一种铸造铝硅合金及其制备方法与流程

本发明涉及金属合金材料，具体涉及一种铸造铝硅合金及其制备方法。

背景技术：

1、铸造铝硅合金是以熔融金属充填铸型，获得各种形状零件毛坯的铝合金，具有良好的铸造性能，可以制成形状复杂的零件；不需要庞大的附加设备；具有节约金属、降低成本、减少工时等优点，在航空工业和民用工业得到广泛应用。但随着装备机动性的进一步提升，对结构设计轻量化提出更高要求，这要求铸造铝硅合金材料具备良好工艺性能的同时，还需进一步提高其力学性能和可靠性。

2、对于铸造铝硅合金，目前通常采用sr、sb或na元素变质，na元素通常以熔盐形式加入，容易腐蚀坩埚、工装和吊车；sr元素的添加量一般为0.02～0.04％，对铝硅合金的变质效果较好，但会造成熔体明显吸气，铸件氢含量高达1.0μg/g，铸件内部针孔严重，造成铝硅合金性能明显下降；sb元素变质通常受冷速影响较大，这增大了铸件浇铸系统布置难度，且当sb含量较高时，易与铝硅合金中的mg结合形成mg2sb相，该相呈片状六面结构，为有害析出相，割裂基体，降低力学性能。

3、另一方面，热处理是提高铸造铝硅合金性能的重要途径，目前铸造铝硅合金的热处理固溶温度较低，热处理工艺单一，铸件性能仍有较大提升空间。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种新型铸造铝硅合金及其热处理方法，在提升铸造铝硅合金本体力学性能的同时，进一步提高铸件内部质量，提升铸造铝硅铸件本体疲劳性能，以满足航空、航天、高铁等领域的材料结构轻量化设计需求。

2、为达到上述目的，本发明首先提供了一种铸造铝硅合金，所述铸造铝硅合金由以下重量百分比的组份组成：si：7.5～8.5％；mg：0.65～0.85％；zr：0.03～0.05％；sr：0.004～0.008％；sb：0.005～0.009％；ag：0.03～0.08％；其它杂质小于或等于0.15％，余量为铝。

3、作为优选，所述铸造铝硅合金由以下重量百分比的组份组成：si：8.1％；mg：0.70％；zr：0.04％；sr：0.005％；sb：0.008％；ag:0.05％；其它杂质0.10％；余量为铝。

4、基于一个总的发明构思，本发明还提供了一种所述铸造铝硅合金的制备方法，包括以下步骤:

5、s1、将熔炉预热后按重量比加入纯al、al-12si中间合金、al-4zr中间合金、al-2sb中间合金，继续加热至熔化，并过热至840～860℃，搅拌25-35min，然后将熔体降温至700℃～710℃，将纯ag和纯mg按重量比加入，搅拌5～10min得到熔体；

6、s2、加入精炼剂进行精炼，再加入al-5sr中间合金，然后采用氩气旋转喷吹精炼，将精炼后的合金液静置，浇注得到铸件；

7、s3、将步骤s2得到的铸件进行热处理：在535～541℃保温8～12h，室温水淬；1h内将铸件转移到液氮槽进行快速降温，直至铸件芯部温度达到-160℃～-150℃；然后快速转移至时效炉：先在200～250℃保温3～4h，然后在543～548℃保温10～14h；水淬，水温60～80℃，然后在160～165℃保温14～16h，得到铸造铝硅合金。

8、作为优选，所述步骤s1中预热温度为400～500℃。

9、作为优选，所述步骤s2中精炼剂加入重量为熔体质量的0.3～0.6％。

10、作为优选，所述步骤s2中所述旋转喷吹时间为5～10min，所述合金液静置时间为5～10min。

11、作为优选，所述步骤s2中进行浇注前先对合金液进行炉前成分分析，各成分组成合格方可进行浇注，若各成分不合格需通过补料或冲淡的方式达到合格范围再浇注。

12、作为优选，所述步骤s3中浇注铸件进行液氮快速降温后20min以内需转移至时效炉保温。

13、本发明提供的铸造铝硅合金及其制备方法，主要技术原理如下：

14、相比于常用的zl101a、zl114a合金(si含量为6.5～7.5％)，本发明的铝硅合金中的si含量更高(7.5～8.5％)，更贴近al-si合金共晶成分(12％)，合金流动性能较好，有利于铝液充型，铸件内部组织致密。

15、对于铸造铝硅合金，通常采用sr、sb或na元素变质，sr元素的添加量一般为0.02～0.04％，变质效果较好，但会造成熔体明显吸气(铸件氢含量可达1.0μg/g)，铸件内部针孔严重；sb元素变质通常受冷速影响较大，且当sb含量较高时，易与mg结合形成mg2sb相，该相呈片状六面结构，为有害析出相，割裂基体，会导致铝硅合金的综合性能降低。本发明铝硅合金中通过控制复合添加sr、sb元素，且控制sr、sb元素含量至较低的范围，可有效避免sr元素过多导致的熔体吸气。因为sr活性较高，容易与o元素反应，产生sral2o4，这种复合氧化物使熔体表面氧化膜致密性差，破坏铝熔体表面氧化膜的完整性，使铝液不断地暴露在空气中，促进了铝和水的反应，导致熔体氢含量大幅提升。

16、sr与sb对共晶硅的变质机理基本一致，在铝液温度降低到液相线附近时，微溶于al中的sr、sb元素开始析出，形成高度弥散的胶状质点，它们可吸附于si的晶核表面，形成一层薄膜，阻碍硅晶体长大，使硅过冷度增加。同时，生成的部分纳米级sr-sb析出相也可进一步提升单一变质元素对共晶硅的生长抑制效果，进一步加强变质效果。

17、本发明铝硅合金中添加微量的zr元素，可起到有效的抑制再结晶和吸气的作用。在熔体凝固和铸件热处理过程中，基体中析出纳米级al3zr析出相，这些析出相可有效钉扎晶界，抑制晶界合并、长大，减缓晶粒尺寸的长大。同时，zr原子易吸附熔体中h原子，在铸件凝固过程中，抑制h原子结合反应生产h2。

18、本发明的铝硅合金中添加一定的ag元素，可有效促进基体中gp区的形核质点数量增加，最终提高β″析出相的密度；同时，部分ag原子固溶于β″相中,引起晶格畸变，可进一步抑制mg和si原子在β″相中的扩散，阻碍β″的扩散长大，最终铸件热处理后形成的β″相尺寸均较小。

19、gb/t 1173-2013中规定的zl114a合金固溶处理温度为535℃，本发明中铝硅合金的热处理使用更高温度进行固溶处理(543～548℃)，这有利于共晶硅相的回溶与扩散，促进共晶硅相不连续化和球化，有利于铸件综合性能提升；同时，在高温固溶后进行液氮激冷处理，可造成铸件的微量体积收缩，减少铸件内部孔洞缺陷，进一步破碎共晶硅组织，加剧共晶硅组织的细化；同时，激冷处理在基体中形成预制位错，这些位错可提供gp区有效形核位置，提高β″析出相的密度；对铸件进行二次固溶，可进一步加深共晶硅颗粒的回溶、球化，同时由于纳米级al3zr析出相的存在，有效抑制二级加热导致的晶粒长大，铸件基体共晶硅组织更细小，纳米级β″相更弥散，铸件综合性能得到有效提升。

20、本发明的上述方案具有如下有益效果：

21、1、本发明提供的铸造铝硅合金中si含量高于zl101a、zl114a合金，，合金流动性能更好，铸件内部组织致密；添加的sr、sb元素含量低于一般添加量，可在有效变质共晶硅的前提下，进一步减少添加sr造成的熔体吸气，在铝硅合金中引入少量的zr元素，可吸附熔体中的h原子，减少凝固过程中的氢气逸出造成的孔洞缺陷；同时，在合金中添加少量的ag元素，可有效提高β″析出相的形核数量，提升合金强度；

22、2、本发明提供的铸造铝硅合金的制备方法，对各元素组分的加入顺序、时机进行合理设计，最大限度发挥各元素的作用，同时对铸件进行晶间球化双级热处理，采用正常固溶+水淬+深冷处理+高温时效、高温固溶+水淬+正常时效处理，可进一步提高铸件本体性能，铸件基体共晶硅组织更细小，纳米级β″相更弥散，铸件综合性能显著提升：制得的铸造铝硅合金抗拉强度达到393～410mpa，屈服强度为310～323mpa，延伸率达到6.6～8.9％，铝硅合金铸件经轴向疲劳测试(测试标准：gb/t 3075-2008)，r＝0.06，最大作用力100mpa，疲劳寿命均超过107次。该铸造铝硅合金为航空、航天、高铁、汽车等高端制造提供了性能优异的轻量化材料选择。