一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金及制法与应用
阅读说明：本技术 一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金及制法与应用 (High-elasticity modulus and high-plasticity aluminum-silicon casting alloy and preparation method and application thereof ) 是由 刘玉林 张志� 应伟勇 李道源 孙福荣 周术仁 宁健 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金及制法与应用,属于铸造铝合金领域。该高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金,包括的成分及其质量百分比为：Si为14～18％,Cu为0～0.4％,Mg为0.2-0.5％,Mn为0-0.5％,Cr为0.1-0.5％,Zr为0-0.25％,Zn为0-0.5％,Ti为0.05-0.25％,Re 0-0.5％,余量为Al及不可避免的杂质。该高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金利用P对初生Si进行有效变质,具有质量轻、铸造性能好、兼具高弹性模量和高延伸率的特点,并且具有较高的抗拉强度。该高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金能够应用于对弹性模量和塑性有特别要求的汽车零部件。(An aluminum-silicon casting alloy with high elasticity modulus and high plasticity as well as a preparation method and application thereof, belonging to the field of casting aluminum alloy. The high-elasticity modulus and high-plasticity aluminum-silicon casting alloy comprises the following components in percentage by mass: 14 to 18 percent of Si, 0 to 0.4 percent of Cu, 0.2 to 0.5 percent of Mg, 0 to 0.5 percent of Mn, 0.1 to 0.5 percent of Cr, 0 to 0.25 percent of Zr, 0 to 0.5 percent of Zn, 0.05 to 0.25 percent of Ti, 0 to 0.5 percent of Re, and the balance of Al and inevitable impurities. The high-elasticity modulus and high-plasticity aluminum-silicon casting alloy utilizes P to effectively modify primary Si, has the characteristics of light weight, good casting performance, high elasticity modulus and high elongation, and has high tensile strength. The high-elasticity modulus and high-plasticity aluminum-silicon casting alloy can be applied to automobile parts with special requirements on elasticity modulus and plasticity.)
技术领域
本发明涉及一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金及制法与应用，属于铸造铝合金领域。
背景技术
铝合金在汽车领域的应用越来越多。由于铝合金密度小、比强度和比刚度较高、耐蚀性好、导电导热性优良、回收容易，在实现汽车轻量化方面起到了重要作用。铸造铝合金具有良好的流动性和充型能力，力学性能适中，铸造铝合金在汽车用铝合金应用中占比高达80％，广泛用来替代铸铁材料，用于制造发动机零部件、缸盖、车轮、保险杠等结构件上。铝合金在汽车制动系统中也有应用潜力。
刹车钳是汽车制动系统中的重要部件，对其制备材料的要求非常高。不光要求具有较高的强度，而且要求具有高弹性模量和高延伸率。这对合金设计提出了很大的挑战。
根据铸造铝合金中，主要合金元素的差异，又可以分为铝硅系合金、铝铜系合金、铝镁系合金、铝锌系合金，其中，铝硅系合金具有良好的铸造性能和耐磨性能，是铸造铝合金中品种最多，用量最大的合金，广泛应用于结构件。根据铝硅系合金中，Si的含量将会影响铸造合金的性质，当硅含量高时，其弹性模量高，但是塑形低。而一般来说，提高合金弹性模量的措施都会使合金的塑性降低，而提高合金塑性的措施又会使弹性模量降低，难以做到弹性模量和塑性同时提高。比如，广泛使用的A356合金，T6状态下，拉伸强度260MPa，延伸率5％，但弹性模量只有72.4GPa；而合金A390，T6状态下，弹性模量高达81.2GPa，但是延伸率低至1％(数据来源于《铝及合金材料手册》武恭姚良均李震夏彭如清赵祖德等编，科学出版社，1994.03)。如果能同时提升合金的延伸率和弹性模量，则合金具有广阔的应用前景。
发明内容
为了开发出具有高弹性模量和高延伸率的铝合金，用于汽车刹车钳，本发明提供了一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金及制法与应用，该高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金具有质量轻、铸造性能好、兼具高弹性模量和高延伸率的特点，并且具有较高的抗拉强度。该高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金能够应用于对弹性模量和塑性有特别要求的汽车零部件。
本发明采用下述技术方案实现：
本发明的一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金，包括的成分及各个成分的质量百分比为：Si为14～18％，Cu为0～0.4％，Mg为0.2-0.5％，Mn为0-0.5％，Cr为0.1-0.5％，Zr为0-0.25％，Zn为0-0.5％，Ti为0.05-0.25％，Re 0-0.5％，余量为Al及不可避免的杂质，其中杂质总的质量百分比≤1.0％，并且Fe≤0.5％，其余单个杂质的质量百分比≤0.1％。
进一步的，高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金中，P的残留质量百分比为0.005％-0.015％。
所述的高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金，其在T6状态下，室温抗拉强度为261-320MPa，延伸率3-6.1％，弹性模量为79.8-83.3GPa。
本发明的一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金的成分，称量原料；
步骤2：将Al的原料加热熔化后，得到铝熔体；
将除了Mg原料以外的其他原料加入铝熔体中，直至原料熔化后，再加入Mg的原料，待Mg的原料完全熔化后，搅拌均匀，得到合金熔体；其中，在整个过程中，控制合金熔体的温度为680～800℃；
步骤3：向合金熔体中，加入精炼剂进行精炼后，再加入变质剂进行变质，得到变质后的合金熔体；
步骤4：将变质后的合金熔体进行除气后，再进行扒渣，再于680-760℃静置10-60min，得到金属液体，然后浇铸成铸件，得到铝-硅系铸造合金；
步骤5：将铝-硅系铸造合金进行固溶-时效处理，得到高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金；
其中，固溶处理的工艺为：在500-550℃保温2-12h；时效处理的工艺为：在120-220℃保温2-12h。
所述的步骤1中，Si的原料为金属硅和/或铝硅中间合金；Cu的原料为铝铜中间合金和/或铜添加剂；Mg的原料选用工业纯镁锭，Mn的原料为铝锰中间合金和/或锰添加剂，Cr的原料为铝铬中间合金和/或铬添加剂，Zr的原料为铝锆中间合金，Ti的原料为铝钛中间合金和/或钛添加剂，Zn的原料选用工业纯锌锭，Re优选为La和/或Ce，Re的原料为铝镧中间合金、铝铈中间合金、铝镧铈混合稀土中间合金中的一种或几种，Al的原料选用铝锭、重熔铝锭或铸造铝合金锭中的一种或几种。
所述的步骤3中，精炼剂为能够对合金熔体具有精炼效果的精炼剂，如RJ-1精炼剂；精炼剂的加入质量为合金熔体总质量的0.2～0.8％，精炼温度为700-780℃，精炼时间为20-60min。
所述的步骤3中，变质剂优选为P变质剂，其中，P变质剂具体选用Al-P合金变质剂和/或P-Cu合金变质剂，变质剂的加入量为变质后的合金熔体中P的残留质量百分比为0.005％-0.015％。
所述的步骤4中，除气是采用除气机向变质后的合金熔体中通入氩气或氮气。
所述的步骤4中，所述浇铸成铸件，采用金属型铸造，提高金属液体的冷却速度，根据铸件尺寸不同，金属液体的冷却速度在100-102℃/s之间，属于亚快速凝固范围，使金属液体在亚快速冷却状态下凝固。
本发明的高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金的应用，为应用于汽车刹车钳或其它同时需要高弹性模量和高延伸率的领域。
本发明的一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金及制法与应用，其有益效果是：
通过提高Si含量至大幅超越共晶成分，尽力增加合金中的硅颗粒，从而提高合金的弹性模量。利用P对初生Si进行有效变质，并通过亚快速凝固，最大限度细化初生硅，通过适当的热处理，球化硅颗粒，从而大大减轻硅相对合金力学性能的损害。适当控制合金的Mg含量，降低它对合金延伸率的负面影响，有利于提高合金的塑性，通过引入Mn、Cr等元素，进一步增加合金中的颗粒数量，有效提高合金的弹性模量，同时提高合金的强度，这样的合金元素配比，使合金既具有较高的强度，很高的弹性模量，又保持很好的塑性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金的金相组织图；
图2为本发明实施例5制备的高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金的金相组织图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；本发明实施例提供一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金，通过以下具体实施例对本发明的高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金及其制备方法做详细说明；每个实施例均为制备100kg合金。
本发明实施例中选用的重熔用铝锭为国家标准GB/T 1196-2008《重熔用铝锭》中的Al99.70，其含铝量不小于99.70wt％；也可以是废料重熔铝锭；加入Mn元素时，选用Al-10Mn中间合金或75Mn剂(Mn质量百分含量为75％的铝合金添加剂)；加入Si元素时，选用Al-30Si中间合金；加入Mg元素时，选用金属镁；加入Cu元素时，选用Al-50Cu中间合金；加入Ti元素时，选用Al-10Ti中间合金或75Ti剂(Ti含量为75％的铝合金添加剂)；加入Zr元素时，选用Al-10Zr中间合金，。也可以使用铸造行业常用的预合金化铸造铝合金锭，比如国家标准GB/T 8733-2016《铸造铝合金锭》中铝锭，在此基础上调整合金成分，达到成分目标。
本发明实施例中除气是采用除气机向加入铝水中通入氩气，氩气的流量为0.2～0.3m3/h。
实施例1
一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金，其成分及各个成分的质量百分比见表1。
一种高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金的制备方法，包括以下步骤：
准备铝锭及合金原料，铝锭选用国家标准GB/T 1196-2008《重熔用铝锭》中的Al99.70铝锭，将Al99.70铝锭加热熔化，得到铝熔体，温度控制在680-800℃；将除了Mg和P外的其他原料加入铝熔体中，至原料熔化后，再加入Mg的原料，待Mg的原料完全熔化后，搅拌均匀，得到合金熔体；
向合金熔体中加入RJ-1精炼剂，进行精炼处理，精炼温度为750℃，精炼时间为40min；精炼剂的加入量为铝合金熔体总重量的0.4％；然后向合金熔体中加入Al-3P变质剂进行变质处理，变质后的合金熔体中P的残留量为0.008％；
将经过变质处理的合金熔体除气后扒渣，于680-760℃静置30-60min，然后利用铸造机铸成铝-硅系铸造合金；其中，铸型为金属型，提高金属液体的冷却速度，根据铸件尺寸不同，金属液体的冷却速度在6℃/s，属于亚快速凝固范围，使金属液体在亚快速冷却状态下凝固。
将铸件进行固溶时效热处理：固溶处理工艺为在530℃保温6h，时效工艺为在150℃保温6h。
将高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金产品进行室温拉伸性能测试，在T6状态下，室温拉伸性能见表1，表明产品具有较高的室温抗拉强度，同时具有较高的弹性模量和延伸率；图1为高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金的金相组织。
实施例2-5，与实施例1相同，不同之处在于：
合金成分不同，合金成分及制备后的铸件的室温拉伸性能见表1。
并且，提供了对比例1，其合金成分及制备方法与实施例3相同。不同之处终于变质处理环节。本对比例1不使用P变质，而使用Sr变质。变质处理后，合金中Sr残留量为0.036％。室温拉伸性能见表1。P是过共晶Al-Si合金的变质剂，对初生硅有很好的变质作用。但对共晶硅没有变质效果。Sr是亚共晶Al-Si合金的变质剂，对共晶硅有优异的变质效果，但对初生硅没有变质效果。本对比例1使用Sr变质，虽然细化了共晶硅，但没有细化初生硅。对于硅含量高达16％的合金，亚快速凝固也不足以细化初生硅到一定程度，所以，合金中大量的未细化的初生硅严重损害了合金的塑性，导致合金的延伸率只有1.2％，不能起到弹性模量和塑形的同步提高。
Al-Si合金的共晶成分为12.8％Si。过共晶Al-Si合金通常会出现初生Si相，而且，随着Si含量增加，合金中的初生Si相数量显著增加，尺寸显著增大，导致合金的塑性大幅度下降。虽然通过P变质，可以大大细化初生Si相的尺寸，但对于高Si含量的Al-Si合金(Si>14％)，P变质以后，初生Si的尺寸仍嫌粗大。随着Si含量的进一步增加，初生Si相的数量变得如此之多，尺寸变得如此之大，以至于合金几乎没有塑性，延伸率通常不超过1％，严重阻碍了合金的使用，所以，高Si含量Al-Si合金通常只是应用于需要高耐磨性的领域。
本发明方案通过P变质和金属型铸造相结合，初生Si相显著细化。图1为实施例1(14.2％Si)的金相组织图；图2为实施例5(17.9％Si)的金相组织图。可见，即使Si含量高达17.8％，初生Si相也相当细小，使得合金仍具有一定的塑性。在Si含量相对低的合金中(实施例1和2)，合金也表现出较高的弹性模量，这与合金中有一定含量的Mn、Cr、Zr、Re有关。元素Cu、Zn和Mg可改善合金的拉伸强度。Mg对合金的延伸率有重要影响。对比实施例1和实施例2，发现降低Mg含量可显著提高合金的延伸率。
表1高弹性模量高塑性铝-硅系铸造合金的化学成分及拉伸性能
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