一种高强高韧的Al-Si-Cu-Mg-Zn铸造合金材料及其时效工艺的制作方法

本发明涉及铸造铝合金技术领域，特别涉及要求高强高韧的汽车与航空复杂零部件领域。

技术背景

与变形al合金相比，为了满足铸造al合金在生产复杂薄壁件时需要一体成型且在热处理后同时满足较高的力学性能，因此需要高的合金化，来提高al合金的充型能力及时效后的力学性能，高合金化虽然可以很好地提高抗拉强度与屈服强度，但延伸率却严重降低。对于低合金化的变形铝合金延伸率往往能达到9％以上，例如6061-t6变形铝合金的延伸率≥10％，而与本合金相近的铸造铝合金，例如zl106延伸率仅为2％。目前应用在高端柴油机用al-si系铸造合金的性能要求为：抗拉强度（uts）≥290mpa、屈服强度（ys）≥240mpa、延伸率（e）≥4.5%，但是普通工厂生产用al-si系铸造合金材料均难以达到此指标。

在提高al-si系铸造合金强韧性的措施方面，目前主要采用以下几个方面：(1)减少al-si系合金中的fe含量和微量元素的添加变质含fe相；(2)优化熔炼与浇铸工艺；(3)添加固溶强化合金元素；(4)设计优异的热处理工艺。al-si系合金中的含铁量对合金的力学性能尤其是延伸率有很大的毒害作用，铝合金中的含铁相主要有β-fe（al5fesi)、α-fe（al15(fe,mn)3si12）、π-fe(al8mg3fesi6)，其中β-fe对合金延伸率的毒害作用最大，α-fe次之，由于π-fe相热稳定性较差，可在固溶过程中溶解使得其对延伸率的毒害作用最小，因此除了在选材与熔炼过程中应该严格控制fe含量外，还可以通过添加一定量的微量元素削弱β-fe相的毒害作用；规范的熔炼工艺和浇铸工艺不仅是保证铸态al-si系合金优异的力学性能的前提，也是为下一步热处理提供了良好的微观结构；在al-si系合金中添加不同比例的mg、cu合金元素对al-si系合金强韧性的提高有着直接关系；在保证熔炼和浇铸工艺规范之后，最终决定al-si系合金力学性能的参数是优异的热处理工艺。热处理工艺对强化相的析出数量、尺寸、形貌与分布，共晶si的形貌、尺寸与分布，以及含fe相形貌与种类的转变情况都有着直接关系，因此优异的热处理工艺是al-si系合金提高强韧化的最为关键的一步。到目前为止，无论是成分优化，还是热处理工艺优化，其抗拉强度与屈服强度非常容易得到提高，但延伸率往往难以达到理想水平。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种高强高韧的al-si-cu-mg-zn铸造合金材料及其时效工艺，并采用本工艺制备和时效后的al-si-cu-mg-zn合金能够获得高的强度和高的韧性配合，且远超于现有车辆和航空零部件用al-si系合金的性能标准。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

本发明提出一种高强高韧的al-si-cu-mg-zn铸造合金材料及其时效工艺，铸造所述铝合金所用原材料及重量百分比为：al-20si：42.5%-47.5%，al-40cu：2.38%-2.63%，纯度为99.99%的mg：0.35%-0.45%，纯度为99.96%的zn：0.55%-0.65%，al-10sr：0.4%，al-5ti-1b：1%，余量为纯度为99.97%的al。

优选地，所述铝合金的抗拉强度在≥360mpa，屈服强度≥290mpa，延伸率≥5.5%。

优选地，铸造所述铝合金所用原材料及重量百分比为：al-20si：45.00%，

al-40cu：2.50%，纯度为99.99%的mg：0.40%，纯度为99.96%的zn：0.60%，al-10sr：0.4%，al-5ti-1b：1%，纯度为99.97%的al：50.1%，所述铝合金的抗拉强度为366mpa，屈服强度为295mpa，延伸率为6.0%。

本发明提出一种高强高韧的al-si-cu-mg-zn铸造合金材料的时效工艺，该工艺包含以下步骤：

（1）称取42.5%-47.5%的al-20si、2.38%-2.63%的al-40cu、0.35%-0.45%纯度为99.99%的mg、0.55%-0.65%纯度为99.96%的zn、0.4%的al-10sr、1%的al-5ti-1b、余量为纯度为99.97%的al，加入到电阻炉中进行预热处理；

（2）将预热后的al、al-20si、al-40cu加入石墨坩埚电阻熔炼炉熔炼，熔化后铝液温度控制在730-740℃，然后对铝液进行20min的精炼和去渣处理，之后调整温度至710-720℃，加入mg、zn，熔化完全后调整温度在730-740℃，再次进行20min的精炼和去渣处理；

（3）去渣处理完成后加入al-10sr、al-5ti-1b，通过陶瓷除气棒通入纯度为99.99%的ar气，除气结束后，调整铝液温度为710±5℃，保温静置20-30min后浇铸到预热150±10℃的金属模中；

（4）浇注后的铸件进行双级固溶处理，一级固溶是在500±5℃温度条件下保温2h，二级固溶是在一级固溶之后升温至525±5℃保温3h，然后在60℃温水中对铸件进行淬火处理；

（5）淬火处理之后，进行双级时效处理，从室温以5℃/min的速度升至110℃，一级时效是在3小时时间内从110℃降至80℃，每降温5℃保温30min；二级时效是在一级时效之后升温至185℃保温6h。

优选地，步骤（4）中，固溶试样在炉内温度升至400℃时，开始放入试样，一级温度升至二级温度所用时间为20min。

优选地，步骤（5）中，一级降温时效工艺采用多阶降温法，，一级时效温度升值二级时效温度所有时间为25-35min。

本发明专利成分为高合金化，第二类合金元素（如si、cu、mg、zn、sr和ti等）含量达到11％以上，高合金化带来的后果就是抗拉强度与屈服强度显著提高下，延伸率极度降低，与本发明相近的材料延伸率一般超不过3％。

本发明具有的有益效果为：

与现有技术相比，本发明提供了一种高强高韧的al-si-cu-mg-zn铸造合金材料及其时效工艺，且原材料获得容易，均为普通工厂生产用的原材料；本发明采用高合金成分配比，尤其是zn元素含量及时效处理工艺，抗拉强度与屈服强度在显著提高的前提下，延伸率仍保持较高的水平，能够完全满足国际上对车辆和航空零部件用al-si-cu-mg系合金的性能要求，且远超于目前国内外汽车工业常用的a356和zl106合金，为铸造铝合金零部件用材提供了有力保障。

附图说明

图1为本发明热处理工艺曲线图。

图2为本合金与目前国内外汽车工业常用的a356和zl106力学性能对比表。

具体实施方式

实施例：

本实施例的铸造铝合金所用原材料及重量百分比为：

al-20si：45.00%，al-40cu：2.50%，纯度为99.99%的mg：0.40%，纯度为99.96%的zn：0.60%，al-10sr：0.40%，al-5ti-1b：1%，纯度为99.97%的al：50.1%，

本实施例具体工艺过程为：

（1）称取上述的al-20si、al-40cu、mg、zn、al-10sr、al-5ti-1b、al，加入到电阻炉中，在100-200℃下预热处理30-40min，以除去原材料水汽，减少熔炼过程中气孔、针孔的产生；

（2）将预热后的al、al-20si、al-40cu加入石墨坩埚电阻熔炼炉熔炼，熔化后铝液温度控制在730-740℃，然后对铝液进行20min的精炼和去渣处理，之后调整温度至710-720℃，加入mg、zn，熔化完全后调整温度在730-740℃，再次进行20min的精炼和去渣处理；

（3）去渣处理完成后加入al-10sr、al-5ti-1b，通过陶瓷除气棒通入25-30min纯度为99.99%的ar气，除气结束后，调整铝液温度为710±5℃，保温静置20-30min后浇铸到预热150±10℃的金属模中；

（4）浇注后的铸件进行双级固溶处理，一级固溶是在500±5℃温度条件下保温2h，二级固溶是在一级固溶之后升温至525±5℃保温3h，然后在60℃温水中对铸件进行淬火处理；

（5）淬火处理之后，进行双级时效处理，从室温以5℃/min的速度升至110℃，一级时效是在3小时时间内从110℃降至80℃，每降温5℃保温30min；二级时效是在一级时效之后升温至185℃保温6h。

本实施例所铸造的铝合金的抗拉强度达到366mpa，屈服强度达295mpa，延伸率为6%。

本发明提供了一种高强高韧的al-si-cu-mg-zn铸造合金材料及其时效工艺，原材料容易获得，均为普通工厂生产用的原材料。时效工艺所有炉子只要能控温在±5℃即可，该材料经过以上提供的时效工艺，抗拉强度与屈服强度在显著提高的前提下，延伸率仍然保持较高的水平。能够完全满足国际上对车辆和航空领域用al-si-cu-mg系合金的性能要求，且远超于目前国内外汽车工业常用的a356和zl106合金。为铸造铝合金零部件用材提供了有力保障。