CN112126827A - 一种Al-Si合金及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种Al‑Si合金及其制备方法和应用，属于铝合金材料技术领域。本发明提供的Al‑Si合金，按质量百分含量计，包括Si 14～22％，Cu 2～5％，Mg 0.5～2.2％，Zr 0.15～0.25％，La 0.1～0.5％，Er 0.1～0.3％，Mn≤0.2％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。本发明通过在合金中加入少量的Zr以及复合稀土La和Er，同时控制合金中Si、Cu和Mg的含量，可以改善Si相形貌，细化晶粒，且合金组织均匀，具有较高的强度和较好的耐磨性。

Description

一种Al-Si合金及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种Al-Si合金及其制备方法和应用。

背景技术

铸造Al-Si合金是铸造铝合金中最重要的一个系列，由于其密度小、比强度高，同时具有优异的铸造性能、耐蚀性能、耐磨损性能、可焊性及热膨胀性，广泛地应用于航空航天、汽车、机械等行业，用来生产形状复杂、薄壁、耐蚀、气密性要求高、承受中高静载荷或冲击载荷、要求在较高温度下工作的大、中、小型铸件。例如现有技术中汽车发动机等部件，通常采用过共晶Al-Si合金进行压铸成形，但是现有合金成分制备的发动机部件在强度和耐磨性等方面均有一定的局限性。在过共晶Al-Si合金中加入少量的Cu元素和Mg元素，在合金中形成Al₂Cu、Mg₂Si以及Al-Si-Cu-Mg等强化相，可以在一定程度上提高合金的强度，但是由于合金中Si含量较高，成形后会在基体中形成粗大的块状Si相和纤维状的共晶Si相，对基体有较大的割裂作用，合金的强度和耐磨性有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Al-Si合金及其制备方法和应用，本发明提供的合金具有较高的强度和较好的耐磨性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种Al-Si合金，按质量百分含量计，包括Si 14～22％，Cu 2～5％，Mg 0.5～2.2％，Zr 0.15～0.25％，La 0.1～0.5％，Er 0.1～0.3％，Mn≤0.2％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

优选地，包括Si 15.5～18％，Cu2.5～4.5％，Mg 0.5～1.8％，Zr 0.18～0.22％，La 0.1～0.3％，Er 0.1～0.2％，Mn 0.15～0.2％，Fe 0.1～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质。

本发明提供了上述技术方案所述Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：

按Al-Si合金的成分将制备原料进行熔炼，得到合金液；

将所述合金液进行精炼，得到精炼液；

在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到Al-Si合金。

优选地，所述制备原料包括纯铝锭和中间合金；

所述熔炼包括：将纯铝锭进行第一熔炼，待部分纯铝锭熔化后，加入所述中间合金进行第二熔炼；所述第一熔炼的温度为720～770℃，时间为1～5h，所述第二熔炼的温度为700～760℃，时间为1～4h；所述部分纯铝锭占纯铝锭总质量的45～65％。

优选地，所述精炼为喷粉精炼，所述喷粉精炼的操作参数包括：除气机的旋转速度为100～140rpm，进口压力为0.2～0.6MPa，出粉量为1～3.5kg/min，精炼时间为10～40min。

优选地，所述成形处理的操作参数包括：浇铸温度为680～720℃，超声功率为300～360W，超声频率为15～20kHz，电磁频率为20～30kHz，电磁强度为120～150A；引锭时冷却水压力为200～250m³/h，引锭速度为100～180mm/min。

优选地，所述成形处理后还包括：

将成形处理后所得合金坯锭进行加热处理，得到半固态坯料；

将所述半固态坯料进行挤压铸造，得到合金铸锭；

将所述合金铸锭进行淬火处理，得到淬火合金铸锭；

将所述淬火合金铸锭进行T6热处理，得到Al-Si合金。

优选地，所述加热处理在中频感应炉中进行，所述加热处理的温度为570～600℃，时间为15～30min；

所述挤压铸造的操作参数包括：比压为580～620MPa，保压时间为40～60s，挤压速度为5～12mm/s。

优选地，所述淬火处理的时间为30～100s；所述淬火处理采用的淬火介质为10wt％的NaCl水溶液，所述NaCl水溶液的温度为17～28℃。

所述T6热处理包括依次进行的固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为500～525℃，时间为20～100min；所述时效处理的温度为170～190℃，时间为8～12h。

本发明提供了上述技术方案所述Al-Si合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的Al-Si合金在汽车零部件中的应用。

本发明提供了一种Al-Si合金，按质量百分含量计，包括Si 14～22％，Cu 2～5％，Mg 0.5～2.2％，Zr 0.15～0.25％，La 0.1～0.5％，Er 0.1～0.3％，Mn≤0.2％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。本发明通过在合金中加入少量的Zr、La和Er，同时控制合金中Si、Cu和Mg的含量，可以改善Si相形貌，细化晶粒，且合金组织均匀，具有较高的强度和较好的耐磨性。实施例的结果显示，本发明提供的Al-Si合金的抗拉强度达到362MPa，屈服强度达到287MPa，延伸率为3.6％，硬度值为187HB，摩擦系数为0.331，能够满足汽车对零部件的性能要求。

本发明提供了所述Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：按Al-Si合金的成分将制备原料进行熔炼，得到合金液；将所述合金液进行精炼，得到精炼液；在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到Al-Si合金。本发明在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺制备Al-Si合金，合金偏析情况得到改善，原料利用率高，且晶粒尺寸细小、组织均匀，具有优异的耐磨性能和力学性能。

进一步地，本发明采用半固态挤压铸造工艺对上述成形处理后所得合金坯锭进行二次加工，并采用T6热处理工艺对淬火后的合金铸锭进行处理，合金中晶粒更为圆整，有利于进一步改善合金的延伸率等性能。

附图说明

图1为实施例1制备的Al-Si合金的显微组织图；

图2为实施例3制备的Al-Si合金的显微组织图；

图3为对比例1制备的Al-Si合金的显微组织图。

具体实施方式

本发明提供了一种Al-Si合金，按质量百分含量计，包括Si 14～22％，Cu 2～5％，Mg 0.5～2.2％，Zr 0.15～0.25％，La 0.1～0.5％，Er 0.1～0.3％，Mn≤0.2％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

按质量百分含量计，本发明提供的Al-Si合金包括Si 14～22％，优选为15.5～18％％，进一步优选为15.7～17％。

按质量百分含量计，本发明提供的Al-Si合金包括Cu 2～5％，优选为2.5～4.5％，进一步优选为2.8～3.6％。

按质量百分含量计，本发明提供的Al-Si合金包括Mg 0.5～2.2％，优选为0.5～1.8％，进一步优选为0.5～1.1％。

按质量百分含量计，本发明提供的Al-Si合金包括Zr 0.15～0.25％，优选为0.18～0.22％，进一步优选为0.18～0.2％。

按质量百分含量计，本发明提供的Al-Si合金包括La 0.1～0.5％，优选为0.1～0.3％，进一步优选为0.12～0.2％。

按质量百分含量计，本发明提供的Al-Si合金包括Er 0.1～0.3％，优选为0.1～0.2％，进一步优选为0.12～0.2％。

按质量百分含量计，本发明提供的Al-Si合金包括Mn≤0.2％，优选为0.15～0.2％。

按质量百分含量计，本发明提供的Al-Si合金包括Fe≤0.15％，优选为0.1～0.15％。

本发明提供的Al-Si合金包括余量的Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

在本发明中，Si、Cu和Mg是合金的主要元素，这些合金元素具有固溶强化和时效析出强化的作用，另外Mg和Si可以析出Mg₂Si强化相，Cu和Al可析出Al₂Cu强化相，进一步增强合金的强度，同时Al、Si、Cu和Mg四种合金元素也会形成W(Al_xMg₅Si₄Cu)和Q(Al₅Mg₈Si₆Cu₂)强化相。具体的，发明人研究发现，当Si含量低于14％，Cu元素含量低于2％，Mg元素含量低于0.5％时，合金的强度显著下降，且耐磨性能也随之下降；当Si含量高于22％，Cu元素含量高于5％，Mg元素含量高于2.2％时，在合金内部会形成粗大的第二相，合金铸件的塑性急剧降低，影响后期的切削加工。本发明将Si、Cu和Mg的含量控制在上述范围内，可以平衡合金的强度、耐磨性能和抗冲击断裂韧性之间的矛盾关系，将其应用于汽车零部件中，可以满足汽车对零部件强度、耐磨性和韧性的要求。

在本发明中，Zr、La和Er是合金中添加的微量元素，其中，添加Zr可以析出Al₃Zr相，限制了粗大的Mg₅Al₈相沿晶界析出，同时Al₃Zr晶体结构和晶格常数均与基体铝极为相似，是α-Al优良的异质形核核心；在添加Zr的同时添加RE(La、Er)元素，稀土易在固/液界面前沿富集，富集到一定程度，形成了Al₃RE化合物，并增大了成分过冷而使分枝过程加剧，二次枝晶增多，最终使枝晶间距减小，晶粒细化，尤其是La和Er复合使用，具有更好的细化效果，形成细小的第二相，提高合金强度；此外，稀土元素的表面活性较大，在固/液界面前沿的富集使其起到阻碍α-Al晶粒长大的作用，从而使晶粒的长大过程受阻，促进了晶粒的细化；合金中添加少量的Fe元素，其可以在合金中形成硬质针状相，使基体强化，提高合金的耐磨性；合金中添加少量的Mn元素，可以形成Al₆Mn的弥散质点，阻止再结晶粗大化，提高再结晶温度，同时与合金的不纯净含铁杂质形成Al₃FeMn，使Fe的化合物形态从针状转变为块状，可以在一定程度提高合金的韧性。

本发明提供了上述技术方案所述Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：

按Al-Si合金的成分将制备原料进行熔炼，得到合金液；

将所述合金液进行精炼，得到精炼液；

在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到Al-Si合金。

本发明按Al-Si合金的成分将制备原料进行熔炼，得到合金液。在本发明中，所述制备原料优选包括纯铝锭、纯Mg和中间合金，所述中间合金优选包括Al-30％Si、Al-50％Cu、Al-10％Zr、Al-10％La、Al-10％Er、Al-30％Mn和Al-50％Fe。在本发明中，所述熔炼包括：将纯铝锭进行第一熔炼，待部分纯铝锭熔化后，加入所述中间合金进行第二熔炼；所述第一熔炼的温度优选为720～770℃，进一步优选为730～755℃，时间优选为1～6h，进一步优选为2.5～4.5h；所述第二熔炼的温度优选为700～760℃，进一步优选为715～735℃，时间优选为1～4h，进一步优选为1.5～2.5h；所述部分纯铝锭优选占纯铝锭总质量的45～65％，进一步优选为50％。本发明采用分步熔炼可以有效提高熔炼效率，减少热量散失，并能防止熔炼温度过高而发生过烧的现象。

得到合金液后，本发明将所述合金液进行精炼，得到精炼液。在本发明中，所述精炼优选为喷粉精炼，所述喷粉精炼的操作参数包括：除气机的旋转速度优选为100～140rpm，进一步优选为120～130rpm；进口压力优选为0.2～0.6MPa，进一步优选为0.3～0.5MPa；出粉量优选为1～3.5kg/min，进一步优选为2～3kg/min；精炼时间优选为10～40min，进一步优选为20～30min。在本发明中，所述精炼采用的精炼剂优选包括Na₃AlF₆、Mg₂N₃、C₂Cl₆、NaCl和KCl，其中，所述Na₃AlF₆的添加量优选为合金液总质量的3～5％，所述Mg₂N₃的添加量优选为合金液总质量的4～8％，所述C₂Cl₆的添加量优选为合金液总质量的2～4％，所述NaCl和KCl的总添加量优选为合金液总质量的2～4％，所述NaCl和KCl的质量比优选为35：65。在本发明中，若除气机转速过高、进口压力过大、精炼时间过长，会造成合金液的喷溅，易产生危险，同时会对精炼的高纯氩气(99.9％)和精炼剂造成浪费；除气机转速过低、进口压力过小、精炼时间过短，合金液内部会有残留的气体和渣质，影响铸锭质量。本发明优选控制喷粉精炼的操作参数在上述范围内，有利于保证具有较好的精炼效果，大幅度地提高合金的洁净度，消除气孔、夹杂等组织缺陷，确保获得的合金铸件组织内部无夹杂物产生，避免夹杂物影响合金性能。

得到精炼液后，本发明在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到Al-Si合金。在本发明中，进行所述成形处理前，优选将所述精炼液进行过滤，所述过滤采用的过滤板优选为泡沫陶瓷过滤板，所述沫陶瓷过滤板的孔隙度优选为80～120ppi。在本发明中，所述成形处理的操作参数包括：浇铸温度优选为680～720℃，进一步优选为700～720℃；超声功率优选为300～360W，进一步优选为320～340W；超声频率优选为15～20kHz，进一步优选为18～20kHz；电磁频率优选为20～30kHz，进一步优选为22～25kHz；电磁强度优选为120～150A，进一步优选为130～135A；引锭时冷却水压力优选为200～250m³/h，更优选为220～235m³/h；引锭速度优选为100～180mm/min，进一步优选为130～170mm/min。在本发明中，当超声功率较小时，空化和声流效应都较弱，不能达到细化晶粒的效果，但超声功率过大，热量传递到精炼液中使其温度增加，功率越大热量传递效果越明显，导致结晶时间延长，一定程度上降低晶粒的细化效果，同时浪费能源；当电磁频率过高时，搅拌作用相对较弱，随着电磁频率的降低，强迫对流增强。本发明优选控制各操作参数在上述范围内，通过超声场的振动以及低频电磁场的搅拌作用，可以有效细化合金内部的组织，改善合金内部的溶质偏析情况。在本发明中，引锭时冷却水压力过大，易造成精炼液凝固过快，溶质元素在坯锭边缘处部分偏析，冷却水压力过小易造成重熔漏液的现象；引锭速度过快也易造成重熔漏液的现象，引锭速度过慢易导致精炼液在结晶器凝固。本发明优选控制各操作参数在上述范围内，生产的半连续铸造的合金坯锭可作为Al-Si合金成品直接用于工业生产，性能优异。

在本发明中，为了进一步提高Al-Si合金性能，所述成形处理后优选还包括：

将成形处理后所得合金坯锭进行加热处理，得到半固态坯料；

将所述半固态坯料进行挤压铸造，得到合金铸锭；

将所述合金铸锭进行淬火处理，得到淬火合金铸锭；

将所述淬火合金铸锭进行T6热处理，得到Al-Si合金。

本发明将成形处理后所得合金坯锭进行加热处理，得到半固态坯料。在本发明中，所述加热处理优选在中频感应炉中进行，所述加热处理的温度优选为570～600℃，进一步优选为580～590℃；时间优选为15～30min，进一步优选为15～20min。本发明优选在中频感应炉中对合金坯锭进行加热处理，加热速度快，效率高，可以减少合金坯锭表面的氧化，有助于提高合金坯锭的质量；本发明优选在上述温度条件下进行加热处理，有利于使半固态坯料具有合适的固相率(40～60％)，固相率不会过高或过低，若固相率过高，冲型能力较差，半固态坯料凝固过快，后续挤压铸造过程中影响合金的致密性，若固相率较低，凝固后合金组织中的α-Al枝晶的圆整度较差，影响合金性能。

得到半固态坯料后，本发明将所述半固态坯料进行挤压铸造，得到合金铸锭。在本发明中，所述挤压铸造的操作参数包括：比压优选为580～620MPa，进一步优选为590～610MPa；保压时间优选为40～60s，进一步优选为45～55s；挤压速度优选为5～12mm/s，进一步优选为8～12mm/s。在本发明中，比压过低，挤压速度慢，挤压过程中半固态坯料凝固过快，半固态坯料不能够完全冲型，铸锭产生缺陷；比压过大，挤压速度快，模具内部易卷入气体使半固态坯料溢出。在本发明中，进行所述挤压铸造前，优选对所需模具进行预热；所述预热的温度优选为280～320℃，进一步优选为290～310℃；时间优选为50～100min，进一步优选为60～90min。在本发明中，模具预热温度过高，易在挤压铸造过程中造成晶粒的长大，模具温度过低易使半固态坯料凝固过快。

得到合金铸锭后，本发明将所述合金铸锭进行淬火处理，得到淬火合金铸锭。在本发明中，所述淬火处理具体是将挤压铸造后所得合金铸锭置于淬火介质中进行快速冷却。在本发明中，所述淬火处理的时间优选为30～100s，进一步优选为30～70s，在本发明中，所述淬火处理的时间指合金铸锭处于淬火介质中的时间；所述淬火介质优选为10wt％的NaCl水溶液，所述NaCl水溶液的温度为17～28℃，进一步优选为18～25℃。淬火处理后，本发明优选将所得淬火合金铸锭放置在通风处自然风干。本发明优选采用上述NaCl水溶液进行冷却，可以显著提高冷却速度，使合金铸锭充分、快速冷却，在合金内部快速形成过饱和固溶体，为后续的热处理工艺奠定良好的基础。

得到淬火合金铸锭后，本发明将所述淬火合金铸锭进行T6热处理，得到Al-Si合金。在本发明中，所述T6热处理优选包括依次进行的固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度优选为500～525℃，进一步优选为515～525℃；时间优选为20～100min，进一步优选为30～90min；所述时效处理的温度优选为170～190℃，进一步优选为175～190℃；时间优选为8～12h，进一步优选为10～12h。在本发明中，由于半连续铸造过程中超声/电磁复合场的共同作用，使得合金内部组织均匀，晶粒细小，且半固态挤压铸造成形过程中，半固态坯料有较大的塑性变形，导致合金内部能量较高，位错密度较大。因此，只需要较短时间的固溶处理，消除合金内部的内应力，最后经时效处理，会析出大量细小弥散的析出相，阻碍位错运动，产生弥散强化的作用，从而进一步提高Al-Si合金的力学性能和耐磨性能。

本发明提供了上述技术方案所述Al-Si合金或上述技术方案所述制备方法制备得到的Al-Si合金在汽车零部件中的应用。本发明提供的Al-Si合金内应力低、表面光洁、内部组织均匀、晶粒细小且尺寸相差不大，同时性能优良，具有较高的强度和较好的耐磨性能，用于汽车零部件，能够满足后续的机械加工要求，同时可以满足汽车对车身内部零部件性能的要求。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例中Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si 15.7％，Cu 2.8％，Mg0.5％，Zr 0.18％，La 0.12％，Er 0.12％，Mn 0.2％，Fe 0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

本实施例中Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：

按照Al-Si合金的配方，将工业纯铝锭加入熔炼炉中，升温至730℃，保温熔炼4.5h，此时纯铝锭熔化到一半，加入纯Mg和其它中间合金(具体为Al-30％Si、Al-50％Cu、Al-10％Zr、Al-10％Er、Al-10％La、Al-30％Mn和Al-50％Fe)，降温至715℃，保温熔炼2.5h，得到合金液；

将除气机的精炼管插入所述合金液中进行喷粉精炼，以实现除气和除渣处理，得到精炼液；其中，所述喷粉精炼的操作参数包括：除气机的旋转速度为120rpm，进口压力为0.3MPa，出粉量为2kg/min，精炼时间为20min；所述喷粉精炼采用的精炼剂包括Na₃AlF₆、Mg₂N₃、C₂Cl₆、NaCl和KCl，其中，Na₃AlF₆的添加量为合金液总质量的3.5％，Mg₂N₃的添加量为合金液总质量的4.8％，C₂Cl₆的添加量为合金液总质量的2.4％，NaCl和KCl的总添加量为合金液总质量的2.4％，所述NaCl和KCl的质量比为35：65；

在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到Al-Si合金；其中，所述精炼液进行成形处理前经泡沫陶瓷过滤板(孔隙度为80ppi)过滤；所述成形处理的操作参数包括：浇铸温度为700℃，超声功率为320W，超声频率为18kHz，电磁频率为22kHz，电磁强度为130A；引锭时冷却水压力为220m³/h，引锭速度为130mm/min。

实施例2

本实施例中Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si 16.1％，Cu 3.1％，Mg0.7％，Zr 0.19％，La 0.14％，Er 0.12％，Mn 0.2％，Fe 0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

本实施例中Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：

按照Al-Si合金的配方，将工业纯铝锭加入熔炼炉中，升温至735℃，保温熔炼4h，此时纯铝锭熔化到一半，加入纯Mg和其它中间合金(具体为Al-30％Si、Al-50％Cu、Al-10％Zr、Al-10％Er、Al-10％La、Al-30％Mn和Al-50％Fe)，降温至715℃，保温熔炼3.5h，得到合金液；

将除气机的精炼管插入所述合金液中进行喷粉精炼，以实现除气和除渣处理，得到精炼液；其中，所述喷粉精炼的操作参数包括：除气机的旋转速度为125rpm，进口压力为0.32MPa，出粉量为2.2kg/min，精炼时间为25min；所述喷粉精炼采用的精炼剂包括Na₃AlF₆、Mg₂N₃、C₂Cl₆、NaCl和KCl，其中，Na₃AlF₆的添加量为合金液总质量的4.5％，Mg₂N₃的添加量为合金液总质量的5.9％，C₂Cl₆的添加量为合金液总质量的3.2％，NaCl和KCl的总添加量为合金液总质量的3％，所述NaCl和KCl的质量比为35：65；

在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到合金坯锭；其中，所述精炼液进行成形处理前经泡沫陶瓷过滤板(孔隙度为100ppi)过滤；所述成形处理的操作参数包括：浇铸温度为710℃，超声功率为325W，超声频率为18kHz，电磁频率为23kHz，电磁强度为135A；引锭时冷却水压力为220m³/h，引锭速度为130mm/min；

将所述合金坯锭置于中频感应炉中，在580℃条件下加热25min，得到半固态坯料；

将模具在290℃条件下预热60min，将所述半固态坯料转入预热后的模具中，进行挤压铸造，得到合金铸锭；其中，所述挤压铸造的操作参数包括：比压为590MPa，保压时间为45s，挤压速度为9mm/s；

将所述合金铸锭进行淬火处理，其中，淬火处理的时间为30s，淬火介质为10wt％的NaCl水溶液，所述NaCl水溶液的温度为18℃；淬火处理后自然风干，得到淬火合金铸锭；

将所述淬火合金铸锭依次进行固溶处理和时效处理，之后随炉冷却得到Al-Si合金；其中，所述固溶处理的温度为515℃，时间为75min；所述时效处理的温度为175℃，时间为12h。

实施例3

本实施例中Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si 17％，Cu 3.6％，Mg1.1％，Zr 0.2％，La 0.2％，Er 0.2％，Mn 0.15％，Fe 0.12％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

本实施例中Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：

按照Al-Si合金的配方，将工业纯铝锭加入熔炼炉中，升温至745℃，保温熔炼3h，此时纯铝锭熔化到一半，加入纯Mg和其它中间合金(具体为Al-30％Si、Al-50％Cu、Al-10％Zr、Al-10％Er、Al-10％La、Al-30％Mn和Al-50％Fe)，降温至720℃，保温熔炼2h，得到合金液；

将除气机的精炼管插入所述合金液中进行喷粉精炼，以实现除气和除渣处理，得到精炼液；其中，所述喷粉精炼的操作参数包括：除气机的旋转速度为125rpm，进口压力为0.4MPa，出粉量为2.8kg/min，精炼时间为25min；所述喷粉精炼采用的精炼剂包括Na₃AlF₆、Mg₂N₃、C₂Cl₆、NaCl和KCl，其中，Na₃AlF₆的添加量为合金液总质量的4％，Mg₂N₃的添加量为合金液总质量的4.6％，C₂Cl₆的添加量为合金液总质量的2.8％，NaCl和KCl的总添加量为合金液总质量的3.3％，所述NaCl和KCl的质量比为35：65；

在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到合金坯锭；其中，所述精炼液进行成形处理前经泡沫陶瓷过滤板(孔隙度为90ppi)过滤；所述成形处理的操作参数包括：浇铸温度为710℃，超声功率为330W，超声频率为19kHz，电磁频率为23kHz，电磁强度为133A；引锭时冷却水压力为230m³/h，引锭速度为150mm/min；

将所述合金坯锭置于中频感应炉中，在585℃条件下加热20min，得到半固态坯料；

将模具在300℃条件下预热75min，将所述半固态坯料转入预热后的模具中，进行挤压铸造，得到合金铸锭；其中，所述挤压铸造的操作参数包括：比压为600MPa，保压时间为45s，挤压速度为10mm/s；

将所述合金铸锭进行淬火处理，其中，淬火处理的时间为30s，淬火介质为10wt％的NaCl水溶液，所述NaCl水溶液的温度为20℃；淬火处理后自然风干，得到淬火合金铸锭；

将所述淬火合金铸锭依次进行固溶处理和时效处理，之后随炉冷却得到Al-Si合金；其中，所述固溶处理的温度为520℃，时间为60min；所述时效处理的温度为180℃，时间为12h。

实施例4

本实施例中Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si 15.7％，Cu 2.8％，Mg1.0％，Zr 0.18％，La 0.12％，Er 0.12％，Mn 0.2％，Fe 0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

本实施例中Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：

按照Al-Si合金的配方，将工业纯铝锭加入熔炼炉中，升温至755℃，保温熔炼2.5h，此时纯铝锭熔化到一半，加入纯Mg和其它中间合金(具体为Al-30％Si、Al-50％Cu、Al-10％Zr、Al-10％Er、Al-10％La、Al-30％Mn和Al-50％Fe)，降温至735℃，保温熔炼1.5h，得到合金液；

将除气机的精炼管插入所述合金液中进行喷粉精炼，以实现除气和除渣处理，得到精炼液；其中，所述喷粉精炼的操作参数包括：除气机的旋转速度为130rpm，进口压力为0.5MPa，出粉量为3kg/min，精炼时间为30min；所述喷粉精炼采用的精炼剂包括Na₃AlF₆、Mg₂N₃、C₂Cl₆、NaCl和KCl，其中，Na₃AlF₆的添加量为合金液总质量的4,7％，Mg₂N₃的添加量为合金液总质量的4.2％，C₂Cl₆的添加量为合金液总质量的2.1％，NaCl和KCl的总添加量为合金液总质量的3.6％，所述NaCl和KCl的质量比为35：65；

在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到合金坯锭；其中，所述精炼液进行成形处理前经泡沫陶瓷过滤板(孔隙度为85ppi)过滤；所述成形处理的操作参数包括：浇铸温度为720℃，超声功率为340W，超声频率为20kHz，电磁频率为25kHz，电磁强度为135A；引锭时冷却水压力为235m³/h，引锭速度为170mm/min；

将所述合金坯锭置于中频感应炉中，在590℃条件下加热15min，得到半固态坯料；

将模具在310℃条件下预热90min，将所述半固态坯料转入预热后的模具中，进行挤压铸造，得到合金铸锭；其中，所述挤压铸造的操作参数包括：比压为610MPa，保压时间为50s，挤压速度为12mm/s；

将所述合金铸锭进行淬火处理，其中，淬火处理的时间为30s，淬火介质为10wt％的NaCl水溶液，所述NaCl水溶液的温度为22℃；淬火处理后自然风干，得到淬火合金铸锭；

将所述淬火合金铸锭依次进行固溶处理和时效处理，之后随炉冷却得到Al-Si合金；其中，所述固溶处理的温度为525℃，时间为30min；所述时效处理的温度为190℃，时间为10h。

对比例1

本对比例中Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si 13.5％，Cu 0.5％，Mg0.2％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

本对比例中Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：

按照Al-Si合金的配方，将工业纯铝锭加入熔炼炉中，升温至765℃，保温熔炼6h，此时纯铝锭熔化到一半，加入纯Mg和其它中间合金(具体为Al-30％Si和Al-50％Cu)，降温至710℃，保温熔炼3h，得到合金液；

将除气机的精炼管插入所述合金液中进行喷粉精炼，以实现除气和除渣处理，得到精炼液；其中，所述喷粉精炼的操作参数包括：除气机的旋转速度为100rpm，进口压力为0.2MPa，出粉量为1kg/min，精炼时间为15min；所述喷粉精炼采用的精炼剂包括Na₃AlF₆、Mg₂N₃、C₂Cl₆、NaCl和KCl，其中，Na₃AlF₆的添加量为合金液总质量的3％，Mg₂N₃的添加量为合金液总质量的4.1％，C₂Cl₆的添加量为合金液总质量的2％，NaCl和KCl的总添加量为合金液总质量的2％，所述NaCl和KCl的质量比为35：65；

在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到合金坯锭；其中，所述精炼液进行成形处理前经泡沫陶瓷过滤板(孔隙度为80ppi)过滤；所述成形处理的操作参数包括：浇铸温度为690℃，超声功率为280W，超声频率为15kHz，电磁频率为20kHz，电磁强度为115A；引锭时冷却水压力为200m³/h，引锭速度为120mm/min；

将所述合金坯锭置于中频感应炉中，在570℃条件下加热35min，得到半固态坯料；

将模具在250℃条件下预热30min，将所述半固态坯料转入预热后的模具中，进行挤压铸造，得到合金铸锭；其中，所述挤压铸造的操作参数包括：比压为560MPa，保压时间为20s，挤压速度为15mm/s；

将所述合金铸锭进行淬火处理，其中，淬火处理的时间为30s，淬火介质为10wt％的NaCl水溶液，所述NaCl水溶液的温度为28℃；淬火处理后自然风干，得到淬火合金铸锭；

将所述淬火合金铸锭依次进行固溶处理和时效处理，之后随炉冷却得到Al-Si合金；其中，所述固溶处理的温度为495℃，时间为100min；所述时效处理的温度为160℃，时间为12h。

对比例2

本对比例中Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si 13.5％，Cu 0.5％，Mg0.2％，Er 0.12％，Mn0.15％，Fe 0.12％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

本对比例中Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：

按照Al-Si合金的配方，将工业纯铝锭加入熔炼炉中，升温至765℃，保温熔炼6h，此时纯铝锭熔化到一半，加入纯Mg和其它中间合金(具体为Al-30％Si、Al-50％Cu、Al-10％Zr、Al-10％Er、Al-30％Mn和Al-50％Fe)，降温至710℃，保温熔炼3h，得到合金液；

将除气机的精炼管插入所述合金液中进行喷粉精炼，以实现除气和除渣处理，得到精炼液；其中，所述喷粉精炼的操作参数包括：除气机的旋转速度为100rpm，进口压力为0.2MPa，出粉量为1kg/min，精炼时间为15min；所述喷粉精炼采用的精炼剂包括Na₃AlF₆、Mg₂N₃、C₂Cl₆、NaCl和KCl，其中，Na₃AlF₆的添加量为合金液总质量的3.5％，Mg₂N₃的添加量为合金液总质量的7.2％，C₂Cl₆的添加量为合金液总质量的3.8％，NaCl和KCl的总添加量为合金液总质量的3.9％，所述NaCl和KCl的质量比为35：65；

在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到合金坯锭；其中，所述精炼液进行成形处理前经泡沫陶瓷过滤板(孔隙度为110ppi)过滤；所述成形处理的操作参数包括：浇铸温度为690℃，超声功率为280W，超声频率为15kHz，电磁频率为20kHz，电磁强度为115A；引锭时冷却水压力为200m³/h，引锭速度为120mm/min；

将所述合金坯锭置于中频感应炉中，在570℃条件下加热35min，得到半固态坯料；

将模具在250℃条件下预热30min，将所述半固态坯料转入预热后的模具中，进行挤压铸造，得到合金铸锭；其中，所述挤压铸造的操作参数包括：比压为560MPa，保压时间为20s，挤压速度为15mm/s；

将所述合金铸锭进行淬火处理，其中，淬火处理的时间为30s，淬火介质为10wt％的NaCl水溶液，所述NaCl水溶液的温度为25℃；淬火处理后自然风干，得到淬火合金铸锭；

将所述淬火合金铸锭依次进行固溶处理和时效处理，之后随炉冷却得到Al-Si合金；其中，所述固溶处理的温度为495℃，时间为100min；所述时效处理的温度为160℃，时间为12h。

对实施例1～4和对比例1～2制备的合金进行性能测试，其中，拉伸试验在WGW-100H型万能材料试验机上完成，硬度测试是在HB3000型布氏硬度仪上完成，耐磨性能测试在MMU-5G材料端面高温摩擦磨损试验机上完成。

具体的，抗拉强度按照GB 228-2000标准测试，屈服强度按照GB 228-2000标准测试，延伸率按照GB/T 17737.308-2018标准测试，硬度按照GB/T231.1-2009标准测试，摩擦系数按照GB 3142-82标准测试；结果如表1所示。

由表1可知，本发明通过加入Mn、Zr以及复合稀土元素La和Er，且将合金成分控制在特定含量范围，保证所得合金具有较高的强度以及耐磨性，综合性能优异。

表1实施例1～4和对比例1～2制备的合金的性能测试结果

图1为实施例1制备的Al-Si合金的显微组织图，由图1可知，由于经过超声和电磁场的复合物理场的搅拌作用，经半连续铸造工艺制备的Al-Si合金组织较为均匀。

图2为实施例3制备的Al-Si合金的显微组织图，由图2可知，经半固态挤压成形后，Al-Si合金组织进一步得到细化，其中，Si相尺寸减小，树枝状的α-Al转变为等轴状，因此力学性能得到进一步提高。

图3为对比例1制备的Al-Si合金的显微组织图，由图3可知，由于Al-Si合金中未加入析出稀土元素，晶粒的细化程度减弱。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种Al-Si合金，按质量百分含量计，包括Si 14～22％，Cu 2～5％，Mg 0.5～2.2％，Zr 0.15～0.25％，La 0.1～0.5％，Er 0.1～0.3％，Mn≤0.2％，Fe≤0.15％，余量为Al和不可避免的杂质，所述不可避免的杂质中，每种杂质的含量均低于0.01％。

2.根据权利要求1所述的Al-Si合金，其特征在于，包括Si 15.5～18％，Cu 2.5～4.5％，Mg 0.5～1.8％，Zr 0.18～0.22％，La 0.1～0.3％，Er 0.1～0.2％，Mn 0.15～0.2％，Fe 0.1～0.15％，余量为Al和不可避免的杂质。

3.权利要求1或2所述Al-Si合金的制备方法，包括以下步骤：

按Al-Si合金的成分将制备原料进行熔炼，得到合金液；

将所述合金液进行精炼，得到精炼液；

在超声/电磁复合场作用下，基于半连续铸造工艺将所述精炼液进行成形处理，得到Al-Si合金。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述制备原料包括纯铝锭和中间合金；

所述熔炼包括：将纯铝锭进行第一熔炼，待部分纯铝锭熔化后，加入所述中间合金进行第二熔炼；所述第一熔炼的温度为720～770℃，时间为1～5h，所述第二熔炼的温度为700～760℃，时间为1～4h；所述部分纯铝锭占纯铝锭总质量的45～65％。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述精炼为喷粉精炼，所述喷粉精炼的操作参数包括：除气机的旋转速度为100～140rpm，进口压力为0.2～0.6MPa，出粉量为1～3.5kg/min，精炼时间为10～40min。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述成形处理的操作参数包括：浇铸温度为680～720℃，超声功率为300～360W，超声频率为15～20kHz，电磁频率为20～30kHz，电磁强度为120～150A；引锭时冷却水压力为200～250m³/h，引锭速度为100～180mm/min。

7.根据权利要求3～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述成形处理后还包括：

将成形处理后所得合金坯锭进行加热处理，得到半固态坯料；

将所述半固态坯料进行挤压铸造，得到合金铸锭；

将所述合金铸锭进行淬火处理，得到淬火合金铸锭；

将所述淬火合金铸锭进行T6热处理，得到Al-Si合金。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述加热处理在中频感应炉中进行，所述加热处理的温度为570～600℃，时间为15～30min；

所述挤压铸造的操作参数包括：比压为580～620MPa，保压时间为40～60s，挤压速度为5～12mm/s。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述淬火处理的时间为30～100s；所述淬火处理采用的淬火介质为10wt％的NaCl水溶液，所述NaCl水溶液的温度为17～28℃。

所述T6热处理包括依次进行的固溶处理和时效处理；所述固溶处理的温度为500～525℃，时间为20～100min；所述时效处理的温度为170～190℃，时间为8～12h。

10.权利要求1或2所述Al-Si合金或权利要求3～9任一项所述制备方法制备得到的Al-Si合金在汽车零部件中的应用。

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