CN115896563B - 一种高性能重力铸造铝合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能重力铸造铝合金材料，所述铝合金材料包括Al2Mg3Zn3相、Al2CuMg相、MgZn2相和ZrAl3相；其中，按照质量百分比计算，Al2Mg3Zn3相的含量为1.5%~11.0%；Al2CuMg相的含量为0.5%~6.5%；MgZn2相的含量为1.0%~9.0%；ZrAl3相的含量为0.01%~1.5%；同时还含有V、Zr和Ti，且0＜V+Zr+Ti＜2.8%；以及含有稀土元素RE，且稀土元素RE含量为0.02%~1.2%。本发明铝合金材料在对铝合金内部强化相进行深入研究，并进行了进一步优化，使得材料微观组织均匀，晶粒细密且大小均匀，同时可热处理析出强化，从而使得到的铝合金材料具有更高的强度和断后延伸率。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种高性能重力铸造铝合金材料及其制备方法。
背景技术
铝合金以铝为基体的材料，添加一定量其他合金化元素的合金。添加元素主要是有硅、镁、铜、锌、锰，次要合金元素有铁、镍、钛、铬、锂、稀土等。铝合金的密度为2.63～2.85g/cm3，是轻金属材料之一。铝合金除具有铝的一般特性外，由于添加合金化元素的种类和数量的不同，又具有一些合金的具体特性。有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用。
由于铝合金具有减重效果好、安全性能好等突出优点，成为汽车轻量化目标的主要应用材料。轻量化要求越来越高，对铝合金需求量也随之增大，2020年，铝合金占据汽车轻量化市场近65％。目前铸造铝合金约占汽车用铝量的77％，可用于制造发动机零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。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，不仅要求铝合金具有较高的强度，同时还需要高的延伸率。超出目前使用铸造铝合金物理性能要求，无法满足其用于制备汽车零部件要求。
目前A356用于汽车制动卡钳用铝合金材料。通过重力浇铸后，采用T6热处理，本体取样测试：屈服强度可达230Mpa，抗拉强度可达260Mpa，断后延伸率3％左右满足，微型车在用。但是A356铝合金材料对于中高端轿车的刹车的固定卡钳而言，A356材料的强韧性仍然是不够的。刹车的固定卡钳为一体式固定卡钳，如果采用铝合金锻造方式成型工艺复杂，成本高。相对于这A356铝合金材料的强度和韧性难以满足这类部件的需求。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高性能重力铸造铝合金材料及其制备方法，以解决现有技术A356铝合金材料的强度和韧性较低、难以满足更高需求的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高性能重力铸造铝合金材料，所述铝合金材料包括Al2Mg3Zn3相、Al2CuMg相、MgZn2相和ZrAl3相；其中，按照质量百分比计算，Al2Mg3Zn3相的含量为1.5％～11.0％；Al2CuMg相的含量为0.5％～6.5％；MgZn2相的含量为1.0％～9.0％；ZrAl3相的含量为0.01％～1.5％；同时还含有V、Zr和Ti，且0＜V+Zr+Ti＜2.8％；以及含有稀土元素RE，且稀土元素RE含量为0.02％～1.2％。
优选地，所述稀土元素包括La和Ce。
优选地，所述La和Ce的质量比为(1～75)：(1～35)。
优选地，按照质量百分比计算，所述铝合金材料包括如下组分：
Si：0.01％-1.0％，Fe：0.05％-1.0％，Cu：0.2％-4.0％，Mn：0.01％-1.0％，Mg：1.0％-7.0％，V：0.01％-1.0％，Zr：0.01％-1.0％，Zn：1.0％-9.0％，Ti：0.01％-0.8％，B:0.001％-0.2％，RE：0.02-1.2％，余量为Al，总杂质≤0.50％。
优选地，所述铝合金材料的抗拉强度为450～500MPa，屈服强度为360～400MPa，延伸率为5.0～9.0％。
优选地，所述B的含量为铝合金总质量的0.001～0.15％。
本发明还提供一种高性能重力铸造铝合金材料的制备方法，制备上述高性能重力铸造铝合金材料，包括如下步骤：
步骤1：熔炼合金，制备得到铝合金熔体；
步骤2：将铝合金熔体在700～730℃下进行重力铸造，得到铝合金铸件；
步骤3：将铝合金铸件依次进行固溶处理和时效处理，制备得到所述铝合金材料。
优选地，在步骤1中，具体包括如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金分别预热至150～250℃，保温2～3h；精炼剂、打渣剂和覆盖剂分别预热至110～150℃，保温1～2h；
(2)熔炼：温度控制在150～250℃，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至740～770℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金、铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至720～740℃，加入精炼剂精炼10～20min，除去浮渣，静置铝合金熔体；其中，精炼剂加入量为熔体总质量的0.2～0.6％；
(4)铝合金熔体变质：熔体降温至710～730℃之间时，加入镁锭、铝钛硼中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金至熔体中，熔化后搅拌均匀；
(5)铝合金熔体除渣：向(4)得到的熔体中加入除渣剂和打渣剂进行除渣，在保护气氛围中搅拌15～20min；加入覆盖剂，获得浇铸前的铝合金熔体。
优选地，所述打渣剂为NaCl、Na2CO3和Na3AlF6的混合物，NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1；所述覆盖剂为NaCl、KCl和CaF2的混合物，NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2，且覆盖剂的添加量为铝液表面积单位用量0.8-1.2kg/m2。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、与现有常规铸造A356铝合金相比，本发明铝合金材料在对铝合金内部强化相进行深入研究，并进行了进一步优化，使得材料微观组织均匀，晶粒细密且大小均匀，从而使得到的铝合金材料具有更高的强度和断后延伸率，对本发明所述铝合金材料铸造得到固定卡钳本体取样检测，其性能达到了：屈服强度超过360Mpa，抗拉强度超过450Mpa，断后延伸率大于5％，从而能够满足制造车用固定卡钳对材料性能的要求。
2、本发明从原料控制、合金配比控制、铝液变质控制、铝液熔体净化控制、过程浇铸控制、工业热处理工艺控制等多个方面进行控制，使铸造的固定卡钳本体材料达到高强韧性。在制备工艺上本发明的铸造铝合金材料，采用熔炼过程中原料分批加入熔炼，阶梯熔化工艺，使得合金元素分布均匀，材料合金化彻底，同时在浇铸过程控制浇铸工艺和热处理过程热处理参数，使得铸造固定卡钳铝合金材料中合金元素发挥出最大作用，最终使浇铸的固定卡钳本体材料达到高强韧性的高性能指标。
附图说明
图1为本发明所述铝合金材料铸态锭料100倍金相组织图。
图2为本发明实施例1铸造固定卡钳本体热处理后100倍金相组织图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一、一种高性能重力铸造铝合金材料
一种高性能重力铸造铝合金材料，所述铝合金材料包括Al2Mg3Zn3相、Al2CuMg相和MgZn2相、ZrAl3相；其中，按照质量百分比计算，Al2Mg3Zn3相的含量为1.5％～11.0％；Al2CuMg相的含量为0.5％～6.5％；MgZn2相的含量为1.0％～9.0％；ZrAl3相的含量为0.01％-1.5％；同时还含有V、Zr和Ti，且0＜V+Zr+Ti＜2.8％；以及含有稀土元素RE，且稀土元素RE含量为0.02％-1.2％。
本发明在对铝合金材料的金相组织进行深入研究后发现，部分金相组织能够为铝合金材料的力学性能带来有利影响，但这种有利影响会受到金相组织的含量影响，如果金相的含量超出一定的范围，反而会对铝合金材料的性能带来不利影响。本发明发现Al2Mg3Zn3相在合金材料中能够有效提升合金材料强度和硬度，但需要将其控制在一定范围内，如果超过这一范围，会导致该金相大量生长，反而使得铝合金材料的塑性、抗应力腐蚀性能以及断裂韧性出现明显降低，所以Al2Mg3Zn3相的含量需要控制在1.5％～11.0％范围，此时该金相能够为铝合金材料带来较佳的综合性能参数。同样的，MgZn2相在合金材料中的出现，能够提升合金材料强度，尤其是能够显著提升时效强化效果，MgZn2合金相控制1.0％～9.0％范围内，可以使得铝合金材料获得较强的强度指标，但超出控制范围，铝合金材料的塑性和抗应力腐蚀性能会出现显著降低。Al2CuMg相在合金材料中起补充强化作用，能够在之前两种金相提升铝合金材料强度的基础上，进一步增强这种强化作用，从而进一步提高铝合金合金材料强度，但Al2CuMg合金相需要控制在0.5％～6.5％范围内，超出这一范围反而会削弱铝合金材料的强度。ZrAl3相在合金材料中可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒，降低材料的淬火敏感性。将ZrAl3相控制在0.01％～1.5％的范围内，可以使ZrAl3相发挥最佳作用，但如果超出范围则会降低钛和硼细化晶粒的效果，反而会削弱晶粒细化效果。同时，本发明还在铝合金材料体系中加入了稀土元素，随着稀土元素的加入，使铝合金材料在熔铸时增加成分过冷，细化晶粒，减少二次晶间距，能够减少铝合金材料中的气体和夹杂，并且使夹带的杂质趋于球化；同时，还可以降低熔体表面张力，增加流动性，有利于铝合金材料浇注成锭。本发明选择稀土元素La和Ce不仅考虑工业成本价格较低，相对易于获得，能够实现工业化生产的大量使用，更重要的是，La和Ce的熔点较低，更容易与铝基合金化，还能够改变铝合金材料的凝固条件，实现细化铝合金材料显微结构、提高铝合金材料力学强度以及超塑性的效果，但同样需要对La和Ce的用量进行控制，在本发明所述铝合金体系中，La和Ce的质量比控制在(1～75)：(1～35)，超过这一范围会降低铝合金材料的塑性。
在具体实施时，按照质量百分比计算，所述铝合金材料包括如下组分：
Si：0.01％-1.0％，Fe：0.05％-1.0％，Cu：0.2％-4.0％，Mn：0.01％-1.0％，Mg：1.0％-7.0％，V：0.01％-1.0％，Zr：0.01％-1.0％，Zn：1.0％-9.0％，Ti：0.01％-0.8％，B:0.001％-0.2％，RE：0.02-1.2％，余量为Al，总杂质≤0.50％。
二、实施例和对比例及其性能分析
实施例1：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.22％，Fe：0.25％，Cu：0.82％，Mn：0.84％，Mg：3.50％，V：0.01％，Zr：0.75％，Zn：3.38％，Ti：0.35％，La：0.64％，Ce：0.30％，B:0.008％，余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl:CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在715℃下浇注至预热至250℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率2℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温450℃，保温30小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至180℃的，保温10小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度465Mpa，屈服强度368Mpa，伸长率6.5％。
实施例2：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.15％，Fe：0.18％，Cu：1.05％，Mn：0.86％，Mg：3.13％，V：0.62％，Zr：0.01％，Zn：3.45％，Ti：0.20％，La：0.72％，Ce：0.01％，B:0.005％,余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在700℃下浇注至预热至250℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率2℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温470℃，保温24小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至150℃的，保温18小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度461Mpa，屈服强度364Mpa，伸长率6.1％。
实施例3：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.18％，Fe：0.21％，Cu：1.12％，Mn：0.66％，Mg：4.15％，V：0.01％，Zr：0.78％，Zn：3.89％，Ti：0.35％，La：0.01％，Ce：0.30％，B:0.003％,余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在700℃下浇注至预热至280℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率4℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温460℃，保温28小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至160℃的，保温16小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度469Mpa，屈服强度375Mpa，伸长率7.3％。
实施例4：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.14％，Fe：0.27％，Cu：1.2％，Mn：0.65％，Mg：3.89％，V：0.68％，Zr：0.54％，Zn：3.95％，Ti：0.01％，La：0.68％，Ce：0.31％，B:0.006％，余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在715℃下浇注至预热至270℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率4℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温450℃，保温32小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至200℃的，保温6小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度463Mpa，屈服强度375Mpa，伸长率6.5％。
实施例5：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.19％，Fe：0.20％，Cu：1.35％，Mn：0.67％，Mg：4.52％，V：0.59％，Zr：0.52％，Zn：4.20％，Ti：0.30％，La：0.75％，Ce：0.01％，B:0.005％,余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在720℃下浇注至预热至250℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率5℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温490℃，保温12小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至160℃的，保温16小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度464Mpa，屈服强度380Mpa，伸长率7.4％。
实施例6：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.24％，Fe：0.21％，Cu：1.41％，Mn：0.01％，Mg：4.84％，V：0.63％，Zr：0.45％，Zn：5.03％，Ti：0.35％，La：0.71％，Ce：0.33％，B:0.004％,余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在730℃下浇注至预热至240℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率5℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温465℃，保温24小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至150℃的，保温18小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度471Mpa，屈服强度380Mpa，伸长率8.5％。
实施例7：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.23％，Fe：0.22％，Cu：1.54％，Mn：0.71％，Mg：5.03％，V：0.50％，Zr：0.75％，Zn：6.26％，Ti：0.28％，La：0.74％，Ce：0.18％，B:0.007％,余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在720℃下浇注至预热至265℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率8℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温470℃，保温24小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至170℃的，保温14小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度490Mpa，屈服强度391Mpa，伸长率7.8％。
实施例8：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.24％，Fe：0.21％，Cu：1.21％，Mn：0.65％，Mg：5.00％，V：0.57％，Zr：0.66％，Zn：5.10％，Ti：0.31％，La：0.69％，Ce：0.32％，B:0.008％,余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在725℃下浇注至预热至280℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率8℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温455℃，保温30小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至165℃的，保温16小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度495Mpa，屈服强度395Mpa，伸长率8.7％。
实施例9：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.20％，Fe：0.23％，Cu：1.29％，Mn：0.65％，Mg：6.01％，V：0.69％，Zr：0.59％，Zn：5.5％，Ti：0.32％，La：0.65％，Ce：0.28％，B:0.006％,余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)、铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在720℃下浇注至预热至270℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率6℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温460℃，保温28小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至170℃的，保温14小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度485Mpa，屈服强度383Mpa，伸长率8.2％。
实施例10：
本实施例提供的高性能铝合金材料，由质量百分数计的如下元素组成为：Si：0.23％，Fe：0.22％，Cu：2.01％，Mn：0.56％，Mg：5.55％，V：0.54％，Zr：0.58％，Zn：6.54％，Ti：0.33％，La：0.66％，Ce：0.26％，B:0.005％,余量为Al，杂质≤0.50％。其中Fe和Si是其他原料伴随元素。
如下步骤：
(1)烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金原料分别预热至220℃，保温2小时；精炼剂、打渣剂、覆盖剂分别预热120℃，保温1.5小时。
(2)熔炼：温度保温至200℃时，加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至750℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金，铝锰中间合金；
(3)铝合金精炼：熔体降温至740℃，加入精炼剂进行精炼10～20分钟，舀取浮渣，静置铝合金熔体；
(4)铝合金熔体变质：熔体温度降至720℃之间时，加入镁锭和铝钛硼中间合金，铝钒中间合金、铝锆中间合金压入熔体熔化后，搅拌铝液；
(5)铝合金熔体除气：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入除渣剂，除渣，撇去浮渣，氩气保护气氛中搅拌15～20分钟；
(6)铝合金熔体除渣：向步骤(5)中制备所得的熔体中加入打渣剂(打渣剂为NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1的混合物)，氩气搅动10-15分钟，撇去浮渣。
(7)铝合金溶体持久保护：向步骤(6)中铝液熔体加入覆盖剂(NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2的混合物)，获得浇铸前铝合金熔体。
(8)将熔体进行金属模具的重力铸造，获得铝合金。铸造步骤：将所述铝熔体在710℃下浇注至预热至260℃的金属型模具中，可控恒温模具中，冷却速率6℃/s。
(9)将浇铸的固定卡钳，进行本体的固溶处理和时效处理。固溶处理是在固熔炉中升温465℃，保温26小时后，水温30℃冷却；时效处理是在时效炉中升温至145℃的，保温20小时。
(10)本实施例中，铸造高性能的铝合金卡钳件，本体取样，制标准拉伸试棒测试力学性能：室温抗拉强度488Mpa，屈服强度386Mpa，伸长率8.6％。
表1(单位：％)
| 示例元素 | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | V | Zr | Zn | La | Ti | Ce | B | Al |
| 实施例1 | 0.22 | 0.25 | 0.82 | 0.84 | 3.50 | 0.01 | 0.75 | 3.38 | 0.64 | 0.35 | 0.30 | 0.008 | 剩余 |
| 实施例2 | 0.15 | 0.18 | 1.05 | 0.86 | 3.13 | 0.62 | 0.01 | 3.45 | 0.72 | 0.20 | 0.01 | 0.005 | 剩余 |
| 实施例3 | 0.18 | 0.21 | 1.12 | 0.66 | 4.15 | 0.01 | 0.78 | 3.89 | 0.01 | 0.35 | 0.30 | 0.003 | 剩余 |
| 实施例4 | 0.14 | 0.27 | 1.20 | 0.65 | 3.89 | 0.68 | 0.54 | 3.95 | 0.68 | 0.01 | 0.31 | 0.006 | 剩余 |
| 实施例5 | 0.19 | 0.20 | 1.35 | 0.67 | 4.52 | 0.59 | 0.52 | 4.20 | 0.75 | 0.30 | 0.01 | 0.005 | 剩余 |
| 实施例6 | 0.24 | 0.21 | 1.41 | 0.01 | 4.84 | 0.63 | 0.45 | 5.03 | 0.71 | 0.35 | 0.33 | 0.004 | 剩余 |
| 实施例7 | 0.23 | 0.22 | 1.54 | 0.71 | 5.03 | 0.50 | 0.75 | 6.26 | 0.74 | 0.28 | 0.18 | 0.007 | 剩余 |
| 实施例8 | 0.24 | 0.21 | 1.21 | 0.65 | 5.00 | 0.57 | 0.66 | 5.10 | 0.69 | 0.31 | 0.32 | 0.008 | 剩余 |
| 实施例9 | 0.20 | 0.23 | 1.29 | 0.65 | 6.01 | 0.69 | 0.59 | 5.50 | 0.65 | 0.32 | 0.28 | 0.006 | 剩余 |
| 实施例10 | 0.23 | 0.22 | 2.01 | 0.56 | 5.55 | 0.54 | 0.58 | 6.54 | 0.66 | 0.33 | 0.26 | 0.005 | 剩余 |
表2
| 含有的金相 | Al2Mg3Zn3 | Al2CuMg | MgZn2 | ZrAl3 |
| 实施例1 | 5.46 | 3.11 | 4.49 | 0.99 |
| 实施例2 | 4.88 | 2.78 | 4.02 | 0.01 |
| 实施例3 | 6.48 | 3.68 | 5.33 | 1.03 |
| 实施例4 | 6.07 | 3.45 | 4.99 | 0.71 |
| 实施例5 | 7.05 | 4.01 | 5.80 | 0.69 |
| 实施例6 | 7.55 | 4.30 | 6.21 | 0.60 |
| 实施例7 | 7.85 | 4.46 | 6.46 | 0.99 |
| 实施例8 | 7.80 | 4.44 | 6.42 | 0.87 |
| 实施例9 | 9.38 | 5.33 | 7.71 | 0.78 |
| 实施例10 | 8.66 | 4.93 | 7.12 | 0.77 |
按国家标准GB/T 228.1-2010：金属材料室温拉伸试验方法测试，测试结果如表3。
表3
通过附表1和附表2，附表3可以看出，研发的材料，浇铸成固定卡钳，测试卡钳本体样品性能数据分析：
(1)在允许金相范围内，随着Al2Mg3Zn3相、Al2Mg3Zn3相、MgZn2相的质量百分比逐渐增加，铝合金材料的力学性能出现了显著提升，同时随着这三种金相含量的进一步增加，铝合金材料的性能开始出现下降的现象，表明这三种金相都能够显著影响铝合金材料的力学性能；
(2)对比例完全没有对铝合金材料中的金相组成进行任何调控，对比例得到的铝合金材料在力学性能上明显不如实施例，这也证明了通过金相含量的改变可以达到对铝合金材料力学性能的调控，从而使得到的铝合金材料在力学性能上满足需求。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种高性能重力铸造铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料包括Al2Mg3Zn3相、Al2CuMg相、MgZn2相和ZrAl3相；其中，按照质量百分比计算，Al2Mg3Zn3相的含量为4.88%~9.38%；Al2CuMg相的含量为2.78%~5.33%；MgZn2相的含量为4.02%~7.71%；ZrAl3相的含量为0.01%~1.03%；同时还含有V、Zr和Ti，且0＜V+Zr+Ti＜2.8%；以及含有稀土元素RE，且稀土元素RE含量为0.02%~1.2%；
按照质量百分比计算，所述铝合金材料包括如下组分：
Si：0.14%-0.24%，Fe：0.18%-0.27%，Cu：0.82%-2.01%，Mn：0.01%-0.86%，Mg：3.13%-6.01%，V：0.01%-0.69%，Zr：0.01%-0.78%，Zn：3.38%-6.54%，Ti：0.01%-0.35%，B:0.003%-0.008%，余量为Al，总杂质≤0.50％；
所述稀土元素包括La和Ce；所述La和Ce的质量比为（1~75）：（1~35）。
2.根据权利要求1所述高性能重力铸造铝合金材料，其特征在于，所述铝合金材料的抗拉强度为450~500MPa，屈服强度为360~400MPa，延伸率为5.0~9.0%。
3.根据权利要求1所述高性能重力铸造铝合金材料，其特征在于，所述B的含量为铝合金总质量的0.001%~0.15%。
4.一种高性能重力铸造铝合金材料的制备方法，其特征在于，制备如权利要求1~3任一项所述高性能重力铸造铝合金材料，包括如下步骤：
步骤1：熔炼合金，制备得到铝合金熔体；
步骤2：将铝合金熔体在700~730℃下进行重力铸造，得到铝合金铸件；
步骤3：将铝合金铸件依次进行固溶处理和时效处理，制备得到所述铝合金材料。
5.根据权利要求4所述高性能重力铸造铝合金材料的制备方法，其特征在于，在步骤1中，具体包括如下步骤：
（1）烘料：将铝锭、锌锭、镁锭、纯铜、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锰中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金分别预热至150~250℃，保温2~3h；精炼剂、打渣剂和覆盖剂分别预热至110~150℃，保温1~2h；
（2）熔炼：加入铝锭、纯铜，熔化后搅拌；熔体升温至740~770℃，加入锌锭、铝-稀土中间合金、铝锰中间合金；
（3）铝合金精炼：熔体降温至720~740℃，加入精炼剂精炼10~20min，除去浮渣，静置铝合金熔体；其中，精炼剂加入量为熔体总质量的0.2~0.6%；
（4）铝合金熔体变质：熔体降温至710~730℃之间时，加入镁锭、铝钛硼中间合金、铝钒中间合金、铝锆中间合金至熔体中，熔化后搅拌均匀；
（5）铝合金熔体除渣：向（4）得到的熔体中加入除渣剂和打渣剂进行除渣，在保护气氛围中搅拌15~20min；加入覆盖剂，获得浇铸前的铝合金熔体。
6.根据权利要求5所述高性能重力铸造铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述打渣剂为NaCl、Na2CO3和Na3AlF6的混合物，NaCl：Na2CO3：Na3AlF6的质量比为14:3:1；所述覆盖剂为NaCl、KCl和CaF2的混合物，NaCl：KCl：CaF2质量比为1:2:2，且覆盖剂的添加量为铝液表面积单位用量0.8-1.2 kg/m²。
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