本发明涉及合金领域。更具体地说，本发明涉及高强度铝镁合金铸锭及其制备方法。
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深入。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。但铝合金也有易出现加工缺陷，高温强度和塑性低，韧性差，硬度低，不耐磨，不耐冲击，热传导系数较大，热变形大，热稳定性差等缺点。
铝镁合金主要元素是铝，再掺入少量的镁或是其它的金属材料来加强其硬度。以mg为主要添加元素的铝合金，由于它抗蚀性好，又称防锈铝合金。因本身就是金属，其导热性能和强度尤为突出。密度小，比强度高，散热性能好，弹性模量小，刚性好，长期使用不易变形，抗震力强，抗电磁干扰、电磁屏蔽性好等优点，但不够坚固耐磨，且易产生加工缺陷，因此亟需寻找一种强度高，耐磨性、耐高温性能良好的高强度铝镁合金铸锭及其制备方法。
技术实现要素：
本发明的一个目的是解决上述问题，并提供后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种高强度铝镁合金铸锭，控制原料配比制得的铝镁合金铸锭强度高，耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳性好，有广阔的使用前景。
本发明还有一个目的是提供一种高强度铝镁合金铸锭的制备方法，制备方法包括熔炼、精炼、铸造以及后处理步骤，通过控制原料配比，在原料中加入碳纤维粉，且熔炼过程中将纯金属、合金和碳纤维粉分两批加入，最终制备得到的铸锭成品强度高，耐磨性、耐高温、耐腐蚀和耐疲劳性好。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高强度铝镁合金铸锭，原料中包括如下质量百分数的元素：mg：3-10％、li：1-3％、ni：0.05-0.3％、sn：0.01-0.1％、be：0.01-0.1％、ti：0.001-0.01％、cr：0.001-0.01％，各元素以工业用纯金属或合金的形式加入，其中元素li以al-li合金或mg-li合金的形式加入，元素ti以ni-ti合金的形式加入，元素cr以ni-cr合金的形式加入，原料中还包括质量百分数为0.005-0.01％的碳纤维粉，质量百分数不超过0.03％的不可避免的杂质，余量为金属al。控制原料中碳纤维粉的质量百分数为0.005-0.01％，碳纤维粉能较好的与其他配比的原料互溶，制备的铸锭不易产生缺陷，从而提高铸锭的耐磨性。
优选的，所述碳纤维粉的细度为30～100目。更优选为30～50目。碳纤维粉的细度过大或过小会影响铸锭制备过程中碳纤维与其他原料的互溶性，不利于铸锭的耐磨性。
优选的，包括：
第一锭层，其位于底层；
第二锭层，其位于所述第一锭层上方；以及
封端层，其覆盖于所述第二锭层上方；
其中，所述第一锭层与第二锭层的质量比为1:3～5，第一锭层与封端层的质量比为4～6:1；
所述封端层与第一锭层的原料相同，且第一锭层的原料中包括碳纤维粉，第二锭层的原料中不包括碳纤维粉。
此种外部材料含碳纤维粉同时内部材料不包括碳纤维粉的包覆结构使摩擦顺应性更加，进一步提高铸锭的耐磨性。封端层的设置方便加工同时使各层结合更稳定。可根据不同的性能需求设置第一锭层的原料，使用灵活。碳纤维粉分布在外层结构中使铸锭强度更高，使铸锭的耐热性、防止锈性能、耐腐蚀性更佳。控制第一锭层、第二锭层与封端层的质量比使铸锭的比强度更高，电磁屏蔽性好。
优选的，第一锭层的原料中包括：mg、sn、be、ni-cr合金、al以及碳纤维粉，第二锭层的原料中包括：mg、al-li合金、ni-ti合金以及al。此种原料组合使铸锭的密度更小，强度更高。
本发明还提供了一种高强度铝镁合金铸锭的制备方法，包括以下步骤：
1)称取原料并分别放置在200～250℃的预热炉中预热5-8h，将预热后的铝锭置于熔化炉中加热至670-680℃，至铝锭完全熔化得到铝液，然后升温至700-720℃，向熔化的铝液中加入预热过的除铝外其他纯金属原料，搅拌至完全熔化，再调控熔体温度为680-700℃时加入预热过的合金原料和碳纤维粉，根据各组分的质量含量要求进行适当的调整，使得各组分的质量含量满足以下条件：各元素含量mg：3-10％、li：1-3％、ni：0.05-0.3％、sn：0.01-0.1％、be：0.01-0.1％、ti：0.001-0.01％、cr：0.001-0.01％，且元素li以al-li合金或mg-li合金的形式加入，元素ti以ni-ti合金的形式加入，元素cr以ni-cr合金的形式加入，质量百分数为0.005-0.01％的碳纤维粉，质量百分数不超过0.03％的不可避免的杂质，余量为金属al，调整完成后搅拌至完全熔化，温度升到720-740℃，保温20-40min，得到混合熔体；
2)将所述混合熔体升温至740-750℃，撇去浮渣，然后搅拌混合均匀后保温10-15min，精炼3-5min，精炼完成后再撇去表面浮渣，回升温度至740-750℃，静置15-20min后得到混合合金熔体；
3)待混合合金熔体降温至680-700℃时，保温10-15min，采用半连续铸造工艺，铸造温度为670-680℃，铸造速度为30-50mm/min，冷却水温度为10-20℃，冷却水流量为1200-1400l/h，得到半成品；
4)将半成品在400℃真空热处理炉中进行8h的固溶处理，然后放入100℃的水中淬火即可得到成品。
优选的，步骤1)中，预热后的铝锭在覆盖剂的保护下置于熔化炉中加热，以重量份数计，所述覆盖剂中包括：35-40份mgcl2，10-15份kcl，8-10份naf，1～3份nacl，1～3份cacl2，1～2份k2o。
优选的，步骤2)中精炼为加入精炼剂后精炼，精炼剂采用质量比为3:1的六氯乙烷和氟硅酸钠。
优选的，最终的成品铸锭包括：
第一锭层，其位于底层；
第二锭层，其位于所述第一锭层上方；以及
封端层，其覆盖于所述第二锭层上方；
其中，所述第一锭层与第二锭层的质量比为1:3～5，第一锭层与封端层的质量比为4～6:1；
所述封端层与第一锭层的原料相同，且第一锭层的原料中包括碳纤维粉，第二锭层的原料中不包括碳纤维粉；
步骤1)中将熔化的镁液中分为两份，分别向其中加入预热过的第一锭层和封端层用除铝外其他纯金属原料、第二锭层用其他纯金属原料，对应分别得到第一金属原料和第二金属原料，搅拌至完全熔化，再分别调控第一金属原料和第二金属原料熔体温度为680-700℃时，向第一金属原料中加入预热过的第一锭层用合金原料和碳纤维粉，向第二金属原料中加入预热过的第二锭层用合金原料，过程中分别调控各组分含量，对应得到第一混合熔体和第二混合熔体；
分别完成步骤2)后，得到第一混合合金熔体和第二混合合金熔体，将第一混合合金熔体按照第一锭层与封端层的质量比分为第一锭层熔体和封端层熔体两部分，在步骤3)中依次按照第一锭层熔体、第二混合合金熔体、封端层熔体的顺序进料进行铸造，然后将得到的半成品按照后续步骤4)进行得到最终的成品铸锭。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明的一种高强度铝镁合金铸锭，通过加入ni-ti合金、ni-cr合金、sn源、be源增强了铸锭的耐高温和机械性能，通过加入质量百分数为0.005-0.01％的碳纤维粉改善了铸锭的耐磨性，使最终的产品铸锭强度高，耐磨性好，综合性能良好，在航空、船舶等领域有广阔的使用前景。
具体制备方法中，包括熔炼、精炼、铸造以及后处理四个步骤，熔炼过程中将纯金属、合金和碳纤维粉分两批分别加入，最终制备得到的铸锭成品强度高，耐磨性和耐疲劳性好。进一步的为了制备外部材料含碳纤维粉同时内部材料不含碳纤维粉的组合结构，先按不同的原料配比分别进行前二个步骤，在进行第三步的铸造时，依次按照第一锭层熔体、第二混合合金熔体即第二锭层的溶体、封端层熔体的顺序进料进行铸造，然后经热处理工艺得到产品铸锭，此种制备方法制备的铸锭强度更高，耐磨性更佳，同时铸锭的耐热性、防止锈性能、耐腐蚀性好。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
实施例1
1)称取原料并分别放置在200℃的预热炉中预热5h，将预热后的铝锭置于熔化炉中加热至670℃，至铝锭完全熔化得到铝液，然后升温至700℃，向熔化的铝液中加入预热过的除铝外其他纯金属原料，搅拌至完全熔化，再调控熔体温度为680℃时加入预热过的合金原料和碳纤维粉，根据各组分的质量含量要求进行适当的调整，使得各组分的质量含量满足以下条件：各元素含量mg：3％、li：1％、ni：0.05％、sn：0.01％、be：0.01％、ti：0.001％、cr：0.001％，且元素li以al-li合金的形式加入，元素ti以ni-ti合金的形式加入，元素cr以ni-cr合金的形式加入，质量百分数为0.005％的碳纤维粉，质量百分数为0.03％的不可避免的杂质，余量为金属al，调整完成后搅拌至完全熔化，温度升到720℃，保温20min，得到混合熔体；
2)将所述混合熔体升温至740℃，撇去浮渣，然后搅拌混合均匀后保温10min，精炼3min，精炼完成后再撇去表面浮渣，回升温度至740℃，静置15min后得到混合合金熔体；
3)待混合合金熔体降温至680℃时，保温10min，采用半连续铸造工艺，铸造温度为670℃，铸造速度为30mm/min，冷却水温度为10℃，冷却水流量为1200l/h，得到半成品；
4)将半成品在400℃真空热处理炉中进行8h的固溶处理，然后放入100℃的水中淬火即可得到成品。
实施例2
1)称取原料并分别放置在250℃的预热炉中预热8h，将预热后的铝锭置于熔化炉中加热至680℃，至铝锭完全熔化得到铝液，然后升温至720℃，向熔化的铝液中加入预热过的除铝外其他纯金属原料，搅拌至完全熔化，再调控熔体温度为700℃时加入预热过的合金原料和碳纤维粉，根据各组分的质量含量要求进行适当的调整，使得各组分的质量含量满足以下条件：各元素含量mg：10％、li：3％、ni：0.3％、sn：0.1％、be：0.1％、ti：0.01％、cr：0.01％，且元素li以mg-li合金的形式加入，元素ti以ni-ti合金的形式加入，元素cr以ni-cr合金的形式加入，质量百分数为0.01％的碳纤维粉，质量百分数为0.02％的不可避免的杂质，余量为金属al，调整完成后搅拌至完全熔化，温度升到740℃，保温40min，得到混合熔体；
2)将所述混合熔体升温至750℃，撇去浮渣，然后搅拌混合均匀后保温15min，精炼5min，精炼完成后再撇去表面浮渣，回升温度至750℃，静置20min后得到混合合金熔体；
3)待混合合金熔体降温至700℃时，保温15min，采用半连续铸造工艺，铸造温度为680℃，铸造速度为50mm/min，冷却水温度为20℃，冷却水流量为1400l/h，得到半成品；
4)将半成品在400℃真空热处理炉中进行8h的固溶处理，然后放入100℃的水中淬火即可得到成品。
实施例3
1)称取原料并分别放置在220℃的预热炉中预热6h，将预热后的铝锭置于熔化炉中加热至670℃，至铝锭完全熔化得到铝液，然后升温至700℃，向熔化的铝液中加入预热过的除铝外其他纯金属原料，搅拌至完全熔化，再调控熔体温度为700℃时加入预热过的合金原料和碳纤维粉，根据各组分的质量含量要求进行适当的调整，使得各组分的质量含量满足以下条件：各元素含量mg：5％、li：1％、ni：0.1％、sn：0.01％、be：0.01％、ti：0.001％、cr：0.001％，且元素li以al-li合金的形式加入，元素ti以ni-ti合金的形式加入，元素cr以ni-cr合金的形式加入，质量百分数为0.005％的碳纤维粉，质量百分数为0.01％的不可避免的杂质，余量为金属al，调整完成后搅拌至完全熔化，温度升到720℃，保温30min，得到混合熔体；
2)将所述混合熔体升温至740℃，撇去浮渣，然后搅拌混合均匀后保温15min，精炼5min，精炼完成后再撇去表面浮渣，回升温度至740℃，静置15min后得到混合合金熔体；
3)待混合合金熔体降温至700℃时，保温15min，采用半连续铸造工艺，铸造温度为680℃，铸造速度为40mm/min，冷却水温度为15℃，冷却水流量为1300l/h，得到半成品；
4)将半成品在400℃真空热处理炉中进行8h的固溶处理，然后放入100℃的水中淬火即可得到成品。
实施例4
1)称取原料并分别放置在200℃的预热炉中预热5h，将预热后的铝锭在覆盖剂的保护下置于熔化炉中加热至670℃，至铝锭完全熔化得到铝液，以重量份数计，所述覆盖剂中包括：35份mgcl2，10份kcl，8份naf，1份nacl，1份cacl2，1份k2o。升温至700℃，将熔化的镁液中分为两份，分别向其中加入预热过的第一锭层和封端层用除铝外其他纯金属原料、第二锭层用其他纯金属原料，对应分别得到第一金属原料和第二金属原料，搅拌至完全熔化，再分别调控第一金属原料和第二金属原料熔体温度为680℃时，向第一金属原料中加入预热过的第一锭层用合金原料和碳纤维粉，向第二金属原料中加入预热过的第二锭层用合金原料，过程中分别调控各组分含量，调整完成后搅拌至完全熔化，温度升到720℃，保温20min，对应得到第一混合熔体和第二混合熔体；
各组分的质量占第一混合熔体和第二混合熔体总质量的百分含量满足以下条件：各元素含量mg：3％、li：1％、ni：0.05％、sn：0.01％、be：0.01％、ti：0.001％、cr：0.001％，且元素li以al-li合金的形式加入，元素ti以ni-ti合金的形式加入，元素cr以ni-cr合金的形式加入，质量百分数为0.005％的碳纤维粉，质量百分数为0.02％的不可避免的杂质，余量为金属al；由于第一锭层与封端层的质量比为4:1，第一锭层与第二锭层的质量比为1:3，即第一混合熔体和第二混合熔体之比为5:12；
2)将第一混合熔体和第二混合熔体分别升温至740℃，撇去浮渣，然后搅拌混合均匀后保温10min，加入质量比为3:1的六氯乙烷和氟硅酸钠作为精炼剂精炼3min，精炼完成后再撇去表面浮渣，回升温度至740℃，静置15min后对应得到第一混合合金熔体和第二混合合金熔体；
3)按照第一锭层与封端层的质量比为4:1，将第一混合合金熔体分为第一锭层熔体和封端层熔体两部分，待第一混合合金熔体和第二混合合金熔体均降温至680℃时，保温10min，采用半连续铸造工艺，依次按照第一锭层熔体、第二混合合金熔体、封端层熔体的顺序进料得到的混合合金熔体进行铸造，铸造温度为670℃，铸造速度为30mm/min，冷却水温度为10℃，冷却水流量为1200l/h，得到半成品；
4)将半成品在400℃真空热处理炉中进行8h的固溶处理，然后放入100℃的水中淬火即可得到成品。
实施例5
1)称取原料并分别放置在250℃的预热炉中预热5-8h，将预热后的铝锭在覆盖剂的保护下置于熔化炉中加热至680℃，至铝锭完全熔化得到铝液，以重量份数计，所述覆盖剂中包括：40份mgcl2，15份kcl，10份naf，3份nacl，3份cacl2，2份k2o。升温至720℃，将熔化的镁液中分为两份，分别向其中加入预热过的第一锭层和封端层用除铝外其他纯金属原料、第二锭层用其他纯金属原料，对应分别得到第一金属原料和第二金属原料，搅拌至完全熔化，再分别调控第一金属原料和第二金属原料熔体温度为680-700℃时，向第一金属原料中加入预热过的第一锭层用合金原料和碳纤维粉，向第二金属原料中加入预热过的第二锭层用合金原料，过程中分别调控各组分含量，调整完成后搅拌至完全熔化，温度升到740℃，保温40min，对应得到第一混合熔体和第二混合熔体；
各组分的质量占第一混合熔体和第二混合熔体总质量的百分含量满足以下条件：各元素mg：10％、li：3％、ni：0.3％、sn：0.1％、be：0.1％、ti：0.01％、cr：0.01％，且元素li以al-li合金的形式加入，元素ti以ni-ti合金的形式加入，元素cr以ni-cr合金的形式加入，质量百分数为0.01％的碳纤维粉，质量百分数为0.01％的不可避免的杂质，余量为金属al；且由于第一锭层与第二锭层的质量比为1:5，第一锭层与封端层的质量比为6:1，即第一混合熔体和第二混合熔体之比为7:30；
2)将第一混合熔体和第二混合熔体分别升温至750℃，撇去浮渣，然后搅拌混合均匀后保温15min，加入质量比为3:1的六氯乙烷和氟硅酸钠作为精炼剂精炼5min，精炼完成后再撇去表面浮渣，回升温度至750℃，静置20min后对应得到第一混合合金熔体和第二混合合金熔体；
3)按照第一锭层与封端层的质量比为6:1，将第一混合合金熔分为第一锭层熔体和封端层熔体两部分，待第一混合合金熔体和第二混合合金熔体均降温至700℃时，保温15min，采用半连续铸造工艺，，依次按照第一锭层熔体、第二混合合金熔体、封端层熔体的顺序进料得到混合合金熔体进行铸造，铸造温度为680℃，铸造速度为50mm/min，冷却水温度为20℃，冷却水流量为1400l/h，得到半成品；
4)将半成品在400℃真空热处理炉中进行8h的固溶处理，然后放入100℃的水中淬火即可得到成品。
实施例6
1)称取原料并分别放置在220℃的预热炉中预热6h，将预热后的铝锭在覆盖剂的保护下置于熔化炉中加热至680℃，至铝锭完全熔化得到铝液，以重量份数计，所述覆盖剂中包括：35份mgcl2，12份kcl，10份naf，2份nacl，2份cacl2，1份k2o。升温至700℃，将熔化的镁液中分为两份，分别向其中加入预热过的第一锭层和封端层用除铝外其他纯金属原料、第二锭层用其他纯金属原料，对应分别得到第一金属原料和第二金属原料，搅拌至完全熔化，再分别调控第一金属原料和第二金属原料熔体温度为680℃时，向第一金属原料中加入预热过的第一锭层用合金原料和碳纤维粉，向第二金属原料中加入预热过的第二锭层用合金原料，过程中分别调控各组分含量，调整完成后搅拌至完全熔化，温度升到720℃，保温30min，对应得到第一混合熔体和第二混合熔体；
各组分的质量占第一混合熔体和第二混合熔体总质量的百分含量满足以下条件：各元素含量mg：5％、li：2％、ni：0.05％、sn：0.01％、be：0.01％、ti：0.001％、cr：0.001％，且元素li以mg-li合金的形式加入，元素ti以ni-ti合金的形式加入，元素cr以ni-cr合金的形式加入，质量百分数为0.005％的碳纤维粉，质量百分数为0.01％的不可避免的杂质，余量为金属al；由于第一锭层与第二锭层的质量比为1:4，第一锭层与封端层的质量比为5:1，即第一混合熔体和第二混合熔体之比为3:10；
2)将第一混合熔体和第二混合熔体分别升温至740℃，撇去浮渣，然后搅拌混合均匀后保温15min，加入质量比为3:1的六氯乙烷和氟硅酸钠作为精炼剂精炼4min，精炼完成后再撇去表面浮渣，回升温度至740℃，静置15min后对应得到第一混合合金熔体和第二混合合金熔体；
3)按照第一锭层与封端层的质量比为5:1，将第一混合合金熔体分为第一锭层熔体和封端层熔体两部分，待第一混合合金熔体和第二混合合金熔体均降温至700℃时，保温15min，采用半连续铸造工艺，依次按照第一锭层熔体、第二混合合金熔体、封端层熔体的顺序进料得到的混合合金熔体进行铸造，铸造温度为680℃，铸造速度为40mm/min，冷却水温度为15℃，冷却水流量为1300l/h，得到半成品；
4)将半成品在400℃真空热处理炉中进行8h的固溶处理，然后放入100℃的水中淬火即可得到成品。
为了说明本发明的效果，发明人市售的铝镁合金铸锭作为对照组1，原料中未添加碳纤维粉其余制备方法与实施例1相同的铝镁合金铸锭作为对照组2，对上述实施例1-6和对照组1、对照组2制备的铝镁合金铸锭和分别进行以下检测，得到检测结果如下：
发明人还对实施例1-6制备的铝镁合金铸锭和对照组1、对照组2根据金属材料磨损试验方法进行了磨损试验，磨痕体积比较结果为实施例6最小，从小到大依次是实施例4、实施例2、实施例1、实施例5、对比例1、实施例3以及对比例2。
结合上表的结果可以看出，本发明由于在原料中添加碳纤维粉制得的铝镁合金铸锭强度高，耐磨性好，而采用本发明的多层结构铸锭的制备方法使铝镁合金铸锭强度更高，耐磨性更佳，耐腐蚀性能和综合性能更好。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里描述的实施例。