本发明属于铝合金制造领域，具体是涉及一种高强韧铸造铝合金及其制备方法。
背景技术：
铸造铝合金是可以采用铸造工艺成形的铝合金，如重力铸造、高压压铸、低压铸造、挤压铸造等。现有铸造铝合金主要包括Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn四大类。Al-Si系铸造铝合金的Si含量通常在4～13%，由于Si含量较高，因此具有很好的铸造流动性，同时还有很好耐磨性和机械加工性能，是目前铸造铝合金中品种最多、用量最大的铝合金，广泛用于壳体、缸体、箱体、框架等零部件。但Al-Si系铸造铝合金的强度较低，塑性较差，无法满足一些汽车受力结构件的要求，如汽车控制臂、轴承座、车轮、转向节、发动机支架、制动器卡钳等。Al-Cu系铸造铝合金通常含有4.5～5.5%的Cu元素，由于Cu元素既具有固溶强化作用又有时效析出强化作用。因此，Al-Cu系铸造铝合金的强度较高，主要用于制作承受大的动、静载荷的砂型铸件。Al-Mg系铸造铝合金具有密度小、强度高的特点，在大气和海水中的抗腐蚀性能好，室温下有良好的综合力学性能和可切削性，常用于作雷达底座、飞机的发动机机匣、螺旋桨、起落架等零件。Al-Zn系铸造铝合金有“自行淬火”作用，不经热处理就可使用，有较高的强度和尺寸稳定，常用于制作模型、型板及设备支架等。相比于Al-Si系铸造铝合金，现有的Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系铸造铝合金，由于Si含量通常较低，其铸造性能都较差，这三类铸造铝合金通常只能铸造形状比较简单的铸件。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、塑性好、流动性优良的高强韧铸造铝合金及其制备方法。本发明的技术方案是这样实现的：本发明所述的高强韧铸造铝合金，其特点是由以下质量百分比的成分组成：Si4.5～6.5%，Mg1.5～2.5%，Cu1.5～2.5%，Zr0.01～0.02%，B0.002～0.004%，Eu0.01～0.03%，Re0.1～0.3%，其余为Al和不可避免的杂质，其中所述Re的成分及质量百分比为：Tb15～25%，Dy10～15%，Ho25～35%，Tm10～15%，Yb15～20%，Lu5～10%。其中，最优的成分及质量百分比为：Si5.5%，Mg2.0%，Cu2.0%，Zr0.015%，B0.003%，Eu0.02%，Re0.2%，其余为Al和不可避免的杂质，其中所述Re的成分及质量百分比为：Tb19%，Dy12%，Ho31%，Tm13%，Yb17%，Lu8%。一种高强韧铸造铝合金的制造方法，其特点是包括以下步骤：第一步：选用Al-5Zr-1B合金、Al-10Eu合金及纯度为99.7%的铝锭、99.9%的速溶硅、99.85%的镁锭、99.99%的电解铜和99.9%的混合重稀土Re作为原材料；第二步：将铝锭在770～790℃加热熔化，加入占原材料总重量为4.5～6.5%的速溶硅、1.5～2.5%的镁锭和1.5～2.5%的电解铜，搅拌熔化成铝合金液；第三步：对铝合金液进行精炼除渣后，加入占原材料总重量为0.2～0.4%的Al-5Zr-1B合金、0.1～0.3%的Al-10Eu合金和0.1～0.3%的混合重稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；第四步：将铝合金液降温至700～720℃并静置0.5～1小时后，铸造成铝合金；第五步：将铝合金在480～490℃固溶处理6～8小时，水淬后，在170～180℃时效处理3～5小时，随炉冷却后得到高强韧铸造铝合金。本发明所述高强韧铸造铝合金的成分及质量百分比的选择与限定理由如下：Si：Si在铝合金中能与Al形成Al+Si共晶液相，是保障铝合金铸造流动性的主要成分。Si含量越高，铝合金的铸造流动性越好，但铝合金的塑性会下降。当Si的含量超过6.5%时，铝合金的塑性会出现显著下降。为了保证铝合金具有足够的铸造流动性和塑性。因此，Si含量选择在4.5～6.5%，最佳含量为5.5%。Mg：Mg在铝合金中能与Si形成Mg2Si强化相，增强铝合金的强度，Mg含量越高，铝合金的强度越高。但Mg含量太高，会引起铝合金的铸造流动性下降。为了保证铝合金获得足够的强度和铸造流动性。因此，Mg含量选择在1.5～2.5%，最佳含量为2.0%。Cu：Cu在铝合金中既具有固溶强化作用，同时还可与Al反应，在铝合金时效热处理过程中析出CuAl2强化相，增强铝合金的强度。由于Cu元素既有固溶强化又有析出强化作用，可显著提高铝合金的强度。因此，选择添加1.5～2.5%的Cu，最佳含量为2.0%。Zr、B：Zr和B是以Al-5Zr-1B合金的形式加入到铝合金中，Al-5Zr-1B合金是目前铝合金的最佳晶粒细化剂，其内部含有大量的ZrAl3和ZrB2粒子相。添加0.2～0.4%的Al-5Zr-1B合金，铝合金中含有0.01～0.02%的Zr和0.002～0.004%的B，可显著细化铝合金的α-Al晶粒，提高铝合金液的铸造流动性，改善铝合金的组织均匀性，提高铝合金的强度和塑性。Al-5Zr-1B合金的最佳添加量为0.3%，铝合金中含有0.015%的Zr和0.003%的B。Eu：Eu是铝合金中共晶Si相的最佳细化变质元素，具有细化变质效果好、持续时间长和再现性好等优点，还可以避免传统Na、Sr元素变质引起的吸气问题。添加0.1～0.3%的Al-10Eu合金，铝合金中含有0.01～0.03%的Eu，可使共晶Si的形态从粗大的针状转变为细小均匀的颗粒状，提高铝合金的铸造流动性、强度和塑性。Al-10Eu合金的最佳添加量为0.2%，铝合金中含有0.02%的Eu。Re：Re是含有Tb、Dy、Ho、Tm、Yb和Lu共6种重稀土元素的混合稀土。混合重稀土的物理化学性质活泼，添加0.1～0.3%的混合重稀土，可与铝合金液中的氧、氢、铁、铅等杂质元素反应生成高熔点的化合物并沉淀，对铝合金液有净化与晶粒细化作用，可以进一步提高铝合金的强度和塑性。实验证明，添加混合重稀土比添加一种或几种重稀土元素的效果更好。混合重稀土Re的最佳含量为0.2%。本发明与现有技术相比，具有以下优点：1、本发明在优化Si、Mg、Cu主合金元素的基础上，通过添加Al-5Zr-1B合金细化α-Al晶粒、添加Al-10Eu合金细化变质共晶Si相和添加混合重稀土Re对铝合金进行净化与细化晶粒，使铝合金获得足够的强度、塑性和铸造流动性。在制备方法上首先采用高温熔炼配制成铝镁硅铜的合金液，经精炼除渣后，再加入Al-5Zr-1B合金、Al-10Eu合金和混合重稀土，有利于充分发挥Al-5Zr-1B合金对α-Al晶粒的细化作用、Eu元素对共晶Si的细化变质作用和混合重稀土Re对铝合金液的二次深度净化和晶粒细化作用，提高铝合金的强度、塑性和铸造流动性；2、本发明的铸造铝合金具有强度高、塑性好以及优良的铸造流动性，室温抗拉强度大于340MPa，屈服强度大于270MPa，伸长率大于9%，可用于铸造成形各种形状复杂的汽车受力结构件，如汽车控制臂、轴承座、车轮、转向节、发动机支架、制动器卡钳等，具有广阔的市场应用价值。具体实施方式实施例1：本发明所述的高强韧铸造铝合金，含有Si4.5%，Mg1.5%，Cu1.5%，Zr0.01%，B0.002%，Eu0.01%，Re0.1%，其余为Al和不可避免的杂质，Re的成分及质量百分比为：Tb19%，Dy12%，Ho31%，Tm13%，Yb17%，Lu8%。其制备方法如下：第一步：选用Al-5Zr-1B合金、Al-10Eu合金及纯度为99.7%的铝锭、99.9%的速溶硅、99.85%的镁锭、99.99%的电解铜和99.9%的混合重稀土Re作为原材料，配料表如下：第二步：将铝锭在770℃加热熔化，加入速溶硅、镁锭和电解铜，搅拌熔化成铝合金液；第三步：采用六氯乙烷对铝合金液进行精炼，除渣后，加入Al-5Zr-1B合金、Al-10Eu合金和混合重稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；第四步：将铝合金液降温至700℃并静置1小时，然后将铝合金液浇注到预热温度为250℃的不锈钢模具内铸造成直径100毫米、高300毫米的铝合金锭；第五步：将铝合金锭在480℃固溶处理8小时，水淬后，在170℃时效处理5小时，随炉冷却后得到高强韧铸造铝合金。在SPECTROMAX光电直读光谱仪测定铝合金锭的化学成分，如表1所示。按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将铝合金锭加工成标准拉伸试样，在DNS500型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。实施例2：本发明所述的高强韧铸造铝合金，含有Si5.5%，Mg2.0%，Cu2.0%，Zr0.015%，B0.003%，Eu0.02%，Re0.2%，其余为Al和不可避免的杂质，Re的成分及质量百分比为：Tb19%，Dy12%，Ho31%，Tm13%，Yb17%，Lu8%。其制备方法如下：第一步：选用Al-5Zr-1B合金、Al-10Eu合金及纯度为99.7%的铝锭、99.9%的速溶硅、99.85%的镁锭、99.99%的电解铜和99.9%的混合重稀土Re作为原材料，配料表如下：第二步：将铝锭在780℃加热熔化，加入速溶硅、镁锭和电解铜，搅拌熔化成铝合金液；第三步：采用六氯乙烷对铝合金液进行精炼，除渣后，加入Al-5Zr-1B合金、Al-10Eu合金和混合重稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；第四步：将铝合金液降温至710℃并静置0.7小时，然后将铝合金液浇注到预热温度为250℃的不锈钢模具内铸造成直径100毫米、高300毫米的铝合金锭；第五步：将铝合金锭在485℃固溶处理7小时，水淬后，在175℃时效处理4小时，随炉冷却后得到高强韧铸造铝合金。在SPECTROMAX光电直读光谱仪测定铝合金锭的化学成分，如表1所示。按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将铝合金锭加工成标准拉伸试样，在DNS500型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。实施例3：本发明所述的高强韧铸造铝合金，含有Si6.5%，Mg2.5%，Cu2.5%，Zr0.02%，B0.004%，Eu0.03%，Re0.03%，其余为Al和不可避免的杂质，Re的成分及质量百分比为：Tb19%，Dy12%，Ho31%，Tm13%，Yb17%，Lu8%。其制备方法如下：第一步：选用Al-5Zr-1B合金、Al-10Eu合金及纯度为99.7%的铝锭、99.9%的速溶硅、99.85%的镁锭、99.99%的电解铜和99.9%的混合重稀土Re作为原材料，配料表如下：第二步：将铝锭在790℃加热熔化，加入速溶硅、镁锭和电解铜，搅拌熔化成铝合金液；第三步：采用六氯乙烷对铝合金液进行精炼，除渣后，加入Al-5Zr-1B合金、Al-10Eu合金和混合重稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；第四步：将铝合金液降温至720℃并静置0.5小时，然后将铝合金液浇注到预热温度为250℃的不锈钢模具内铸造成直径100毫米、高300毫米的铝合金锭；第五步：将铝合金锭在490℃固溶处理6小时，水淬后，在180℃时效处理3小时，随炉冷却后得到高强韧铸造铝合金。在SPECTROMAX光电直读光谱仪测定铝合金锭的化学成分，如表1所示。按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将铝合金锭加工成标准拉伸试样，在DNS500型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。表1为实施例铸造铝合金的化学成分与室温拉伸力学性能从表1可看到，本发明高强韧铸造铝合金的室温抗拉强度大于340MPa，屈服强度大于270MPa，伸长率大于9%。本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。