一种高强韧性近共晶铝硅铜镁合金及其制备方法

摘要

本发明提供一种高强韧性近共晶铝硅铜镁合金及其制备方法，是对如下质量百分数比的元素：Si:9‑11％，Cu：2.7‑3.2％，Mg：0.25‑0.35％，Zr：0.2‑0.25％，Sr：0.03‑0.04％，Mm：0.12‑0.15％，Fe：0＜w(Fe)≤0.2％，Zn：0＜w(Zn)≤0.2％，余量为Al；通过步骤(1)原料干燥、步骤(2)熔融、步骤(3)熔炼、步骤(4)检测、步骤(5)精炼、步骤(6)浇铸的制备工艺所获得的合金。本发明的近共晶铝硅铜镁合金，力学性能测验结果为，铸态时：室温抗拉强度为215‑245MPa，断口延长率为2‑3.5％，布氏硬度为88‑90；热处理态(T6)时：室温抗拉强度为410‑440MPa、断口伸长率为3.5‑4.5、布氏硬度为125‑130。本发明的合金可制备薄壁、复杂铸件；用于承受重大载荷、形状复杂的大、中型铸件，可满足航空、汽车重要零(部)件服役要求。

说明书

技术领域

本发明属于有色金属材料制备技术领域，具体涉及一种高强韧性近共晶铝硅铜镁合金材料及其制备方法。

背景技术

在航空、汽车等领域，许多重要的零(部)件承受各种机械负荷和热负荷，长期处于高温、高压、高速的工作状态。因此要求零部件有较高的室温与高温力学性能，尺寸稳定性以及抵抗恶劣工况与环境的影响。

航空、汽车材料的轻量化是未来的发展方向，优异的结构材料应该具有较高的比强度，才能以较小的截面满足强度要求，且大幅度减少零(部)件本身自重；良好的成形性与高的强韧性，是生产形状复杂、薄壁零(部)件的基础。目前现有技术中用于高性能铸造用的高强韧性合金为近共晶铝硅合金，制备时需采用稀土元素，而稀土元素在地壳中分布分散，难以提取、分离；制备工艺复杂、价格较高。现有技术中的近共晶铝硅合金的比强度不够高，成形性和强韧性无法满足制备结构复杂、薄壁且韧性高的零部件的要求。因此亟需开发一种高强韧性、且制备工艺简单，价格较低的近共晶铝硅铜镁合金材料。

发明内容：

本发明目的为解决现有技术所存在的技术问题，提供一种高强韧性近共晶铝硅铜镁合金材料及其制备方法，尤其适用于铸造形状结构复杂、薄壁且强韧性较高的零(部)件。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强韧性近共晶铝硅铜镁合金，近共晶铝硅铜镁合金是通过对如下质量百分数比的元素按如下工艺进行制备后得到的合金，具体包括如下质量百分数比的元素为：

Si:9-11％，Cu：2.7-3.2％，Mg：0.25-0.35％，Zr：0.2-0.25％，Sr：0.03-0.04％，Mm：0.12-0.15％，Fe：0＜w(Fe)≤0.2％，Zn：0＜w(Zn)≤0.2％，余量为Al和微量不可避免的杂质。

具体制备工艺为：

步骤(1)原料干燥：分别称取工业硅、Al-50％Cu、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金；然后按前述原料总投料重量的0.3％称取无毒精炼剂；将称取的工业硅、Al-50％Cu、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金、精炼剂和铝锭置于200℃的恒温预热干燥炉中干燥1.5-2h；

步骤(2)熔融：将步骤(1)中干燥后的工业硅、铝锭置于工业电炉内，设定炉温为850-950℃；通电3-4h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅全部熔化，搅拌炉内铝液熔体10-15min，然后加入加入步骤(1)中预热干燥的无毒精炼剂，搅拌后静置5-10min，撇渣；

步骤(3)熔炼：在工业电炉中加入步骤(1)中干燥后的Al-50％Cu、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金，并设定炉内熔体温度为800℃保温20-30min；待炉内所有物料全部熔清，调整温度至750-770℃，保温15-20min，加入步骤(2)中剩余的无毒精炼剂，搅拌并静置5-10min，撇渣；加入步骤(1)中干燥预热后的镁锭，并用钟罩将镁锭压入铝合金熔体内部至镁锭全部熔化，轻轻搅拌5min；

步骤(4)检测：通过炉前快速取样，并进行凝固过程特征参数测量，确定成分合格、共晶Si变质、铝相细化达到要求；

步骤(5)精炼：将氮气导入铝合金熔体，进一步进行精炼，导入的时间控制在5-10min，静置5-10min后撇渣；

步骤(6)浇铸：整铝合金熔体温度，在710±10℃时出炉浇注，即为高强韧性近共晶铝硅铜镁合金铸态材料。

优选的，步骤(1)中称取的工业硅为粒度1-3cm³块状；步骤(2)中加入的无毒精炼剂为步骤(1)中称取的精炼剂总量的50％。

优选的，上述高强韧性近共晶铝硅铜镁合金材料在铸态时，室温抗拉强度为215-245MPa，断口延长率为2-3.5％，布氏硬度为88-90。

优选的，采用所获得的高强韧性近共晶铝硅铜镁合金材料制备铸件时，按照以下步骤进行热处理工艺：

固溶处理：将铸件放置在工业铝合金热处理炉中，实施二步法固溶处理，具体工艺为：500℃保温4h，然后升温至515℃保温8h，快速淬入40-60℃水中；

保温后冷却：将铸件置于铝合金时效炉中，175℃保温8-12h，出炉空冷。

优选的，将铸件置于合金时效炉中的时效时间，可根据合金性能要求进行调整。

优选的，合金在热处理态下，室温抗拉强度为410-440MPa、断口伸长率为3.5-4.5、布氏硬度为125-130。

优选的，具体包括如下步骤：

步骤(1)原料干燥：分别称取工业硅、Al-50％Cu、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金；然后按前述原料总投料重量的0.3％称取无毒精炼剂；将称取的工业硅、Al-50％Cu、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金、精炼剂和铝锭置于200℃的恒温预热干燥炉中干燥1.5-2h；

步骤(2)熔融：将步骤(1)中干燥后的工业硅、铝锭置于工业电炉内，设定炉温为850-950℃；通电3-4h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅全部熔化，搅拌炉内铝液熔体10-15min，然后加入步骤(1)中预热干燥的部分无毒精炼剂，搅拌后静置5-10min，撇渣；

步骤(3)熔炼：在工业电炉中加入步骤(1)中干燥后的Al-50％Cu、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金，并设定炉内熔体温度为800℃保温20-30min；待炉内所有物料全部熔清，调整温度至750-775℃，保温15-25min，加入步骤(2)中剩余的无毒精炼剂，搅拌并静置5-10min，撇渣；加入步骤(1)中干燥预热好的镁锭，并用钟罩将镁锭压入铝合金熔体内部至镁锭全部熔化，轻轻搅拌5min；

步骤(4)检测：通过炉前快速取样，并进行凝固过程特征参数测量，确定成分合格、共晶Si变质、铝相细化达到要求；

步骤(5)精炼：将氮气导入铝合金熔体，进一步进行精炼，导入的时间控制在5-10min，静置5-10min撇渣；

步骤(6)浇铸：整铝合金熔体温度，在710±10℃时出炉浇注，即为高强韧性近共晶铝硅铜镁合金铸态材料。

优选的，步骤(1)中称取的工业硅为粒度1-3cm³块状；步骤(2)中加入的无毒精炼剂为步骤(1)中称取的精炼剂总量的50％。

本发明通过计算相图设计合金成分，通过合金化元素和热处理工艺调整，制备出具有良好成形性及高强韧性近共晶铝硅合金材料，可满足航空、汽车领域中重要零(部)件对材料的要求。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明是以Al-Si合金为基础，基于计算相图，进行成分设计，加入合金元素强化以及变质、细化的元素，制备得到的近共晶合金材料具有高强韧性的特点。

2、本合金材料具有良好的铸造性能、常温及高温性的力学性能，能够成形复杂的缸体零件；且该材料价格低，生产工艺过程简单，适合工业化批量生产。

3、本发明中的Mn可作为微合金化元素降低Fe元素的危害，改善合金中富Fe相形貌特征，提高合金的力学性能；

Cu、Mg作为主要合金化元素可以与其他元素形成复杂强化相，提高合金室温与高温的力学性能；

Sr使粗大片状共晶Si转化为细小纤维状，改善合金流动性能，且提高合金的力学性能，尤其是断口伸长率；

Zr不仅仅细化了Al相，同时也提高合金元素的强化效果，大幅提高合金的力学性能。同时，Zr可以与熔体中H结合，形成ZrH，较好地减少铸件针孔的数量。

4、热处理工艺中，通过二步固溶处理，加速了强化元素的固溶到基体的速度，且不会引起合金发生过热或过烧现象；同时节约能源、缩短了生产周期、提高了生产率。

5、本发明的合金，可以通过调整热处理工艺，可以获得不同强度与断口伸长率；即依据材料的服役要求，在强度与塑性上都能满足要求；同时，可以成形复杂薄壁结构铸件；

6、所制备的新型近共晶铝硅合金材料力学性能良好，铸态时：室温抗拉强度为215-245MPa，断口延长率为2-3.5％，布氏硬度为88-90；热处理态(T6)时：室温抗拉强度为410-440MPa、断口伸长率为3.5-4.5、布氏硬度为125-130。

附图说明

图1为本发明实施例1中未变质合金微观组织(SEM扫描电镜照片)；

图2为本发明实施例1中Sr变质合金微观组织(SEM扫描电镜照片)；

图3为本发明实施例1中热处理态合金微观组织(SEM扫描电镜照片)；

图4为本发明实施例1中热处理态时效析出强化相(TEM电镜照片)；

图5为本发明实施例2中合金在铸态时未变质合金断口形貌(SEM扫描电镜照片)；

图6为本发明实施例2中合金在铸态时Sr变质合金断口形貌(SEM扫描电镜照片)；

图7为本发明实施例2中热处理后合金断口形貌(T6、SEM扫描电镜照片)。

具体实施方式

现参照说明书附图来阐述本发明的选定实施例，本领域技术人员应了解到,本发明实施例的说明仅是示例性的，并不是为了限制本发明的方案。

实施例1

(1)按铝硅合金中合金元素的所占质量百分比计Si：10.36％，Cu：3.05％，Mg：0.30％，Zr：0.24％，Sr：0.04％，Mn：0.12％，Zn：0.015％，Fe:0.018％，余量为Al和微量的不可避免的杂质，分别称取工业Si、Al-50％Cu、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金；其中工业Si的为粒度1-3cm³块状；

(2)按步骤(1)总投料重量的0.3％称取无毒精炼剂(TR-L)；

(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业Si、Al-50％Cu、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金、铝锭和无钠精炼剂放入温度200℃的恒温预热干燥炉中干燥2h；

(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉温为900℃；

(5)通电4h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅全部熔化，搅拌炉内铝液熔体10min，然后用加入步骤(1)中称取的无毒精炼剂总量的一半，搅拌并静置8min，撇渣。

(6)在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的Al-50％铜、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金，并设定炉内熔体温度为800℃保温30min；

(7)待炉内所有物料全部熔清，调整温度至775℃，保温25min，加入剩余无毒精炼剂，搅拌并静置10min，撇渣。

(8)用钟罩将镁锭压入铝合金熔体内部5min至镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；

(9)通过炉前快速取样，并进行凝固过程特征参数测量，确定成分合格、共晶Si变质、铝相细化达到要求；

(10)将氮气导入铝合金熔体，进一步进行精炼，导入的时间控制在8min，静置5min后撇渣；

(11)调整铝合金熔体温度，在715℃时出炉浇注，即为近共晶铝硅铜镁合金铸态材料。

本实施例1中无毒精炼剂采用的是徐州华中铝业公司生产的无钠高效除气除渣精炼剂。

采用本实施例1所获得的高强韧性近共晶铝硅铜镁合金材料制备铸件时，按照以下步骤进行热处理工艺：

(1)将铸件放置在工业铝合金热处理炉中，实施二步法固溶处理，具体工艺为：500℃保温4h，然后升温至515℃保温8h，快速淬入40℃的水中；

(2)将铸件至于铝合金时效炉中，175℃保温9h，出炉空冷；

通过取样检验，本实施例1中制备的铝合金力学性能检测结果为：

铸态：室温强度达230MPa、布氏硬度(HBS)为90、断口伸长率达2.6％；

热处理态(T6)：室温抗拉强度达411MPa、布氏硬度(HBS)为127、断口伸长率达4.2％；

实施例2

(1)按铝硅合金中合金元素的所占质量百分比计Si：9.6％，Cu：3.20％，Mg：0.35％，Zr：0.23％，Sr：0.035％，Mn：0.13％，Zn：0.011％，Fe:0.016％，余量为Al和微量不可比避免的杂质，分别称取工业Si、Al-50％铜、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金；其中工业Si的为粒度1-3cm³块状；

(2)按步骤(1)总投料重量的0.3％称取无毒精炼剂(TR-L)；

(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业Si、Al-50％铜、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金、铝锭和无钠精炼剂放入温度200℃的恒温预热干燥炉中干燥2h；

(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉温为900℃；

(5)通电4h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅全部熔化，搅拌炉内铝液熔体10min，然后用加入步骤(1)中称取的无毒精炼剂的一半，搅拌并静置10min，撇渣。

(6)在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的Al-50％铜、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金，并设定炉内熔体温度为800℃保温30min；

(7)待炉内所有物料全部熔清，调整温度至770℃，保温20min，加入剩余无毒精炼剂，搅拌并静置10min，撇渣。

(8)用钟罩将镁锭压入铝合金熔体内部至镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；

(9)通过炉前快速取样，并进行凝固过程特征参数测量，确定成分合格、共晶Si变质、铝相细化达到要求；

(10)将氮气导入铝合金熔体，进一步进行精炼，导入的时间控制在10min，静置8min后撇渣；

(11)调整铝合金熔体温度，在720℃时出炉浇注，即为近共晶铝硅铜镁合金铸态材料。

本实施例2中无毒精炼剂采用的是徐州华中铝业公司生产的无钠高效除气除渣精炼剂。

采用本实施例2所获得的高强韧性近共晶铝硅铜镁合金材料制备铸件时，按照以下步骤进行热处理工艺：

(1)将铸件放置在工业铝合金热处理炉中，实施二步法固溶处理，具体工艺为：500℃保温4h，然后升温至515℃保温8h，快速淬入50℃水中；

(2)将铸件至于铝合金时效炉中，175℃保温12h，出炉空冷；

通过取样检验，本实施例2中制备的铝合金力学性能检测结果为：

铸态：室温强度达243MPa、布氏硬度(HBS)为88、断口伸长率达3.2％；

热处理态(T6)：室温抗拉强度达431MPa、布氏硬度(HBS)为129、断口伸长率达3.6％；

实施例3

(1)按铝硅合金中合金元素的所占质量百分比计Si：9％，Cu：2.7％，Mg：0.25％，Zr：0.2％，Sr：0.03％，Mn：0.15％，Zn：0.02％，Fe:0.02％，余量为Al和微量不可比避免的杂质，分别称取工业Si、Al-50％铜、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金；其中工业Si的为粒度1-3cm3块状；

(2)按步骤(1)总投料重量的0.3％称取无毒精炼剂(TR-L)；

(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业Si、Al-50％铜、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金、铝锭和无钠精炼剂放入温度200℃的恒温预热干燥炉中干燥1.5h；

(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉温为850℃；

(5)通电3h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅全部熔化，搅拌炉内铝液熔体15min，然后用加入步骤(1)中称取的无毒精炼剂的一半，搅拌并静置5min，撇渣。

(6)在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的Al-50％铜、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金，并设定炉内熔体温度为800℃保温20min；

(7)待炉内所有物料全部熔清，调整温度至750℃，保温15min，加入剩余无毒精炼剂，搅拌并静置5min，撇渣。

(8)用钟罩将镁锭压入铝合金熔体内部至镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；

(9)通过炉前快速取样，并进行凝固过程特征参数测量，确定成分合格、共晶Si变质、铝相细化达到要求；

(10)将氮气导入铝合金熔体，进一步进行精炼，导入的时间控制在5min，静置10min后撇渣；

(11)调整铝合金熔体温度，在700℃时出炉浇注，即为近共晶铝硅铜镁合金铸态材料。

本实施例2中无毒精炼剂采用的是徐州华中铝业公司生产的无钠高效除气除渣精炼剂。

采用本实施例2所获得的高强韧性近共晶铝硅铜镁合金材料制备铸件时，按照以下步骤进行热处理工艺：

(1)将铸件放置在工业铝合金热处理炉中，实施二步法固溶处理，具体工艺为：500℃保温4h，然后升温至515℃保温8h，快速淬入60℃水中；

(2)将铸件至于铝合金时效炉中，175℃保温8h，出炉空冷；

通过取样检验，本实验方法制备的铝合金力学性能检测结果为：

铸态：室温强度达235MPa、断口伸长率达2.8％、布氏硬度(HBS)为90；

热处理态(T6)：强度达430MPa、断口伸长率达4％、布氏硬度(HBS)为130。

实施例4

(1)按铝硅合金中合金元素的所占质量百分比计Si：11％，Cu：3.20％，Mg：0.35％，Zr：0.25％，Sr：0.04％，Mn：0.14％，Zn：0.2％，Fe:0.2％，余量为Al和微量不可比避免的杂质，分别称取工业Si、Al-50％铜、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金；其中工业Si的为粒度1-3cm³块状；

(2)按步骤(1)总投料重量的0.3％称取无毒精炼剂(TR-L)；

(3)将步骤(1)、步骤(2)中的工业Si、Al-50％铜、镁锭、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金、铝锭和无钠精炼剂放入温度200℃的恒温预热干燥炉中干燥2h；

(4)将步骤(3)中干燥后的工业硅、铝锭放入工业电炉内，设定工业电炉炉温为950℃；

(5)通电3.5h，待炉内的重熔用铝锭、工业硅全部熔化，搅拌炉内铝液熔体15min，然后用加入步骤(1)中称取的无毒精炼剂的一半，搅拌并静置10min，撇渣。

(6)在工业电炉中加入步骤(3)干燥后的Al-50％铜、Al-5％Zr、Al-10％Mn、Al-10％Sr中间合金，并设定炉内熔体温度为800℃保温25min；

(7)待炉内所有物料全部熔清，调整温度至760℃，保温20min，加入剩余无毒精炼剂，搅拌并静置10min，撇渣。

(8)用钟罩将镁锭压入铝合金熔体内部至镁锭全部熔化，迅速搅拌5min；

(9)通过炉前快速取样，并进行凝固过程特征参数测量，确定成分合格、共晶Si变质、铝相细化达到要求；

(10)将氮气导入铝合金熔体，进一步进行精炼，导入的时间控制在10min，静置10min后撇渣；

(11)调整铝合金熔体温度，在715℃时出炉浇注，即为近共晶铝硅铜镁合金铸态材料。

本实施例2中无毒精炼剂采用的是徐州华中铝业公司生产的无钠高效除气除渣精炼剂。

采用本实施例2所获得的高强韧性近共晶铝硅铜镁合金材料制备铸件时，按照以下步骤进行热处理工艺：

(1)将铸件放置在工业铝合金热处理炉中，实施二步法固溶处理，具体工艺为：500℃保温4h，然后升温至515℃保温8h，快速淬入45℃水中；

(2)将铸件至于铝合金时效炉中，175℃保温10h，出炉空冷；

通过取样检验，本实验方法制备的铝合金力学性能检测结果为：

铸态：室温强度达245MPa、布氏硬度(HBS)为89、断口伸长率达3.4％；

热处理态(T6)：室温抗拉强度达435MPa、布氏硬度(HBS)为128、断口伸长率达3.8％；

对比例

对现有技术中的ZL111铝合金和本发明合金材料分别进行力学性能的测试，结果参见表1所示数据。

可以看出，本发明的合金其铸态与热处理态力学明显优于ZL111铝合金，说明本发明的合金材料，抗拉强度、韧性强度更为优良。

表1 本发明合金材料与ZL111铝合金的性能测试对比表

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或等同替换，但以上变更、修改或等同替换，均在本申请的待授权或待批准之权利要求保护范围之内。