CN115261683B - 一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种免水淬的高强韧铸造Al‑Si合金及其制备方法；合金材料按照质量百分比计，Si：9.5‑12.0wt.％，Cu：1.0‑2.0wt.％，Mg：0.45‑0.55wt.％，Mn：0.10‑0.25wt.％，Zn：0.45‑0.55wt.％，Sb：0.25‑0.35wt.％，B：0.025‑0.035wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al；制备方法：将纯铝锭、Al‑20Si合金、Al‑10Mn合金、Al‑50Cu合金、Al‑3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb进行烘干处理，进行配比，纯铝锭和Al‑20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al‑10Mn和Al‑50Cu合金，静置；在730～740℃下依次加入Al‑3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌，静置，获得铝硅合金熔体1；降温，加入C2Cl6和KF精炼剂，通入高纯氩气搅拌、保温，获得铝硅合金熔体2；在650～720℃下浇铸成形，获得铝硅合金锭；热处理；本发明制备过程简单，保持较高强塑性匹配，稳定工件尺寸精度。
Description
技术领域
本发明属于铸造铝合金技术领域，涉及一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金及其制备方法。
背景技术
目前，汽车制造领域对于大型和复杂结构件轻量化的需求愈来愈大，其中一些关键承力结构件都朝向“用铝替钢”的方向发展。Al-Si合金由于其优异的流动性、高比强度及良好的耐蚀性能已经在汽车工业、航空航天等领域受到了广泛关注。
然而，一些关键部位的承力结构件对材料的力学性能要求严格，单依靠Al-Si合金的铸态性能尚不能满足受力情况复杂环境的服役要求，故需要结合热处理来进一步提升合金的力学性能。目前多数合金应用的都是“固溶+水淬，时效+水淬”的加工方法，虽然采用该工艺会使合金力学性能得到显著提升，但是同样会带来工件尺寸精度的显著下降，从而使工件失去使用意义，大大降低工件的实际应用率，提高制备合金材料的成本。
因此，针对工件尺寸精度，提高工件实际应用率，并提高合金强度和塑性是当前亟待解决的重要问题。
202110500574.5专利一：通过优化Si、Mg、Mn、Ti元素的含量，并且通过添加微量Er来细化变质粗大的初晶硅以及共晶硅转变为细小的等轴晶粒，消除了粗大的初晶硅和共晶硅对铝硅合金强度、塑性和断裂韧性的影响。本发明中添加Cu元素，提高合金强度。使用B元素和Zn元素变质共晶硅，提高合金塑性。与Er相比，B元素和Zn元素价格低廉。
本发明公开了一种含Er的高强韧铸造铝硅合金及其制备方法，属于铝合金技术领域。本发明含Er的高强韧铸造铝硅合金，以质量百分数计，该铝硅合金包括：Si 6.8～8％，Mg0.50～0.65％，Ti0.15～0.30％，Mn 0.02～0.05％，Er 0.2～0.6％，其余为Al。本发明通过优化Si、Mg、Mn、Ti元素的含量，并且通过添加微量Er来细化变质粗大的初晶硅以及共晶硅转变为细小的等轴晶粒，消除了粗大的初晶硅和共晶硅对铝硅合金强度、塑性和断裂韧性的影响；本发明铸造铝硅合金具有高强度、高韧性，适用于各种交通用铝合金。
202011381304.9专利二：公开了一种微合金化压铸铝硅合金及其制备方法。所述铝硅合金采用高真空压铸和T6热处理工艺制备(540℃下固溶6h后淬火，随后在200℃下时效8h，出炉空冷)。本发明中的合金固溶处理后，采用空冷而非水淬火，保证了构件的尺寸精度。
本发明公开了一种微合金化压铸铝硅合金及其制备方法。所述铝硅合金采用高真空压铸和T6热处理工艺制备，其组成成分及其百分比质量为：硅6.50-7.50％，镁0.30-0.45％，锰0.45-0.65％，铬0.05-0.25％，钛0.10-0.15％，锶100ppm-200ppm，铁≤0.12％，剩余为铝。本发明制备的铝硅合金在铸态和热处理态都具有较高的强度和较高的韧性，且成形性能好，尺寸精度高；对大型复杂薄壁铸件，该合金铸态即可提供较高的性能，防止在热处理过程中变形。在汽车、轨道交通等领域中有着十分广阔的应用前景。
201811489233.7专利三：本发明通过优化Si、Mg、La、Ce等元素的含量，细化变质α-Al晶粒、β-Fe富铁相和共晶Si相，使α-Al树枝晶转变为细小等轴晶粒，使针片状β-Fe富铁相和共晶Si相转变为细小的颗粒状或短棒状，消除针片状β-Fe富铁相和共晶Si相对铝硅合金强度、塑性和断裂韧性的危害。本发明不使用稀土元素，价格低廉。
本发明提供一种高强韧铸造铝硅合金及其制备方法和应用，所述铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7～8％，Mg 0.4～0.5％，Fe 0.1～0.2％，Ti 0.1～0.2％，Sr0.01～0.02％，La 0.03～0.06％，Ce 0.02～0.04％，其余为Al和不可避免的杂质元素。制备方法包括熔炼配制铝硅合金液、细化变质、精炼除气除杂、铸造和固溶时效处理。本发明通过优化Si、Mg元素的含量，细化变质α-Al晶粒、β-Fe富铁相和共晶Si相，使α-Al树枝晶转变为细小等轴晶粒，使针片状β-Fe富铁相和共晶Si相转变为细小的颗粒状或短棒状，消除针片状β-Fe富铁相和共晶Si相对铝硅合金强度、塑性和断裂韧性的危害。本发明铸造铝硅合金具有强度高、塑性好和优异的断裂韧性，适合于铸造各种受力结构件，如汽车轻量化结构件。
上述专利与本申请相关度较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题：当前，铝合金的固溶热处理多数采用水淬的方式进行快速冷却，这样虽然可以提高合金的力学性能，但是由于工件表层和心部冷却速度不同造成内应力提高，导致水淬的工件尺寸失稳严重，降低工件的成品率。
本发明的目的：本发明从稳定工件尺寸精度，提高工件实际应用率的角度出发，采用风冷作为中介结合双级固溶处理，并通过细化变质、微合金化提高工件的力学性能，获得了强塑性较好的合金材料。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金材料，按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：9.5-12.0wt.％，Cu：1.0-2.0wt.％，Mg：0.45-0.55wt.％，Mn：0.10-0.25wt.％，Zn：0.45-0.55wt.％，Sb：0.25-0.35wt.％，B：0.025-0.035wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
优选地，按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：10.0～11.5wt.％，Cu：1.5～2.0wt.％，Mg：0.45～0.50wt.％，Mn：0.15～0.20wt.％，Zn：0.45-0.50wt.％，Sb：0.30-0.35wt.％，B：0.025-0.035wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
优选地，按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：10.0wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，B：0.03wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
优选地，按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：10.5wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，B：0.03wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
优选地，按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：11.4wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，B：0.03wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金由如下方法步骤制备：
步骤1：将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb放进电阻炉中进行烘干处理，然后将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb进行配比，随后将纯铝锭和Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置20～40分钟，获得铝硅合金熔体1；
Al-20Si合金的含Si质量百分比为20％，Al-10Mn合金的含Mn质量百分比为10％，Al-50Cu合金的含Cu质量百分比为50％，Al-3B合金的含B质量百分比为3％；
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭；
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理500～510℃×2～6h+530～540℃×2～6h→风冷→170℃时效→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
优选地，步骤1所述的纯铝锭和Al-20Si合金在780～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置20～40分钟，获得铝硅合金熔体1。
优选地，步骤2所述的是将铝硅合金熔体1降温至700～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温20～30分钟，获得铝硅合金熔体2。
优选地，步骤3所述铝硅合金熔体2在690～720℃下，注入到预热300℃的铁模中成形，获得铝硅合金锭。
优选地，步骤4所述的合金热处理工艺为：固溶处理500～510℃×2～4h+530～540℃×4～6h→风冷→170℃时效→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明提供的一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金材料的制备过程简单，不仅能保持较高的强塑性匹配，还能够稳定工件的尺寸精度，对实际生产具有重要意义。其优势在于：
采用常规铸造即可制备，不需要复杂的仪器设备，降低成本；
采用Cu、Mg、Zn等价格便宜的强化元素，而不采用价格昂贵的稀土元素，能获得良好的力学性能，节约资源，降低成本；同时添加微量Zn元素还可以缩短热处理时长，提高生产效率；
采用风冷而不是水淬，可以有效避免因为表面和心部热胀冷缩作用造成的体积变化不同导致的残余应力，从而获得热处理状态下Al-Si合金良好的尺寸稳定性。
附图说明
图1是本发明中实施例3与对比例4、对比例5所对应的工程应力-应变曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面结合附图对本发明作详细的描述：
本发明旨在提高合金力学性能的同时，保证工件尺寸结构的稳定性，提供了一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金材料及其制备方法，其由以下质量百分比的成分组成：Si：9.5-12.0wt.％，Cu：1.0-2.0wt.％，Mg：0.45-0.55wt.％，Mn：0.10-0.25wt.％，Zn：0.45-0.55wt.％，Sb：0.25-0.35wt.％，B：0.025-0.035wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
提高Si的含量可以提高材料的铸造性能和强度。但是，当Si含量超过共晶点(12.6wt.％)后，由于初生Si的存在，会使得Al-Si合金的塑性迅速降低。因此，为了提高Al-Si合金的强度并且保持必要的塑性，我们选择了9.5-12.0wt.％的Si含量。Si的加入使合金具备优异的铸造性能，降低热烈倾向。同时硬质Si颗粒与软质Al基体有益结合可提升合金的力学性能。
本发明引入Cu、Mg元素作为主要强化元素，通过调配Cu/Mg配比可形成Q和θ′相，Q相与θ′在拉伸过程中协同强化阻碍位错运动，使合金在强度得到大幅提升。同时，Zn元素的加入使共晶Si的形态产生一定细化效果，降低了其割裂基体的作用。在时效过程中，引入Zn可降低基体层错能，显著促进合金中θ′主要强化相的时效动力学，对合金力学性能的改善有一定辅助作用，并缩短热处理周期，提高生产效率。
综上，本发明通过微量合金化的理念结合风冷的热处理方法，针对工件尺寸精度问题，设计出了一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金材料。
本发明所述的一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金的制备方法，其特点是包括以下步骤：
步骤1：将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb放进电阻炉中进行烘干处理，然后将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb按表1进行配比，随后将纯铝锭和Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置20～40分钟，获得铝硅合金熔体1；
Al-20Si合金的含Si质量百分比为20％，Al-10Mn合金的含Mn质量百分比为10％，Al-50Cu合金的含Cu质量百分比为50％，Al-3B合金的含B质量百分比为3％。
将“纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb”这些所有的材料进行烘干处理。
原材料烘干后进行配比，随后开始熔炼。
表1为一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金的熔炼配比表。
表1
说明：此处说的是一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金材料，化学成分是一个范围“Si：9.5-12.0wt.％，Cu：1.0-2.0wt.％，Mg：0.45-0.55wt.％，Mn：0.10-0.25wt.％，Zn：0.45-0.55wt.％，Sb：0.25-0.35wt.％，B：0.025-0.035wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al”，所以，表1给出的是原材料的配比范围。下述实施例1、2、3给出具体配比值。
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭。
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理500～510℃×2～6h+530～540℃×2～6h→风冷→170℃时效→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金，也即得到本发明所述的免水淬的高强韧铸造Al-Si合金。
进一步地，按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：10.0～11.5wt.％，Cu：1.5～2.0wt.％，Mg：0.45～0.50wt.％，Mn：0.15～0.20wt.％，Zn：0.45-0.50wt.％，Sb：0.30-0.35wt.％，B：0.025-0.035wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
进一步地，步骤1所述的纯铝锭和Al-20Si合金在780～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置20～40分钟，获得铝硅合金熔体1；
进一步地，步骤2所述的是将铝硅合金熔体1降温至700～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温20～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
进一步地，步骤3所述铝硅合金熔体2在690～720℃下，注入到预热300℃的铁模中成形，获得铝硅合金锭。
进一步地，步骤4所述的合金热处理工艺为：固溶处理500～510℃×2～4h+530～540℃×4～6h→风冷→170℃时效→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
本发明提供的一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金材料的制备过程简单，不仅能保持较高的强塑性匹配，还能够保证工件尺寸精度的稳定，对实际生产具有重要意义。其优势在于：
采用常规铸造即可制备，不需要复杂的仪器设备，降低成本；
采用Cu、Mg、Zn等价格便宜的强化元素，而不采用价格昂贵的稀土元素就能获得良好的力学性能，节约资源，降低成本；同时添加微量Zn元素还可以缩短热处理时长，提高生产效率；
采用风冷而不是水淬作为中间介质可以有效避免因为表面和心部热胀冷缩作用造成的体积变化不同导致的残余应力，从而获得热处理Al-Si合金良好的尺寸稳定性。
结合具体实例和对比例对本发明的实验方案作进一步的说明，以便更好的理解本发明的试验方案。
实施例1:
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金由以下质量百分比的成分组成：Si：10.0wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，B：0.03wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
制备过程包括以下步骤：
步骤1：将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb放进电阻炉中进行烘干处理，然后将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb按表2进行配比，随后将纯铝锭和Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置40分钟，获得铝硅合金熔体1；
表2
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭。
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理510℃×2h+530℃×6h→风冷→170℃×5h→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
对比例1:
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si：10.2wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。制备过程包括以下步骤：
步骤1：将原材料放进电阻炉中进行烘干处理，随后将铝锭Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下加入纯Mg，搅拌均匀，静置40分钟，获得铝硅合金熔体1；
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭。
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理510℃×2h+530℃×6h→风冷→170℃×7h→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
对比例2:
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si：10.1wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，B：0.03wt.％不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。制备过程包括以下步骤：
步骤1：将原材料放进电阻炉中进行烘干处理，随后将铝锭Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金和纯Mg，搅拌均匀，静置40分钟，获得铝硅合金熔体1；
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭。
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理510℃×2h+530℃×6h→风冷→170℃×7h→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
实施例2:
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金由以下质量百分比的成分组成：Si：10.5wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，B：0.03wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
制备过程包括以下步骤：
步骤1：将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb放进电阻炉中进行烘干处理，然后将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb按表3进行配比，随后将纯铝锭和Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置40分钟，获得铝硅合金熔体1；
表3
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭。
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理510℃×2h+530℃×6h→风冷→170℃×5h→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
对比例3:
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si：10.5wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。制备过程包括以下步骤：
步骤1：将原材料放进电阻炉中进行烘干处理，随后将铝锭Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入纯Mg和纯Zn，搅拌均匀，静置40分钟，获得铝硅合金熔体1；
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭。
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理510℃×2h+530℃×6h→风冷→170℃×5h→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
实施例3:
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金由以下质量百分比的成分组成：Si：11.4wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，B：0.03wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
制备过程包括以下步骤：
步骤1：将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb放进电阻炉中进行烘干处理，然后将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb按表4进行配比，随后将纯铝锭和Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置40分钟，获得铝硅合金熔体1；
表4
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭。
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理510℃×2h+530℃×6h→风冷→170℃×5h→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
对比例4:
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金，由以下质量百分比的成分组成：Si：11.5wt.％，Cu:1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。制备过程包括以下步骤：
步骤1：将原材料放进电阻炉中进行烘干处理，随后将铝锭Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入纯Mg和纯Sb，搅拌均匀，静置40分钟，获得铝硅合金熔体1；
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭。
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理510℃×2h+530℃×6h→风冷→170℃×7h→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
对比例5:
一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金由以下质量百分比的成分组成：Si：11.5wt.％，Cu:1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，B：0.03wt.％，Sb：0.3wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。制备过程包括以下步骤：
步骤1：将原材料放进电阻炉中进行烘干处理，随后将铝锭Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg和纯Sb，搅拌均匀，静置40分钟，获得铝硅合金熔体1；
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭。
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理510℃×2h+530℃×6h→风冷→170℃×7h→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
按中华人民共和国国家标准GB/T228-2010，在岛津拉力试验机AG-X plus上进行室温拉伸，拉伸速度率为0.6mm/min，拉伸力学性能如表5所示。
表5为实施例和对比例合金的室温拉伸力学性能
由上表所示，通过比较可以发现，复合添加B和Sb元素进行孕育变质，结合Zn元素微合金化，Al-11.4Si-1.5Cu-0.5Mg-0.2Mn-0.3Sb-0.03B-0.5Zn合金综合力学性能最好，其屈服强度、抗拉强度及延伸率分别为314MPa、398MPa、7.1％。综上所述，本发明通过在铝硅合金的基础上添加B、Sb、Zn三种元素，通过调控热处理工艺，优化出了一组合金成分及热处理工艺，合金不仅具备良好的力学性能，同时明显缩短了生产周期，提高了生产效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金，其特征在于：按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：9.5-12.0wt.％，Cu：1.0-2.0wt.％，Mg：0.45-0.55wt.％，Mn：0.10-0.25wt.％，Zn：0.45-0.55wt.％，Sb：0.25-0.35wt.％，B：0.025-0.035wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al；
免水淬的高强韧铸造Al-Si合金制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb放进电阻炉中进行烘干处理，然后将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb进行配比，随后将纯铝锭和Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置20～40分钟，获得铝硅合金熔体1；
Al-20Si合金的含Si质量百分比为20％，Al-10Mn合金的含Mn质量百分比为10％，Al-50Cu合金的含Cu质量百分比为50％，Al-3B合金的含B质量百分比为3％；
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭；
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理500～510℃×2～6h+530～540℃×2～6h→风冷→170℃时效→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
2.根据权利要求1所述的一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金，其特征在于：按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：10.0～11.5wt.％，Cu：1.5～2.0wt.％，Mg：0.45～0.50wt.％，Mn：0.15～0.20wt.％，Zn：0.45-0.50wt.％，Sb：0.30-0.35wt.％，B：0.025-0.035wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金，其特征在于：
按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：10.0wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，B：0.03wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
4.根据权利要求1所述的一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金，其特征在于：
按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：10.5wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，B：0.03wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
5.根据权利要求1所述的一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金，其特征在于：
按照质量百分比计，由如下组分组成：Si：11.4wt.％，Cu：1.5wt.％，Mg：0.5wt.％，Mn：0.2wt.％，Sb：0.3wt.％，B：0.03wt.％，Zn：0.5wt.％，不可避免的杂质含量≤0.2wt.％，余量为Al。
6.如权利要求1所述的一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb放进电阻炉中进行烘干处理，然后将纯铝锭、Al-20Si合金、Al-10Mn合金、Al-50Cu合金、Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb进行配比，随后将纯铝锭和Al-20Si合金在750～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置20～40分钟，获得铝硅合金熔体1；
Al-20Si合金的含Si质量百分比为20％，Al-10Mn合金的含Mn质量百分比为10％，Al-50Cu合金的含Cu质量百分比为50％，Al-3B合金的含B质量百分比为3％；
步骤2：将步骤1获得的铝硅合金熔体1降温至680～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅拌3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温10～30分钟，获得铝硅合金熔体2；
步骤3：将步骤2获得的铝硅合金熔体2在650～720℃下，注入到预热300℃的铁模中浇铸成形，获得铝硅合金锭；
步骤4：将步骤3获得的铝硅合金锭进行热处理，热处理工艺为：固溶处理500～510℃×2～6h+530～540℃×2～6h→风冷→170℃时效→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
7.根据权利要求6所述一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金制备方法，其特征在于：
步骤1所述的纯铝锭和Al-20Si合金在780～800℃下熔化，加入Al-10Mn合金和Al-50Cu合金，静置30分钟；在730～740℃下依次加入Al-3B合金、纯Mg、纯Zn和纯Sb，搅拌均匀，静置20～40分钟，获得铝硅合金熔体1。
8.根据权利要求6所述一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金制备方法，其特征在于：
步骤2所述铝硅合金熔体1降温至700～730℃，加入C2Cl6和KF精炼剂进行精炼，然后通入高纯氩气顺时针搅3-5min，进行除气除杂精炼处理，保温20～30分钟，获得铝硅合金熔体2。
9.根据权利要求6所述一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金制备方法，其特征在于：
步骤3所述铝硅合金熔体2在690～720℃下，注入到预热300℃的铁模中成形，获得铝硅合金锭。
10.根据权利要求6所述一种免水淬的高强韧铸造Al-Si合金制备方法，其特征在于：
步骤4所述的合金热处理工艺为：固溶处理
500～510℃×2～4h+530～540℃×4～6h→风冷→170℃时效→风冷，获得高强塑铸造铝硅合金。
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