一种铸造铝合金及其制备方法与流程

本发明涉及一种铸造铝合金及其制备方法。

背景技术：

随着高速机械传送装置的轻量化和结构稳定性要求不断提升，高速机械传输装置内承担高速输送和冲击载荷的链节构件，由于其在传输装置内庞大的数量和高精度的动态运动配合度要求等条件，正面临着降低自身重量和提升塑变抗力的挑战。目前，通过采用铸造铝合金对钢质链节进行材料替代和结构优化设计，基本实现了轻量化要求，但常规铸造铝合金由于其较低的屈服强度与断后伸长率，难以适应链节构件不断提升的动态载荷与冲击载荷下的塑性变形变化。因此，开发一种屈服强度高、断后伸长率高，具有较高冲击韧性值，并且能够进行高效连续生产的铸造铝合金材料，对促进链节构件减重增效，提升高速机械传输装置的整体稳定性技术水平，具有重要的现实意义。

尽管文献CN109295352A公开了一种屈服强度高于350MPa的高导电率铝合金及其制备方法，其采用优化铸造成分、半连续铸造和热挤压成形等工艺，实现了室温屈服强度不小于350MPa的铝合金材料制备。但是该材料的制备过程比较复杂，其中的热挤压工序是提升其性能的关键强化步骤，难以通过铸造工艺制备高屈服强度构件，发挥该材料的高力学性能优势。文献CN108559882A公开了一种高屈服强度铝合金的配方及其冶炼关键装备，采用在铝基体中复合添加多种强化合金元素，通过永磁体均匀、快速搅拌熔体与压铸工艺实现材料制备，该材料成分稳定性好、屈服强度可达328MPa，制备工艺合理流畅，能适合于大规模推广应用。但成型后的铝合金断后伸长率很低，这就可能使其在瞬时过载条件下，发生无塑性变形的瞬时脆断现象，基于涉及可靠性等因素，该状态材料一般用于制备承受静载荷的非关重件，难以满足链节构件的复杂和高精度运动配合工况。文献CN106191569公开了一种用干汽车活塞的耐磨高硅铝合金及其制备方法，以硅和铜元素为主要合金相，以铝磷、铝锶和铝稀土合金为变质剂，通过熔炼和浇注成型工艺，得到屈服强度达385MPa，延伸率达14％的高性能铝合金材料。该方法采用磷、锶和稀土元素进行变质处理，其中磷元素主要是细化初晶硅的作用，而锶元素是起到细化共晶硅的效果，当二者同时出现在合金熔体中时，磷元素和锶元素会在熔体局部形成化合物，一定程度上降低锶元素的细化效果，虽然可以通过增加锶元素添加量能够减轻或消除磷、锶元素之间的相互作用，但是这不利于集中熔炼、分批次浇注工艺过程的成本控制。另外，该专利公布的材料抗拉强度为450MPa，未涉及材料的冲击韧性值，合金材料的屈强比约为0.856，如用其制备承受动态冲击的链节构件，存在抗拉强度不足、材料屈强比较高、材料脆性趋势大的问题，难以保证链节构件在实际工况下的复杂多重载荷工作稳定性要求。

技术实现要素：

本发明目的之一在于提供一种屈服强度高、断后伸长率高、冲击韧性好的铸造铝合金。

为了实现所述目的，本发明采用如下技术方案。

一种铸造铝合金，成分包括：

Si：7.5～8.5％、Cu：2.5～2.7％、Dy(镝)：0.35～0.45％、P：0.02～0.04％、Sc(钪)：0.1～0.2％、Ti：0.15～0.19％、Mg：0.4～0.8％、Fe≤0.2％、Mn≤0.1％、Zn≤0.1％、Ni≤0.1％，余量为Al，所述百分比为重量百分比。

作为优选，前述铸造铝合金由以下成分组成：Si：7.5％、Cu：2.7％、Dy：0.45％、P：0.02％、Sc：0.15％、Ti：0.15％、Mg：0.4％、Fe：0.1％、Mn：0.06％、Zn：0.03％、Ni：0.02％，，余量为Al，所述百分比为重量百分比。

本发明目的之二在于提供前述铸造铝合金的制备方法。

前述铸造铝合金的制备方法，步骤包括：

步骤1：将99.98wt％的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金、99.8wt％纯镁锭分别进行干喷砂处理后预热至300～340℃，将预热后的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金按合适比例(所述合适比例根据铸造铝合金成分占比计算而得)加入坩埚中，并在干燥氩气环境中升温熔化，得熔体A，熔体A温度控制在690～700℃；

步骤2：搅拌熔体A，将预热至300～340℃的99.8wt％纯镁锭加入熔体A中，并在干燥氩气环境中升温熔化，得熔体B，当熔体B温度达730～740℃时，保温16-20分钟；

步骤3：采用气体精炼机对熔体B进行高纯氩气旋转喷吹除气处理；作为优选，氩气纯度不低于99.99％，氩气流量为0.16-0.22m³/h，转速为500-540转/分钟，氩气压力为0.3-0.32MPa，处理时间为23-26分钟；

步骤4：将熔体B升温至780～790℃，保温10-13分钟；当熔体B开始保温时，将在真空条件下浇铸成形的Al-Cu-P-Sc-Dy预制体置于喷涂有石墨基防护涂料的钢质浇包中，使预制体小端与浇包下壁的开孔部位对齐；预热浇包，直至浇包内表面温度达到420～460℃；

步骤5：将浇包没入熔体B表面，缓慢下沉浇包使熔体B由浇包下壁的开孔部位进入浇包内，熔体B进入浇包并逐渐熔化Al-Cu-P-Sc-Dy预制体，得熔体C；随着熔体B的进入，在浇包内外的铝合金熔体表面重合前的0.3至0.5s的时段内(即浇包内的铝合金熔体表面与浇包外的铝合金熔体表面恰好位于同一水平面前的0.3至0.5s时段)，采用塞杆密封浇包下壁的开孔；

步骤6：提升浇包，使浇包底部脱离熔体C上表面，并与熔体C上表面保持10～15mm的距离；搅拌熔体C，搅拌时间10-20分钟；

步骤7：转移浇包至浇注成形工位，使浇包下部开孔部位与浇口配合，提升塞杆，使熔体C进入模具型腔，完成浇注成型；

步骤8：对浇注成形的型体进行固溶时效处理，固溶时效处理完成后的型体先在45～55℃的环境中放置28～32h，然后在170～180℃的时效炉中保温6.5～7.5h，保温结束后，在10～40℃空气中自然冷却；作为优选，固溶处理温度为530～538℃，固溶处理时间为140～165分钟，时效处理过程中的淬火介质为80～86℃的自来水。

有益效果：本发明方法能够增加合金元素扩散的有效面积，缩短固溶处理时间，本发明固溶处理时间仅需140～165分钟，相比于国标规定的8小时固溶处理时间，固溶处理时间缩短了65.63-70.83％；采用本发明方法不仅能够在铝合金内部形成二元或三元强化相，阻碍Mg2Si相的长大和聚集，而且能够对铝合金基体和晶界达到双效增强作用；采用本发明方法制得的铸造铝合金屈服强度高、断后伸长率高、冲击韧性好，其抗拉强度可达482MPa、屈服强度可达387MPa、断后伸长率可达16.5％；按照GB 229-1994金属夏氏比缺口冲击试验方法进行测试，其Akv值可达15.6J/cm²。

附图说明

图1是本发明制备铸造铝合金所用的设备示意图，图中，1-进气口、2-坩埚盖、3-、坩埚、4-第一液位探针、5-内盖、6-搅拌装置、7-提升装置、8-塞杆、9-预制体、10-浇包、11-第二液位探针、12-熔炼炉、13-孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在此指出以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域普通技术人员根据本发明的内容作出一些简单的替换或调整，均在本发明的保护范围之内。

实施例1

一种铸造铝合金，由以下成分组成：Si：7.5％、Cu：2.7％、Dy：0.45％、P：0.02％、Sc：0.15％、Ti：0.15％、Mg：0.4％、Fe：0.1％、Mn：0.06％、Zn：0.03％、Ni：0.02％，余量为Al，所述百分比为重量百分比。

本实施例中铸造铝合金的制备方法如下：

步骤1：将99.98wt％的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金、99.8wt％纯镁锭分别进行干喷砂处理，并分别预热至300℃，将按合适比例(所述合适比例根据本实施例中铸造铝合金成分占比计算而得)配制的全部高纯铝锭、铝30硅中间合金、铝10钛中间合金加入电阻熔炼炉12中的碳化硅坩埚3中进行升温，通过进气口1(熔炼炉口上部有坩埚盖2,坩埚盖2中部设置有内盖5，坩埚盖2侧壁设有进气口1，如图1所示)向坩埚3内通入纯度为99.8％、流量为1m³/h的干燥氩气，直至坩埚3内炉料熔化，得熔体A，熔体A温度控制在690℃；

步骤2：将坩埚盖2从坩埚3上移开，断开熔炼炉12的加热电源，使用石墨材质的搅拌工具对熔体A进行自上而下的圆周搅拌，搅拌时间为3min；然后使用铁钳将预热至300℃的纯镁锭加入熔体A中，将坩埚盖2扣在熔炼炉12上方，向坩埚3内通入纯度为99.8％、流量为1.8m³/h的干燥氩气，并通电加热，得熔体B，当熔体B温度达到740℃后，保温20分钟；

步骤3：熔体B保温结束后，移除坩埚盖2中部的内盖5，采用气体精炼机对熔体B进行高纯氩气旋转喷吹除气处理；其中，氩气纯度不低于99.99％，氩气流量为0.2m³/h，转速为520转/分钟，氩气压力为0.3MPa，处理时间为25分钟；

步骤4：旋转喷吹除气结束后，将内盖5放回到坩埚盖2上，将熔体B升温至780℃，保温10分钟；当熔体B开始保温时，将在真空条件下浇铸成形的Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体9置于喷涂有石墨基防护涂料的钢质浇包10中，使预制体9小端与浇包10下壁的开孔部位对齐(浇包10下壁开设有孔13)；预热浇包10，直至浇包10内表面温度达到460℃；

步骤5：当熔体B在780℃完成保温处理，并且浇包10预热完成后，移除坩埚盖2中部的内盖5，将浇包10垂直缓慢没入熔体B表面，下沉浇包10使熔体B由浇包10下壁的开孔13部位进入浇包10内(随着浇包10的下降，坩埚3内的熔体B由浇包10下壁的开孔13部位进入浇包10内)，熔体B进入浇包10并逐渐熔化Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体9，得熔体C；随着熔体B的进入，在浇包10内外的铝合金熔体表面重合前的0.3至0.5s的时段内，采用塞杆8密封浇包10下壁的开孔；

步骤6：当塞杆8与浇包10底部形成紧密配合(密封)后，通过提升装置7垂直提升浇包10，使浇包10底部脱离熔体C表面，并与熔体C表面保持15mm的距离；随后启动浇包10上盖两侧的超声均匀化搅拌装置6，搅拌熔体C，搅拌时间为10min；

步骤7：超声搅拌完成后，转移浇包10至浇注成形工位，使浇包10下部开孔13部位与浇口贴合，使浇包10下部开孔13中心与浇口中心对齐，提升塞杆8，使熔体C进入模具型腔，直至完成浇注成型；

步骤8：对浇注成形的型体进行固溶时效处理，固溶处理温度为538℃，固溶处理时间为140min，时效处理的淬火介质为84℃的自来水；固溶时效处理完成后的型体先在45℃的环境中放置32h，然后在170℃的时效炉中保温7.5h，保温结束后，在10℃空气中自然冷却，取出铝合金型体。

选用本实施例制得的铸造铝合金样品，按照GB228.1-2010金属材料拉伸试验,第一部分：室温试验方法进行常温力学性能测试，测得样品抗拉强度为482MPa，屈服强度为387MPa，断后伸长率为16.5％；按照GB229-1994金属夏氏比缺口冲击试验方法进行测试，样品Akv值为15.6J/cm²。

实施例2

一种铸造铝合金，由以下成分组成：Si：8.5％、Cu：2.5％、Dy：0.45％、P：0.04％、Sc：0.2％、Ti：0.19％、Mg：0.8％、Fe：0.2％、Mn：0.1％、Zn：0.1％、Ni：0.1％，余量为Al，所述百分比为重量百分比。

本实施例中铸造铝合金的制备方法如下：

步骤1：将99.98wt％的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金、99.8wt％纯镁锭分别进行干喷砂处理，并分别预热至340℃，将按合适比例(所述合适比例根据本实施例中铸造铝合金成分占比计算而得)配制的全部高纯铝锭、铝30硅中间合金、铝10钛中间合金加入电阻熔炼炉中的碳化硅坩埚中进行升温，通过进气口(熔炼炉口上部有坩埚盖,坩埚盖中部设置有内盖，坩埚盖侧壁设有进气口)向坩埚内通入纯度为99.8％、流量为1.3m³/h的干燥氩气，直至坩埚内炉料熔化，得熔体A，熔体A温度控制在700℃；

步骤2：将坩埚盖从坩埚上移开，断开熔炼炉加热电源，使用石墨材质的搅拌工具对熔体A进行自上而下的圆周搅拌，搅拌时间为4min；然后使用铁钳将预热至340℃的纯镁锭加入熔体A中，将坩埚盖扣在熔炼炉上方，向坩埚内通入纯度为99.8％、流量为1.5m³/h的干燥氩气，并通电加热，得熔体B，当熔体B温度达到730℃后，保温16分钟；

步骤3：熔体B保温结束后，移除坩埚盖中部的内盖，采用气体精炼机对熔体B进行高纯氩气旋转喷吹除气处理；其中，氩气纯度不低于99.99％，氩气流量为0.16m³/h，转速为500转/分钟，氩气压力为0.3MPa，处理时间为23分钟；

步骤4：旋转喷吹除气结束后，将内盖放回到坩埚盖上，将熔体B升温至790℃，保温13分钟；当熔体B开始保温时，将在真空条件下浇铸成形的Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体置于喷涂有石墨基防护涂料的钢质浇包中，使预制体小端与浇包下壁的开孔部位对齐(浇包下壁开设有孔)；预热浇包，直至浇包内表面温度达到420℃；

步骤5：当熔体B在790℃完成保温处理，并且浇包预热完成后，移除坩埚盖中部的内盖，将浇包垂直缓慢没入熔体B表面，下沉浇包使熔体B由浇包下壁的开孔部位进入浇包内(随着浇包的下降，坩埚内的熔体B由浇包下壁的开孔部位进入浇包内)，熔体B进入浇包逐渐熔化Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体，得熔体C；随着熔体B的进入，在浇包内外的铝合金熔体表面重合前的0.3至0.5s的时段内，采用塞杆密封浇包下壁的开孔；

步骤6：当塞杆与浇包底部形成紧密配合(密封)后，通过提升装置垂直提升浇包，使浇包底部脱离熔体C表面，并与熔体C表面保持10mm的距离；随后启动浇包上盖两侧的超声均匀化搅拌装置，搅拌熔体C，搅拌时间为20min；

步骤7：超声搅拌完成后，转移浇包至浇注成形工位，使浇包下部开孔部位与浇口贴合，使浇包下部开孔中心与浇口中心对齐，提升塞杆，使熔体C进入模具型腔，直至完成浇注成型；

步骤8：对浇注成形的型体进行固溶时效处理，固溶处理温度为530℃，固溶处理时间为165min，时效处理的淬火介质为80℃的自来水；固溶时效处理完成后的型体先在55℃的环境中放置28h，然后在176℃的时效炉中保温6.5h，保温结束后，在20℃空气中自然冷却，取出铝合金型体。

选用本实施例制得的铸造铝合金样品，按照GB228.1-2010金属材料拉伸试验,第一部分：室温试验方法进行常温力学性能测试，测得样品抗拉强度为476MPa，屈服强度为381MPa，断后伸长率为15％；按照GB229-1994金属夏氏比缺口冲击试验方法进行测试，样品Akv值为14.9J/cm²。

实施例3

一种铸造铝合金，由以下成分组成：Si：7.8％、Cu：2.6％、Dy：0.42％、P：0.035％、Sc：0.1％、Ti：0.17％、Mg：0.65％、Fe：0.11％、Mn：0.08％、Zn：0.06％、Ni：0.04％，余量为Al，所述百分比为重量百分比。

本实施例中铸造铝合金的制备方法如下：

步骤1：将99.98wt％的高纯铝锭、铝10钛中间合金、铝30硅中间合金、99.8wt％纯镁锭分别进行干喷砂处理，并分别预热至320℃，将按合适比例(所述合适比例根据本实施例中铸造铝合金成分占比计算而得)配制的全部高纯铝锭、铝30硅中间合金、铝10钛中间合金加入电阻熔炼炉中的碳化硅坩埚中进行升温，通过进气口(熔炼炉口上部有坩埚盖,坩埚盖中部设置有内盖，坩埚盖侧壁设有进气口)向坩埚内通入纯度为99.8％、流量为1.2m³/h的干燥氩气，直至坩埚内炉料熔化，得熔体A，熔体A温度控制在694℃；

步骤2：将坩埚盖从坩埚上移开，断开熔炼炉加热电源，使用石墨材质的搅拌工具对熔体A进行自上而下的圆周搅拌，搅拌时间为5min；然后使用铁钳将预热至320℃的纯镁锭加入熔体A中，将坩埚盖扣在熔炼炉上方，向坩埚内通入纯度为99.8％、流量为1.7m³/h的干燥氩气，并通电加热，得熔体B，当熔体B温度达到733℃后，保温18分钟；

步骤3：熔体B保温结束后，移除坩埚盖中部的内盖，采用气体精炼机对熔体B进行高纯氩气旋转喷吹除气处理；其中，氩气纯度不低于99.99％，氩气流量为0.22m³/h，转速为540转/分钟，氩气压力为0.32MPa，处理时间为26分钟；

步骤4：旋转喷吹除气结束后，将内盖放回到坩埚盖上，将熔体B升温至786℃，保温12分钟；当熔体B开始保温时，将在真空条件下浇铸成形的Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体置于喷涂有石墨基防护涂料的钢质浇包中，使预制体小端与浇包下壁的开孔部位对齐(浇包下壁开设有孔)；预热浇包，直至浇包内表面温度达到450℃；

步骤5：当熔体B在786℃完成保温处理，并且浇包预热完成后，移除坩埚盖中部的内盖，将浇包垂直缓慢没入熔体B表面，下沉浇包使熔体B由浇包下壁的开孔部位进入浇包内(随着浇包的下降，坩埚内的熔体B由浇包下壁的开孔部位进入浇包内)，熔体B进入浇包逐渐熔化Al-Cu-P-Sc-Dy薄壁喇叭状预制体，得熔体C；随着熔体B的进入，在浇包内外的铝合金熔体表面重合前的0.3至0.5s的时段内，采用塞杆密封浇包下壁的开孔；

步骤6：当塞杆与浇包底部形成紧密配合(密封)后，通过提升装置垂直提升浇包，使浇包底部脱离熔体C表面，并与熔体C表面保持13.5mm的距离；随后启动浇包上盖两侧的超声均匀化搅拌装置，搅拌熔体C，搅拌时间为14min；

步骤7：超声搅拌完成后，转移浇包至浇注成形工位，使浇包下部开孔部位与浇口贴合，使浇包下部开孔中心与浇口中心对齐，提升塞杆，使熔体C进入模具型腔，直至完成浇注成型；

步骤8：对浇注成形的型体进行固溶时效处理，固溶处理温度为535℃，固溶处理时间为160min，时效处理的淬火介质为86℃的自来水；固溶时效处理完成后的型体先在40℃的环境中放置31h，然后在180℃的时效炉中保温6.8h，保温结束后，在40℃空气中自然冷却，取出铝合金型体。

选用本实施例制得的铸造铝合金样品，按照GB228.1-2010金属材料拉伸试验,第一部分：室温试验方法进行常温力学性能测试，测得样品抗拉强度为480MPa，屈服强度为383MPa，断后伸长率为14.5％；按照GB229-1994金属夏氏比缺口冲击试验方法进行测试，样品Akv值为15.3J/cm²。