本发明涉及金属材料冶炼技术领域，具体涉及一种含硅高强度铝合金及其生产工艺。
背景技术：
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之伸入，目前铝合金也是应用最多的合金。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。硬铝合金属al-cu-mg系列，一般含有少量的mn，可热处理强化，其特点是硬度大，但塑性较差。超硬铝属al-cu-mg-zn系，可热处理强化，是室温下强度最高的铝合金，但耐腐蚀性差，高温软化快。锻铝合金主要是al-zn-mg-si系合金，虽然加入元素种类多，但是含量少，因而具有优良的热塑性，适宜锻造，故又称锻造铝合金。
铝合金具有密度小、比强度和比刚度较高、耐蚀性好及导电导热性优良、回收容易、低温性能好等特点，广泛应用于交通运输、航空航天、电子电器等领域。铝合金的主要合金元素有硅、铜、镁、锌等，不同的合金元素及其用量对合金的组织性能都有不同的影响。
al-zn-mg-cu系铝合金是20世纪60年代以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类高性能铝合金，具有轻质、高强度、高韧性和低成本等一系列优点，广泛应用于航空、交通运输、舰艇和兵器等领域，具有极高的应用价值。然而传统的al-zn-mg-cu系铝合金的强度还有待提高，且铝合金的综合性能不佳。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种含硅高强度铝合金及其生产工艺，通过合理调节合金中各物质的含量，提高铝合金的强度。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种含硅高强度铝合金，以铝合金型材的总量为基准，按重量百分比计，该铝合金含有以下元素：si5.23～9.76％，zn4.1～4.6％，mn0.2～1.5％，mg1.5～2.8％，sn0.08～1.62％，w0.05～0.28％，ti0.36～0.81％，碳0.56～1.12％，稀土元素0.08～0.16％，其余为al和不可避免的杂质。
通过添加w、mn，在体系中形成了铝化物弥散相，多种铝化物弥散相协同后，具有细化铸态晶粒，强化钉扎位错的作用，从而显著提高了铝合金型材的再结晶温度，降低了晶粒的再结晶，并克服了淬火敏感问题，改善了铝合金型材的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性。
铝合金中，影响铝合金性能的最重要因素就是合金中各元素的配比，为了进一步提高铝合金的强度，优选的，以铝合金的总量为基准，按重量百分比计，所述高强度高韧性铝合金含有以下元素：si6.21～8.54％，zn4.1～4.6％，mn0.2～1.5％，mg1.5～2.8％，sn0.08～1.62％，w0.05～0.28％，ti0.52～0.61％，碳0.56～1.12％，稀土元素0.08～0.16％，其余为al和不可避免的杂质。
碳化物具有很高的硬度，为了提高铝合金的强度，本发明在铝合金中引入碳化物，碳化物的含量对铝合金的性能影响很大，碳化物含量过少又不能起到强化铝合金，提高铝合金强度的作用，进一步的，所述铝合金型材中含有碳化物，以铝合金型材的总量为基准，按重量百分比计，所述碳化物的含量为0.68～2.31％。
碳化物的种类对合金的影响也很大，进一步的，所述碳化物为碳化钛和碳化硅中的至少一种，以铝合金型材的总量为基准，按重量百分比计，所述碳化硅的含量为0.43～1.55％，所述碳化钛的含量为0.15～0.76％。
根据本发明，稀土金属能与体系中的w、mn、ti的铝化物形成新的多元弥散相，这种新的多元弥散相能强烈钉扎位错和亚晶界，显著抑制基体的再结晶，保留了以小角度晶界为主的纤维状组织，从而改善了铝合金型材的腐蚀性能，所述稀土元素为本领域技术人员所常知的稀土金属，优选的，所述稀土元素为钪、钇、铌、镧系元素中的至少一种。
对本发明所述硅高强度铝合金进行性能检测，其抗压强度为529.6～617.9mpa，塑性应变力为37.9～46.3％，硬度为48.6～69.5hbw。
本发明还提供一种上述含硅高强度铝合金的生产工艺，包括以下步骤：
(1)配料及熔炼：将铝矿、锌矿、镁矿、锡矿、钨矿加入熔炼炉中，升温至矿料完全融化，在770～800℃下保温6h～8h，然后加入锰矿、硅矿进行沉淀、脱氧、扒渣，再向熔液中加入变质剂，调整铝合金熔液成分至si5.23～9.76％，zn4.1～4.6％，mn0.2～1.5％，mg1.5～2.8％，sn0.08～1.62％，w0.05～0.28％，碳0.56～1.12％，稀土元素0.08～0.16％；
(2)将得到的铝合金熔液进行水平连铸，得到铝合金铸锭；
(3)将铝合金铸锭升温至355～365℃下保温1～2h，继续加热至550～560℃，保温30～60min，然后油冷至220～230℃，再空冷至室温，再将铝合金铸锭升温至140～150℃，保温5～20h；
(4)将步骤(3)得到的铝合金铸锭在595～605℃下粗轧，再在520～530℃下细轧，得到含硅高强度铝合金。
优选的，在步骤(2)中，所述水平连铸的温度为790～800℃。
优选的，所述水平连铸的速度为70～80mm/min。
优选的，所述变质剂为铝硅钛合金，其中，以铝硅钛合金的总量为基准，按重量百分比计，所述铝硅钛合金中硅的含量为10～25.3％，钛的含量为2.2～5.7％，其余为铝。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
(1)通过在铝合金中引入碳化物，提高铝合金的硬度和合金的强度；
(2)通过添加w、mn、ti与铝形成合金，在体系中形成了铝化物弥散相，多种铝化物弥散相协同后，具有细化铸态晶粒，强化钉扎位错的作用，从而显著提高了铝合金型材的再结晶温度，降低了晶粒的再结晶，并克服了淬火敏感问题，改善了铝合金型材的强度、断裂韧性；
(3)加入稀土元素保留晶体中纤维状组织，提高了耐铝合金型材的腐蚀性能。
本发明的含硅高强度铝合金中含有碳化物，碳化物具有硬度大、强度高的特点，从而提高铝合金的强度和硬度，本发明的铝合金抗压强度达到617.9mpa，塑性应变力为37.9～46.3％，由于铝合金材料的组分配比进行合理控制，使合金不需要低温长时间时效工艺下，缩短了其生产时间，提高了生产效率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种含硅高强度铝合金，该铝合金含有以下元素：si6.21％，zn4.1％，mn0.2％，mg1.5％，sn0.08％，w0.05％，ti0.52％，碳0.56％，钪系元素0.08％，碳化硅0.43％，该铝合金的生产工艺包括以下步骤：
(1)配料及熔炼：将铝矿、锌矿、镁矿、锡矿、钨矿加入熔炼炉中，升温至矿料完全融化，在770℃下保温8h，然后加入锰矿、硅矿进行沉淀、脱氧、扒渣，再向熔液中加入铝硅钛合金，所述铝硅钛合金中硅的含量为10％，钛的含量为2.2％，其余为铝，调整铝合金熔液成份；
(2)将得到的铝合金熔液进行水平连铸，所述水平连铸的温度为790℃，速度为70mm/min，得到铝合金铸锭；
(3)将铝合金铸锭升温至355℃下保温2h，继续加热至550℃，保温60min，然后油冷至220℃，再空冷至室温，再将铝合金铸锭升温至140℃，保温20h；
(4)将步骤(3)得到的铝合金铸锭在595℃下粗轧，再在520℃下细轧，得到含硅高强度铝合金。
实施例2
一种含硅高强度铝合金，该铝合金含有以下元素：si8.54％，zn4.6％，mn1.5％，mg2.8％，sn1.62％，w0.28％，ti0.61％，碳1.12％，铌系元素0.16％，碳化硅1.55％，该铝合金的生产工艺包括以下步骤：
(1)配料及熔炼：将铝矿、锌矿、镁矿、锡矿、钨矿加入熔炼炉中，升温至矿料完全融化，在800℃下保温6h，然后加入锰矿、硅矿进行沉淀、脱氧、扒渣，再向熔液中加入铝硅钛合金，所述铝硅钛合金中硅的含量为25.3％，钛的含量为5.7％，其余为铝，调整铝合金熔液成份；
(2)将得到的铝合金熔液进行水平连铸，所述水平连铸的温度为800℃，速度为80mm/min，得到铝合金铸锭；
(3)将铝合金铸锭升温至365℃下保温2h，继续加热至560℃，保温30min，然后油冷至230℃，再空冷至室温，再将铝合金铸锭升温至150℃，保温5h；
(4)将步骤(3)得到的铝合金铸锭在605℃下粗轧，再在530℃下细轧，得到含硅高强度铝合金。
实施例3
一种含硅高强度铝合金，该铝合金含有以下元素：si7.13％，zn4.4％，mn0.7％，mg1.8％，sn0.09％，w0.15％，ti0.57％，碳0.92％，铌系元素0.09％，碳化硅0.45％，该铝合金的生产工艺包括以下步骤：
(1)配料及熔炼：将铝矿、锌矿、镁矿、锡矿、钨矿加入熔炼炉中，升温至矿料完全融化，在780℃下保温7h，然后加入锰矿、硅矿进行沉淀、脱氧、扒渣，再向熔液中加入铝硅钛合金，所述铝硅钛合金中硅的含量为22.3％，钛的含量为3.6％，其余为铝，调整铝合金熔液成份；
(2)将得到的铝合金熔液进行水平连铸，所述水平连铸的温度为790℃，速度为75mm/min，得到铝合金铸锭；
(3)将铝合金铸锭升温至360℃下保温1.5h，继续加热至555℃，保温40min，然后油冷至225℃，再空冷至室温，再将铝合金铸锭升温至145℃，保温10h；
(4)将步骤(3)得到的铝合金铸锭在600℃下粗轧，再在525℃下细轧，得到含硅高强度铝合金。
实施例4
一种含硅高强度铝合金，该铝合金含有以下元素：si9.76％，zn4.6％，mn1.5％，mg2.8％，sn1.62％，w0.28％，ti0.81％，碳1.12％，钪系0.12％，碳化硅0.68％，该铝合金的生产工艺包括以下步骤：
(1)配料及熔炼：将铝矿、锌矿、镁矿、锡矿、钨矿加入熔炼炉中，升温至矿料完全融化，在800℃下保温8h，然后加入锰矿、硅矿进行沉淀、脱氧、扒渣，再向熔液中加入铝硅钛合金，所述铝硅钛合金中硅的含量为25.3％，钛的含量为5.7％，其余为铝，调整铝合金熔液成份；
(2)将得到的铝合金熔液进行水平连铸，所述水平连铸的温度为800℃，速度为80mm/min，得到铝合金铸锭；
(3)将铝合金铸锭升温至365℃下保温2h，继续加热至550℃，保温60min，然后油冷至230℃，再空冷至室温，再将铝合金铸锭升温至150℃，保温15h；
(4)将步骤(3)得到的铝合金铸锭在605℃下粗轧，再在520℃下细轧，得到含硅高强度铝合金。
实施例5
一种含硅高强度铝合金，该铝合金含有以下元素：si6.55％，zn4.2％，mn1.1％，mg1.8％，sn0.12％，w0.11％，ti0.57％，碳0.66％，镧系元素0.12％，碳化硅1.24％，该铝合金的生产工艺包括以下步骤：
(1)配料及熔炼：将铝矿、锌矿、镁矿、锡矿、钨矿加入熔炼炉中，升温至矿料完全融化，在790℃下保温7h，然后加入锰矿、硅矿进行沉淀、脱氧、扒渣，再向熔液中加入铝硅钛合金，所述铝硅钛合金中硅的含量为25.3％，钛的含量为5.7％，其余为铝，调整铝合金熔液成份；
(2)将得到的铝合金熔液进行水平连铸，所述水平连铸的温度为790℃，速度为78mm/min，得到铝合金铸锭；
(3)将铝合金铸锭升温至365℃下保温1.5h，继续加热至555℃，保温40min，然后油冷至225℃，再空冷至室温，再将铝合金铸锭升温至146℃，保温14h；
(4)将步骤(3)得到的铝合金铸锭在595℃下粗轧，再在525℃下细轧，得到含硅高强度铝合金。
对比例1
一种含硅高强度铝合金，该铝合金含有以下元素：si1.32％，zn4.1％，mn0.11％，mg1.5％，sn0.02％，w0.03％，ti0.55％，碳0.56％，钇系元素0.08％，碳化硅0.43％，该铝合金的生产工艺包括以下步骤：
(1)配料及熔炼：将铝矿、锌矿、镁矿、锡矿、钨矿加入熔炼炉中，升温至矿料完全融化，在770℃下保温8h，然后加入锰矿、硅矿进行沉淀、脱氧、扒渣，再向熔液中加入铝硅钛合金，所述铝硅钛合金中硅的含量为25.3％，钛的含量为5.7％，其余为铝，调整铝合金熔液成份；
(2)将得到的铝合金熔液进行水平连铸，所述水平连铸的温度为790℃，速度为70mm/min，得到铝合金铸锭；
(3)将铝合金铸锭升温至365℃下保温2h，继续加热至555℃，保温50min，然后油冷至220℃，再空冷至室温，再将铝合金铸锭升温至150℃，保温20h；
(4)将步骤(3)得到的铝合金铸锭在600℃下粗轧，再在525℃下细轧，得到含硅高强度铝合金。
对比例2
一种含硅高强度铝合金，该铝合金含有以下元素：si2.46％，zn1.6％，mn0.5％，mg0.8％，sn1.62％，w0.02％，ti1.35％，碳1.12％，铌系元素0.16％，碳化硅0.12％，该铝合金的生产工艺包括以下步骤：
(1)配料及熔炼：将铝矿、锌矿、镁矿、锡矿、钨矿加入熔炼炉中，升温至矿料完全融化，在800℃下保温6h，然后加入锰矿、硅矿进行沉淀、脱氧、扒渣，再向熔液中加入铝硅钛合金，所述铝硅钛合金中硅的含量为25.3％，钛的含量为5.7％，其余为铝，调整铝合金熔液成份；
(2)将得到的铝合金熔液进行水平连铸，所述水平连铸的温度为800℃，速度为80mm/min，得到铝合金铸锭；
(3)将铝合金铸锭升温至365℃下保温2h，继续加热至560℃，保温30min，然后油冷至230℃，再空冷至室温，再将铝合金铸锭升温至150℃，保温5h；
(4)将步骤(3)得到的铝合金铸锭在605℃下粗轧，再在530℃下细轧，得到含硅高强度铝合金。
表1实施例1-5、对比例1-2的铝合金相关性能
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应含在本发明的保护范围之内。