權(quán)利要求

1.高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金，其特征在于，所述合金的組元及其質(zhì)量百分比為：Si為7.0～8.5%，Cu為 0.5～1.0%，Mg 為0.35～0.5%，Cr 為0.1～0.3%，Mn為0.1～0.2%，Ti 為0.1～0.15%，Sr為 0.015～0.025%，其他雜質(zhì)總量≤0.15%，余量Al。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金，其特征在于，所述合金的組元及其質(zhì)量百分比為：Si為7.4%，Cu為 0.6%，Mg 為0.45%，Cr 為0.2%，Mn 為0.15%，Ti 為0.1%，Sr為 0.02%，余量Al。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金，其特征在于：按照國標GB/T 228.1-2010對鑄件取拉伸樣，在T6狀態(tài)下抗拉強度為330～355MPa，屈服強度為210～275MPa，斷后伸長率為7～13%。

4.制備如上述權(quán)利要求1-3任一所述高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金的方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）稱量：根據(jù)所述合金的化學(xué)成分及質(zhì)量分數(shù)稱取相應(yīng)的原料，包括：99.99%Al、Al-20Si、純Mg塊、Al-50Cu、Al-5Cr、Al-10Mn、Al-10Ti、Al-5Ti-1B及Al-10Sr；

（2）熔煉：將裝好相應(yīng)質(zhì)量純鋁的石墨坩堝放入電阻爐內(nèi)加熱，待其完全熔化后，按順序依次加入中間合金、精煉劑和打渣劑，然后扒渣，最后澆鑄到水冷銅模中，獲得鋁合金鑄錠；

（3）固溶處理：將鋁合金鑄錠放入540～550℃的中溫爐中保溫5～6h后，放入70～90℃熱水中進行淬火；

（4）時效處理：將淬火后的鋁合金鑄錠放入170～180℃時效爐中保溫2～4h，最后空冷。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金的方法的制備方法，其特征在于：步驟（1）稱量，額外多稱取5%的99.99%Al和純鎂塊，以彌補熔體的燒損。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金的方法的制備方法，其特征在于：步驟（2）熔煉，將裝好相應(yīng)質(zhì)量純鋁的石墨坩堝放入電阻爐內(nèi)加熱，待其完全熔化且鋁液溫度達720～740℃后，加入Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-10Ti與Al-5Cr，保溫15～20min后降溫至700～720℃，加入純Mg塊，待熔體回溫到710～720℃，保溫10min后加入精煉劑與打渣劑，精煉劑與打渣劑的加入量分別為熔體質(zhì)量的0.4%與0.35%，再保溫10～15min，然后扒渣，加入0.2%Al-5Ti-1B與0.2%Al-10Sr，攪拌后熔體溫度控制在700～710℃，保溫10～15min后澆鑄到水冷銅模中，獲得鋁合金鑄錠。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金的方法的制備方法，其特征在于：步驟（2）加入精煉劑時，用石墨棒將精煉劑壓入坩堝底部使熔體中的氣體充分逸出；加入打渣劑時，將打渣劑均勻撒于熔體表面，充分攪拌，盡量打碎熔體上面的塊狀物，然后扒渣。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于有色金屬技術(shù)領(lǐng)域，涉及鋁合金，尤其涉及一種高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著對汽車節(jié)能減排的要求越來越高以及新能源汽車的發(fā)展，汽車輕量化的需求更加迫切，也提出了更高的要求。汽車輕量化可以減少生產(chǎn)成本、降低運行阻力和油耗、節(jié)省能源和保護環(huán)境，是汽車設(shè)計和生產(chǎn)人員的共同目標。

車輪對于汽車而言其重要性不言而喻，是汽車行駛過程中傳承動力的重要部件。減輕車輪重量可從材質(zhì)和設(shè)計入手，其中的一個途徑就是優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計。在材質(zhì)和車輪規(guī)格(外圓尺寸和寬度)一定的情況下，減輕車輪重量只能減小輪輞厚度和輪輻尺寸。而車輪是承載汽車重量的重要部件之一，同時也是保證汽車行駛穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵部件之一，當輪輞和輪輻尺寸過小時，無法滿足車輪所需的強度和韌性，容易導(dǎo)致安全事故。因此，開發(fā)一種更優(yōu)異力學(xué)性能的輪轂成為了迫切的需要。

A356.2(ZL101)鋁合金是可熱處理強化的鑄造鋁合金其具有高比強度、良好的鑄造性能、優(yōu)良的耐腐蝕性能以及熱處理性能，廣泛用于汽車車輪的制造，所制造的輪轂具有質(zhì)量輕、外形美觀、耐腐蝕、使用壽命長等特點，但是合金力學(xué)性能較低，其T6狀態(tài)下的抗拉強度僅為270MPa，使得其應(yīng)用受到很大的限制。合金化、細化變質(zhì)處理和熱處理是在保持A356.2原有的優(yōu)良特性基礎(chǔ)上并大幅提高力學(xué)性能同時保證經(jīng)濟性的主要方法。

CN110592438A公開了一種高性能的A356鋁合金的配方以及制備方法，合金中以合理配比的方式加入了Ti、Sr元素，將Fe、Ca、Zn、Mn、Ni、P、Cu各元素控制在合理的低含量水準上，獲得的鑄態(tài)合金組織均勻，抗拉強度為220MPa、屈服強度為198MPa，延伸率為8.1，強度以及韌性得到提升，可很好地適用市場發(fā)展的需求。然而合金的力學(xué)性能提升幅度較小，有待于進一步提高。

CN110184503A公開了一種采用鋁釔作為細化劑進行鋁合金晶粒細化處理的細化劑，從而獲得力學(xué)性能更為優(yōu)異的鋁合金，以滿足車輪等領(lǐng)域的需求，所述的鋁合金細化劑原子百分比為80 98％的鋁(Al)、原子百分比為2 20％的釔(Y)，使得合金的抗拉強度為314.2MPa，屈服強度為243.8MPa,伸長率為8.9％，力學(xué)性能大幅度提高。但是釔屬于稀土元素，成本較高，不適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。

CN110952048A專利公開了一種適用于A356.2合金低壓鑄造輪轂的熱處理方法，包括：將低壓鑄造輪轂進行均勻化處理，均勻化溫度為440-460℃，均勻化時間為11-13小時，均勻化后再進行固溶處理，固溶溫度為540-550℃，固溶時間為4-6小時，固溶后立即進行淬火處理，淬火水溫為70-90℃，淬火轉(zhuǎn)移時間不超過25秒，淬火后立即進行時效處理，時效溫度為145-155℃，時效時間為4-5小時。該熱處理方法提高了低壓鑄造輪轂的綜合力學(xué)性能，抗拉強度為272MPa，屈服強度為213MPa，斷后伸長率為9％。但是合金前期并沒有進行改性處理，力學(xué)性能還有進一步提升的空間。

因此，從合金生產(chǎn)成本和力學(xué)性能考慮，需要開發(fā)一種高強韌、低成本合金，滿足汽車用鋁合金輪轂的需求。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有鋁合金力學(xué)性能的不足和較高的成本，本發(fā)明的目的是提供一種高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系合金，用以解決汽車輪轂輕量化問題。

一種高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金，所述合金的組元及其質(zhì)量百分比為：Si為7.0～8.5％，Cu為0.5～1.0％，Mg為0.35～0.5％，Cr為0.1～0.3％，Mn為0.1～0.2％，Ti為0.1～0.15％，Sr為0.015～0.025％，其他雜質(zhì)總量≤0.15％，余量Al。

本發(fā)明較優(yōu)公開例中，所述合金的組元及其質(zhì)量百分比為：Si為7.4％，Cu為0.6％，Mg為0.45％，Cr為0.2％，Mn為0.15％，Ti為0.1％，Sr為0.02％，余量Al。

本發(fā)明所公開的高強韌鑄造鋁合金，按照國標GB/T 228.1-2010對鑄件取拉伸樣，在T6狀態(tài)下抗拉強度為330～355MPa，屈服強度為210～275MPa，斷后伸長率為7～13％。

本發(fā)明的另外一個目的在于，公開了上述Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金的制備方法，包括如下步驟：

(1)稱量：根據(jù)所述合金的化學(xué)成分及質(zhì)量分數(shù)稱取相應(yīng)的原料，包括：99.99％Al、Al-20Si、純Mg塊、Al-50Cu、Al-5Cr、Al-10Mn、Al-10Ti、Al-5Ti-1B及Al-10Sr；

(2)熔煉：將裝好相應(yīng)質(zhì)量純鋁的石墨坩堝放入電阻爐內(nèi)加熱，待其完全熔化后，按順序依次加入中間合金、精煉劑和打渣劑，然后扒渣，最后澆鑄到水冷銅模中，獲得鋁合金鑄錠；

(3)固溶處理：將鋁合金鑄錠放入540～550℃的中溫爐中保溫5～6h后，放入70～90℃熱水中進行淬火；

(4)時效處理：將淬火后的鋁合金鑄錠放入170～180℃時效爐中保溫2～4h，最后空冷。

本發(fā)明較優(yōu)公開例中，步驟(1)稱量，額外多稱取5％的99.99％Al和純鎂塊，以彌補熔體的燒損。

本發(fā)明較優(yōu)公開例中，步驟(2)熔煉，將裝好相應(yīng)質(zhì)量純鋁的石墨坩堝放入電阻爐內(nèi)加熱，待其完全熔化且鋁液溫度達720～740℃后，加入Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-10Ti與Al-5Cr中間合金，保溫15～20min后降溫至700～720℃，加入純Mg塊，待熔體回溫到710～720℃，保溫10min后加入精煉劑與打渣劑，精煉劑與打渣劑的加入量分別為熔體質(zhì)量的0.4％與0.35％，再保溫10～15min，然后扒渣，加入0.2％Al-5Ti-1B與0.2％Al-10Sr，攪拌后熔體溫度控制在700～710℃，保溫10～15min后澆鑄到水冷銅模中，獲得鋁合金鑄錠。

本發(fā)明較優(yōu)公開例中，步驟(2)加入精煉劑時，用石墨棒將精煉劑壓入坩堝底部使熔體中的氣體充分逸出；加入打渣劑時，將打渣劑均勻撒于熔體表面，充分攪拌，盡量打碎熔體上面的塊狀物，然后扒渣。

本發(fā)明所公開的合金組成中，Cu元素的加入，可以減小α-Al的二次枝晶臂間距(SDAS)，SDAS的降低能有效提高合金力學(xué)性能；Cu元素還會在Al-Si-Mg合金中能形成多種析出相(Al2Cu和Al-Si-Mg-Cu)，這些析出相的存在會阻礙位錯運動，提高合金強度但降低合金斷后伸長率；同時Cu的加入能在一定程度上起到細化合金晶粒的效果。本發(fā)明將Cu元素的含量控制在0.5～1.0％之間，最大限度的提高抗拉強度的同時，減小對塑性的損害。

本發(fā)明所公開的合金組成中，Mn、Cr元素的加入能夠改善合金中富鐵相的形貌，使合金中的針狀A(yù)l-Fe-Si三元相變?yōu)閴K狀或漢字狀的Al-Si-(Cr，F(xiàn)e)或Al-Si-(Mn，F(xiàn)e)四元相，提高合金的強度及延伸率；Mn、Cr元素會與Al反應(yīng)形成MnAl6和CrAl7彌散相，凝固時成為異質(zhì)形核點從而起到一定程度上的晶粒細化作用，且其改善效果優(yōu)于Mn與Cr的分開單獨加入效果。過量的Mn和Cr元素會形成粗大的第二相，降低合金的力學(xué)性能。本發(fā)明合金中Cr和Mn的含量分別為0.1～0.3％和0.1～0.2％，既能改善富鐵相形貌，又避免形成粗大的第二相。

本發(fā)明所公開的合金組成中，Ti元素會與Al熔體反應(yīng)形成細小彌散的Al3Ti顆粒，凝固時成為異質(zhì)形核點而細化晶粒，同時使Al基體由長柱狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榻魄蛐危岣吆辖鸬挠捕取⒖估瓘姸群脱由炻?。過量的Ti元素也會形成粗大的第二相，降低合金的力學(xué)性能。本發(fā)明合金中Ti元素含量為0.1～0.15％，起到細化晶粒的作用，提高合金的力學(xué)性能。

本發(fā)明所公開的合金組成中，經(jīng)過T6熱處理后，Si和Mg元素會形成Mg2Si相，會阻礙位錯的運動，同時也會在合金內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，是合金主要強化相之一，合金隨著Si和Mg元素含量的增加，Mg2Si相含量增加，其抗拉強度隨之增加。

本發(fā)明的特點：

(1)在A356.2合金基礎(chǔ)上添加Cu元素能減小α-Al的二次枝晶臂間距(SDAS)，SDAS的降低能有效提高合金力學(xué)性能；也可以在合金基體中形成多種析出相(Al2Cu和Al-Si-Mg-Cu)，通過控制Cu含量可以控制這些析出相的種類與數(shù)量，同時Cu的加入能在一定程度上起到細化合金晶粒的效果，適當?shù)腃u含量可以有效提高合金力學(xué)性能。

(2)Mn、Cr元素的加入能夠改善合金中富鐵相的形貌，使合金中的針狀A(yù)l-Fe-Si三元相變?yōu)閴K狀或漢字狀的Al-Si-(Cr，F(xiàn)e)或Al-Si-(Mn，F(xiàn)e)四元相，提高合金的強度及延伸率；Mn、Cr元素會與Al反應(yīng)形成MnAl6和CrAl7彌散相，凝固時成為異質(zhì)形核點從而起到一定程度上的晶粒細化作用，且其改善效果優(yōu)于Mn與Cr的分開單獨加入效果。

(3)Ti元素會與Al熔體反應(yīng)形成細小彌散的Al3Ti顆粒，凝固時成為異質(zhì)形核點而細化晶粒，同時使Al基體由長柱狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榻魄蛐?，提高合金的硬度、抗拉強度和延伸率?/span>

(4)通過控制Cu、Cr、Mn和Ti的復(fù)合添加量，可以顯著提高合金力學(xué)性能。

有益效果

本發(fā)明公開了一種高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金，合金采用水冷銅模金屬型鑄造，通過調(diào)控合金元素類型與含量及熱處理工藝，添加Cu元素使合金產(chǎn)生第二相強化，Ti元素細化晶粒，Mn和Cr元素改善富鐵相形貌，大幅度提高了合金的力學(xué)性能，其抗拉強度為330～355MPa，屈服強度為210～275MPa，斷后伸長率為7～13％。本發(fā)明所公開的制造工藝簡單易行，原材料易得，生產(chǎn)成本低，通過調(diào)控元素含量和熱處理工藝，可以提高合金的力學(xué)性能，在汽車輪轂制造行業(yè)有非常大的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1.傳統(tǒng)A356.2與不同Si、Cr含量的Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti合金的SEM圖；

圖2.傳統(tǒng)A356.2與不同Si、Cr含量的Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti合金的TEM圖，其中：(a)為傳統(tǒng)A356.2合金，(b)為實施例1，(c)為實施例4；

圖3.實施例4的力學(xué)性能(抗拉強度、屈服強度和斷后延伸率)隨著時效時間的變化。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細說明，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。

實施例1

一種高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金，合金組元及其相應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)分別為：Si 7.4％，Cu 0.6％，Mg 0.45％，Cr 0.2％，Mn 0.15％，Ti 0.1％，Sr 0.02％，其余為Al。

上述高強高韌Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti系鑄造合金的制備方法為：

(1)稱量：根據(jù)預(yù)制備的鑄造合金的化學(xué)成分及質(zhì)量分數(shù)稱取相應(yīng)的原料，包括：99.99％Al，Al-20Si，純Mg，Al-50Cu，Al-5Cr，Al-10Mn，Al-10Ti，Al-5Ti-1B及Al-10Sr；

(2)熔煉：將裝好相應(yīng)質(zhì)量純鋁的石墨坩堝放入電阻爐內(nèi)加熱，待其完全熔化且鋁液溫度達720～740℃后，加入Al-20Si、Al-50Cu、Al-10Ti，Al-10Mn與Al-2Cr中間合金，保溫15～20min后降溫至700～720℃，加入純Mg塊，待熔體回溫到710～720℃，保溫10min后加入精煉劑與打渣劑，精煉劑與打渣劑的加入量分別為熔體質(zhì)量的0.4％與0.35％，再保溫10～15min，然后扒渣，并加入0.2％Al-5Ti-1B與0.2％Al-10Sr，攪拌后熔體溫度控制在700～710℃，保溫10～15min后澆鑄到水冷銅模中，獲得鋁合金鑄錠；

(3)固溶處理：將合金放入540℃的中溫爐中保溫5h，然后放入70～90℃熱水中進行淬火；

(4)時效處理：將淬火后的合金放入180℃時效爐中保溫2h，最后空冷。

本實施例所鑄造的鋁合金抗拉強度達到354.7MPa，屈服強度達到274.3MPa，斷后伸長率達到9.6％。

實施例2

本實施例的合金組元及其相應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)與實施例1相同。

上述合金的制備過程為：

(1)稱量過程與實施例1相同。

(2)熔煉過程與實施例1相同。

(3)固溶處理過程與實施例1相同。

(4)時效處理：將淬火后的合金放入190℃時效爐中保溫2小時，最后空冷。

本實施案例所鑄造的鋁合金抗拉強度達到338.5MPa，屈服強度達到281.5MPa，斷后伸長率達到7.0％。

實施例3

本實施例的合金組元及其相應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)與實施例1相同。

上述合金的制備過程為：

(1)稱量過程與實施例1相同。

(2)熔煉過程與實施例1相同。

(3)固溶處理過程與實施例1相同。

(4)時效處理：將淬火后的合金放入200℃時效爐中保溫2小時，最后空冷。

本實施案例所鑄造的鋁合金抗拉強度達到344.6MPa，屈服強度達到272.2MPa，斷后伸長率達到7.6％。

實施例4

實施例4的合金組元及其相應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)分別為：Si 8.3％，Cu 0.6％，Mg0.45％，Cr 0.3％，Mn 0.15％，Ti 0.1％，Sr 0.02％，其余為Al。

上述合金的制備過程為：

(1)稱量過程與實施例1相同。

(2)熔煉過程與實施例1相同。

(3)固溶處理過程與實施例1相同。

(4)時效處理：將淬火后的合金放入180℃時效爐中保溫4小時，最后空冷。

本實施例所鑄造的鋁合金抗拉強度達到333.2MPa，屈服強度達到247.0MPa，斷后伸長率達到11.1％。

實施例5

本實施例的合金組元及其相應(yīng)的質(zhì)量分數(shù)與實施例1相同。

上述合金的制備過程為：

(1)稱量過程與實施例1相同。

(2)熔煉過程與實施例1相同。

(3)固溶處理過程與實施例1相同。

(4)時效處理：將淬火后的合金放入200℃時效爐中保溫4小時，最后空冷。

本實施例所鑄造的鋁合金抗拉強度達到332.2MPa，屈服強度達到253.4MPa，斷后伸長率達到8.7％。

表1傳統(tǒng)A356.2與不同Si、Cr含量和時效溫度的新型Al-Si-Cu-Mg-Cr-Mn-Ti合金力學(xué)性能一覽表

合金抗拉強度/MPa屈服強度/MPa斷后伸長率/％A356.2269.8185.412.8實施例1354.7274.39.6實施例2338.5218.57.0實施例3334.6272.27.6實施例4333.2247.011.1實施例5332.2253.48.7

盡管上面已經(jīng)給出了本發(fā)明的實施例，但需要說明的是，上述實施例是示例性的，是為了便于技術(shù)人員的理解與使用，并不對本發(fā)明進行限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的說明，不脫離本發(fā)明范疇所做出的等同的變化、修改、變形及替換均在本申請權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)。