[发明专利]一种高强高韧的亚共晶铝硅铸造合金及其制备方法

说明书

一种高强高韧的亚共晶铝硅铸造合金及其制备方法，合金化学组成的质量分数为Si：6.5‑7.0%，Mg：0.45‑0.65%，Cu：0.1‑0.15%，Be：0.05‑0.06%，Sc：0.2‑0.3%，Zr：0.2‑0.3%，Sr：0.02‑0.04%，Fe≤0.1%，余量为Al；经Sc、Zr、Sr复合细化变质处理、545‑548℃×12h固溶+双级时效（120‑130℃×4h低温预时效，170‑175℃×5‑6h终时效）热处理，本发明合金的抗拉强度达366MPa、延伸率6.5%，与成分相当的商业合金A357相比，本发明合金抗拉强度和延伸率有较大幅度提高。

技术领域

本发明涉及一种高强高韧的Al-Si-Mg-Cu-Be-Sc-Zr-Sr铸造合金及其细化变质、热处理方法，属于有色金属材料技术领域。

背景技术

Al-Si-Mg亚共晶铝硅铸造合金，如A356、A357，因其良好的铸造和力学性能，在机械、汽车、航空航天、军工领域应用广泛。目前，国内多数A357生产企业因制备工艺问题难于达到该合金的性能标准（抗拉强度320MPa，延伸率5%）；加之，应用领域对亚共晶铝硅铸造合金力学性能和部件薄壁轻量化要求日益提高，这迫切需要提高A356、A357合金的性能，开发更高力学性能的亚共晶铝硅铸造合金。

Al-Si亚共晶合金的铸态组织由初生α-Al和共晶组织α-Al+Si构成。未经细化变质的合金铸态组织中，初生α-Al呈粗大枝晶形态，共晶Si呈片状严重割裂α-Al基体，大幅降低合金的力学性能。为此，提高亚共晶铝硅铸造合金力学性能主要措施为：1）优化合金成分，合理添加微量合金元素强化基体；2）金属熔体的细化变质处理，即在合金熔体中添加细化剂细化基体α-Al晶粒、添加变质剂细化并改善共晶Si形态；3）通过固溶时效处理，在合金基体中弥散析出Mg₂Si等第二相，实现对合金的弥散强化。

目前工业上广泛使用的α-Al晶粒细化剂为Al-5Ti-1B、Al-5Ti-1B-RE中间合金；改善共晶Si形态的变质剂为Al-10Sr中间合金。然而，常用Al-5Ti-1B细化剂中的Al₃Ti相在亚共晶铝硅铸造合金高温熔体中易分解，分解[Ti]与合金中高Si生成硅化钛覆盖于Al₃Ti、TiB₂表面，毒化Ti、B的细化效果.所以，Al-5Ti-1B/Al-5Ti-1B-RE细化剂对亚共晶铝硅铸造合金的细化效果远小于对铝及固溶体型铝合金的细化效果。故为进一步提高亚共晶铝硅铸造合金的力学性能，有必要改进细化变质方法。

Sc是铝合金新型、高效晶粒细化剂和强化元素。Sc主要通过细晶强化和弥散强化提高铝合金的力学性能。由于Al₃Sc与α-Al晶体结构共格，先析相Al₃Sc作为α-Al的异质晶核而细晶强化；同时析出相Al₃Sc钉扎位错又弥散强化合金。

在亚共晶Al-Si铸造合金中，Sc与其它适宜的细化变质剂复合添加，有利于提高细化变质效果。Zr能有效促进Sc异质形核，同时生成的Al₃（Sc，Zr)强化对位错的钉扎，故Sc、Zr联合添加对合金力学性能有较大的提升作用，Wang X.等人在Al-5Mg合金中证实了这一结论(Effects of Sc,Zr and Ti on the microstructure and properties of Alalloys with high Mg content.Rare Metals,2010.29(1):66-71)。在目前已公开的Sc、Ti、Sr(中国专利申请公布号CN105838937A)和Al-5Ti-1B-Sc（中国专利申请公布号CN103589916A)，以及Sr、Ti(中国专利申请公布号CN105525159A)对亚共晶Al-Si-Mg系合金（A357）的细化变质处理方法中，因细化剂中Ti易与亚共晶铝硅合金中Si生成硅化钛，毒化Ti的细化效果，由此，Sc、Ti复合细化处理或Ti细化处理提升合金力学性能受到限制。