一种高强韧性铸造铝硅合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体是涉及一种高强韧性铸造铝硅合金及其制备方法。
背景技术
铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、易加工成型、可回收利用等优点，广泛应用于交通运输、电子电器、机械装备以及建筑等领域。随着汽车轻量化的发展，汽车转向节、气囊支撑臂、制动器卡钳、减震塔、悬置支架、控制臂、发动机缸体和缸盖等零部件都急需“以铝代钢”。由于这些零部件在汽车上都属于重要的受力结构件，因此为了提高汽车的安全性和服役寿命，这些零部件对铝合金的综合力学性能也要求较高，如较高的强度，优良的塑性和断裂韧性。
铸造铝合金具有生产效率高、成本低的显著优点，是目前汽车零部件的广泛采用的生产工艺。目前，铸造领域最常用的材料是铸造铝硅合金，如A356、ADC10、ADC12等。铸造铝硅合金虽然具有较好的铸造流动性和机械加工性能，但目前商用的铸造铝硅合金仍然普遍存在强度偏低、塑性较差和断裂韧性不足等问题，如A356铸造铝硅合金在T6热处理状态下的抗拉强度通常低于280MPa，屈服强度低于240MPa，伸长率低于7％，强度和塑性都无法满足大部分汽车受力结构件的要求。
Al-Si合金铸造工艺十分重要，原料的纯度、原料添加顺序，保温时间、浇铸温度，除渣除气等都对熔体质量有着明显的影响。Al-Si合金铸造合金Si元素含量、Cu/Mg含量比、孕育变质剂的使用都对合金力学性能影响显著。现有技术通常采用热处理工艺对铸造铝硅合金进行热处理，即单级固溶或单级时效的工艺，这种单级固溶时效工艺虽然可以使合金强度得到一定程度的提高，但不利于提高合金的塑性。因此，如何通过调整铸造铝硅合金工艺、成分的优化以及热处理工艺合成铸造铝合金是目前亟需解决的技术难题。
发明内容
为了解决上述技术难题，一种高强韧性铸造铝硅合金，按照质量百分比计，所述铝硅合金由如下成分组成：Si：8.0～9.0wt.％，Cu：3.0～3.5wt.％，Mg：0.30～0.40wt.％，Mn：0.10～0.20wt.％，B：0.05～0.08wt.％，Sb：0.05～0.10wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al；
所述的铝硅合金制备方法包括如下步骤：
(1)根据合金成分比例配料，将铝锭和Al-Si合金在730～750℃下熔化后保温45～60min，然后加入Al-Mn合金，Al-Cu合金，待中间合金熔化后，搅拌均匀，静置20～30min，再将温度降到700～710℃，打渣，将镁锭压入到液面以下，待混合物熔化后搅拌均匀，静置5～10min后获得混合熔体1；
所述的Al-Si合金为Al-10Si、Al-15Si或Al-25Si合金中的任意一种；所述的Al-Mn合金为Al-10Mn、Al-15Mn或Al-25Mn合金中的任意一种；所述的Al-Cu合金为Al-10Cu合金、Al-20Cu、Al-30Cu或Al-50Cu合金中的任意一种；
(2)然后将步骤(1)获得的混合熔体1升温到720℃后，打渣，将Al-B细化剂加入熔体中，搅拌均匀后，静置5～10min，后加入Sb作为变质剂，搅拌均匀，静置10～20min后获得混合熔体2，所述的Al-B细化剂为Al-3B、Al-4B或Al-5B细化剂中的任意一种；
(3)然后将精炼剂用压罩压到步骤(2)获得的混合熔体2底部，搅拌3～5min，静置5～10min，再将高纯氩气通入到熔体中，持续3～5min进行除气除杂精炼处理，打渣后再静置5～10min，打渣后将熔体在700～720℃温度下注入到预热200～250℃的铁模中，凝固得到合金铸锭；
(4)将步骤3获得的合金铸锭50～100mm处切样，进行固溶处理，先将样品在500～510℃保温6～8h，然后升温到530～540℃保温2～4h，后水淬获得固溶样品；
(5)将步骤4获得的固溶样品，进行时效处理，先将固溶样品在60～70℃保温7～8h，然后再升温160～170℃保温5～6h，后水淬，获得高强韧性铸造铝硅合金。
进一步地，步骤(3)所述的精炼剂为C2Cl6或KF，其占合金铸锭的质量比重为0.40～0.50wt.％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)优化合金铸造工艺，使合金熔体质量及铸锭致密性显著提高；
(2)优化了Si、Cu和Mg主合金元素的成分组成，使得铸造铝硅合金能够保证铸造流动性基础上，大幅提高合金强度；
(3)采用双级固溶和双级时效热处理工艺，进一步提高合金的塑形和强度；使得铸造铝硅合金的屈服强度≥300MPa，抗拉强度≥419MPa，断裂延伸率≥11.8％。
附图说明
图1为实施例1和对比例1、对比例2和对比例3获得的合金力学性能对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下采用附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si：8.0wt.％，Cu：3.0wt.％，Mg：0.30wt.％，Mn：0.10wt.％，B：0.05wt.％，Sb：0.05wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al；制备方法包括下述步骤：
(1)根据合金成分比例配料，将铝锭和Al-20Si合金在730℃下熔化后保温45min,然后加入Al-20Mn合金，Al-50Cu合金，待中间合金熔化后，搅拌均匀，静置20min，再将温度降到700℃打渣，将镁锭压入到液面以下，待混合物熔化后搅拌均匀，静置5min后获得混合熔体1；
(2)将步骤(1)获得的混合熔体1升温到720℃后，打渣，将Al-3B加入熔体中，搅拌均匀后，静置5min，后加入变质剂Sb，搅拌均匀，静置10min获得混合熔体2；
(3)将熔体质量0.45wt.％的C2Cl6精炼剂用压罩压到步骤(2)获得的混合熔体2底部，搅拌3min，静置5min；再将高纯氩气通入到熔体中，持续3min进行除气除杂精炼处理，接着打渣后再静置5min；打渣后将熔体在700℃温度下注入到预热250℃的铁模中，凝固得到合金铸锭；
(4)将步骤3获得的合金铸锭50～100mm处切样，进行固溶处理，先将样品在箱式炉500℃保温6h，后升温到530℃保温2h，后水淬后获得固溶样品；
(5)然后将步骤4获得的固溶样品，进行时效处理，先将固溶后样品在油浴炉中60℃保温7h后，再在160℃保温5h，再经水淬后获得高强韧性铸造铝硅合金。
实施例2：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si：8.5wt.％，Cu：3.2wt.％，Mg：0.35wt.％，Mn：0.15wt.％，B：0.06wt.％，Sb：0.08wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al；制备方法包括下述步骤：
(1)根据合金成分比例配料，将铝锭和Al-20Si合金在750℃下熔化后保温50min,然后加入Al-20Mn合金，Al-50Cu合金，待中间合金熔化后，搅拌均匀，静置25min，再将温度降到700℃打渣，将镁锭压入到液面以下，待混合物熔化后搅拌均匀，静置10min后获得混合熔体1；
(2)将步骤(1)获得的混合熔体1升温到720℃后，打渣，将Al-3B加入熔体中，搅拌均匀后，静置10min，后加入变质剂Sb，搅拌均匀，静置15min获得混合熔体2；
(3)将熔体质量0.40wt.％的C2Cl6精炼剂用压罩压到步骤(2)获得的混合熔体2底部，搅拌4min，静置8min；再将高纯氩气通入到熔体中，持续3min进行除气除杂精炼处理，接着打渣后再静置8min；打渣后将熔体在710℃温度下注入到预热250℃的铁模中，凝固得到合金铸锭；
(4)将步骤3获得的合金铸锭50～100mm处切样，进行固溶处理，先将样品在箱式炉500℃保温8h，后升温到530℃保温4h，后水淬后获得固溶样品；
(5)然后将步骤4获得的固溶样品，进行时效处理，先将固溶后样品在油浴炉中65℃保温8h后，再在165℃保温6h，再经水淬后获得高强韧性铸造铝硅合金。
实施例3：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si：9.0wt.％，Cu：3.5wt.％，Mg：0.40wt.％，Mn：0.20wt.％，B：0.08wt.％，Sb：0.10wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，其余量为Al；制备方法依次包括下述步骤：
(1)根据合金成分比例配料，将铝锭和Al-20Si合金在750℃下熔化后保温60min,然后加入Al-20Mn合金，Al-50Cu合金，待中间合金熔化后，搅拌均匀，静置30min，再将温度降到700℃打渣，将镁锭压入到液面以下，待混合物熔化后搅拌均匀，静置8min后获得混合熔体1；
(2)将步骤(1)获得的混合熔体1升温到720℃后，打渣，将Al-3B加入熔体中，搅拌均匀后，静置10min，后加入变质剂Sb，搅拌均匀，静置20min获得混合熔体2；
(3)将熔体质量0.50wt.％的C2Cl6精炼剂用压罩压到步骤(2)获得的混合熔体2底部，搅拌5min，静置10min；再将高纯氩气通入到熔体中，持续3min进行除气除杂精炼处理，接着打渣后再静置10min；打渣后将熔体在720℃温度下注入到预热250℃的铁模中，凝固得到合金铸锭；
(4)将步骤3获得的合金铸锭50～100mm处切样，进行固溶处理，先将样品在箱式炉510℃保温8h，后升温到525℃保温4h，后水淬后获得固溶样品；
(5)然后将步骤4获得的固溶样品，进行时效处理，先将固溶后样品在油浴炉中70℃保温10h后，再在170℃保温8h，再经水淬后获得高强韧性铸造铝硅合金。
对比例1
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si：8.0wt.％，Cu：3.0wt.％，Mg：0.30wt.％，Mn：0.10wt.％，B：0.05wt.％，Sb：0.05wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al；制备方法依次包括下述步骤：
(1)根据合金成分比例配料，将铝锭和Al-20Si合金在750℃下熔化后保温50min,然后加入Al-20Mn合金，Al-50Cu合金，待中间合金熔化后，搅拌均匀，静置20min，再将温度降到710℃打渣，将镁锭压入到液面以下，待混合物熔化后搅拌均匀，静置10min后获得混合熔体1；
(2)将步骤(1)获得的混合熔体1升温到720℃后，打渣，将Al-3B加入熔体中，搅拌均匀后，静置10min，后加入变质剂Sb，搅拌均匀，静置15min获得混合熔体2；
(3)将熔体质量0.40wt.％的C2Cl6精炼剂用压罩压到步骤(2)获得的混合熔体2底部，搅拌4min，静置8min；再将高纯氩气通入到熔体中，持续3min进行除气除杂精炼处理，接着打渣后再静置8min；打渣后将熔体在710℃温度下注入到预热250℃的铁模中，凝固得到合金铸锭；
(4)将步骤3获得的合金铸锭50～100mm处切样，进行固溶处理，先将样品在箱式炉500℃保温10h，后水淬后获得固溶样品；
(5)然后将步骤4获得的固溶样品，进行时效处理，先将固溶后样品在油浴炉中165℃保温5h，再经水淬后获得铝硅合金。
对比例2
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si：8.0wt.％，Cu：3.0wt.％，Mg：0.30wt.％，Mn：0.10wt.％，B：0.05wt.％，Sb：0.05wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al；制备方法依次包括下述步骤：
(1)根据合金成分比例配料，将铝锭和Al-20Si合金在750℃下熔化后保温50min,然后加入Al-20Mn合金，Al-50Cu合金，待中间合金熔化后，搅拌均匀，静置25min，再将温度降到710℃打渣，将镁锭压入到液面以下，待混合物熔化后搅拌均匀，静置15min后获得混合熔体1；
(2)将步骤(1)获得的混合熔体1升温到720℃后，打渣，将Al-3B加入熔体中，搅拌均匀后，静置10min，后加入变质剂Sb，搅拌均匀，静置15min获得混合熔体2；
(3)将熔体质量0.45wt.％的C2Cl6精炼剂用压罩压到步骤(2)获得的混合熔体2底部，搅拌5min，静置10min；再将高纯氩气通入到熔体中，持续3min进行除气除杂精炼处理，接着打渣后再静置10min；打渣后将熔体在710℃温度下注入到预热250℃的铁模中，凝固得到合金铸锭；
(4)将步骤3获得的合金铸锭50～100mm处切样，进行固溶处理，先将样品在箱式炉500℃保温6h，后升温到530℃保温2h获得固溶样品；
(5)然后将步骤4获得的固溶样品，进行时效处理，先将固溶后样品在油浴炉中160℃保温5h，再经水淬后获得铝硅合金。
对比例3：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si：8.0wt.％，Cu：3.0wt.％，Mg：0.30wt.％，Mn：0.10wt.％，B：0.05wt.％，Sb：0.05wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al；制备方法依次包括下述步骤：
(1)根据合金成分比例配料，将铝锭和Al-20Si合金在750℃下熔化后保温50min,然后加入Al-20Mn合金，Al-50Cu合金，待中间合金熔化后，搅拌均匀，静置25min，再将温度降到710℃打渣，将镁锭压入到液面以下，待混合物熔化后搅拌均匀，静置15min后获得混合熔体1；
(2)将步骤(1)获得的混合熔体1升温到720℃后，打渣，将Al-3B加入熔体中，搅拌均匀后，静置10min，后加入变质剂Sb，搅拌均匀，静置15min获得混合熔体2；
(3)将熔体质量0.50wt.％的C2Cl6精炼剂用压罩压到步骤(2)获得的混合熔体2底部，搅拌5min，静置15min；再将高纯氩气通入到熔体中，持续3min进行除气除杂精炼处理，接着打渣后再静置15min；打渣后将熔体在710℃温度下注入到预热250℃的铁模中，凝固得到合金铸锭；
(4)将步骤3获得的合金铸锭50～100mm处切样，进行固溶处理，先将样品在箱式炉500℃保温10h，后水淬固溶样品；
(5)然后将步骤4获得的固溶样品，进行时效处理，先将固溶后样品在油浴炉中60℃保温7h后，再升温160℃保温5h，再经水淬后获得铝硅合金。
按中华人民共和国国家标准GB/T228.1-2010，将上述实施例1～3和对比例1～3的铸造铝硅合金加工成标准拉伸试样，并在岛津伸试验机上进行室温拉伸力学性能，拉伸速率为0.6mm/min，测试结果如表1所示。
表1实施例1～3和对比例1～3合金力学性能统计表
通过对比可以发现，本发明通过优化合金成分，完善铸造工艺，以及采用的二级固溶和二级时效工艺可显著提高铸造铝硅合金的强度、塑性和韧性。
