本发明涉及一种铝硅合金及其制备工艺，特别涉及一种含钪高强韧铝硅合金及其制备工艺。
背景技术：
高性能铝合金是现代交通运输工具实现轻量化的必要基础，同时在国防装备中也有着巨大需求。就目前全球汽车制造行业而言，每辆汽车的铝合金平均用量均超出120kg，约占全车总重的10％，车重每降低100kg，油耗可减少0.7l/100km，轻量化设计已成为当前燃油型与新能源车辆设计最关键的指标，以铝代钢的趋势不断增显。近些年来，压铸铝合金已在汽车工业中广泛应用以取代较重的同类材料，然而，商用铝合金无法提供200mpa以上的屈服强度和330mpa以上的极限抗拉强度，以及铸态下令人满意的延展性，且绝大部分的铝合金制备均是通过热处理完成的，成本消耗巨大，这就对合金材料及其制备工艺提出了更高的要求。
铝硅压铸合金因结晶温度间隔小、硅相凝固结晶潜热和比热容大、线收缩率小、且具有良好的流动性能、充型性能和较小的热裂、疏松倾向，因此应用广泛。在实际铸造条件下，即非平衡凝固中，亚共晶铝硅合金微观组织中初生α-al呈粗大树枝状，合金性能受层片状共晶si相和针状富fe相(如β-al5fesi)影响严重。因此，工业生产中会对铝硅合金α-al晶粒细化，共晶si和富fe相进行变质和改性处理使其应用更加广泛。
钪对铝及铝合金有强烈的晶粒细化作用，其效果比其他过渡族元素更明显。采用微量的对铝合金进行合金化，可以有效的提高合金的强度、韧性、耐蚀性能和焊接性能。含钪铝合金成为继铝锂合金后新一代航空、航天、舰船用轻质结构材料。如何用钪来改善亚共晶铝硅合金的微观组织，细化晶粒的同时改性铝硅合金中共晶硅形态，提高亚共晶铝硅合金的强韧性，对扩大亚共晶铝硅合金的应用范围至关重要。
本发明旨在研发出一款高强韧含钪压铸铝硅合金来解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术的商用铝合金铸态下强度低，韧性差，延展性不够的问题，本发明提供一种含含钪高强韧铝硅合金。
本发明的目的之二在于提供一种含含钪高强韧铝硅合金的制备工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种含钪高强韧铝硅合金，所述含钪高强韧铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：
sc:0.15-0.2％，si：9.5-11.5％，mg：0.1-0.35％，mn：0.08-0.3％，zn：0.01-0.2％，co0.2-1.0％，其余为al及不可避免杂质，该含钪高强韧铝硅合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
0.8≤({mn}+{zn})/{mg}≤1.0……(1)；
{co}/{mg}≧1.5……(2)；
其中{mn}，{zn}，{mg}和{co}分别表示含钪高强韧铝硅合金中mn、zn、mg和co的重量百分比。
超高强铝合金的合金化程度相对较高，因此合金在凝固过程中极易产生元素偏析，且合金在快速冷却时产生的非平衡结晶效应会造成粗大的共晶组织在晶届处聚集。同时，合金快速冷却会在基体中产生较强的内应力。非平衡项的析出和内应力的产生均可能造成材料加工性能的下降，同时影响最终合金制品的性能(强度、韧性和耐腐蚀性)
本发明的含钪高强韧铝硅合金，通过向铝硅合金中添加钪、锰、锌、钴元素，且{mn}，{zn}，{mg}和{co}的百分比含量进行了严格的管控，可以达到细化铝枝晶和共晶硅的作用，显著提高铝硅合金的强韧性，同时通过有效的热处理工艺，克服了合金元素的非平衡项的析出。通过材料的成分调控，使合金可在室温时效时间内产生自然时效效果。
其中({mn}+{zn})/{mg}的含量范围∈(0.8-1.0)，本申请的发明人实践发现，({mn}+{zn})的总含量以及相当于{mg}含量的比值对含钪高强韧铝硅合金的综合性能影响显著。({mn}+{zn})的总含量太低时，无法实现解决高强度和韧性的效果，但与{mg}含量也需要关联，综合考虑，({mn}+{zn})含量受制于{mg}含量的影响。
co(钴)的添加，提高强度较好。因此，从提高合金特性的角度，co的添加量越高越好。但是，由于co在铝基体中的固溶度比较小，过多添加失去意义。如果co的含有量太小的话，很难有效地达到本发明的强度目标。因此，co的含有量必须控制在0.2-1.0％。且钴的用量与{mg}含量也需要关联，综合考虑，co(钴)含量受制于{mg}含量的影响。
优选的，所述含钪高强韧铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：
sc:0.16-0.18％，si：10.5-11.0％，mg：0.15-0.30％，mn：0.1-0.20％，zn：0.05-0.10％，co0.4-0.6％，其余为al及不可避免杂质，该含钪高强韧铝硅合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
({mn}+{zn})/{mg}＝1……(1)；
{co}/{mg}≧2.0……(2)；
其中{mn}，{zn}，{mg}和{co}分别表示含钪高强韧铝硅合金中mn、zn、mg和co的重量百分比。
优选的，所述含钪高强韧铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：
sc:0.18％，si：10.0％，mg：0.2％，mn：0.195％，zn：0.05％，co0.5％，其余为al及不可避免杂质。
优选的，还包括fe、cr、zr和ti中的任意一种或多种元素，而且其总量为1.0wt％以下。
优选的，fe、cr、zr和ti中的任意一种或多种元素其总量为0.4-0.6wt％。
对于其它的元素，根据具体情况可以含有fe，cr，zr，ti元素。fe，cr、zr、ti有细化铸造后的晶粒，减缓元素偏析的作用；在含有fe，cr、zr、ti元素中的一种或一种以上时，要充分发挥上述的各种作用，其总含有量优选在0.01wt％以上。但是，上述各种元素的含有量过多，容易导致热加工性或者冷加工性的降低，以及原料成本的增加。因此，这些元素的总含有量优选控制在1.0wt％以下。
优选的，具有平均晶粒直径为8-12μm。本发明者的详细调查的结果，如果最终的平均晶粒直径在8μm以上，12μm以下，能同时满足本发明上述对韧性和强度的要求目标。
一种含钪高强韧铝硅合金的制备工艺：
步骤s1熔炼：将纯铝锭放入熔器中，升温至730-750℃，待铝块半熔化后，撒上一层覆盖剂，待铝液完全熔化后，将温度升至800-820℃，升温过程中按配比依次放入铝硅和铝锰，待温度升至800-820℃，按配比依次投入铝钪、铝钴，熔化后搅拌均匀保温30-45min，降温至700-720℃后加入纯镁锭和锌锭，搅拌均匀进行精炼，精炼15-30min后利用旋转喷吹高纯氩气法进行除气，除气时间15-30min后扒渣，再在680-690℃保温静置15-20min，进行化学成分检测，各组元组分含量达标后完成铸造，得到混合铝液；
步骤s2压铸：将熔炼好的混合铝液进行标准挤压铸造，铝液温度控制在660-690℃，模具温度控制在200-220℃进行；
步骤s3热处理：铸件在440-450℃固溶处理4-6h，然后选择150-160℃人工时效4-12h，或者，选择自然时效12-24h。
优选的，步骤s1中，升温过程的升温速率均在1.5-2.0℃/min。
优选的，步骤s3热处理采用人工时效处理，处理时间6-8h。
优选的，步骤s3热处理采用自然时效处理，处理时间16-20h。
本发明的实施例中，不同时效处理方式后的性能为：人工时效处理后，抗拉强度340～360mpa，屈服强度≥220mp，延伸率4-5％；自然时效处理后，抗拉强度320～350mpa，屈服强度≥180mpa，延伸率6-8％。人工时效后材料强度性能较自然时效有所提升，但延伸率有所降低。
本发明的有益效果是：本发明的含钪高强韧铝硅合金，通过向铝硅合金中添加钪、锰、锌、钴元素，且{mn}，{zn}，{mg}和{co}的百分比含量进行了严格的管控，可以达到细化铝枝晶和共晶硅的作用，显著提高铝硅合金的强韧性，同时通过有效的热处理工艺，克服了合金元素的非平衡项的析出。通过材料的成分调控，使合金可在室温时效时间内产生自然时效效果。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
实施例1：
一种含钪高强韧铝硅合金，所述含钪高强韧铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：sc:0.15％，si：9.5％，mg：0.1％，mn：0.08％，zn：0.01％，co0.2％，其余为al及不可避免杂质，该含钪高强韧铝硅合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
0.8≤({mn}+{zn})/{mg}≤1.0……(1)，具体({mn}+{zn})/{mg}＝0.9；
{co}/{mg}≧1.5……(2)；具体{co}/{mg}＝2；
其中{mn}，{zn}，{mg}和{co}分别表示含钪高强韧铝硅合金中mn、zn、mg和co的重量百分比。
实施例1的含钪高强韧铝硅合金，具有平均晶粒直径为8-12μm。其制备工艺如下：
步骤s1熔炼：将纯铝锭放入熔器中，升温至730-740℃，待铝块半熔化后，撒上一层覆盖剂，待铝液完全熔化后，将温度升至800-820℃，升温过程中按配比依次放入铝硅和铝锰，待温度升至800-810℃，按配比依次投入铝钪、铝钴，熔化后搅拌均匀保温30-35min，降温至700-710℃后加入纯镁锭和锌锭，搅拌均匀进行精炼，精炼15-20min后利用旋转喷吹高纯氩气法进行除气，除气时间15-20min后扒渣，再在680-690℃保温静置15-20min，进行化学成分检测，各组元组分含量达标后完成铸造，得到混合铝液；
步骤s2压铸：将熔炼好的混合铝液进行标准挤压铸造，铝液温度控制在660-670℃，模具温度控制在200-210℃进行；
步骤s3热处理：铸件在440℃固溶处理6h，然后选择150℃人工时效12h。步骤s1中，升温过程的升温速率均在1.5℃/min。
实施例1的含钪高强韧铝硅合金抗拉强度342mpa，屈服强度232mp，延伸率4.2％
实施例2：
一种含钪高强韧铝硅合金，所述含钪高强韧铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：
sc:0.2％，si：11.5％，mg：0.35％，mn：0.3％，zn：0.05％，co1.0％，其余为al及不可避免杂质，该含钪高强韧铝硅合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
0.8≤({mn}+{zn})/{mg}≤1.0……(1)；具体({mn}+{zn})/{mg}＝1.0；
{co}/{mg}≧1.5……(2)；具体{co}/{mg}＝2.858；
其中{mn}，{zn}，{mg}和{co}分别表示含钪高强韧铝硅合金中mn、zn、mg和co的重量百分比。
实施例2的含钪高强韧铝硅合金，具有平均晶粒直径为8-12μm。其制备工艺：
步骤s1熔炼：将纯铝锭放入熔器中，升温至740-750℃，待铝块半熔化后，撒上一层覆盖剂，待铝液完全熔化后，将温度升至810-820℃，升温过程中按配比依次放入铝硅和铝锰，待温度升至810-820℃，按配比依次投入铝钪、铝钴，熔化后搅拌均匀保温40-45min，降温至710-720℃后加入纯镁锭和锌锭，搅拌均匀进行精炼，精炼25-30min后利用旋转喷吹高纯氩气法进行除气，除气时间25-30min后扒渣，再在680-690℃保温静置15-20min，进行化学成分检测，各组元组分含量达标后完成铸造，得到混合铝液；
步骤s2压铸：将熔炼好的混合铝液进行标准挤压铸造，铝液温度控制在680-690℃，模具温度控制在210-220℃进行；
步骤s3热处理：铸件在450℃固溶处理4h，然后选择160℃人工时效4h。
实施例2的含钪高强韧铝硅合金抗拉强度352mpa，屈服强度236mp，延伸率4.49％
实施例3：
一种含钪高强韧铝硅合金，所述含钪高强韧铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：
所述含钪高强韧铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：
sc:0.16％，si：10.5％，mg：0.15％，mn：0.1％，zn：0.05％，co0.4％，其余为al及不可避免杂质，该含钪高强韧铝硅合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
({mn}+{zn})/{mg}＝1……(1)；
{co}/{mg}＝2.667……(2)；
其中{mn}，{zn}，{mg}和{co}分别表示含钪高强韧铝硅合金中mn、zn、mg和co的重量百分比。
实施例3具有平均晶粒直径为8-12μm。制备工艺：步骤s1熔炼：将纯铝锭放入熔器中，升温至730-740℃，待铝块半熔化后，撒上一层覆盖剂，待铝液完全熔化后，将温度升至800℃，升温过程中按配比依次放入铝硅和铝锰，待温度升至800℃，按配比依次投入铝钪、铝钴，熔化后搅拌均匀保温45min，降温至700℃后加入纯镁锭和锌锭，搅拌均匀进行精炼，精炼30min后利用旋转喷吹高纯氩气法进行除气，除气时间30min后扒渣，再在680℃保温静置20min，进行化学成分检测，各组元组分含量达标后完成铸造，得到混合铝液；
步骤s2压铸：将熔炼好的混合铝液进行标准挤压铸造，铝液温度控制在660℃，模具温度控制在220℃进行；
步骤s3热处理：铸件在450℃固溶处理4h，选择自然时效12h。
实施例3的含钪高强韧铝硅合金抗拉强度328mpa，屈服强度186mp，延伸率6.9％
实施例4：
一种含钪高强韧铝硅合金，所述含钪高强韧铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：
sc:0.18％，si：11.0％，mg：0.20％，mn：0.1％，zn：0.10％，co0.6％，其余为al及不可避免杂质，该含钪高强韧铝硅合金具有满足下面式(1)、(2)的成分比例关系：
({mn}+{zn})/{mg}＝1……(1)；
{co}/{mg}＝3.0……(2)；
其中{mn}，{zn}，{mg}和{co}分别表示含钪高强韧铝硅合金中mn、zn、mg和co的重量百分比。
实施例4的含钪高强韧铝硅合金，具有平均晶粒直径为8-12μm。其制备工艺：
步骤s1熔炼：将纯铝锭放入熔器中，升温至745-750℃，待铝块半熔化后，撒上一层覆盖剂，待铝液完全熔化后，将温度升至810-820℃，升温过程中按配比依次放入铝硅和铝锰，待温度升至810-820℃，按配比依次投入铝钪、铝钴，熔化后搅拌均匀保温40-45min，降温至710-720℃后加入纯镁锭和锌锭，搅拌均匀进行精炼，精炼25-30min后利用旋转喷吹高纯氩气法进行除气，除气时间25-30min后扒渣，再在680-690℃保温静置15-20min，进行化学成分检测，各组元组分含量达标后完成铸造，得到混合铝液；
步骤s2压铸：将熔炼好的混合铝液进行标准挤压铸造，铝液温度控制在680-690℃，模具温度控制在210-220℃进行；
步骤s3热处理：铸件在450℃固溶处理4h，然后选择自然时效24h。
实施例4的含钪高强韧铝硅合金抗拉强度332mpa，屈服强度196mp，延伸率7.29％
实施例5：
一种含钪高强韧铝硅合金，所述含钪高强韧铝硅合金各组元组分按重量百分比计如下：sc:0.18％，si：10.0％，mg：0.2％，mn：0.195％，zn：0.05％，co0.5％，其余为al及不可避免杂质。
制备工艺同实施例1。
实施例5的含钪高强韧铝硅合金抗拉强度352mpa，屈服强度232mp，延伸率4.6％
实施例6：
基本同实施例1，不同之处在于还含有：fe、cr总量为0.4wt％，各0.2％。
实施例6的含钪高强韧铝硅合金抗拉强度353mpa，屈服强度235mp，延伸率4.35％
实施例7
基本同实施例1，不同之处在于还含有：zr和ti，总量为0.6wt％，各0.3％。
实施例7的含钪高强韧铝硅合金抗拉强度355mpa，屈服强度234mp，延伸率4.3％
实施例8
基本同实施例1，不同之处在于还含有：fe、cr、zr和ti，总量为1.0wt％
实施例8的含钪高强韧铝硅合金抗拉强度360mpa，屈服强度242mp，延伸率4.6％
超高强铝合金的合金化程度相对较高，因此合金在凝固过程中极易产生元素偏析，且合金在快速冷却时产生的非平衡结晶效应会造成粗大的共晶组织在晶届处聚集。同时，合金快速冷却会在基体中产生较强的内应力。非平衡项的析出和内应力的产生均可能造成材料加工性能的下降，同时影响最终合金制品的性能(强度、韧性和耐腐蚀性)
本发明的含钪高强韧铝硅合金，通过向铝硅合金中添加钪、锰、锌、钴元素，且{mn}，{zn}，{mg}和{co}的百分比含量进行了严格的管控，可以达到细化铝枝晶和共晶硅的作用，显著提高铝硅合金的强韧性，同时通过有效的热处理工艺，克服了合金元素的非平衡项的析出。通过材料的成分调控，使合金可在室温时效时间内产生自然时效效果。
其中({mn}+{zn})/{mg}的含量范围∈(0.8-1.0)，本申请的发明人实践发现，({mn}+{zn})的总含量以及相当于{mg}含量的比值对含钪高强韧铝硅合金的综合性能影响显著。({mn}+{zn})的总含量太低时，无法实现解决高强度和韧性的效果，但与{mg}含量也需要关联，综合考虑，({mn}+{zn})含量受制于{mg}含量的影响。
co(钴)的添加，提高强度较好。因此，从提高合金特性的角度，co的添加量越高越好。但是，由于co在铝基体中的固溶度比较小，过多添加失去意义。如果co的含有量太小的话，很难有效地达到本发明的强度目标。因此，co的含有量必须控制在0.2-1.0％。且钴的用量与{mg}含量也需要关联，综合考虑，co(钴)含量受制于{mg}含量的影响。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。