基于砂型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料及其制备制造技术

本发明专利技术属于金属材料技术领域，具体涉及基于砂型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料及其制备，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Ce、La的一种或两种：0.01％～0.9％，Ti：0.00005％～0.5％，B：0.00001％～0.1％，Mn、Cr、V中的一种或两种以上：2.0％～8.0％，余量为Al，杂质≤0.30％；其中，所述杂质为Fe和Si，Fe≤0.15％，Si≤0.15％。所述铝合金材料该材料力学性能优良、弹性模量高。

High Strength, Toughness and High Modulus Aluminum Alloy Material Based on Gravity Casting Technology of Sand Mould and Its Preparation

【技术实现步骤摘要】
基于砂型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料及其制备
本专利技术属于金属材料类
，具体涉及基于砂型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料，还涉及上述铝合金材料的制备方法。
技术介绍
铝合金是以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。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，不但要求铝合金具有较高的强度，同时还需要高的弹性模量，超出目前使用的常用铝合金弹性模量范围，通常铝合金的弹性模量为72GPa，无法满足其用于制备汽车零部件的使用要求。现有技术中，提高铝合金弹性模量的方法主要有合金化法和复合化；其中，合金化法主要是通过加入锂(Li)制备铝锂合金，如中国专利文献CN105648283A公开一种低密度、高刚度铸造铝锂合金及其制备方法，弹性模量不低于78GPa，但Li元素性质活泼，成本高，主要用于航空航天领域；复合化法主要是加入SiC、Ti2B等颗粒制备铝基复合材料，如中国专利文献CN106834833A公开一种高模量、超高强TiB2颗粒增强Al-Zn-Mg-Cu复合材料及其制备方法，可以获得高模量的铝合金，但其工艺复杂，成本高，主要用于航空航天领域，迫切需要开发工艺简单、成本低廉的高强韧高模量铝合金用于汽车领域，推动汽车轻量化发展。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供基于砂型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料，该材料力学性能优良、弹性模量高，解决现有技术中汽车轻量化工艺中所用铝合金弹性模量和强度无法满足使用要求的问题，拓宽铝合金材料的应用领域。本专利技术的另一目的是提供上述铝合金材料的制备方法，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：第一方面，基于砂型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料，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Ce、La的一种或两种：0.01％～0.9％，Ti：0.00005％～0.5％，B：0.00001％～0.1％，Mn、Cr、V中的一种或两种以上：2.0％～8.0％，余量为Al，杂质≤0.30％；其中，所述杂质为Fe和Si，Fe≤0.15％，Si≤0.15％。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。优选的，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Ce、La分别以铝铜中间合金、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Mn、Cr、V分别以铝锰、铝铬、铝钒中间合金加入。更优选的，所述铝-稀土中间合金为铝-铈中间合金、铝-富铈混合稀土或铝-镧中间合金中至少一种。第二方面，上述高强韧高模量铝合金材料的砂型重力铸造工艺，包括如下步骤：S1：熔炼合金，制备铝合金熔体；S2：将铝合金熔体在680～700℃下进行砂型重力铸造，挤压压力为50～200MPa，模温为200～400℃，冷却速率为2.0～50.0K/s，制备得到铝合金铸件；S3：将铝合金铸件进行依次包括固溶处理和时效处理的热处理，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，制备得到铝合金材料；其中，步骤S1包括如下分步骤：(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、铝锰、铝铬、铝钒中间合金原料分别预热至200～300℃，保温0.5～2小时；(2)熔炼：温度至200～300℃时，加入工业纯铝、铝铜中间合金，搅拌至熔清；熔体升温至740～800℃，加入工业纯锌、铝-稀土中间合金、铝-锰、铝-铬、铝-钒中间合金，至熔清；熔体温度降至730～740℃之间时，加入工业纯镁熔化，压入熔体搅拌至熔清；(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；(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；(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，进行细化，撇去浮渣，获得铝合金熔体。优选的，步骤(1)中，所述原料在200～300℃保温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。优选的，步骤(2)中，熔体温度为780℃时加入工业纯锌、铝-稀土中间合金、铝-锰、铝-铬、铝-钒中间合金，搅拌至熔清；可使合金元素快速熔化并扩散均匀，减少合金元素的聚集沉淀。优选的，步骤(3)中，所述精炼剂为无钠盐的铝合金精炼剂，且精炼剂的添加量为熔体总质量的0.2％～1.5％；所述熔体升温至740℃时加入精炼剂进行精炼，使精炼过程时间充足，保证精炼效果。优选的，步骤(4)采用的保护气氛为N2保护；所述覆盖剂为MgCl2和KCl质量比为3：2的混合物，且覆盖剂的添加量为熔体总质量的0.2％～1.5％。优选的，步骤S3中，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)基础合金Al-Mg-Zn-Cu具有时效析出强化特性，强韧性好。本专利技术利用复合合金化法，向基体合金中同时加入Mn、Cr、V中的一种或多种以及稀土元素Ce、La，达到提高合金弹性模量，并保持基体合金优异的力学性能。(2)加入Mn、Cr、V中的一种或多种，主要目的是在铝基体中形成一定数量的高模量金属间化合物，如Al6Mn、Al7Cr、Al10V等，达到提高合金的弹性模量；而稀土元素Ce、La对上述金属间化合物具有变质作用，铝液中Ce、La能富集在初生Al6Mn、Al7Cr、Al10V相的表面，抑制其生长并改变生长方向，改善初生相形貌，将粗大针片状Al6Mn、Al7Cr、Al10V相转变成小块、颗粒状Al6Mn、Al7Cr、Al10V相，缓解金属间化合物对基体的割裂作用，从而保持基体合金优异的力学性能，并具有高模量的目的。(3)复合加入少量的Ti和B，可以形成TiB2粒子，是α-Al的有效形核剂，可以极大细化α-Al基体，从而提高合金的力学性能，并改善合金的铸造性能。(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于砂型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料，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Ce、La的一种或两种：0.01％～0.9％，Ti：0.00005％～0.5％，B：0.00001％～0.1％，Mn、Cr、V中的一种或两种以上：2.0％～8.0％，余量为Al，杂质≤0.30％；其中，所述杂质为Fe和Si，Fe≤0.15％，Si≤0.15％。

【技术特征摘要】
1.基于砂型重力铸造工艺的高强韧高模量铝合金材料，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Ce、La的一种或两种：0.01％～0.9％，Ti：0.00005％～0.5％，B：0.00001％～0.1％，Mn、Cr、V中的一种或两种以上：2.0％～8.0％，余量为Al，杂质≤0.30％；其中，所述杂质为Fe和Si，Fe≤0.15％，Si≤0.15％。2.根据权利要求1所述的高强韧高模量铝合金材料，其特征在于：所述B元素为铝合金总质量的0.0020％～0.0085％。3.根据权利要求1所述的高强韧高模量铝合金材料，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Ce、La分别以铝铜中间合金、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Mn、Cr、V分别以铝锰、铝铬、铝钒中间合金加入。4.根据权利要求3所述的高强韧高模量铝合金材料，其特征在于：所述铝-稀土中间合金为铝-铈中间合金、铝-富铈混合稀土或铝-镧中间合金中至少一种。5.权利要求1～4任一项所述的高强韧高模量铝合金材料的砂型重力铸造工艺，其特征在于：包括如下步骤：S1：熔炼合金，制备铝合金熔体；S2：将铝合金熔体在680～700℃下进行砂型重力铸造，挤压压力为50～200MPa，模温为200～400℃，冷却速率为2.0～50.0K/s，制备得到铝合金铸件；S3：将铝合金铸件进行依次包括固溶处理和时效处理的热处理，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，制备得到铝合金材料；其中，步骤S1包括如下分步骤：(1)烘料：将工业纯铝...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤华平，王渠东，雷川，丁文江，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海轻合金精密成型国家工程研究中心有限公司，凤阳爱尔思轻合金精密成型有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31