一种砂型重力铸造铝合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于金属材料类技术领域，具体涉及一种砂型重力铸造铝合金材料及其制备方法，所述砂型重力铸造铝合金材料由质量百分数计的如下元素组成，Mg：2.0～4.5％，Zn：3.0～5.0％，Cu：0.5～1.5％，稀土元素RE：0.01～1.2％，Ti：0.00005％～0.2％，B：0.00001％～0.1％，Sr：0～0.2％，Zr：0～0.2％，余量为Al，杂质≤0.30％；所述稀土元素为Ce、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种的组合。所述铝合金材料的室温综合力学性能优异，铸造性能良好。

Sand mold gravity casting aluminum alloy material and preparation method thereof

The invention belongs to the technical field of metal materials, in particular relates to a sand mold gravity casting aluminum alloy material and its preparation method. The sand mold gravity casting aluminum alloy material is composed of the following elements: Mg: 2.0-4.5%, Zn: 3.0-5.0%, Cu: 0.5-1.5%, RE: 0.01-1.2%, Ti:0.0-4.5%, Zn: 3.0-5-5%, Cu: 0.5-1.5%, RE: 0.01-1.2%, Ti One or more combinations of rare earth elements Ce, Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu. The aluminum alloy has excellent mechanical properties at room temperature and good casting properties.

【技术实现步骤摘要】
一种砂型重力铸造铝合金材料及其制备方法
本专利技术属于金属材料类
，具体涉及一种砂型重力铸造铝合金材料及其制备方法。
技术介绍
铸造铝合金作为传统的金属材料，因其密度小、比强度高等特点，广泛应用于汽车、航空航天等领域。铸造铝合金主要是Al-Si系，如A356，其缺点主要是强度不高，塑性偏低。随着现代工业的发展，对高性能铸造铝合金需求量越来越大，但是现有技术中高强韧铸造铝合金存在铸造性较差、力学性能偏低的问题。中国专利CN105603274A公布了一种重力铸造的高强高韧耐蚀铸造铝合金，以质量百分比计的合金成分为Mg：13～15％，Zn：3.35～4.97％，Cu：0.8～1.3％，Si：0.25～0.45％，Zr：0.05～0.1％，Sb：0.03～0.05％，Co：0.01～0.03％，Mo：0.02～0.03％，中间合金：5.5～1.2％，余量Al。专利技术合金的室温屈服强度≥245MPa，抗拉强度≥388MPa，伸长率≥7.5％。然而，该铸造合金的合金元素量过高，尤其是镁，使合金铸造性较差，模具预热温度高达320℃。中国专利CN105154729A公布了一种铸造Al-Zn-Mg-Cu-Ta合金，以质量百分比计的合金成分为Mg：1.5～3％，Zn：6～10％，Cu：1.5～2.5％，Ta：0.02～0.51％，富铈混合稀土：0.0004～0.0102％，余量Al。专利技术合金的室温抗拉强度在287～479MPa之间。与铸造Al-Si系合金比，该合金的力学性能有明显提高，然而合金的抗拉强度波动大，强度的可靠性待提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供砂型重力铸造铝合金材料，该材料力学性能优良、铸造性能良好、拓宽了铝合金材料的应用领域。本专利技术的另一个目的是提供砂型重力铸造铝合金材料制备方法，工艺稳定性好。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种砂型重力铸造铝合金材料，其特征在于：由质量百分数计的如下元素组成，Mg：2.0～4.5％，Zn：3.0～5.0％，Cu：0.5～1.5％，稀土元素RE：0.01～1.2％，Ti：0.00005％～0.2％，B：0.00001％～0.1％，Sr：0～0.2％，Zr：0～0.2％，余量为Al，杂质≤0.30％；所述杂质为Fe和Si，Fe≤0.15％，Si≤0.15％。所述稀土元素为Ce、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种的组合。所述Zn元素为铝合金总质量的3.0～5.0％，Zn含量不宜过高或过低，过高则增加合金的开裂倾向，过低则会降低析出强化效果，降低强度。所述Cu元素为铝合金总质量的0.5～1.5％，Cu含量不宜过高或过低，过高则形成Al2CuMg相，降低合金塑性，过低则降低析出强化效果，降低强度。优选的，所述Sr元素为铝合金总质量的：0.05～0.2％，所述Zr元素为铝合金总质量的：0.05～0.2％。进一步优选的，所述Sr元素与所述Zr元素的质量比为1:1。因为加入Sr元素与所述Zr元素，并按照特定的质量比加入后，凝固可显著提高铝合金材料的抗热裂性。加入适量的Sr、Zr不仅可以细化α-Al晶粒，显著提高铝合金材料的抗热裂性，并且可以在固溶处理过程中析出Al3Zr粒子，形成析出强化，提高合金强度。优选的，所述B元素为铝合金总质量的0.002％-0.0085％。B元素的加入，与Ti协同细化合金组织，其细化效果会比单独加入Ti效果更优异，主要原因是B和Ti形成了TiB2粒子，由于TiB2熔点高，能稳定存在于熔体中，Ti原子向TiB2迁移，最终在其表面形成TiAl3，大大增加形核粒子TiAl3的数量，显著细化合金，提高铝合金材料的抗热裂性。所述Al、Zn和Mg分别选自工业纯铝、工业纯锌和工业纯镁；所述Cu、稀土元素RE以铝铜中间合金、铝-稀土中间合金加入；所述Ti、B以铝钛硼中间合金加入；所述Sr、Zr以铝锶、铝锆中间合金加入。上述砂型重力铸造铝合金材料的制备方法，包括如下步骤，S1：熔炼合金，制备铝合金熔体；S2：将铝合金熔体进行砂型重力铸造，制备得到铝合金铸件；S3：将铝合金铸件进行热处理，制备得到砂型重力铸造铝合金材料；优选的，所述步骤S1中，包括了如下工艺：(1)烘料：将工业纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金、铝稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锶和铝锆中间合金原料分别预热至200～300℃，保温0.5-2小时。进一步优选的，所述保温时间为1小时。合理的保温时间，在保证烘干的条件下，缩短烘料时间，节约能源。(2)熔炼：温度至200～300℃时，加入工业纯铝，铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体温度降至680～700℃之间时，加入工业纯锌、工业纯镁熔化，搅拌至熔清；熔体升温至735-745℃，加入铝-稀土中间合金，搅拌至熔清。进一步优选的，熔体升温至740℃，加入铝-稀土中间合金，搅拌至熔清。可使稀土元素快速熔化并扩散均匀，减少稀土元素的聚集沉淀。(3)精炼：熔体升温至735-745℃，加入精炼剂进行精炼，10～20分钟；撇去浮渣，静置熔体；优选的，所述熔体升温至740℃，加入精炼剂进行精炼。使精炼过程时间充足，保证精炼效果。(4)除气：向步骤(3)中制备所得的熔体中加入覆盖剂，保护气氛中搅拌5～10分钟；优选的，所述保护气氛为N2保护。(5)细化：向步骤(4)中制备所得的熔体中加入铝钛硼中间合金，和/或铝锶中间合金与铝锆中间合金中的一种或两种，进行细化，撇去浮渣，获得铝合金熔体。优选的，所述步骤(1)中，铝-稀土中间合金为铝-铈中间合金，铝-富铈混合稀土，铝-钇中间合金，铝-镧中间合金，铝-镨中间合金，铝-钕中间合金，铝-富钕混合稀土，铝-钐中间合金，铝-铕中间合金，铝-钆中间合金，铝-镝中间合金，铝-钬中间合金，铝-铒中间合金，铝-铥中间合金，铝-镱中间合金，铝-镥中间合金。优选的，所述步骤(3)中，精炼剂的添加量为熔体总质量的0.2-1.5％。所述精炼剂为无钠盐的铝合金精炼剂。所述步骤(4)中，覆盖剂的添加量为熔体总质量的0.2-1.5％。所述覆盖剂为质量比60％MgCl2+40％KCl的组成物。所述步骤S2中，铝合金熔体在680～700℃下进行砂型重力铸造，挤压压力为50～200MPa，模温200～400℃，冷却速率2.0-50.0K/s。所述步骤S3中，热处理包括固溶处理和时效处理；优选的，所述固溶处理是在450～500℃的条件下保温4～48小时，水冷，水温0～80℃；所述时效处理是在100～225℃的条件下保温4～32小时。进一步优选的，所述固溶处理是在450～500℃的条件下保温8～48小时，水冷，水温0～80℃；所述时效处理是在100～225℃的条件下保温4～30小时。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)合金中加入稀土元素，稀土元素富集在枝晶固液界面前沿，造成成分过冷，细化晶粒，降低热裂倾向；稀土元素能够除去熔炼时铝合金熔体中的杂质，达到除气精炼、净化熔体的效果；另外，稀土元素的加入形成较多低熔点相，在凝固末期这些低熔点相形成液膜，使合金在凝固末期抵御晶间分离的能力增强。这些使得合金的热裂倾向降低，铸造性能提高。(2)本专利技术的铝合金中复合加入Ti/B/Zr/Sr合金元素，起到强烈细化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种砂型重力铸造铝合金材料，其特征在于：由质量百分数计的如下元素组成，Mg：2.0～4.5％，Zn：3.0～5.0％，Cu：0.5～1.5％，稀土元素RE：0.01～1.2％，Ti：0.00005％～0.2％，B：0.00001％～0.1％，Sr：0～0.2％，Zr：0～0.2％，余量为Al，杂质≤0.30％；所述稀土元素为Ce、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种的组合。

【技术特征摘要】
1.一种砂型重力铸造铝合金材料，其特征在于：由质量百分数计的如下元素组成，Mg：2.0～4.5％，Zn：3.0～5.0％，Cu：0.5～1.5％，稀土元素RE：0.01～1.2％，Ti：0.00005％～0.2％，B：0.00001％～0.1％，Sr：0～0.2％，Zr：0～0.2％，余量为Al，杂质≤0.30％；所述稀土元素为Ce、Y、La、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种的组合。2.如权利要求1所述的砂型重力铸造铝合金材料，其特征在于：所述Sr元素为铝合金总质量的0.05～0.2％，所述Zr元素为铝合金总质量的0.05～0.2％。3.如权利要求1所述的砂型重力铸造铝合金材料，其特征在于：所述Al、Zn和Mg分别选自工业纯铝、工业纯锌和工业纯镁；所述Cu、稀土元素RE以铝铜中间合金、铝-稀土中间合金加入；所述Ti、B以铝钛硼中间合金加入；所述Sr、Zr以铝锶、铝锆中间合金加入。4.如权利要求1所述的一种砂型重力铸造铝合金材料的制备方法，包括如下步骤，S1：熔炼合金，制备铝合金熔体；S2：将铝合金熔体进行砂型重力铸造，制备得到铝合金铸件；S3：将铝合金铸件进行热处理，制备得到砂型重力铸造铝合金材料。5.根据权利要求4所述的一种砂型重力铸造铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，包括了如下工艺：(1)烘料：将工业纯铝、工业纯锌、工业纯镁、铝铜中间合金、铝-稀土中间合金、铝钛硼中间合金、铝锶和铝锆中间合金原料分别预热至200～300℃，保温0.5-2小时；(2)熔炼：温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王渠东，汤华平，雷川，丁文江，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31