本发明涉及金属材料领域，特别是涉及一种高强高韧铝合金材料。
背景技术：
随着铝合金在汽车、高速轨道列车、航空航天器、电子产品及工业应用等领域的使用量不断扩大，市场对高性能铝合金的需求越来越迫切。目前正在使用的铝合金，其性能上有待提高的方面主要为：高强度与良好塑性的合理组合，耐腐蚀性能，表面硬度及耐磨性能，工作温度范围的拓宽，表面可处理（如阳极氧化等）及着色性能，铸造工艺性能，冷、热加工性能等。
目前应用最广泛的铝合金主要为Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Mg-Si、Al-Zn、Al-Zn-Mg-Cu等系列合金，这些合金在强韧性、耐腐蚀性、耐磨性、铸造工艺性、塑性加工性、阳极氧化等方面都存在着这样或那样的问题，无法达到一个令人满意的综合效果，不能适应市场对高性能铝合金的要求。
本发明针对上述铝合金技术中存在的问题，提出了一种具有高强度、良好塑性、耐腐蚀性好、铸造工艺性及塑性加工性能优良的铝合金。并且，本合金可以通过阳极氧化等工艺进行表面处理。
含有锆、钪的铝合金在室温至超过300℃的温度下具有较高的强度和高温抗蠕变性，并具有良好的塑性。此类合金可以利用常规的铸造、塑性加工及热处理工艺进行生产。经过时效热处理后，过饱和含钪铝合金中将形成共格L12有序Al3Sc 析出相，使该铝合金的维氏硬度高达约150HV，抗拉强度达到近500MPa，同时，其延伸率可以达到近20%左右。这种析出相可以在高达300℃的温度以内对铝合金产生显著的强化作用。
技术实现要素：
针对国民经济发展的需求及现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种具有较好的综合力学性能、加工性能、耐腐蚀性、可以通过阳极氧化等工艺进行表面处理的铝合金材料。本发明所提供的铝合金可以应用于装饰装潢、汽车、高速轨道列车、航空航天器、电子产品及工业应用等领域。
本发明提供了一种铸造铝合金，其特征在于，该铝合金的组分及重量百分比含量如下：
1%~4%的Mn；
0~2%的Zn；
0.1%~0.5%的Zr；
0.03%~0.1%的Sc；
余量为Al。
锰、锌是铝合金的重要元素，可以单独加入锰形成Al-Mn二元合金，单独加入锌形成Al-Zn二元合金。锰能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。优选地，本发明铝合金中Mn的重量百分比含量为1%~4%；Zn的重量百分比含量为0~2%。
锆能提高铝合金再结晶温度，提高固溶体的稳定性，并改善铝合金焊接性能。钪能够显著提高铝合金的强度、塑性、焊接性能、高温性能、抗腐蚀性能。钪和锆的复合添加对铝合金具有较明显的再结晶抑制作用和晶粒细化作用。锆能够促进弥散、细小次生的Al3Sc析出，并且锆能取代Al3Sc中的钪原子而形成Al3(Sc1-x,Zrx)相质点，它具有抑制再结晶效应和弥散强化效应，并可以在合金凝固过程中起到非均质晶核的作用，从而使细化能力增强。根据本发明所提供的铝合金，优选地，Zr的重量百分比含量为0.1%~0.5%；Sc的重量百分比含量为0.03%~0.1%。
稀土元素可以使铝合金熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次枝晶间距，减少气体和夹杂。还可以降低熔体表面张力，增加流动性。根据本发明所提供的铝合金，优选地，在以上组分的基础上，该铝合金中还可以加入镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铥、镱、镥、钇等元素中的一种或多种，其加入的总重量百分比含量小于0.1%。
硅加入到铝合金中可以起到强化作用，可以大幅提高铝合金的铸造性能和抗蚀性。根据本发明所提供的铝合金，优选地，在以上组分的基础上，该铝合金中还可以加入Si作为合金元素，其重量百分比含量小于1%。
钪的高成本限制了铝-钪合金的推广和应用，而在铝合金中加入铒可以部分的替代钪的作用，从而大幅的降低成本。根据本发明所提供的铝合金，优选地，在以上组分的基础上，该铝合金中还可以加入Er作为合金元素，其重量百分比含量小于0.05%。
根据本发明所提供的铝合金，其适用于普通砂型铸造、金属型铸造、连续及半连续铸造、压力铸造、低压铸造等常规铝合金铸造方法进行工业生产。
根据本发明所提供的铝合金，优选的，该合金的熔炼与铸造工艺包括：将纯铝置于熔炼炉中升温进行熔化，随后加入纯Zn、Al-Mn 中间合金、Al-Sc 中间合金、Al-Zr 中间合金等，均匀搅拌，熔化25 分钟以上，同时加入精炼剂进行精炼除渣，静置25分钟以上，然后进行浇注。
根据本发明所提供的铝合金，其适用于锻造、轧制、挤压、拉拔等常规铝合金塑性加工方法进行工业生产。
根据本发明所提供的铝合金，优选的，该铝合金的锻造加工可以采用自由锻、模锻、顶锻、滚锻等工艺进行，具体锻造工艺流程为：备料—铸锭均匀化—铸锭加热—制坯—酸洗—打磨—坯料加热—锻造（根据最终零件尺寸及复杂程度不同，分多道次进行）—切边—固溶处理—矫正—时效处理—酸洗—最终检验。进一步优选的，该铝合金的锻造温度为350℃~450℃，锻造变形量为65%~85%。
根据本发明所提供的铝合金，优选的，该铝合金的热轧工艺流程为：铸锭铣面—蚀洗（包括10%~20% NaOH溶液温洗，20%~30%硝酸溶液中和）—包铝—铸锭加热—多道次热轧制。进一步优选的，该铝合金热轧工艺的开轧温度为480℃~500℃，终轧温度为300℃~320℃，总加工率为92%以上，开轧阶段道次加工率为10%，中间轧制阶段道次加工率为45%~50%。
根据本发明所提供的铝合金，优选的，经过铸造或锻造、轧制、挤压、拉拔等加工方法制得的铝合金铸件、锻件、轧制件、挤压件、拉拔件等均可以采用时效热处理工艺进行强化，具体工艺参数为：在100℃~250℃进行时效热处理，时效时间大于0.5小时。
根据本发明所提供的铝合金，其适用于阳极氧化、电镀、微弧氧化等工艺进行表面处理。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的铝合金及其制备方法进行详细介绍，本发明的保护范围不受以下实施例限制。
实施例1~6：按照表1中的铝合金元素重量百分比，分别制备实施例1~6中的铝合金坯料。按照铸锭铣面—蚀洗（包括10%~20% NaOH溶液温洗，20%~30%硝酸溶液中和）—包铝—铸锭加热—多道次热轧制的工艺流程进行合金板材轧制。具体轧制工艺为，开轧温度480℃~500℃，终轧温度300℃~320℃，总加工率为95%，开轧阶段道次加工率为10%，中间轧制阶段道次加工率为45%，最终板材厚度为3mm。热轧后，在200℃进行4小时的时效热处理。
对比例1~6：按照表1中的铝合金元素重量百分比，分别制备对比例1~6中的合金坯料。按照上述实施例1~6完全相同的初始坯料尺寸、热轧制工艺、时效热处理工艺，对对比例1~6中的合金坯料进行热轧及后续时效热处理，最终得到厚度为3mm的板材。
表1 实施例1~6及对比例1~6中铝合金成分（wt%）。
实施例1~6及对比例1~6中铝合金的性能测试：根据GB/T 228.1-2010中金属材料室温拉伸性能试验要求，分别对实施例1~6及对比例1~6中铝合金试样的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率进行测试，拉伸速率为2mm/min；根据GB/T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验方法，分别对各实施例1~6及对比例1~6中合金试样的维氏硬度进行测试；将轧制制得的实施例1~6及对比例1~6板材，在扫描电子显微镜下进行表面观察，对其在轧制变形过程中产生的表面裂纹进行统计，样品规格为10mm×10mm×3mm。并对各试样的阳极氧化效果进行观察。所得到的实施例1~6及对比例1~6性能测试结果如表2所示。
表2 实施例1~6及对比例1~6中铝合金的性能测试结果。
从以上实施例1~6与对比例1~6的性能测试结果中可以看出，由本发明所述铝合金制得的铸造坯料，在经过热轧后，所得试样具有非常高的强度和良好的塑性，具有很高的表面硬度，表面不存在热轧过程中形成的裂纹，并且其阳极氧化效果优异。
与本发明实施例1~6相比较而言，对比例1~6中铝合金的强度均比较低。其中，对比例1、2、3、6的塑性很差，在热轧过程中产生了表面裂纹，说明这几种合金不适合通过塑性加工方法进行生产。另外，对比例1~6中合金的阳极氧化效果均不理想。
实施例7~10：根据GB/T 1173-2013中对砂型试样浇注工艺、砂型铸造试样尺寸的要求，按照表3中的铝合金元素重量百分比，采用砂型重力铸造方法，分别制备实施例7~10中的铝合金铸造样品。具体熔炼与铸造工艺为，将纯铝置于熔炼炉中升温进行熔化，随后加入纯Zn、Al-Mn 中间合金、Al-Sc 中间合金、Al-Zr 中间合金等，均匀搅拌，熔化30 分钟，同时加入精炼剂进行精炼除渣，静置30分钟，然后进行浇注。最后，对所得铸造样品，在200℃进行4小时的时效热处理。
表3 实施例7~10中铝合金成分（wt%）。
实施例7~10中铝合金的性能测试：根据GB/T 228.1-2010中金属材料室温拉伸性能试验要求，分别对实施例7~10中铝合金试样的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率进行测试，拉伸速率为2mm/min；根据GB/T 4340.1-2009金属材料维氏硬度试验方法，分别对各实施例7~10中合金试样的维氏硬度进行测试；在扫描电子显微镜下，对铝合金铸造样品表面进行观察，对其表面裂纹进行统计。并对各试样的阳极氧化效果进行观察。所得测试结果如表4所示。
表4 实施例7~10中铝合金的性能测试结果。
从以上实施例7~10的性能测试结果可以看出，由本发明所述铝合金制得的铸造样品，具有较高的强度和良好的塑性，具有较高的表面硬度，合金的铸造性能良好，表面不存在铸造裂纹，并且其阳极氧化效果优异。