CN113846253B - 一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金的制备方法 - Google Patents

一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Al‑Si‑Mg‑Cu‑Sc‑Zr‑Sr铸造合金，各成分的质量百分数为：Si，8.0％～12.0％；Mg，0.4％～1.0％；Cu，0.8％～2.4％；Sc，0.15％～0.35％；Zr，0.1％～0.25％；Sr，0.05％～0.2％；余量为铝。还涉及Al‑Si‑Mg‑Cu‑Sc‑Zr‑Sr铸造合金的制备与热处理方法，包括备料、熔化、添加硅元素、锶元素、锆元素、钪元素、铜元素、精炼除气、添加镁元素、浇注、固溶处理、时效处理的步骤。本发明大大提高了铝硅系铸造合金的室温强度、延伸率、耐压性能和耐蚀性能，其硅相变质、晶粒细化和热处理强化效果显著，制备方法可实施性强，操作工艺简单。

Description

一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金的制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种高强高韧Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金及其制备与热处理方法。
背景技术
铝合金密度低、比强/刚度高、加工性能优异，且具有良好的耐蚀性和焊接性能，在航空、航天、兵工、电子、汽车等领域均得到了广泛的应用。近年来，随着我国海军装备的不断发展，对鱼雷、水下探测器、近海面巡航导弹等武器的需求不断增加，对于鱼雷类武器而言，用于制造其的结构壳体不仅需要具有较高的强度、韧性，同时还需要具有较高的耐压性能；同时考虑到其服役的海洋环境具有高湿、高热、高盐度的特点，所选合金材料还应具有较佳的耐蚀性能。
鱼雷类武器舱段壳体的抗拉强度一般需高于350MPa，与其刚度技术指标密切相关的屈服强度一般需大于320MPa，延伸率一般不低于5%。能满足其技术性能指标的轻质合金材料主要为镁合金和铝合金，其中镁合金由于耐蚀性较差，一般很少选用。可以达到其技术指标要求的铝合金主要分为变形铝合金和铸造铝合金，高强高韧变形铝合金一般多选用7xxx系Al-Zn-Mg-Cu系合金材料，为了达到高强高韧的技术指标，7xxx系合金添加的Cu、Zn含量较高，导致其耐蚀性较差，无法满足长期服役考核的技术要求。铸造铝合金抗拉强度可达到350MPa、屈服强度可达到320MPa的成熟合金牌号为ZL205A合金，由于添加了高达4.6%～5.3%的Cu元素，其抗拉强度一般高于400MPa，屈服强度一般高于340MPa，但其除了添加高含量的Cu元素外，还添加了Cd、V、Mn等元素，铸造工艺性能较差，且其耐蚀性能也难以满足海军装备的使用要求。
铸造性能优异且具有良好耐压性能的铸造合金一般多选用铝硅系合金，目前最为成熟的铝硅合金牌号主要是A356和A357，但A356抗拉强度一般不超过300MPa，屈服强度低于260MPa；A357抗拉强度一般在320MPa～340MPa，其Si元素添加含量一般在6.5%～7.5%，硅元素添加含量较低（Al-Si共晶点为12.2%）为典型的亚共晶铸造合金，硅含量较低，密封性和耐压性能一般，无法满足鱼雷类武器舱段壳体结构的耐压使用要求。
综上所述，目前随着海军装备武器的不断发展，尤其是鱼雷类武器舱段壳体技术指标要求的不断提高，现有成熟牌号的镁合金、高强高韧7xxx系变形铝合金、Al-Cu系铸造合金和亚共晶Al-Si系铸造合金均难以满足其高强高韧、耐压、耐蚀的技术指标要求，基于此，需要提出一种能满足其技术指标要求的铸造合金及其制备与热处理方法。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述技术问题，提出一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金及其制备与热处理方法，完成一种新型铸造合金材料的研制，使其满足海装鱼雷类武器舱段壳体高强、高韧、耐压、耐蚀的技术指标要求，满足海洋环境服役武器舱段结构制件工程化生产和研制的需求。
本发明技术方案：
一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金，其特征在于，该合金中各成分的质量百分数为：Si，8.0%～12.0%；Mg，0.4%～1.0%；Cu，0.8%～2.4%；Sc，0.15%～0.35%；Zr，0.1%～0.25%；Sr，0.05%～0.2%；余量为铝。
一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金制备与热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）备料：按照Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内，在150℃～200℃的温度下烘烤至少45min，以有效脱除原料表面的水汽和油污；原料为：99.99%的工业纯铝；Al-20Si中间合金，工业纯铝与Al-20Si中间合金的质量比为1：（0.82～4.96）；纯Mg铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：（0.01～0.08）；纯Cu铸锭，工业纯铝与纯Cu铸锭的质量比为1：（0.02～0.2）；Al-2Sc中间合金，工业纯铝与Al-2Sc中间合金的质量比为1：（0.15～1.45）；Al-5Zr中间合金，工业纯铝与Al-5Zr中间合金的质量比为1：（0.04～0.41）；Al-10Sr中间合金，工业纯铝与Al-10Sr中间合金的质量比为1：（0.01～0.17）；
2）熔化：将喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的不锈钢坩埚置于电阻炉中，并将工业纯铝铺设在不锈钢坩埚的底部，将电阻炉加热到850℃～900℃，保温45min～60min，获得均匀的纯铝熔体；
3）添加硅元素：向纯铝熔体中加入Al-20Si中间合金，加入Al-20Si中间合金后，将电阻炉加热至940℃～960℃，继续保温20min～25min，获得成分均匀的铝硅熔体；
4）添加锶元素：向铝硅熔体中加入Al-10Sr中间合金，加入Al-10Sr中间合金后，将电阻炉降温至860℃～900℃，保温12min～24min，保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌10min～15min，以完成锶元素的硅相变质，获得成分均匀的铝硅锶熔体；
5）添加锆元素：向铝硅锶熔体中添加Al-5Zr中间合金，加入Al-5Zr中间合金后，将电阻炉降温至840℃～870℃，保温15min～20min，保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌8min～12min，以完成锆元素的晶粒细化，获得成分均匀的铝硅锶锆熔体；
6）添加钪元素：向铝硅锶锆熔体中添加Al-2Sc中间合金，加入Al-2Sc中间合金后，将电阻炉降温至820℃～850℃，保温20min～30min,保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌10min～15min，使钪、锆元素在熔体中充分混合，钪元素添加后形成大量的Al3Sc细化剂依附于步骤5）铝硅锶锆熔体中的Al3Zr表面，迅速增殖，对铝硅熔体起到有效的Zr、Sc复合晶粒细化效果，获得成分均匀的铝硅锶锆钪熔体；
7）添加铜元素：向铝硅锶锆钪熔体中添加纯Cu铸锭，加入纯Cu铸锭后
将电阻炉降温至800℃～820℃，保温时间为22min～34min,在保温过程中采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌15min～20min，使Cu元素充分溶解在熔体中，避免Cu元素沉积在不锈钢坩埚底部，获得成分均匀的铝硅锶锆钪铜合金熔体；
8）精炼除气：将电阻炉降温，使铝硅锶锆钪铜合金熔体降温至725℃～740℃，采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的钟罩将精炼剂压至铝硅锶锆钪铜合金熔体内部进行除渣，精炼剂占铝硅锶锆钪铜合金熔体总重的0.3%～0.7%，精炼剂的主要成分为六氯乙烷和氧化钛，其中六氯乙烷和氧化钛的质量配比为1.2～2.0，精炼结束后采用氩气旋转喷吹进行除气，氩气流量控制在0.4L/min～1.0L/min，氩气旋转喷吹时间为12min～25min；
9）添加镁元素：将电阻炉降温，使铝硅锶锆钪铜合金熔体降温至680℃～700℃，采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的钟罩将纯Mg铸锭压至铝硅锶锆钪铜合金熔体内部，为了减少镁元素的烧损，添加镁元素后，熔体保温时间控制在8min～12min，获得成分均匀的铝硅锶锆钪铜镁合金熔体；
10）浇注：将电阻炉升温，使添加镁元素后的铝硅锶锆钪铜镁合金熔体升温至705℃～720℃，浇注至金属型、砂型、石膏型或熔模壳型中，形成Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr合金铸件；
11）固溶处理：将步骤10）制作的合金铸件在固溶保温炉中进行固溶处理，固溶保温温度为520℃～540℃，固溶保温时间为8h～12h，出炉淬火，淬火在室温环境，淬火介质为水，淬火转移时间≤20s，水中冷却时间为5min～20min；
12）时效处理：将步骤11）处理后的合金铸件在时效保温炉中进行时效处理，时效保温温度为160℃～180℃，时效保温时间为12h～18h，出炉后置于空气中冷却。
发明的有益效果：
本发明提出的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金及其制备与热处理方法，大大提高了铝硅系铸造合金的室温强度、延伸率、耐压性能和耐蚀性能，其硅相变质、晶粒细化和热处理强化效果显著，制备方法可实施性强，操作工艺简单，可为海洋环境用高强高韧耐高压结构舱段壳体的工程化生产研制奠定材料制备基础。
附图说明
图1(a)是专利实施例1制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金铸态组织OM测试结果
图1(b)是A356铸造合金铸态组织OM测试结果。
图2(a)是专利实施例2制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后的断口形貌SEM测试结果
图2(b)是A357铸造合金经T6热处理后的断口形貌SEM测试结果。
图3(a)是专利实施例3制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金与A357铸造合金经T6热处理后的抗拉强度、屈服强度测试结果
图3(b)是专利实施例3制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金与A357铸造合金经T6热处理后的延伸率测试结果。
图4(a)是专利实施例4制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后断口表面Al3Zr EDS测试结果
图4(b) 专利实施例4制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后断口表面Al3Zr、Al3Sc EDS测试结果
图4 (c) 专利实施例4制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后断口表面Al2Cu EDS测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的连接结构进行详细说明。
本发明的一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金，该合金中各成分的质量百分数为：Si，8.0%～12.0%；Mg，0.4%～1.0%；Cu，0.8%～2.4%；Sc，0.15%～0.35%；Zr，0.1%～0.25%；Sr，0.05%～0.2%；余量为铝。
为有效解决细化剂Ti元素与Al-Si合金中的Si元素反应生成钛化硅而毒化细化剂的效果，本发明采用Zr、Sc对合金进行复合细化处理；合金的细化剂由Al-2Sc、Al-5Zr中间合金组成，细化处理后，合金中Sc：0.15%～0.35%，Zr：0.1%～0.25%。
添加Sb、Te、La、Rm等稀土元素可对共晶点成分的Si相起到良好的变质效果，但成本较为昂贵；本发明中通过添加价格低廉的Sr元素对含量为8.0%～12.0%的Si相进行变质，改善Si相颗粒的形貌、尺寸、取向和分布，合金的变质剂由Al-10Sr中间合金组成，变质处理后，合金中Sr：0.05%～0.2%。
下面对本发明做进一步详细说明。一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金及其制备与热处理方法，该合金中各成分的质量百分数为：硅，8%～12%；镁，0.4%～1.0%；铜，0.8%～2.4%；钪，0.15%～0.35%；锆，0.1%～0.25%；锶，0.05%～0.2%；其余为铝。固溶温度，520℃～540℃，固溶保温时间，8h～12h，时效温度，160℃～180℃，时效保温时间，12h～18h。
如上面所述的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金的制备方法，制备的步骤如下：
1）备料：按照Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内，在150℃～200℃的温度下烘烤至少45min，以有效脱除原料表面的水汽和油污；原料为：99.99%的工业纯铝；Al-20Si中间合金，工业纯铝与Al-20Si中间合金的质量比为1：（0.82～4.96）；纯Mg铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：（0.01～0.08）；纯Cu铸锭，工业纯铝与纯Cu铸锭的质量比为1：（0.02～0.2）；Al-2Sc中间合金，工业纯铝与Al-2Sc中间合金的质量比为1：（0.15～1.45）；Al-5Zr中间合金，工业纯铝与Al-5Zr中间合金的质量比为1：（0.04～0.41）；Al-10Sr中间合金，工业纯铝与Al-10Sr中间合金的质量比为1：（0.01～0.17）；
2）熔化：将喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的不锈钢坩埚置于电阻炉中，并将工业纯铝铺设在不锈钢坩埚的底部，将电阻炉加热到850℃～900℃，保温45min～60min，获得均匀的纯铝熔体；
3）添加硅元素：向纯铝熔体中加入Al-20Si中间合金，加入Al-20Si中间合金后，将电阻炉加热至940℃～960℃，继续保温20min～25min，获得成分均匀的铝硅熔体；
4）添加锶元素：向铝硅熔体中加入Al-10Sr中间合金，加入Al-10Sr中间合金后，将电阻炉降温至860℃～900℃，保温12min～24min，保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌10min～15min，以完成锶元素的硅相变质，获得成分均匀的铝硅锶熔体；
5）添加锆元素：向铝硅锶熔体中添加Al-5Zr中间合金，加入Al-5Zr中间合金后，将电阻炉降温至840℃～870℃，保温15min～20min，保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌8min～12min，以完成锆元素的晶粒细化，获得成分均匀的铝硅锶锆熔体；
6）添加钪元素：向铝硅锶锆熔体中添加Al-2Sc中间合金，加入Al-2Sc中间合金后，将电阻炉降温至820℃～850℃，保温20min～30min,保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌10min～15min，使钪、锆元素在熔体中充分混合，钪元素添加后形成大量的Al3Sc细化剂依附于步骤5）铝硅锶锆熔体中的Al3Zr表面，迅速增殖，对铝硅熔体起到有效的Zr、Sc复合晶粒细化效果，获得成分均匀的铝硅锶锆钪熔体；
7）添加铜元素：向铝硅锶锆钪熔体中添加纯Cu铸锭，加入纯Cu铸锭后
将电阻炉降温至800℃～820℃，保温时间为22min～34min,在保温过程中采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌15min～20min，使Cu元素充分溶解在熔体中，避免Cu元素沉积在不锈钢坩埚底部，获得成分均匀的铝硅锶锆钪铜合金熔体；
8）精炼除气：将电阻炉降温，使铝硅锶锆钪铜合金熔体降温至725℃～740℃，采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的钟罩将精炼剂压至铝硅锶锆钪铜合金熔体内部进行除渣，精炼剂占铝硅锶锆钪铜合金熔体总重的0.3%～0.7%，精炼剂的主要成分为六氯乙烷和氧化钛，其中六氯乙烷和氧化钛的质量配比为1.2～2.0，精炼结束后采用氩气旋转喷吹进行除气，氩气流量控制在0.4L/min～1.0L/min，氩气旋转喷吹时间为12min～25min；
9）添加镁元素：将电阻炉降温，使铝硅锶锆钪铜合金熔体降温至680℃～700℃，采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的钟罩将纯Mg铸锭压至铝硅锶锆钪铜合金熔体内部，为了减少镁元素的烧损，添加镁元素后，熔体保温时间控制在8min～12min，获得成分均匀的铝硅锶锆钪铜镁合金熔体；
10）浇注：将电阻炉升温，使添加镁元素后的铝硅锶锆钪铜镁合金熔体升温至705℃～720℃，浇注至金属型、砂型、石膏型或熔模壳型中，形成Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr合金铸件；
11）固溶处理：将步骤10）制作的合金铸件在固溶保温炉中进行固溶处理，固溶保温温度为520℃～540℃，固溶保温时间为8h～12h，出炉淬火，淬火在室温环境，淬火介质为水，淬火转移时间≤20s，水中冷却时间为5min～20min；
12）时效处理：将步骤11）处理后的合金铸件在时效保温炉中进行时效处理，时效保温温度为160℃～180℃，时效保温时间为12h～18h，出炉后置于空气中冷却。
本发明的工作原理是：与常规铝硅系铸造合金相比，通过增加Si元素的添加含量，在熔体内部增加了Si相的分布和含量，可有效提高合金材料的耐压性能。通过添加微量的Sr元素，可明显改善共晶Si相的尺寸、形貌、取向、分布和颗粒度，减少细针状或板片状共晶Si相的数量和分布密度，避免出现细长针状形貌的硅相，因其尖端产生应力集中而导致材料产生脆性断裂，有效提高合金材料的延伸率。结合先添加Zr元素、再添加Sc元素的熔炼操作工序，可在铝硅熔体中先产生大量的Al3Zr细化粒子，Sc元素添加进熔体后可优先吸附在Al3Zr表面，呈共格关系形成大量细小、弥散的Al3Sc细化相，通过晶粒细化进一步提高合金材料的强度和塑韧性。在熔体中添加Cu元素和Mg元素，结合调整固溶保温温度、固溶保温时间、时效保温温度和时效保温时间，部分Al3Zr、Al3Sc可重熔进入初生α-Al基体内部，提高合金材料的屈服强度，同时晶界上析出大量的Al2Cu、Mg2Si强化相，进一步提高了合金材料的抗拉强度和屈服强度。因此，一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金及其制备与热处理方法可满足海洋服役环境用结构舱段壳体的高强、高韧、耐压、耐蚀服役技术指标要求，为其工程化生产研制奠定材料制备基础。
实施例1：本实施例中Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr合金的制备及其热处理方法如下：
1）备料：按照Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内，在150℃～200℃的温度下烘烤至少45min，以有效脱除原料表面的水汽和油污；原料为：99.99%的工业纯铝；Al-20Si中间合金，工业纯铝与Al-20Si中间合金的质量比为1：2.42；纯Mg铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：0.05；纯Cu铸锭，工业纯铝与纯Cu铸锭的质量比为1：0.12；Al-2Sc中间合金，工业纯铝与Al-2Sc中间合金的质量比为1：0.85；Al-5Zr中间合金，工业纯铝与Al-5Zr中间合金的质量比为1：0.22；Al-10Sr中间合金，工业纯铝与Al-10Sr中间合金的质量比为1：0.08；
2）熔化：将喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的不锈钢坩埚置于电阻炉中，并将工业纯铝铺设在不锈钢坩埚的底部，将电阻炉加热到880℃，保温50min，获得均匀的纯铝熔体；
3）添加硅元素：向纯铝熔体中加入Al-20Si中间合金，加入Al-20Si中间合金后，将电阻炉加热至950℃，继续保温22min，获得成分均匀的铝硅熔体；
4）添加锶元素：向铝硅熔体中加入Al-10Sr中间合金，加入Al-10Sr中间合金后，将电阻炉降温至880℃，保温18min，保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌12min，以完成锶元素的硅相变质，获得成分均匀的铝硅锶熔体；
5）添加锆元素：向铝硅锶熔体中添加Al-5Zr中间合金，加入Al-5Zr中间合金后，将电阻炉降温至860℃，保温18min，保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌10min，以完成锆元素的晶粒细化，获得成分均匀的铝硅锶锆熔体；
6）添加钪元素：向铝硅锶锆熔体中添加Al-2Sc中间合金，加入Al-2Sc中间合金后，将电阻炉降温至836℃，保温25min,保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌15min，使钪、锆元素在熔体中充分混合，钪元素添加后形成大量的Al3Sc细化剂依附于步骤5）铝硅锶锆熔体中的Al3Zr表面，迅速增殖，对铝硅熔体起到有效的Zr、Sc复合晶粒细化效果，获得成分均匀的铝硅锶锆钪熔体；
7）添加铜元素：向铝硅锶锆钪熔体中添加纯Cu铸锭，加入纯Cu铸锭后
将电阻炉降温至810℃，保温时间为32min,在保温过程中采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌18min，使Cu元素充分溶解在熔体中，避免Cu元素沉积在不锈钢坩埚底部，获得成分均匀的铝硅锶锆钪铜合金熔体；
8）精炼除气：将电阻炉降温，使铝硅锶锆钪铜合金熔体降温至736℃，采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的钟罩将精炼剂压至铝硅锶锆钪铜合金熔体内部进行除渣，精炼剂占铝硅锶锆钪铜合金熔体总重的0.6%，精炼剂的主要成分为六氯乙烷和氧化钛，其中六氯乙烷和氧化钛的质量配比为1.5，精炼结束后采用氩气旋转喷吹进行除气，氩气流量控制在0.7L/min，氩气旋转喷吹时间为20min；
9）添加镁元素：将电阻炉降温，使铝硅锶锆钪铜合金熔体降温至690℃，采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的钟罩将纯Mg铸锭压至铝硅锶锆钪铜合金熔体内部，为了减少镁元素的烧损，添加镁元素后，熔体保温时间控制在11min，获得成分均匀的铝硅锶锆钪铜镁合金熔体；
10）浇注：将电阻炉升温，使添加镁元素后的铝硅锶锆钪铜镁合金熔体升温至710℃，浇注至金属型、砂型、石膏型或熔模壳型中，形成Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr合金铸件；
11）固溶处理：将步骤10）制作的合金铸件在固溶保温炉中进行固溶处理，固溶保温温度为535℃，固溶保温时间为10h，出炉淬火，淬火在室温环境，淬火介质为水，淬火转移时间为10s，水中冷却时间为15min；
12）时效处理：将步骤11）处理后的合金铸件在时效保温炉中进行时效处理，时效保温温度为170℃，时效保温时间为16h，出炉后置于空气中冷却。
图1(a)为A356铸造合金铸态组织OM测试结果，图1(b)为专利实施例1制备Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金铸态组织OM测试结果，由图1(a)、图1(b)对比结果可知，与A356铸造合金相比，本专利实施例1制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金，其初生α-Al基体细化明显，平均晶粒尺寸由192μm降至64μm，共晶Si相形貌由针状和板片状演变为多边形状与球状，Si相颗粒尺寸明显细化。
实施例2：本实施例与实施例1不同的是步骤1）中添加原材料的配比：99.99%的工业纯铝；Al-20Si中间合金，工业纯铝与Al-20Si中间合金的质量比为1：1.28；纯Mg铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：0.06；纯Cu铸锭，工业纯铝与纯Cu铸锭的质量比为1：0.14；Al-2Sc中间合金，工业纯铝与Al-2Sc中间合金的质量比为1：0.96；Al-5Zr中间合金，工业纯铝与Al-5Zr中间合金的质量比为1：0.32；Al-10Sr中间合金，工业纯铝与Al-10Sr中间合金的质量比为1：0.12；其他与实施例1相同。
图2(a)是专利实施例2制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后的断口形貌SEM测试结果，图2(b)是A357铸造合金经T6热处理后的断口形貌SEM测试结果，由图2(a)、图2(b)对比结果可知，专利实施例2中制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金T6态断口断裂方式为韧窝断裂，断口表面可观察到大量细小的微观韧窝，韧窝平均直径约为21μm，A357铸造合金经T6热处理后的断口形貌为沿晶断裂+韧窝断裂，本发明实施例2制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后具有更加优异的塑韧性能。
实施例3：本实施例与实施例1不同的是步骤1）中添加原材料的配比： 99.99%的工业纯铝；Al-20Si中间合金，工业纯铝与Al-20Si中间合金的质量比为1：2.84；纯Mg铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：0.08；纯Cu铸锭，工业纯铝与纯Cu铸锭的质量比为1：0.18；Al-2Sc中间合金，工业纯铝与Al-2Sc中间合金的质量比为1：1.15；Al-5Zr中间合金，工业纯铝与Al-5Zr中间合金的质量比为1：0.34；Al-10Sr中间合金，工业纯铝与Al-10Sr中间合金的质量比为1：0.06；固溶保温温度为540℃，固溶保温时间为8h，时效保温温度为160℃，时效保温时间为14h，其他与实施例1相同。
图3(a)是专利实施例3制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金与A357铸造合金经T6热处理后的抗拉强度、屈服强度测试结果，图3(b)是专利实施例3制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金与A357铸造合金经T6热处理后的延伸率测试结果，由图3(a)、图3(b)对比结果可知，本发明实施例3制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后，平均抗拉强度为427MPa，与A357铝合金经T6热处理后相比，提高了27.2%；平均屈服强度为350MPa，与A357铝合金经T6热处理后相比，增加了27.4%；平均延伸率为9.88%，与A357铝合金经T6热处理后相比，上升了79.6%，合金材料的性能提升明显。
实施例4：本实施例与实施例1不同的是步骤1）中添加原材料的配比： 99.99%的工业纯铝；Al-20Si中间合金，工业纯铝与Al-20Si中间合金的质量比为1：4.44；纯Mg铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：0.07；纯Cu铸锭，工业纯铝与纯Cu铸锭的质量比为1：0.19；Al-2Sc中间合金，工业纯铝与Al-2Sc中间合金的质量比为1：1.36；Al-5Zr中间合金，工业纯铝与Al-5Zr中间合金的质量比为1：0.39；Al-10Sr中间合金，工业纯铝与Al-10Sr中间合金的质量比为1：0.16；固溶保温温度为530℃，固溶保温时间为14h，时效保温温度为175℃，时效保温时间为15h，其他与实施例1相同。
图4(a)是专利实施例4制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后断口表面Al3Zr EDS测试结果，图3(b) 专利实施例4制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后断口表面Al3Zr、Al3Sc EDS测试结果，图4 (c) 专利实施例4制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后断口表面Al2Cu EDS测试结果。由图4测试结果可知，专利实施例4中制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金经T6热处理后，在断口表面可观察到Al3Zr、Al3Sc和Al2Cu等析出强化相，证实了本发明专利制备的Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr合金经T6热处理后具有较为优异的强度和塑韧性能。
实施例5：本实施例与实施例1不同的是步骤2）中工业纯铝的熔化加热温度为870℃，保温时间为50min，其他与实例1相同。
实施例6：本实施例与实施例1不同的是步骤3）中Al-20Si中间合金的冲温温度为960℃，保温时间为24min，其他与实施例1相同。
实施例7：本实施例与实施例1不同的是步骤4）中Al-10Sr中间合金加入后的降温温度为875℃，保温时间为17min，持续搅拌时间为13min，其他与实施例1相同。
实施例8：本实施例与实施例1不同的是步骤5）中加入Al-5Zr中间合金后的降温温度为850℃，保温时间为16min，持续搅拌时间为11min，其他与实施例1相同。
实施例9：本实施例与实施例1不同的是步骤6）中加入Al-2Sc中间合金后的保温温度为835℃，保温时间为28min,持续搅拌时间为14min，其他与实施例1相同。
实施例10：本实施例与实施例1不同的是步骤7）中加入纯Cu铸锭后的保温温度为814℃，保温时间为30min，持续搅拌时间为18min，其他与实施例1相同。
实施例11：本实施例与实施例1不同的是步骤8）中的熔体降温温度为735℃，精炼剂占熔体总重的0.5%，六氯乙烷和氧化钛的质量配比为1.45，氩气流量为0.8L/min，氩气旋转喷吹时间为18min，其他与实施例1相同。
实施例12：本实施例与实施例1不同的是步骤9）中的纯镁铸锭的添加温度为692℃，熔体保温时间为10min，其他与实施例1相同。
实施例13：本实施例与实施例1不同的是步骤10）中的熔体浇注温度为715℃，熔体浇注至熔模壳型，其他与实施例1相同。
实施例14：本实施例与实施例1不同的是步骤11）中的固溶保温温度为530℃，固溶保温时间为8h，出炉至淬入水中的时间为12s，水中冷却时间为8min，其他与实施例1相同。
实施例15：本实施例与实施例1不同的是步骤12）中的时效保温温度为180℃，时效保温时间为15h，其他与实施例1相同。

Claims (8)

1.一种Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金的制备方法，所述Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金中各成分的质量百分数为：Si，8.0%～12.0%；Mg，0.4%～1.0%；Cu，0.8%～2.4%；Sc，0.15%～0.35%；Zr，0.1%～0.25%；Sr，0.05%～0.2%；余量为铝，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）备料：按照Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr铸造合金中各成分的质量百分数称取各种原料，然后将原料放入烘箱内，在150℃～200℃的温度下烘烤至少45min，以有效脱除原料表面的水汽和油污；
2）熔化：将喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的不锈钢坩埚置于电阻炉中，并将工业纯铝铺设在不锈钢坩埚的底部，将电阻炉加热到850℃～900℃，保温45min～60min，获得均匀的纯铝熔体；
3）添加硅元素：向纯铝熔体中加入Al-20Si中间合金，加入Al-20Si中间合金后，将电阻炉加热至940℃～960℃，继续保温20min～25min，获得成分均匀的铝硅熔体；
4）添加锶元素：向铝硅熔体中加入Al-10Sr中间合金，加入Al-10Sr中间合金后，将电阻炉降温至860℃～900℃，保温12min～24min，获得铝硅锶熔体；
5）添加锆元素：向铝硅锶熔体中添加Al-5Zr中间合金，加入Al-5Zr中间合金后，将电阻炉降温至840℃～870℃，保温15min～20min，获得铝硅锶锆熔体；
6）添加钪元素：向铝硅锶锆熔体中添加Al-2Sc中间合金，加入Al-2Sc中间合金后，将电阻炉降温至820℃～850℃，保温20min～30min，获得铝硅锶锆钪熔体；
7）添加铜元素：向铝硅锶锆钪熔体中添加纯Cu铸锭，加入纯Cu铸锭后将电阻炉降温至800℃～820℃，保温时间为22min～34min，获得铝硅锶锆钪铜合金熔体；
8）精炼除气：将电阻炉降温，使铝硅锶锆钪铜合金熔体降温至725℃～740℃，采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的钟罩将精炼剂压至铝硅锶锆钪铜合金熔体内部进行除渣；
9）添加镁元素：将电阻炉降温，使铝硅锶锆钪铜合金熔体降温至680℃～700℃，采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的钟罩将纯Mg铸锭压至铝硅锶锆钪铜合金熔体内部，获得铝硅锶锆钪铜镁合金熔体；
10）浇注：将电阻炉升温，使添加镁元素后的铝硅锶锆钪铜镁合金熔体升温至705℃～720℃，浇注至金属型、砂型、石膏型或熔模壳型中，形成Al-Si-Mg-Cu-Sc-Zr-Sr合金铸件；
11）固溶处理：将步骤10）制作的合金铸件在固溶保温炉中进行固溶处理，固溶保温温度为520℃～540℃，固溶保温时间为8h～12h，出炉淬火，淬火在室温环境，淬火介质为水，淬火转移时间≤20s，水中冷却时间为5min～20min；
12）时效处理：将步骤11）处理后的合金铸件在时效保温炉中进行时效处理，时效保温温度为160℃～180℃，时效保温时间为12h～18h，出炉后置于空气中冷却。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中原料为：99.99%的工业纯铝；Al-20Si中间合金，工业纯铝与Al-20Si中间合金的质量比为1：（0.82～4.96）；纯Mg铸锭，工业纯铝与纯镁铸锭的质量比为1：（0.01～0.08）；纯Cu铸锭，工业纯铝与纯Cu铸锭的质量比为1：（0.02～0.2）；Al-2Sc中间合金，工业纯铝与Al-2Sc中间合金的质量比为1：（0.15～1.45）；Al-5Zr中间合金，工业纯铝与Al-5Zr中间合金的质量比为1：（0.04～0.41）；Al-10Sr中间合金，工业纯铝与Al-10Sr中间合金的质量比为1：（0.01～0.17）。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4）中保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌10min～15min，以完成锶元素的硅相变质，获得成分均匀的铝硅锶熔体。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤5）中保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌8min～12min，以完成锆元素的晶粒细化，获得成分均匀的铝硅锶锆熔体。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤6）中保温过程采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌10min～15min，使钪、锆元素在熔体中充分混合，钪元素添加后形成大量的Al3Sc细化剂依附于步骤5）铝硅锶锆熔体中的Al3Zr表面，迅速增殖，对铝硅熔体起到有效的Zr、Sc复合晶粒细化效果，获得成分均匀的铝硅锶锆钪熔体。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤7）中在保温过程中采用喷涂有氧化锌和碳酸钙涂料的漏勺持续搅拌15min～20min，使Cu元素充分溶解在熔体中，避免Cu元素沉积在不锈钢坩埚底部，获得成分均匀的铝硅锶锆钪铜合金熔体。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤8）中精炼剂占铝硅锶锆钪铜合金熔体总重的0.3%～0.7%，精炼剂的主要成分为六氯乙烷和氧化钛，其中六氯乙烷和氧化钛的质量配比为1.2～2.0，精炼结束后采用氩气旋转喷吹进行除气，氩气流量控制在0.4L/min～1.0L/min，氩气旋转喷吹时间为12min～25min。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤9）中为了减少镁元素的烧损，添加镁元素后，熔体保温时间控制在8min～12min，以获得成分均匀的铝硅锶锆钪铜镁合金熔体。
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