CN109811210A - 基于金属型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及基于金属型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料及其制备，所述铝合金材料由质量百分数计的如下元素组成，Mg：2.0％～4.5％，Zn：3.0％～5.5％，Cu：0.5％～1.5％，稀土元素Ce、La的一种或两种：0.01％～1.0％，Ti：0.00005％～0.5％，B：0.00001％～0.1％，Mn、Cr、V中的一种或两种以上：2.0％～9.0％，余量为Al，杂质≤0.30％。所述铝合金材料该材料力学性能优良、弹性模量高，解决现有技术中汽车轻量化工艺中所用铝合金弹性模量和强度无法满足使用要求的问题，拓宽铝合金材料的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于金属材料类技术领域，具体涉及基于金属型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料，还涉及上述铝合金材料的制备方法。
背景技术
铝合金是以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。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。
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。近年来铝合金在汽车行业应用越来越多，汽车行业的应用对铝合金性能提出了更高的要求，一些重要部件，如汽车卡钳，不但要求铝合金具有较高的强度，同时还需要高的弹性模量，超出目前使用的常用铝合金弹性模量范围，通常铝合金的弹性模量为72GPa，无法满足其用于制备汽车零部件的使用要求。
现有技术中，提高铝合金弹性模量的方法主要有合金化法和复合化；其中，合金化法主要是通过加入锂(Li)制备铝锂合金，如中国专利文献CN105648283A公开一种低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法，弹性模量不低于78GPa，但Li元素性质活泼，成本高，主要用于航空航天领域；复合化法主要是加入SiC、Ti2B等颗粒制备铝基复合材料，如中国专利文献CN106834833A公开一种高模量、超高强TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu复合材料及其制备方法，可以获得高模量的铝合金，但其工艺复杂，成本高，主要用于航空航天领域，迫切需要开发工艺简单、成本低廉的高强韧高模量铝合金用于汽车领域，推动汽车轻量化发展。
发明内容
本发明的主要目的是提供基于金属型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料，该材料力学性能优良、弹性模量高，解决现有技术中汽车轻量化工艺中所用铝合金弹性模量和强度无法满足使用要求的问题，拓宽铝合金材料的应用领域。
本发明的另一目的是提供上述铝合金材料的制备方法，工艺稳定性好。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
第一方面，基于金属型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成，Mg：2.0％～4.5％，Zn：3.0％～5.5％，Cu：0.5％～1.5％，稀土元素Ce、La的一种或两种：0.01％～1.0％，Ti：0.00005％～0.5％，B：0.00001％～0.1％，Mn、Cr、V中的一种或两种以上：2.0％～9.0％，余量为Al，杂质≤0.30％；其中，所述杂质为Fe和Si，Fe≤0.15％，Si≤0.15％。
所述Zn元素为铝合金总质量的3.0％～5.5％，Zn含量不宜过高或过低，过高则增加合金的开裂倾向，过低则会降低析出强化效果，降低强度。
所述Cu元素为铝合金总质量的0.5％～1.5％，Cu含量不宜过高或过低，过高则形成硬脆Al2CuMg相，降低合金塑性，过低则析出强化相密度减小，降低强度效果。
进一步地，所述B元素为铝合金总质量的0.002％～0.0085％。B元素的加入，与Ti协同细化合金组织，其细化效果会比单独加入Ti效果更优异，主要原因是B和Ti形成了TiB2粒子，由于TiB2熔点高，能稳定存在于熔体中，Ti原子向TiB2迁移，最终在其表面形成TiAl3，大大增加形核粒子TiAl3的数量，显著细化合金，提高铝合金材料的力学性能。
进一步地，所述Al、Zn和Mg分别选自工业纯铝、工业纯锌和工业纯镁；所述Cu、稀土元素Ce、La分别以铝铜中间合金、铝-稀土中间合金加入；所述Ti、B以铝钛硼中间合金加入；所述Mn、Cr、V分别以铝锰、铝铬、铝钒中间合金加入。
更进一步地，所述铝-稀土中间合金为铝-铈中间合金、铝-富铈混合稀土或铝-镧中间合金中至少一种。
第二方面，上述高强韧高模量铝合金材料的挤压铸造工艺，包括如下步骤：
S1：熔炼合金，制备铝合金熔体；
S2：将铝合金熔体在680～730℃下进行金属型重力铸造，模温为150～300℃，冷却速率为2.0～50.0K/s，制备得到铝合金铸件；
S3：将铝合金铸件进行依次包括固溶处理和时效处理的热处理，所述固溶处理是在450～500℃的条件下保温4～48小时，水冷，水温0～80℃；所述时效处理是在100～225℃的条件下保温4～32小时，制备得到铝合金材料；其中，步骤S1包括如下分步骤：
(1)烘料：将工业纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰、铝铬、铝钒中间合金原料分别预热至200～300℃，保温0.5～2小时；
(2)熔炼：温度至200～300℃时，加入工业纯铝、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体升温至740～800℃，加入工业纯锌、铝-稀土中间合金、铝-锰、铝-铬、铝-钒中间合金，至熔清。熔体温度降至730～740℃之间时，加入工业纯镁熔化，压入熔体搅拌至熔清；
(3)精炼：熔体升温至735～745℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，撇去浮渣，静置熔体；
(4)除气：向步骤(3)中制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌5～10分钟；
(5)细化：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入铝钛硼中间合金，进行细化，撇去浮渣，获得铝合金熔体。
进一步地，所述步骤(1)中所述原料在200～300℃保温1小时；合理的保温时间，在保证烘干的条件下，缩短烘料时间，节约能源。
进一步地，所述步骤(2)中，熔体温度为780℃时加入工业纯锌、铝-稀土中间合金，铝-锰，铝-铬，铝-钒中间合金，搅拌至熔清。可使合金元素快速熔化并扩散均匀，减少合金元素的聚集沉淀。
进一步地，所述步骤(3)中，所述精炼剂为无钠盐的铝合金精炼剂，且精炼剂的添加量为熔体总质量的0.2％～1.5％；熔体升温至740℃时加入精炼剂进行精炼，使精炼过程时间充足，保证精炼效果。
进一步地，所述步骤(4)采用的保护气氛为N2保护；所述覆盖剂为MgCl2和KCl质量比为3：2的混合物，且覆盖剂的添加量为熔体总质量的0.2％～1.5％。
进一步地，步骤S3中，所述固溶处理是在450～500℃的条件下保温4～36小时，水冷，水温0～80℃；所述时效处理是在100～225℃的条件下保温4～30小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)基础合金Al-Mg-Zn-Cu具有时效析出强化特性，强韧性好。本发明利用复合合金化向基体合金中同时加入Mn、Cr、V中的一种或多种以及稀土元素Ce、La，达到提高合金弹性模量，并保持基体合金优异的力学性能。
(2)本发明加入Mn、Cr、V中的一种或多种，主要目的是在铝基体中形成一定数量的高模量金属间化合物，如Al6Mn、Al7Cr、Al10V等，达到提高合金的弹性模量；而稀土元素Ce、La对上述金属间化合物具有变质作用，铝液中Ce、La能富集在初生Al6Mn、Al7Cr、Al10V相的表面，抑制其生长并改变生长方向，改善初生相形貌，将粗大针片状Al6Mn、Al7Cr、Al10V相转变成小块、颗粒状Al6Mn、Al7Cr、Al10V相，缓解金属间化合物对基体的割裂作用，从而保持基体合金优异的力学性能，并具有高模量的目的。
(3)复合加入少量的Ti和B，可以形成TiB2粒子，是α-Al的有效形核剂，可以极大细化α-Al基体，从而提高合金的力学性能，并改善合金的铸造性能。
(4)本制备方法简单、工艺稳定性好、工艺可控度高。
附图说明
图1为实施例9所得高强韧高模量铝合金材料的金相结构图。
图2为对比例1所得高强韧高模量铝合金材料的金相结构图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
在以下具体实施例和对比例中，均采用共振法测定合金材料的弹性模量，参照《GB/T22315-2008：金属材料弹性模量和泊松比试验方法》；采用室温拉伸法测试合金的拉伸力学性能，参照《GB/T228-2002：金属材料室温拉伸试验方法》。
实施例1
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：2.0％，Zn：3.0％，Cu：0.5％，Ti：0.002％，B：0.0005％，Ce：0.3％，La：0.2％，Cr：5.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-铈、铝-镧、铝-铬中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在720℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率12K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在470℃的环境下保温24小时，水冷，水温25℃；时效处理是在150℃的环境下保温16小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度437MPa，屈服强度320MPa，伸长率6.0％，弹性模量是88.4GPa。
实施例2
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：3.6％，Zn：3.0％，Cu：1.5％，Ti：0.00005％，B：0.00001％，Ce：0.2％，La：0.1％，Mn：1.0％，Cr：1.0％，V：1.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-铈、铝-镧、铝-锰、铝-铬、铝-钒中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在730℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率8K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在485℃的环境下保温12小时，水冷，水温25℃；时效处理是在150℃的环境下保温16小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度431MPa，屈服强度316MPa，伸长率8.0％，弹性模量是86.3GPa。
实施例3
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成Mg：4.0％，Zn：4.7％，Cu：0.7％，Ti：0.01％，B：0.002％，La：0.01％，Cr：2.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-镧、铝-铬中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在720℃下浇注至预热至150℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率48K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在470℃的环境下保温24小时，水冷，水温25℃；时效处理是在175℃的环境下保温6小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度428MPa，屈服强度307MPa，伸长率6.5％，弹性模量是85.7GPa。
实施例4
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：3.9％，Zn：5.5％，Cu：0.5％，Ti：0.05％，B：0.01％，Ce：0.5％，Mn：5.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-铈、铝-锰中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在740℃下浇注至预热至180℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率20K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在470℃的环境下保温20小时，水冷，水温25℃；时效处理是在150℃的环境下保温16小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度430MPa，屈服强度310MPa，伸长率6.2％，弹性模量是87.4GPa。
实施例5
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：2.0％，Zn：5.5％，Cu：1.5％，Ti：0.05％，B：0.01％，Ce：0.3％，La：0.3％，V：5.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-钒、铝-铈、铝-镧中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在740℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率15K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在465℃的环境下保温24小时，水冷，水温25℃；时效处理是在225℃的环境下保温4小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度451MPa，屈服强度310MPa，伸长率8.5％，弹性模量是86.5GPa。
实施例6
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：4.2％，Zn：3.0％，Cu：1.0％，Ti：0.1％，B：0.02％，Ce：0.01％，Mn：3.0％，Cr：2.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-锰、铝-铬、铝-铈中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在730℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率23K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在500℃的环境下保温8小时，水冷，水温25℃；时效处理是在100℃的环境下保温30小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度450MPa，屈服强度301MPa，伸长率7.4％，弹性模量是88.2GPa。
实施例7
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：4.5％，Zn：3.0％，Cu：0.5％，Ti：0.2％，B：0.04％，La：0.5％，Cr：3.0％，V：2.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-铬、铝-钒、铝-镧中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在740℃下浇注至预热至300℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率2.0K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在485℃的环境下保温12小时，水冷，水温25℃；时效处理是在120℃的环境下保温20小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度423MPa，屈服强度305MPa，伸长率6.0％，弹性模量是90.1GPa。
实施例8
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：4.5％，Zn：3.0％，Cu：1.2％，Ti：0.5％，B：0.1％，Ce：0.1％，La：0.4％，Mn：2.0％，Cr：3.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-锰、铝-铬、铝-铈、铝-镧中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在730℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率12K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在450℃的环境下保温36小时，水冷，水温25℃；时效处理是在150℃的环境下保温16小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度436MPa，屈服强度303MPa，伸长率5.8％，弹性模量是90.6GPa。
实施例9
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：3.0％，Zn：5.5％，Cu：1.5％，Ti：0.01％，B：0.002％，Ce：0.9％，La：0.1％，Mn：9.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-锰、铝-铈、铝-镧中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在750℃下浇注到预热至200℃的金属型模具，自然冷却，冷却速率是14K/s。
c、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在700℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率14K/s。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金的金相结构如图1所示，其室温抗拉强度430MPa，屈服强度320MPa，伸长率5.1％，弹性模量是93.5GPa。
实施例10
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：4.5％，Zn：5.5％，Cu：0.5％，Ti：0.05％，B：0.01％，La：1.0％，Mn：4.0％，Cr：5.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-锰、铝-铬、铝-镧中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在750℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率16K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在470℃的环境下保温24小时，水冷，水温25℃；时效处理是在150℃的环境下保温16小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度428MPa，屈服强度323MPa，伸长率5.2％，弹性模量是94.0GPa。
实施例11
本实施例提供的高强韧高模量铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为Mg：4.1％，Zn：4.3％，Cu：0.9％，Ti：0.3％，B：0.06％，Ce：1.0％，Mn：3.0％，Cr：3.0％，V：3.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-锰、铝-铬、铝-钒、铝-铈中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在750℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率16K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在470℃的环境下保温24小时，水冷，水温25℃；时效处理是在150℃的环境下保温16小时。
本实施例中铸造高强韧高模量铝合金室温抗拉强度419MPa，屈服强度314MPa，伸长率7.2％，弹性模量是95.1GPa。
对比例1
本对比例提供的铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成Mg：2.0％，Zn：3.0％，Cu：0.5％，Ti：0.002％，B：0.0005％，Ce：0.3％，La：0.2％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤为：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-铈、铝-镧中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在720℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率12K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在450℃的环境下保温36小时，水冷，水温25℃；时效处理是在120℃的环境下保温24小时。
本对比例中铸造铝合金的金相结构如图2所示，其室温抗拉强度506MPa，屈服强度424MPa，伸长率10.6％，弹性模量是71.5GPa。
对比例2
本对比例提供的铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成Mg：2.0％，Zn：3.0％，Cu：0.5％，Ti：0.002％，B：0.0005％，Cr：5.0％，以及不可避免杂质Fe≤0.15％，Si≤0.15％，Al余量。其金属型重力铸造方法如下：
a、熔炼合金，获得铝合金熔体。熔炼步骤：(1)烘料，将原料在250℃预热2小时；(2)熔炼，熔化炉设定熔炼温度800℃，炉温升至300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，至熔清，搅拌均匀；熔体升温至760℃，加入工业纯锌、铝-铬中间合金，搅拌均匀，至熔清；待熔体温度降至720℃时，加入工业纯镁，熔化，并搅拌均匀，至熔清；(3)精炼，待熔体温度至740℃，加入喷粉精炼剂(鼎臣)进行精炼，持续10～20分钟，精炼后扒去表面浮渣，静置熔体；(4)除气：待熔体升温至730℃，加入60％MgCl2+40％KCl的组成物作为覆盖剂，充氮气并搅拌，持续5～10分钟；(5)细化：加入铝钛硼，细化后，扒去熔体表面浮渣，获得铝合金熔体。
b、将熔体进行金属型重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在720℃下浇注至预热至200℃的金属型模具中，自然冷却，冷却速率12K/s。
c、将铝合金依次进行固溶处理和时效处理，获得高强韧高模量铝合金。固溶处理是在450℃的环境下保温36小时，水冷，水温25℃；时效处理是在120℃的环境下保温24小时。
本对比例中铸造铝合金室温抗拉强度384MPa，屈服强度302MPa，伸长率2.1％，弹性模量是85.9GPa。
表1和表2分别对实施例1～11和对比例1和2的合金成分、力学性能和弹性模量进行统计。
表1：实施例合金成分(质量分数，％)
| No. | Mg | Zn | Cu | Ti | B | Ce | La | Mn | Cr | V | Al |
| 实施例1 | 2.0 | 3.0 | 0.5 | 0.0002 | 0.0005 | 0.3 | 0.2 | 0 | 5.0 | 0 | Bal. |
| 实施例2 | 3.6 | 3.0 | 1.5 | 0.00005 | 0.00001 | 0.2 | 0.1 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | Bal. |
| 实施例3 | 4.0 | 4.7 | 0.7 | 0.01 | 0.002 | 0 | 0.01 | 0 | 2.0 | 0 | Bal. |
| 实施例4 | 3.9 | 5.5 | 0.5 | 0.05 | 0.01 | 0.5 | 0 | 5.0 | 0 | 0 | Bal. |
| 实施例5 | 2.0 | 5.5 | 1.5 | 0.05 | 0.01 | 0.3 | 0.3 | 0 | 0 | 5.0 | Bal. |
| 实施例6 | 4.5 | 3.0 | 1.0 | 0.1 | 0.02 | 0.01 | 0 | 3.0 | 2.0 | 0 | Bal. |
| 实施例7 | 4.2 | 3.0 | 0.5 | 0.2 | 0.04 | 0 | 0.5 | 0 | 3.0 | 2.0 | Bal. |
| 实施例8 | 4.5 | 3.0 | 1.2 | 0.5 | 0.1 | 0.1 | 0.4 | 2.0 | 3.0 | 0 | Bal. |
| 实施例9 | 3.0 | 5.5 | 1.5 | 0.01 | 0.002 | 0.9 | 0.1 | 9.0 | 0 | 0 | Bal. |
| 实施例10 | 4.5 | 5.5 | 0.5 | 0.05 | 0.01 | 0 | 1.0 | 4.0 | 5.0 | 0 | Bal. |
| 实施例11 | 4.1 | 4.3 | 0.9 | 0.3 | 0.06 | 1.0 | 0 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | Bal. |
| 对比例1 | 2.0 | 3.0 | 0.5 | 0.002 | 0.0005 | 0.3 | 0.2 | 0 | 0 | 0 | Bal. |
| 对比例2 | 2.0 | 3.0 | 0.5 | 0.002 | 0.0005 | 0 | 0 | 0 | 5.0 | 0 | Bal. |
表2：合金的拉伸性能和弹性模量
由表1和2可以看出，基础合金Al-Mg-Zn-Cu同时加入Mn/Cr/V中的一种或两种及以上和少量的稀土元素Ce/La后，合金的弹性模量显著提高(由71.5GPa提高至86GPa以上)，且能保持高的强韧性(伸长率大于5.1％，屈服强度大于300MPa，抗拉强度大于420MPa)。
Claims (10)
1.基于金属型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料，其特征在于：由质量百分数计的如下元素组成，Mg：2.0％～4.5％，Zn：3.0％～5.5％，Cu：0.5％～1.5％，稀土元素Ce、La的一种或两种：0.01％～1.0％，Ti：0.00005％～0.5％，B：0.00001％～0.1％，Mn、Cr、V中的一种或两种以上：2.0％～9.0％，余量为Al，杂质≤0.30％；其中，所述杂质为Fe和Si，Fe≤0.15％，Si≤0.15％。
2.根据权利要求1所述的高强韧高模量铝合金材料，其特征在于：所述B元素为铝合金总质量的0.002％～0.0085％。
3.根据权利要求1所述的高强韧高模量铝合金材料，其特征在于：
所述Al、Zn和Mg分别选自工业纯铝、工业纯锌和工业纯镁；
所述Cu、稀土元素Ce、La分别以铝铜中间合金、铝-稀土中间合金加入；
所述Ti、B以铝钛硼中间合金加入；
所述Mn、Cr、V分别以铝锰、铝铬、铝钒中间合金加入。
4.根据权利要求3所述的高强韧高模量铝合金材料，其特征在于：所述铝-稀土中间合金为铝-铈中间合金、铝-富铈混合稀土或铝-镧中间合金中至少一种。
5.权利要求1～4任一项所述的高强韧高模量铝合金材料的金属型重力铸造工艺，其特征在于：包括如下步骤：
S1：熔炼合金，制备铝合金熔体；
S2：将铝合金熔体在680～730℃下进行金属型重力铸造，模温为150～300℃，冷却速率为2.0～50.0K/s，制备得到铝合金铸件；
S3：将铝合金铸件进行依次包括固溶处理和时效处理的热处理，所述固溶处理是在450～500℃的条件下保温4～48小时，水冷，水温0～80℃，所述时效处理是在100～225℃的条件下保温4～32小时，制备得到铝合金材料；其中，
步骤S1包括如下分步骤：
(1)烘料：将工业纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰、铝铬、铝钒中间合金原料分别预热至200～300℃，保温0.5～2小时；
(2)熔炼：温度至200～300℃时，加入工业纯铝、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体升温至740～800℃，加入工业纯锌、铝-稀土中间合金、铝-锰、铝-铬、铝-钒中间合金，至熔清；熔体温度降至730～740℃之间时，加入工业纯镁熔化，压入熔体搅拌至熔清；
(3)精炼：熔体升温至735～745℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，撇去浮渣，静置熔体；
(4)除气：向步骤(3)中制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌5～10分钟；
(5)细化：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入铝钛硼中间合金，进行细化，撇去浮渣，获得铝合金熔体。
6.根据权利要求5所述的金属型重力铸造工艺，其特征在于：步骤(1)中所述原料在200～300℃保温1小时。
7.根据权利要求5所述的金属型重力铸造工艺，其特征在于：步骤(2)中，熔体温度为780℃时加入工业纯锌、铝-稀土中间合金、铝-锰、铝-铬、铝-钒中间合金，搅拌至熔清。
8.根据权利要求5所述的金属型重力铸造工艺，其特征在于：步骤(3)中，
所述精炼剂为无钠盐的铝合金精炼剂，且精炼剂的添加量为熔体总质量的0.2％～1.5％；
所述熔体升温至740℃时加入精炼剂进行精炼。
9.根据权利要求5所述的金属型重力铸造工艺，其特征在于：步骤(4)中，
采用的保护气氛为N2保护；
所述覆盖剂为MgCl2和KCl质量比为3：2的混合物，且覆盖剂的添加量为熔体总质量的0.2％～1.5％。
10.根据权利要求5所述的金属型重力铸造工艺，其特征在于：步骤S3中，
所述固溶处理是在450～500℃的条件下保温4～36小时，水冷，水温0～80℃；
所述时效处理是在100～225℃的条件下保温4～30小时。
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