一种高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种金属材料技术领域的铸造铝镁合金材料，具体涉及一种高强韧高 时效稳定性铸造铝镁合金材料。
【背景技术】
[0002] 铸造铝镁合金（ZL3XX系列）作为一种比重轻、比强度高、综合力学性能优良和优 良耐海水腐蚀性能的舰船设备用结构材料，已广泛应用于我国国防领域和民用船舶行业。 但是随着装备性能升级和自然环境的复杂化提高，目前的常规铸造铝镁合金材料已不能满 足新型舰船设备对关重构件力学性能与服役稳定性的要求。
[0003] 铸造铝镁合金在我国有三种牌号。其中综合力学性能最好的是ZL305合金，其热 处理态的抗拉强度为290MPa，断后伸长率为8%，布氏硬度为90。在舰船整体性能要求越 来越高、服役环境越来越复杂的现代装备发展形势下，现有铸造铝镁合金因其力学性能指 标已不满足现代舰船装备对关重构件的性能要求。而且该合金中含有毒性较大的金属铍元 素，如果使用不当，会对环境造成污染。
[0004] 近年来，关于研究高强度铸造铝镁合金材料方面的报道越来越多。在中国专利 CN104561699A中记载的一种高强度铝镁合金材料，其成分为Al-Mg-Cu-Si-Zn-Mn-Ti-Cr-Z r-Sm-Nd-Y，其常温抗拉强度为300~400MPa，断后伸长率为12~14%，布氏硬度为60~ 75HB，此合金在同系列产品中具有较高的抗拉强度和断后伸长率。但是，由于此合金镁元素 含量低，导致了固溶处理后硬度较低（低于ZL305合金的硬度），难以满足武器装备复杂使 用环境的要求；而且此合金加入了价格昂贵的Sm、Nd和Y等多种稀土元素，使得熔炼浇注工 艺复杂且成本增加。
[0005] 另外，在中国专利CN103540814A中记载了一种含镁量质量分数达到20~35%的 铝镁合金，该合金具有高导热系数和较好抗拉强度。但是该合金的高镁元素含量已超过了 镁元素在铝基体中的固溶度极限，极易导致在长时间自然时效状态下延伸率急剧下降，弓丨 起关重构件发生应力腐蚀和应力开裂。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于提供一种室温力学性能优异、自然时效稳定性好及合金成分无害 化的铸造铝镁合金。
[0007] -种高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料，其组分组成Mg:9. 3-9. 8%，Zn: 1. 3-1.5%,Ca：0. 2-0. 4%,Ti：0. 2-0. 4%,Ce：0. 2-0.5%,Sr：0.l-〇. 15%,Fe^ 0. 15%, Ni彡0? 03%，Cu彡0? 06%，Si彡0? 1%，Mn彡0? 01%，余量为Al，以质量百分比计。严格 控制合金中的铁、银、铜、娃、猛等杂质兀素，提尚合金的力学性能。
[0008] 镁元素（Mg)在本合金中与基体铝元素生成大量（Mg5Als)相，而通过热处理淬火能 使全部（Mg5Als)相固溶到铝合金基体a相中，使得合金具有优异的良常温力学性能。
[0009] 锌元素（Zn)在本合金中主要起到固溶强化作用，提高合金抗拉强度及硬度。
[0010] 钛元素（Ti)能和铝元素形成体心立方结构的TiAljg，在合金的凝固过程中提供 大量的非均匀形核核心，具有明显细化晶粒作用，显著提高合金在室温下的断后伸长率。
[0011] 铈元素（Ce)能和铝元素在a基体中形成具有高熔点、高弥散度的细小针棒状 AlCe相，具有强烈的异质强化作用，能显著提高基体合金的抗拉强度；并且细小弥散分布 的AlCe相，能够抑制固溶在基体中的过饱和Mg5Als相在后续的自然时效过程中析出及聚集 长大，避免由于Mg5Als相在晶界处形成连续的网格状组织而导致合金构件延伸率降低和引 发应力腐蚀开裂。
[0012]钙元素（Ca)和锶元素（Sr)能在合金凝固过程中弥散分布在第二相生长前沿抑制 第二相长大；还能增加合金氧化膜的致密度，减小合金熔体氧化烧损，提高合金的铸造充型 性能；并且还可以抑制固溶在基体中的过饱和Mg 5AU目在后续的自然时效过程中析出。
[0013] 严格控制合金中的铁、镍、铜、硅、锰等杂质元素，提高合金的力学性能。
[0014]本发明中的高强韧高稳定性铸造铝镁合金经过熔炼、铸造和固溶热处理后，室温 抗拉强度不低于400MPa，延伸率不低于15%，布氏硬度不低于91HBS。经自然时效（48个 月）处理后，室温抗拉强度不低于405MPa，延伸率不低于13%，布氏硬度不低于93HBS。
[0015] 上述高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016] (1)按照铸造铝镁合金成分要求称原料，其中纯铝锭的铝含量不低于99. 8%，纯 镁锭的镁含量不低于99. 95%，纯锌锭的锌含量不低于99. 99%，铝钛中间合金中钛元素的 平均含量不低于9. 5%，铝钙中间合金中钙元素的平均含量不低于25%，铝锶中间合金中 锶元素的平均含量不低于20%，镁铈中间合金中铈元素的含量不低于30% ;将纯铝锭和纯 镁锭进行喷砂去掉表面氧化皮，在电阻炉中将所有原材料在300°C进行预热处理，预热时间 不低于2小时；
[0017] (2)将钢质坩埚预热至200°C，使用占坩埚容积1/3的沸水浇入熔炼坩埚中，待坩 埚中的水不在沸腾后，将坩埚中的水全部倾倒出去；随后清理坩埚内壁和外壁上残留夹杂 与氧化皮；
[0018] (3)将坩埚加热至150-200°C，使用重量百分比为氧化锌8±0.5%、碳酸钙 8±0. 5%、水玻璃5±0. 5%、滑石粉5±0. 5%、氟硼酸钾3±0. 5%、水71±0. 5% (优选为 氧化锌8%、碳酸|丐8%、水玻璃5%、滑石粉5%、氟硼酸钾3%、水71% )配比而成的;t甘埚 涂料，按照坩埚内表面积（cm2)与涂料质量（Kg)比例为200,将坩埚涂料均匀涂刷到坩埚内 壁；
[0019] (4)将坩埚升温至300°C并保温1小时后，将铝钛中间合金和纯铝锭按照由下向 上的顺序紧实均匀码于坩埚内，然后在坩埚上部铺盖一层石棉纤维毡；调整炉温至880~ 890°C，随着坩埚内原料熔化，按照纯铝锭、锌锭、铝钙中间合金和铝锶中间合金的顺序加入 各原料；
[0020] (5)当坩埚内原料熔化后，调整坩埚内熔体温度在720~740°C，在熔体表面铺撒 轻质覆盖剂，轻质覆盖剂由RJ-2熔剂和占RJ-2熔剂重量百分比40%的KC1经机械混合组 成；向坩埚中加入镁铈中间合金和纯镁锭；
[0021] (6)调整铝熔体温度为720~740°C，称取占熔体质量0?1-0. 2%的ZS-AJ1铝合金 精炼剂，使ZS-AJ1铝合金精炼剂在高纯氩气带动下吹入铝熔体底部，喷吹精炼时间为8-14 分钟；
[0022] (7)调整熔体温度为710~720°C，准备浇注；
[0023] (8)在浇注舱内放入装有铝合金熔体的坩埚和预制铸型，抽取舱内空气使真空度 值达到-0. 068~-0. 075MPa，保压2-3分钟，然后向浇注舱内灌注由体积份数比例为1 : 99 的六氟化硫和干燥氮气组成的混合气体使浇注舱内压力值达到〇. 2~0. 4MPa，随后进行浇 注成型；
[0024] (9)固溶热处理工艺：在电阻热处理炉的炉温小于200°C时，将铸件放入带循环风 的热处理炉中；在升温速度为60-80°C/h条件下，将炉温升至435 ±5°C，并保温9. 5-10h; 然后在升温速度为30-50°C/h条件下，将炉温升490 ±3°C，并保温7. 5-8h;将热处理中的 材料放入96~98°C的水中进行淬火，并且材料从热处理炉中转移到淬火水槽中的时间不 能超过20s。
[0025] 有益效果
[0026] 1.本发明通过在ZL305合金的基础上，加强了合金固溶强化作用，使得合金室温 力学性能明显提高；细化了合金组织，使得合金在细晶强化作用下提高室温力学性能；在 合金组织中形成的大量具有高熔点、高弥散度的细小针棒状AlCe相，不仅能发挥明显的异 质强化作用，还能抑制过饱和Mg5Als相在后续的自然时效过程中析出及聚集长大；抑制合 金中第二相长大，抑制抑制过饱和Mg5AU目在后续的自然时效过程中析出及聚集长大。
[0027] 2.本发明所述高强韧高稳定性铸造铝镁合金比现有的铸造