CN105063440B

CN105063440B - 一种高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料及其制备方法

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Publication number: CN105063440B
Application number: CN201510489552.8A
Authority: CN
Inventors: 陈强; 万元元; 赵高瞻; 黄志伟; 王艳彬; 夏祥生; 赵祖德
Original assignee: No 59 Research Institute of China Ordnance Industry
Current assignee: Southwest Institute of Technology and Engineering of China South Industries Group
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: CN105063440A

Abstract

本发明提供了一种高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料，其组分组成Mg：9.3‑9.8%，Zn：1.3‑1.5%，Ca：0.2‑0.4%，Ti：0.2‑0.4%，Ce：0.2‑0.5%，Sr：0.1‑0.15%，Fe≤0.15%，Ni≤0.03%，Cu≤0.06%，Si≤0.1%，Mn≤0.01%，余量为Al，以质量百分比计。所得铝镁合金材料室温力学性能优异、自然时效稳定性好及合金成分无害化。

Description

一种高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料技术领域的铸造铝镁合金材料，具体涉及一种高强韧高时效稳定性铸造铝镁合金材料。

背景技术

铸造铝镁合金(ZL3XX系列)作为一种比重轻、比强度高、综合力学性能优良和优良耐海水腐蚀性能的舰船设备用结构材料，已广泛应用于我国国防领域和民用船舶行业。但是随着装备性能升级和自然环境的复杂化提高，目前的常规铸造铝镁合金材料已不能满足新型舰船设备对关重构件力学性能与服役稳定性的要求。

铸造铝镁合金在我国有三种牌号。其中综合力学性能最好的是ZL305合金，其热处理态的抗拉强度为290MPa，断后伸长率为8％，布氏硬度为90。在舰船整体性能要求越来越高、服役环境越来越复杂的现代装备发展形势下，现有铸造铝镁合金因其力学性能指标已不满足现代舰船装备对关重构件的性能要求。而且该合金中含有毒性较大的金属铍元素，如果使用不当，会对环境造成污染。

近年来，关于研究高强度铸造铝镁合金材料方面的报道越来越多。在中国专利CN104561699A中记载的一种高强度铝镁合金材料，其成分为Al-Mg-Cu-Si-Zn-Mn-Ti-Cr-Zr-Sm-Nd-Y，其常温抗拉强度为300～400MPa，断后伸长率为12～14％，布氏硬度为60～75HB，此合金在同系列产品中具有较高的抗拉强度和断后伸长率。但是，由于此合金镁元素含量低，导致了固溶处理后硬度较低(低于ZL305合金的硬度)，难以满足武器装备复杂使用环境的要求；而且此合金加入了价格昂贵的Sm、Nd和Y等多种稀土元素，使得熔炼浇注工艺复杂且成本增加。

另外，在中国专利CN103540814A中记载了一种含镁量质量分数达到20～35％的铝镁合金，该合金具有高导热系数和较好抗拉强度。但是该合金的高镁元素含量已超过了镁元素在铝基体中的固溶度极限，极易导致在长时间自然时效状态下延伸率急剧下降，引起关重构件发生应力腐蚀和应力开裂。

发明内容

本发明目的在于提供一种室温力学性能优异、自然时效稳定性好及合金成分无害化的铸造铝镁合金。

一种高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料，其组分组成Mg：9.3-9.8％，Zn：1.3-1.5％，Ca：0.2-0.4％，Ti：0.2-0.4％，Ce：0.2-0.5％，Sr：0.1-0.15％，Fe≤0.15％，Ni≤0.03％，Cu≤0.06％，Si≤0.1％，Mn≤0.01％，余量为Al，以质量百分比计。严格控制合金中的铁、镍、铜、硅、锰等杂质元素，提高合金的力学性能。

镁元素(Mg)在本合金中与基体铝元素生成大量(Mg₅Al₈)相，而通过热处理淬火能使全部(Mg₅Al₈)相固溶到铝合金基体α相中，使得合金具有优异的良常温力学性能。

锌元素(Zn)在本合金中主要起到固溶强化作用，提高合金抗拉强度及硬度。

钛元素(Ti)能和铝元素形成体心立方结构的TiAl₃相，在合金的凝固过程中提供大量的非均匀形核核心，具有明显细化晶粒作用，显著提高合金在室温下的断后伸长率。

铈元素(Ce)能和铝元素在α基体中形成具有高熔点、高弥散度的细小针棒状AlCe相，具有强烈的异质强化作用，能显著提高基体合金的抗拉强度；并且细小弥散分布的AlCe相，能够抑制固溶在基体中的过饱和Mg₅Al₈相在后续的自然时效过程中析出及聚集长大，避免由于Mg₅Al₈相在晶界处形成连续的网格状组织而导致合金构件延伸率降低和引发应力腐蚀开裂。

钙元素(Ca)和锶元素(Sr)能在合金凝固过程中弥散分布在第二相生长前沿抑制第二相长大；还能增加合金氧化膜的致密度，减小合金熔体氧化烧损，提高合金的铸造充型性能；并且还可以抑制固溶在基体中的过饱和Mg₅Al₈相在后续的自然时效过程中析出。

严格控制合金中的铁、镍、铜、硅、锰等杂质元素，提高合金的力学性能。

本发明中的高强韧高稳定性铸造铝镁合金经过熔炼、铸造和固溶热处理后，室温抗拉强度不低于400MPa，延伸率不低于15％，布氏硬度不低于91HBS。经自然时效(48个月)处理后，室温抗拉强度不低于405MPa，延伸率不低于13％，布氏硬度不低于93HBS。

上述高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照铸造铝镁合金成分要求称原料，其中纯铝锭的铝含量不低于99.8％，纯镁锭的镁含量不低于99.95％，纯锌锭的锌含量不低于99.99％，铝钛中间合金中钛元素的平均含量不低于9.5％，铝钙中间合金中钙元素的平均含量不低于25％，铝锶中间合金中锶元素的平均含量不低于20％，镁铈中间合金中铈元素的含量不低于30％；将纯铝锭和纯镁锭进行喷砂去掉表面氧化皮，在电阻炉中将所有原材料在300℃进行预热处理，预热时间不低于2小时；

(2)将钢质坩埚预热至200℃，使用占坩埚容积1/3的沸水浇入熔炼坩埚中，待坩埚中的水不在沸腾后，将坩埚中的水全部倾倒出去；随后清理坩埚内壁和外壁上残留夹杂与氧化皮；

(3)将坩埚加热至150-200℃，使用重量百分比为氧化锌8±0.5％、碳酸钙8±0.5％、水玻璃5±0.5％、滑石粉5±0.5％、氟硼酸钾3±0.5％、水71±0.5％(优选为氧化锌8％、碳酸钙8％、水玻璃5％、滑石粉5％、氟硼酸钾3％、水71％)配比而成的坩埚涂料，按照坩埚内表面积(cm²)与涂料质量(Kg)比例为200，将坩埚涂料均匀涂刷到坩埚内壁；

(4)将坩埚升温至300℃并保温1小时后，将铝钛中间合金和纯铝锭按照由下向上的顺序紧实均匀码于坩埚内，然后在坩埚上部铺盖一层石棉纤维毡；调整炉温至880～890℃，随着坩埚内原料熔化，按照纯铝锭、锌锭、铝钙中间合金和铝锶中间合金的顺序加入各原料；

(5)当坩埚内原料熔化后，调整坩埚内熔体温度在720～740℃，在熔体表面铺撒轻质覆盖剂，轻质覆盖剂由RJ-2熔剂和占RJ-2熔剂重量百分比40％的KCl经机械混合组成；向坩埚中加入镁铈中间合金和纯镁锭；

(6)调整铝熔体温度为720～740℃，称取占熔体质量0.1-0.2％的ZS-AJ1铝合金精炼剂，使ZS-AJ1铝合金精炼剂在高纯氩气带动下吹入铝熔体底部，喷吹精炼时间为8-14分钟；

(7)调整熔体温度为710～720℃，准备浇注；

(8)在浇注舱内放入装有铝合金熔体的坩埚和预制铸型，抽取舱内空气使真空度值达到-0.068～-0.075MPa，保压2-3分钟，然后向浇注舱内灌注由体积份数比例为1∶99的六氟化硫和干燥氮气组成的混合气体使浇注舱内压力值达到0.2～0.4MPa，随后进行浇注成型；

(9)固溶热处理工艺：在电阻热处理炉的炉温小于200℃时，将铸件放入带循环风的热处理炉中；在升温速度为60-80℃/h条件下，将炉温升至435±5℃，并保温9.5-10h；然后在升温速度为30-50℃/h条件下，将炉温升490±3℃，并保温7.5-8h；将热处理中的材料放入96～98℃的水中进行淬火，并且材料从热处理炉中转移到淬火水槽中的时间不能超过20s。

有益效果

1.本发明通过在ZL305合金的基础上，加强了合金固溶强化作用，使得合金室温力学性能明显提高；细化了合金组织，使得合金在细晶强化作用下提高室温力学性能；在合金组织中形成的大量具有高熔点、高弥散度的细小针棒状AlCe相，不仅能发挥明显的异质强化作用，还能抑制过饱和Mg₅Al₈相在后续的自然时效过程中析出及聚集长大；抑制合金中第二相长大，抑制抑制过饱和Mg₅Al₈相在后续的自然时效过程中析出及聚集长大。

2.本发明所述高强韧高稳定性铸造铝镁合金比现有的铸造铝镁合金材料相比，合金综合力学性能和时效稳定性大幅提高；由于本合金不含有毒的铍元素，使得合金熔炼铸造过程安全性提高；由于钙元素和锶元素能提高合金氧化膜的致密度，使得本合金熔炼铸造工艺性能提高；并且降低了铁、镍、铜、硅、锰等杂质元素含量上限值，提高了合金耐蚀性能。本发明所述合金适合通过铸造工艺大规模生产综合力学性能及时效稳定性较高的舰船装备用结构件。

3.本发明制备方法中熔炼过程中镁元素烧损少，铝镁合金熔体在充型过程中发生氧化夹渣的几率减小，熔体含气量低；精炼达到双重净化除气造渣效果；同时防止了铝镁合金熔体中的镁元素在精炼过程中的氧化烧损；浇注中避免了镁元素氧化卷渣现象；铸件组织致密，各部位力学性能差异小，铸件本体取样达到针孔度一级。

4.本发明使用钢质坩埚熔进行熔炼浇注高强韧高稳定性铸造铝镁合金铸件。操作简单、生产成本较低、流程清晰，易于在工业生产中大规模推广应用。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种铝镁合金材料，其组分质量百分比为：Mg：9.3％，Zn：1.3％，Ca：0.2％，Ti：0.4％，Ce：0.35％，Sr：0.1％，Fe＝0.12％，Ni＝0.02％，Cu＝0.05％，Si＝0.07％，Mn＝0.006％，余量为Al。

制备方法，包括以下步骤：(1)按照Al-Mg-Zn-Ca-Ti-Ce-Sr铝镁合金成分要求，称取纯铝锭165Kg、纯镁锭16.8Kg、纯锌锭2.6Kg、铝10钛中间合金9.4Kg、铝钙中间合金1.9Kg、铝锶中间合金1.2Kg、镁30铈中间合金2.75Kg。其中纯铝锭的铝含量不低于99.8％，纯镁锭的镁含量不低于99.95％，纯锌锭的锌含量不低于99.99％，铝钛中间合金中钛元素的平均含量不低于9.5％，铝钙中间合金中钙元素的平均含量不低于25％，铝锶中间合金中锶元素的平均含量不低于20％，镁铈中间合金中铈元素的含量不低于30％。将纯铝锭和纯镁锭进行喷砂去掉表面氧化皮，在电阻炉中将所有原材料在炉温设定为300℃的台车式电阻炉中进行预热处理，预热4小时。

(2)将钢质坩埚在电阻坩锅炉中预热至200℃，吊出坩埚，使用占坩埚容积1/3的沸水浇入熔炼坩埚中，待坩埚中的水不在沸腾后，将坩埚中的水全部倾倒出去；随后使用钢铲清理坩埚干净坩埚内壁和外壁上残留夹杂与氧化皮。

(3)将清理干净的坩埚在电阻熔炼炉中加热升温至180℃，使用重量百分比为氧化锌8％、碳酸钙8％、水玻璃5％、滑石粉5％、氟硼酸钾3％、水71％配比而成的坩埚涂料5.5Kg，按照坩埚内表面积(cm²)与涂料质量(Kg)比例为200，将坩埚涂料均匀涂刷到坩埚内壁。

(4)将带涂料的坩埚升温至300℃并保温1小时后，使用加料钳将铝钛中间合金和纯铝锭按照由下向上的顺序紧实均匀码于坩埚内，然后在坩埚上部铺盖一层石棉纤维毡。将炉膛温度设定为885℃，随着坩埚内原料熔化的进行，按照纯铝锭、锌锭、铝钙中间合金和铝锶中间合金的顺序加入各原料。

(5)当坩埚内原料熔化完成后，调整坩埚内熔体温度在730℃之间，在熔体表面铺撒一层轻质覆盖剂，轻质覆盖剂由RJ-2熔剂+占RJ-2熔剂重量百分比40％的KCl经机械混合组成。使用经坩埚涂料涂刷完好的不锈钢质加料器，向坩埚中加入镁铈中间合金和纯镁锭，加料期间使用轻质覆盖剂覆盖因氧化膜磨损而外露的铝熔体液面，直至新加入原料全部熔化。

(6)调整铝熔体温度为740℃，称取占熔体质量0.18％的ZS-AJ1铝合金精炼剂，使ZS-AJ1铝合金精炼剂在高纯氩气(Ar含量为99.99％)带动下，经旋转喷吹除气机喷头均匀吹入铝熔体底部，旋转喷吹精炼时间为10分钟，精炼期间使用轻质覆盖剂覆盖因氧化膜磨损而外露的铝熔体液面。

(7)精炼完成后，使用经坩埚涂料涂刷完好的不锈钢质打渣勺清理熔体上表面熔剂与氧化渣的混合物，并重新铺撒一层新的轻质覆盖剂。调整熔体温度为715℃，准备浇注。

(8)使用打渣勺清理干净熔体上表面的轻质覆盖剂，并在熔体表面铺撒一层由硫磺粉和硼酸(二者质量比为1∶1)组成的阻燃剂。使用冶金行车将装满铝合金熔体的钢质坩埚从电阻熔炼炉中吊转至浇注舱内的旋转浇注台架上，随后将预制铸型吊装到旋转浇注台架下方。接着关闭浇注舱门，使用真空泵抽取舱内空气，直至相对真空度值达到-0.071MPa后，保压3分钟，然后向浇注舱内灌注由体积份数比例为1∶99的六氟化硫和干燥氮气组成的混合保护气体，直至浇注舱内压力值达到0.3MPa，随后转动旋转浇注台架，实现高镁铝镁合金铸件浇注成型；浇注工序在精炼完成后的40分钟内完成。

(9)固溶热处理工艺：在电阻热处理炉的炉温小于200℃时，将铸件放入带循环风的热处理炉中；在升温速度为70℃/h条件下，将炉温升至435℃，并保温10h；然后在升温速度为40℃/h条件下，将炉温升490℃，并保温8h；将热处理中的材料放入96℃的水中进行淬火，并且材料从热处理炉中转移到淬火水槽中的时间不能超过20s。

步骤(8)得到的铸件其镁元素平均烧损量为0.3％，铸件上部和下部本体镁元素含量差异为0.15％，铸件本体取样针孔度一级。

步骤(9)得到的铝镁合金，室温抗拉强度＝400MPa，延伸率＝18％，布氏硬度＝91HBS；经自然时效(48个月)处理后，室温抗拉强度＝405MPa，延伸率＝16％，布氏硬度＝93HBS。

实施例2

铝镁合金组分质量百分比为：Mg：9.8％，Zn：1.4％，Ca：0.3％，Ti：0.28％，Ce：0.45％，Sr：0.15％，Fe＝0.15％，Ni＝0.01％，Cu＝0.04％，Si＝0.1％，Mn＝0.008％，余量为Al。

制备方法，包括以下步骤：(1)按照Al-Mg-Zn-Ca-Ti-Ce-Sr铝镁合金成分要求，称取纯铝锭163.6Kg、纯镁锭17.7Kg、纯锌锭2.8Kg、铝10钛中间合金6.6Kg、铝钙中间合金2.85Kg、铝锶中间合金1.8Kg、镁30铈中间合金3.53Kg。其中纯铝锭的铝含量不低于99.8％，纯镁锭的镁含量不低于99.95％，纯锌锭的锌含量不低于99.99％，铝钛中间合金中钛元素的平均含量不低于9.5％，铝钙中间合金中钙元素的平均含量不低于25％，铝锶中间合金中锶元素的平均含量不低于20％，镁铈中间合金中铈元素的含量不低于30％。将纯铝锭和纯镁锭进行喷砂去掉表面氧化皮，在电阻炉中将所有原材料在炉温设定为300℃的台车式电阻炉中进行预热处理，预热4小时。

(3)将清理干净的坩埚在电阻熔炼炉中加热升温至150℃，使用重量百分比为氧化锌8％、碳酸钙8％、水玻璃5％、滑石粉5％、氟硼酸钾3％、水71％配比而成的坩埚涂料5.5Kg，按照坩埚内表面积(cm²)与涂料质量(Kg)比例为200，将坩埚涂料均匀涂刷到坩埚内壁。

(4)将带涂料的坩埚升温至300℃并保温1小时后，使用加料钳将铝钛中间合金和纯铝锭按照由下向上的顺序紧实均匀码于坩埚内，然后在坩埚上部铺盖一层石棉纤维毡。将炉膛温度设定为880℃，随着坩埚内原料熔化的进行，按照纯铝锭、锌锭、铝钙中间合金和铝锶中间合金的顺序加入各原料。

(5)当坩埚内原料熔化完成后，调整坩埚内熔体温度在720℃之间，在熔体表面铺撒一层轻质覆盖剂，轻质覆盖剂由RJ-2熔剂+占RJ-2熔剂重量百分比40％的KCl经机械混合组成。使用经坩埚涂料涂刷完好的不锈钢质加料器，向坩埚中加入镁铈中间合金和纯镁锭，加料期间使用轻质覆盖剂覆盖因氧化膜磨损而外露的铝熔体液面，直至新加入原料全部熔化。

(6)调整铝熔体温度为720℃，称取占熔体质量0.1％的ZS-AJ1铝合金精炼剂，使ZS-AJ1铝合金精炼剂在高纯氩气(Ar含量为99.99％)带动下，经旋转喷吹除气机喷头均匀吹入铝熔体底部，旋转喷吹精炼时间为8分钟，精炼期间使用轻质覆盖剂覆盖因氧化膜磨损而外露的铝熔体液面。

(7)精炼完成后，使用经坩埚涂料涂刷完好的不锈钢质打渣勺清理熔体上表面熔剂与氧化渣的混合物，并重新铺撒一层新的轻质覆盖剂。调整熔体温度为710℃，准备浇注。

(8)使用打渣勺清理干净熔体上表面的轻质覆盖剂，并在熔体表面铺撒一层由硫磺粉和硼酸(二者质量比为1∶1)组成的阻燃剂。使用冶金行车将装满铝合金熔体的钢质坩埚从电阻熔炼炉中吊转至浇注舱内的旋转浇注台架上，随后将预制铸型吊装到旋转浇注台架下方。接着关闭浇注舱门，使用真空泵抽取舱内空气，直至相对真空度值达到-0.0689MPa后，保压2分钟，然后向浇注舱内灌注由体积份数比例为1∶99的六氟化硫和干燥氮气组成的混合保护气体，直至浇注舱内压力值达到0.2MPa，随后转动旋转浇注台架，实现高镁铝镁合金铸件浇注成型；浇注工序在精炼完成后的40分钟内完成。

(9)固溶热处理工艺：在电阻热处理炉的炉温小于200℃时，将铸件放入带循环风的热处理炉中；在升温速度为60℃/h条件下，将炉温升至430℃，并保温9.5h；然后在升温速度为45℃/h条件下，将炉温升493℃，并保温7.6h；将热处理中的材料放入98℃的水中进行淬火，并且材料从热处理炉中转移到淬火水槽中的时间不能超过20s。

步骤(8)得到的铸件其镁元素平均烧损量为0.29％，铸件上部和下部本体镁元素含量差异为0.14％，铸件本体取样针孔度一级。

步骤(9)得到的铝镁合金，室温抗拉强度＝415MPa，延伸率＝15％，布氏硬度＝95HBS；经自然时效(48个月)处理后，室温抗拉强度＝420MPa，延伸率＝13％，布氏硬度＝98HBS。

实施例3

铝镁合金组分质量百分比为：Mg：9.4％，Zn：1.5％，Ca：0.4％，Ti：0.2％，Ce：0.5％，Sr：0.12％，Fe＝0.10％，Ni＝0.01％，Cu＝0.04％，Si＝0.08％，Mn＝0.01％，余量为Al。

制备方法，包括以下步骤：(1)按照Al-Mg-Zn-Ca-Ti-Ce-Sr铝镁合金成分要求，称取纯铝锭164Kg、纯镁锭17Kg、纯锌锭3Kg、铝10钛中间合金4.7Kg、铝钙中间合金2.8Kg、铝锶中间合金1.44Kg、镁30铈中间合金2.93Kg。其中纯铝锭的铝含量不低于99.8％，纯镁锭的镁含量不低于99.95％，纯锌锭的锌含量不低于99.99％，铝钛中间合金中钛元素的平均含量不低于9.5％，铝钙中间合金中钙元素的平均含量不低于25％，铝锶中间合金中锶元素的平均含量不低于20％，镁铈中间合金中铈元素的含量不低于30％。将纯铝锭和纯镁锭进行喷砂去掉表面氧化皮，在电阻炉中将所有原材料在炉温设定为300℃的台车式电阻炉中进行预热处理，预热4小时。

(3)将清理干净的坩埚在电阻熔炼炉中加热升温至200℃，使用重量百分比为氧化锌8％、碳酸钙8％、水玻璃5％、滑石粉5％、氟硼酸钾3％、水71％配比而成的坩埚涂料5.5Kg，按照坩埚内表面积(cm²)与涂料质量(Kg)比例为200，将坩埚涂料均匀涂刷到坩埚内壁。

(4)将带涂料的坩埚升温至300℃并保温1小时后，使用加料钳将铝钛中间合金和纯铝锭按照由下向上的顺序紧实均匀码于坩埚内，然后在坩埚上部铺盖一层石棉纤维毡。将炉膛温度设定为884℃，随着坩埚内原料熔化的进行，按照纯铝锭、锌锭、铝钙中间合金和铝锶中间合金的顺序加入各原料。

(6)调整铝熔体温度为730℃，称取占熔体质量0.15％的ZS-AJ1铝合金精炼剂，使ZS-AJ1铝合金精炼剂在高纯氩气(Ar含量为99.99％)带动下，经旋转喷吹除气机喷头均匀吹入铝熔体底部，旋转喷吹精炼时间为12分钟，精炼期间使用轻质覆盖剂覆盖因氧化膜磨损而外露的铝熔体液面。

(7)精炼完成后，使用经坩埚涂料涂刷完好的不锈钢质打渣勺清理熔体上表面熔剂与氧化渣的混合物，并重新铺撒一层新的轻质覆盖剂。调整熔体温度为716℃，准备浇注。

(8)使用打渣勺清理干净熔体上表面的轻质覆盖剂，并在熔体表面铺撒一层由硫磺粉和硼酸(二者质量比为1∶1)组成的阻燃剂。使用冶金行车将装满铝合金熔体的钢质坩埚从电阻熔炼炉中吊转至浇注舱内的旋转浇注台架上，随后将预制铸型吊装到旋转浇注台架下方。接着关闭浇注舱门，使用真空泵抽取舱内空气，直至相对真空度值达到-0.074MPa后，保压2.5分钟，然后向浇注舱内灌注由体积份数比例为1∶99的六氟化硫和干燥氮气组成的混合保护气体，直至浇注舱内压力值达到0.27MPa，随后转动旋转浇注台架，实现高镁铝镁合金铸件浇注成型；浇注工序在精炼完成后的40分钟内完成。

(9)固溶热处理工艺：在电阻热处理炉的炉温小于200℃时，将铸件放入带循环风的热处理炉中；在升温速度为73℃/h条件下，将炉温升至432℃，并保温9.6h；然后在升温速度为30℃/h条件下，将炉温升487℃，并保温7.8h；将热处理中的材料放入96℃的水中进行淬火，并且材料从热处理炉中转移到淬火水槽中的时间不能超过20s。

步骤(8)得到的铸件其镁元素平均烧损量为0.27％，铸件上部和下部本体镁元素含量差异为0.13％，铸件本体取样针孔度一级。

步骤(9)得到的铝镁合金，室温抗拉强度＝408MPa，延伸率＝16％，布氏硬度＝93HBS；经自然时效(48个月)处理后，室温抗拉强度＝411MPa，延伸率＝14％，布氏硬度＝96HBS。

实施例4

铝镁合金组分质量百分比为：Mg：9.6％，Zn：1.5％，Ca：0.4％，Ti：0.4％，Ce：0.2％，Sr：0.1％，Fe＝0.14％，Ni＝0.03％，Cu＝0.06％，Si＝0.08％，Mn＝0.01％，余量为Al。

制备方法，包括以下步骤：(1)按照Al-Mg-Zn-Ca-Ti-Ce-Sr铝镁合金成分要求，称取纯铝锭164Kg、纯镁锭17.3Kg、纯锌锭3Kg、铝10钛中间合金9.4Kg、铝钙中间合金3.8Kg、铝锶中间合金1.2Kg、镁30铈中间合金1.57Kg。其中纯铝锭的铝含量不低于99.8％，纯镁锭的镁含量不低于99.95％，纯锌锭的锌含量不低于99.99％，铝钛中间合金中钛元素的平均含量不低于9.5％，铝钙中间合金中钙元素的平均含量不低于25％，铝锶中间合金中锶元素的平均含量不低于20％，镁铈中间合金中铈元素的含量不低于30％。将纯铝锭和纯镁锭进行喷砂去掉表面氧化皮，在电阻炉中将所有原材料在炉温设定为300℃的台车式电阻炉中进行预热处理，预热4小时。

(3)将清理干净的坩埚在电阻熔炼炉中加热升温至175℃，使用重量百分比为氧化锌8％、碳酸钙8％、水玻璃5％、滑石粉5％、氟硼酸钾3％、水71％配比而成的坩埚涂料5.5Kg，按照坩埚内表面积(cm²)与涂料质量(Kg)比例为200，将坩埚涂料均匀涂刷到坩埚内壁。

(4)将带涂料的坩埚升温至300℃并保温1小时后，使用加料钳将铝钛中间合金和纯铝锭按照由下向上的顺序紧实均匀码于坩埚内，然后在坩埚上部铺盖一层石棉纤维毡。将炉膛温度设定为890℃，随着坩埚内原料熔化的进行，按照纯铝锭、锌锭、铝钙中间合金和铝锶中间合金的顺序加入各原料。

(5)当坩埚内原料熔化完成后，调整坩埚内熔体温度在740℃之间，在熔体表面铺撒一层轻质覆盖剂，轻质覆盖剂由RJ-2熔剂+占RJ-2熔剂重量百分比40％的KCl经机械混合组成。使用经坩埚涂料涂刷完好的不锈钢质加料器，向坩埚中加入镁铈中间合金和纯镁锭，加料期间使用轻质覆盖剂覆盖因氧化膜磨损而外露的铝熔体液面，直至新加入原料全部熔化。

(6)调整铝熔体温度为740℃，称取占熔体质量0.2％的ZS-AJ1铝合金精炼剂，使ZS-AJ1铝合金精炼剂在高纯氩气(Ar含量为99.99％)带动下，经旋转喷吹除气机喷头均匀吹入铝熔体底部，旋转喷吹精炼时间为14分钟，精炼期间使用轻质覆盖剂覆盖因氧化膜磨损而外露的铝熔体液面。

(7)精炼完成后，使用经坩埚涂料涂刷完好的不锈钢质打渣勺清理熔体上表面熔剂与氧化渣的混合物，并重新铺撒一层新的轻质覆盖剂。调整熔体温度为720℃，准备浇注。

(8)使用打渣勺清理干净熔体上表面的轻质覆盖剂，并在熔体表面铺撒一层由硫磺粉和硼酸(二者质量比为1∶1)组成的阻燃剂。使用冶金行车将装满铝合金熔体的钢质坩埚从电阻熔炼炉中吊转至浇注舱内的旋转浇注台架上，随后将预制铸型吊装到旋转浇注台架下方。接着关闭浇注舱门，使用真空泵抽取舱内空气，直至相对真空度值达到-0.075MPa后，保压3分钟，然后向浇注舱内灌注由体积份数比例为1∶99的六氟化硫和干燥氮气组成的混合保护气体，直至浇注舱内压力值达到0.3MPa，随后转动旋转浇注台架，实现高镁铝镁合金铸件浇注成型；浇注工序在精炼完成后的40分钟内完成。

(9)固溶热处理工艺：在电阻热处理炉的炉温小于200℃时，将铸件放入带循环风的热处理炉中；在升温速度为80℃/h条件下，将炉温升至440℃，并保温10h；然后在升温速度为50℃/h条件下，将炉温升492℃，并保温7.5h；将热处理中的材料放入98℃的水中进行淬火，并且材料从热处理炉中转移到淬火水槽中的时间不能超过20s。

步骤(8)得到的铸件其镁元素平均烧损量为0.28％，铸件上部和下部本体镁元素含量差异为0.15％，铸件本体取样针孔度一级。

步骤(9)得到的铝镁合金，室温抗拉强度＝410MPa，延伸率＝15％，布氏硬度＝93HBS；经自然时效(48个月)处理后，室温抗拉强度＝414MPa，延伸率＝14％，布氏硬度＝95HBS。

表1作为对照的常用铸造铝镁合金材料常温力学性能时效时间的关系

Claims

1.一种高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料，其组分包括：Mg：9.3～9.8%，Zn：1.3～1.5%，Ca：0.2～0.4%，Ti：0.2～0.4%，Ce：0.2～0.5%，Sr：0.1～0.15%， Fe≤0.15%，Ni≤0.03%，Cu≤0.06%，Si≤0.1%，Mn≤0.01%，余量为Al，以质量百分比计；室温抗拉强度不低于400MPa，延伸率不低于15%，布氏硬度不低于91HBS。

2.如权利要求1所述的高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料，经自然时效48个月处理后，室温抗拉强度不低于405MPa，延伸率不低于13%，布氏硬度不低于93HBS。

3.如权利要求1或2所述的高强韧高稳定性铸造铝镁合金材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照铸造铝镁合金成分要求称原料，其中纯铝锭的铝含量不低于99.8%，纯镁锭的镁含量不低于99.95%，纯锌锭的锌含量不低于99.99%，铝钛中间合金中钛元素的平均含量不低于9.5%，铝钙中间合金中钙元素的平均含量不低于25%，铝锶中间合金中锶元素的平均含量不低于20%，镁铈中间合金中铈元素的含量不低于30%；将纯铝锭和纯镁锭进行喷砂去掉表面氧化皮，在电阻炉中将所有原材料在300℃进行预热处理，预热时间不低于2小时；

（2）将钢质坩埚预热至200℃，使用占坩埚容积1/3的沸水浇入坩埚中，待坩埚中的水不再沸腾后，将坩埚中的水全部倾倒出去；随后清理坩埚内壁和外壁上残留夹杂与氧化皮；

（3）将坩埚加热至150-200℃，使用重量百分比为氧化锌8±0.5%、碳酸钙8±0.5%、水玻璃5±0.5%、滑石粉5±0.5%、氟硼酸钾3±0.5%、水71±0.5%配比而成的坩埚涂料，按照坩埚内表面积cm²与涂料质量Kg比例为200，将坩埚涂料均匀涂刷到坩埚内壁；

（4）将坩埚升温至300℃并保温1小时后，将铝钛中间合金和纯铝锭按照由下向上的顺序紧实均匀码于坩埚内，然后在坩埚上部铺盖一层石棉纤维毡；调整炉温至880～890℃，随着坩埚内原料熔化，按照纯铝锭、纯锌锭、铝钙中间合金和铝锶中间合金的顺序加入各原料；

（5）当坩埚内原料熔化后，调整坩埚内熔体温度在720～740℃，在熔体表面铺撒轻质覆盖剂，轻质覆盖剂由RJ-2熔剂和占RJ-2熔剂重量百分比40%的KCl经机械混合组成；向坩埚中加入镁铈中间合金和纯镁锭；

（6）调整铝熔体温度为720～740℃，称取占熔体质量0.1-0.2%的ZS-AJ1铝合金精炼剂，使ZS-AJ1铝合金精炼剂在高纯氩气带动下吹入铝熔体底部，喷吹精炼时间为8-14分钟；

（7）调整熔体温度为710～720℃，准备浇注；

（8）在浇注舱内放入装有铝合金熔体的坩埚和预制铸型，抽取舱内空气使真空度值达到-0.068～-0.075MPa，保压2-3分钟，然后向浇注舱内灌注由体积份数比例为1:99的六氟化硫和干燥氮气组成的混合气体使浇注舱内压力值达到0.2～0.4MPa，随后进行浇注成型；

（9）固溶热处理工艺：在电阻热处理炉的炉温小于200℃时，将铸件放入带循环风的热处理炉中；在升温速度为60～80℃/h条件下，将炉温升至435±5℃，并保温9.5～10h；然后在升温速度为30～50℃/h条件下，将炉温升至490±3℃，并保温7.5～8h；将热处理中的材料放入96～98℃的水中进行淬火，并且材料从热处理炉中转移到淬火水槽中的时间不能超过20s。