、本发明公开了一种高强高韧铝合金及其制备工艺，主要元素为al，还有少量的mg元素、si元素、cu元素通过稀土元素进行复合变质剂来实现。在合金中加入一定量的sb，te和be，可使得由粗大板片状变为片层状，加入稀土元素re之后，共晶硅细化为短棒状或颗粒状。

25、cu是铝合金的主要强化元素之一，铜的加入能很大程度提升合金的抗拉强度和硬度，这是由于铜可以与铝发生共晶反应生成al2cu，对基体有着固溶强化和弥散强化的用处。

26、mn可以改变al-si系合金中β-fe的形貌，使针状的β-fe转变为汉字状的α-fe，减弱针状β-fe对基体的割裂作用，减少了fe对材料力学性能的不利影响。另外锰元素的加入可以在熔体内生成alcumn、alm nsi、al6mn等第二相，这些相可以阻止再结晶时晶粒的粗大化，提升再结晶温度，细化晶粒尺寸。

27、zn在铝合金中主要是对cu元素起到辅助作用，zn的加入可以提高铜元素的溶解度和溶解速度，还可以提高al-si系材料的塑性。ti元素加入到al-si系合金中可以对铝基体起到细化作用，ti与铝之间有很强的键合力，加入钛元素后可以形成细小的弥散相al3ti相，al3ti相为四方晶格，与铝基体的面心立方晶格形式相似，同时晶格常数相近，有很好的晶格匹配性，因此al3ti相可以作为α-al的异质形核核心来对铝基体起到细化作用，适量的ti元素可以提升基体的抗拉强度、抗疲劳性能和韧性。zr加入与铝形成的al3zr粒子可促进初生α(al)晶粒的形核，提供形核核心从而细化晶粒。

28、在合金中添加稀土元素sc、er、ce、y和la可细化初共晶硅为短棒状或颗粒状，并且会在熔液中形成al3sc、al3er、al3ce、al3y和al3la粒子，这几种粒子熔点均高于铝的凝固温度，可作为形核位点，提高形核率，从而细化晶粒，提升合金强度。稀土元素还能与熔体中的铁结合形成稳定的化合物，沉淀在坩埚的底部，净化熔体，使得合金中的裂纹源会大幅度减少，从而使综合性能得到提升。稀土元素re会与zr和ti会生成al3(zr/ti，re)粒子，为初生α-al提供异质形核核心，al3(zr/ti，re)粒子与初生α-al一层一层交替生长，从而细化晶粒，并且在凝固过程中，al3(zr/ti，re)粒子不会引起额外的成分过冷。

29、经过(sb+te+be)+re复合变质后，共晶硅显著细化，有扭曲或分枝现象，且向纤维状转变，还可以在一定程度上阻碍共晶硅长大。其中，te、sb两种变质剂在某些方面可以互补，使得变质效果达到最佳。sb在合金中可与mg反应生成mg3sb2相，该相与硅相的晶格错配度较小，能够成为mg2si的有效形核基底，提高mg2si的形核率，使mg2si变成颗粒状，改善合金组织，提高力学性能。铝合金中添加微量的be还可以加速mg2si的gp区形成，促进固溶和时效处理时共晶硅的颗粒化；减少合金中mg元素的烧损；减小合金氧化倾向，改善合金流动性和铸造性能，并降低铸件针孔度。re与(sb+te+be)复合变质时，re会激发te的活性，在一定程度上消除孕育期，同时降低sb对冷却速度的敏感度；re与过渡族金属元素zr同时添加时，不仅可以发挥re的变质作用，还可以发挥zr的细化作用，两者协同作用生成的al3(re,zr)可以钉扎晶界，提高合金综合力学性能。熔炼过程中，部分re会熔入基体中，与熔体中的氢元素反应，从而减少铸件中的气孔，使得合金组织致密从而提高延伸率，与h反应生成的remhn，起到沉淀强化的作用。综上所述，re与(sb+te+be)复合变质可以实现低廉变质成本和优异变质效果的目的。

30、进一步，be、sb及te这三种元素含量之和为：0＜(be+sb+te)≤0.5wt％，三种变质剂含量在0～0.5wt％之间时可以改善合金的流动性和充填性，细化晶粒，提高合金的强度和硬度，增加合金的耐腐蚀性和抗氧化性。三种变质剂含量过多会导致合金在厚大部位产生变形和开裂，降低合金塑性和韧性。

31、本发明还公开了所述铸造铝合金的制备工艺，采用的是真空差压熔炼炉熔炼以及真空净化处理方法对其进行精炼。真空差压铸造可使得铸件更好的凝固成型，有效细化铸件微观组织和改善力学性能，减少氧化反应，使得成分分布和微观组织分布更加均匀。凝固压力为350～400kpa，凝固压差为30～50mpa，在较低的气氛压力下，可以减少材料在熔炼和凝固过程中与氧气的接触，促进晶体的均匀生长，减少晶粒大小的不均匀性，消除材料内部的气孔和夹杂物，提高熔炼材料的宏观和微观均匀性，并且在此凝固压力和压差下，可以减少凝固时产生的热应力，从而减少裂纹和缺陷的产生。真空净化处理方法可使铝液中的氢有强烈的析出倾向，氢气上浮带走夹杂物，使铝液得到净化。

32、采用真空净化处理方法时，精炼温度在720～740℃之间，精炼时间20～30min，较低的精炼温度可以降低熔体表面的张力，提高其流动性，减少偏析和夹杂物，较短的精炼时间有助于减少能源消耗，提高生产效率。

33、进一步，本发明选取固溶处理温度在480～550℃之间，其处理温度可充分溶解合金中的第二相，使得合金元素均匀分布，晶格中空位溶度较大，为时效阶段在组织上做好充分准备。当固溶处理温度较低时，会减缓硅元素与铝基体的扩散速率，导致固溶处理过程中硅的溶解度不足，使其不均匀分布及局部富集，并使得合金在后续时效处理中析出相不完全，进而影响合金的性能。当固溶处理温度较高时，会加速硅元素与铝基体得溶解速率，导致硅在合金中过度溶解而富集在晶界处，恶化合金性能。

34、时效温度在130～210℃之间，可促进强化相的析出，实现合金内部热应力和组织的均匀性，使析出相的形态，大小及分布较为均匀，从而使合金获得优异的综合力学性能。时效温度过低时，晶粒间的结合力会减弱，合金强度增长趋势减缓，可能会低于使用要求；时效温度过低还会导致合金中第二相析出所需的驱动力不足，强化过程缓慢而不明显，这进而影响合金的整体性能。时效温度过高会导致合金中析出物的颗粒尺寸变得过大，出现粗大析出物在晶界聚集现象，导致合金协同滑移受到限制，对材料的塑性产生不利影响；高温时效会导致材料内部热应力和组织不均匀，甚至导致强化相的溶解，降低合金的屈服强度和抗拉强度。