一种高强度铸造铝合金及其制备方法与流程

本发明涉及一种铸造铝合金及其制备方法，尤其涉及一种高强度铸造铝合金及其制备方法。

背景技术：

Al-Si系铸造铝合金的流动性好，具有优良的铸造性能，是比较理想的铸造铝合金，己成为制造业中最受重视的铸造铝合金材料之一。然而目前铸造Al-Si系合金的力学性能不尽如人意，强度和硬度一般，韧性较低。因此，开发研制新型能够替代部分铸造铝合金的高强韧铸造铝合金材料是未来铸造铝合金的发展方向。

在Al-Si-Mg系合金中添加少量的Cu使合金在后续的时效热处理过程中，产生弥散分布的θ-Al₂Cu和Q相，可以有效提高合金的强度。GB/T 1173-2013中含Cu的Al-Si系铸造铝合金包括ZL105、ZL106、ZL107、ZL108、ZL109、ZL110、ZL111、ZL118，其中ZL111(AlSi₉Cu₂Mg)合金的力学性能相对较高，其金属型试棒T6态力学性能为：金属型Rm≥315MPa，A≥2％。近年来，国内外针对Al-Si系合金化改性方面做了许多工作，尤其在亚共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金成分优化方面取得了一系列成果，如申请号为200910238471.5的中国发明专利《一种Al-Si-Mg-Er稀土铸造铝合金》公开了一种Al-Si-Mg-Er稀土铸造铝合金，在ZL101合金中添加了占该Al-Si-Mg-Er稀土铸造铝合金重量百分比为0.1～0.8％的Er，重量百分比为6.5～7.5％的Si，重量百分比为0.25～0.45％的Mg，余量为Al，该合金的性能得到了改善，但是效果并不明显；又如申请号为201110073984.2的中国发明专利《一种高强高韧铸造Al-Si-Mg合金》公开了一种Al-Si-Mg合金，包括下述质量百分比的原料：Si 6.0-7.5％，Mg 0.4-0.9％，Ti 0.05-0.25％，Cu 1.7-2.4％，Mn 0.10-0.15％，Sr 0.015-0.02％，Be 0.15-0.25％，Zr 0.1-0.2％，Na 0.015-0.025％，B0.008-0.015％，RE 0.01-0.03％，Fe≤0.1％，余量为Al。该高强高韧铸造Al-Si-Mg合金在一定的熔炼、精炼、晶粒细化、变质、微合金化和热处理工艺条件下具有较高的强度和韧性，但是该合金含有Be、Zr等贵金属元素，成本较高。

因此，有必要提供一种成本低廉、性能较好的高强度铸造铝合金及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高强度铸造铝合金及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 6-8％，Cu 0.5-2.0％，Mg 0.2-0.6％，Ti 0.05-0.30％，Gd 0.05-0.5％，Sr 0.01-0.05％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

优选地，所述Si的重量百分比为6.5-7.5％。

优选地，所述Cu的重量百分比为1.0-1.5％。

优选地，所述Mg的重量百分比为0.25-0.45％。

优选地，所述Ti的重量百分比为0.1-0.25％。

优选地，所述Gd的重量百分比为0.1-0.3％。

优选地，所述Sr的重量百分比为0.015-0.03％。

本发明还公开了一种高强度铸造铝合金的制备方法，包括如下步骤：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至700-720℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至690-710℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至710-730℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在700-720℃下以重力铸造方式浇注到预热至180-220℃的模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金。

具体地，所述步骤S5中的固溶处理是指将S4的产品加热至500-520℃后保温6-8小时，然后继续加热至525-550℃后保温8-10小时；所述步骤S5中的冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入20-40℃的水中进行冷却；所述步骤S5中的时效处理是指将冷却处理后产品加热到150-180℃，保温7-9小时，最后出炉空冷至室温。

进一步地，所述高强度铸造铝合金经T6热处理后的力学性能为：抗拉强度≥315MPa，延伸率≥5.5％。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的铝合金成分中加入了微量的稀土Gd元素，细化了晶粒，减少了二次枝晶间距，此外Gd还能做作为变质剂，促进共晶Si的进一步粒状化，提高了共晶Si的圆整度，这些都有利于提高合金的力学性能；

(2)与其它常用稀土元素如La、Ce相比，本发明加入的Al-Gd中间合金比其它Al-RE中间合金更容易在铝合金中完全熔化；

(3)本发明的铝合金成分中不含Be，V，Zr等贵金属元素，成本较低；

(4)本发明的方法制备的高强度铸造铝合金，其抗拉强度和延伸率都得到了明显提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为现有技术中未添加Gd的合金铸态金相组织图(100×)。

图2为本发明实施例1中制备的合金铸态金相组织图(100×)。

图3为本发明的实施例1中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

图4为本发明的实施例2中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

图5为本发明的实施例3中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

图6为本发明的实施例4中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

图7为本发明的实施例5中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

图8为本发明的实施例6中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

图9为本发明的实施例7中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

图10为本发明的实施例8中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

图11为本发明的实施例9中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

图12为本发明的实施例10中铸造铝合金的拉伸应力-应变曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 7.0％，Cu 1.25％，Mg 0.4％，Ti 0.2％，Gd 0.2％，Sr 0.03％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至710℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至700℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至720℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在700℃下以重力铸造方式浇注到预热至200℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至510℃后保温7小时，然后继续加热至530℃后保温9小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入30℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到160℃，保温8小时，最后出炉空冷至室温。

参阅图1-2。图1为现有技术中未添加Gd的合金铸态金相组织图(100×)，图2为本发明实施例1中制备的合金铸态金相组织图(100×)。如图1-2所示，与图1相比，图2的组织中析出了很多网状和小块状的金属间化合物，这些金属间化合物主要是含Gd的第二相，这些金属间化合物子在后续的热处理后可以弥散析出于基体中，从而显著提高合金的力学性能。

实施例2：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 6.0％，Cu 0.5％，Mg 0.2％，Ti 0.05％，Gd 0.05％，Sr 0.01％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至700℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至710℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至710℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在700℃下以重力铸造方式浇注到预热至180℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至500℃后保温8小时，然后继续加热至525℃后保温10小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入20℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到150℃，保温9小时，最后出炉空冷至室温。

实施例3：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 6.5％，Cu 1.0％，Mg 0.3％，Ti 0.15％，Gd 0.1％，Sr 0.015％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至710℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至710℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至720℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在720℃下以重力铸造方式浇注到预热至220℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至520℃后保温6小时，然后继续加热至525℃后保温10小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入40℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到180℃，保温7小时，最后出炉空冷至室温。

实施例4：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 7.5％，Cu 0.8％，Mg 0.45％，Ti 0.2％，Gd 0.3％，Sr 0.025％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至710℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至700℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至715℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在715℃下以重力铸造方式浇注到预热至190℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至515℃后保温7小时，然后继续加热至525℃后保温8小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入30℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到180℃，保温9小时，最后出炉空冷至室温。

实施例5：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 8.0％，Cu 2.0％，Mg 0.6％，Ti 0.30％，Gd 0.5％，Sr 0.05％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至720℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至710℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至730℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在720℃下以重力铸造方式浇注到预热至220℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至520℃后保温6小时，然后继续加热至550℃后保温8小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入40℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到180℃，保温7小时，最后出炉空冷至室温。

实施例6：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 7.2％，Cu 1.75％，Mg 0.5％，Ti 0.25％，Gd 0.4％，Sr 0.045％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至705℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至700℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至725℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在705℃下以重力铸造方式浇注到预热至210℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至505℃后保温7小时，然后继续加热至530℃后保温9小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入25℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到160℃，保温8.5小时，最后出炉空冷至室温。

实施例7：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 7.7％，Cu 0.8％，Mg 0.25％，Ti 0.22％，Gd 0.25％，Sr 0.04％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至715℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至695℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至725℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在710℃下以重力铸造方式浇注到预热至210℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至510℃后保温7小时，然后继续加热至540℃后保温9.5小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入35℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到175℃，保温9小时，最后出炉空冷至室温。

实施例8：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 6.7％，Cu 1.8％，Mg 0.35％，Ti 0.08％，Gd 0.15％，Sr 0.035％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至720℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至710℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至730℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在720℃下以重力铸造方式浇注到预热至220℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至520℃后保温6小时，然后继续加热至550℃后保温8小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入20℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到180℃，保温9小时，最后出炉空冷至室温。

实施例9：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 6.2％，Cu 1.6％，Mg 0.58％，Ti 0.10％，Gd 0.45％，Sr 0.02％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至700℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至690℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至710℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在700℃下以重力铸造方式浇注到预热至180℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至500℃后保温8小时，然后继续加热至525℃后保温9小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入20℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到180℃，保温8小时，最后出炉空冷至室温。

实施例10：

本发明公开了一种高强度铸造铝合金，包括如下重量百分比的组分：Si 7.8％，Cu 0.6％，Mg 0.48％，Ti 0.27％，Gd 0.08％，Sr 0.022％，Fe≤0.20％，杂质元素≤0.50％，余量为铝。

该铝合金的制备方法如下：

S1.将工业纯铝在电阻炉中加热至710℃，再加入Al-Si中间合金、Al-Gd中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Ti中间合金和Al-Sr中间合金，保温并搅拌；

S2.待所有加入的中间合金都熔解完毕后，将熔体温度降至700℃时加入纯Mg；

S3.待所述纯Mg完全熔化后，升温至720℃，继续加入无毒精炼剂，除气精炼后得到铝合金熔体；

S4.将S3中铝合金熔体在710℃下以重力铸造方式浇注到预热至190℃的Y形金属型模具中，最后在空气中自然冷却得到铝合金铸件；

S5.将S4的产品依次进行固溶处理、冷却处理和时效处理后得到高强度铸造铝合金；所述固溶处理是指将S4的产品加热至510℃后保温7小时，然后继续加热至540℃后保温10小时；所述冷却处理是指将固溶处理后产品快速淬入30℃的水中进行冷却；所述时效处理是指将冷却处理后产品加热到160℃，保温8小时，最后出炉空冷至室温。

参阅图3-12，根据图3-12中的拉伸应力-应变曲线图可以计算出本发明实施例1-10的铸造铝合金的拉伸强度和延伸率，测试结果如下表所示：

本发明的有益效果是：

(1)本发明的铝合金成分中加入了微量的稀土Gd元素，细化了晶粒，减少了二次枝晶间距，此外Gd还能做作为变质剂，促进共晶Si的进一步粒状化，提高了共晶Si的圆整度，这些都有利于提高合金的力学性能；

(2)与其它常用稀土元素如La、Ce相比，本发明加入的Al-Gd中间合金比其它Al-RE中间合金更容易在铝合金中完全熔化；

(3)本发明的铝合金成分中不含Be，V，Zr等贵金属元素，成本较低；

(4)本发明的方法制备的高强度铸造铝合金，其抗拉强度和延伸率都得到了明显提升。

以上所述是本发明的优选实施方式，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。