一种高强韧Al-Si-Mg系铸造铝合金及其制备方法

本发明涉及铝合金材料，具体涉及一种高强韧al-si-mg系铸造铝合金及其制备方法，特别涉及一种通过ce与sb复合变质以及ti-b系晶粒细化协同处理的al-si-mg系铸造铝合金材料及其制备工艺，该材料适用于汽车轻量化结构件、航空航天零部件及高性能民用铸件等领域。

背景技术：

1、al-si-mg系铸造铝合金因具有优良的铸造性能、较高的比强度、良好的耐腐蚀性和耐磨性以及成本低廉等优点，被广泛应用于汽车、航空航天、轨道交通等领域的关键结构件制造，特别是汽车轮毂、发动机缸体、缸盖、副车架等零部件的生产。然而，随着轻量化需求的日益提高和结构件服役条件的日趋严苛，现有al-si-mg系铸造铝合金的力学性能已难以满足高端应用要求。如传统a356合金经t6热处理后的抗拉强度通常不超过280mpa、延伸率不超过5％，其铸态显微组织由粗大的α-al树枝晶和分布于晶界处的粗大板片状或长针状共晶硅组成，这种组织形态严重制约了合金力学性能的进一步提升。

2、al-si-mg系铸造铝合金的力学性能主要取决于合金成分、凝固组织特征及热处理工艺。亚共晶al-si合金中，共晶硅的形貌对合金的强韧性影响显著。未经变质的共晶硅呈粗大的片层状或针状，易引起应力集中，严重割裂基体，导致合金塑性及断裂韧性较差。因此，对共晶硅进行变质处理是提高该类合金综合力学性能的关键手段。目前常用的变质元素包括sr、na、sb及稀土元素等。其中，sr变质可将共晶硅由片层状转变为纤维状，变质效果显著且具有长效性，但sr易吸氢导致铸件致密度下降；sb变质可使共晶硅细化为薄片层状，变质效果稳定且不易衰退，但其细化程度不如sr。稀土元素（如ce、y、yb等）同样具有变质作用，可将共晶硅细化为片层状，同时兼具净化熔体的效果。单一变质剂往往存在各自的局限性，难以同时满足高强韧合金对组织细化和综合力学性能的要求。

3、晶粒细化处理是al-si-mg系合金强韧化的另一重要途径。添加al-ti-b系晶粒细化剂（如al-5ti-1b）可显著细化α-al初晶，细化后的晶粒组织不仅有利于提高强度，还能改善合金的塑性和抗疲劳性能。此外，mg元素含量影响mg2si强化相的析出行为，而固溶和时效处理工艺参数（温度、时间）直接影响强化相的尺寸、分布及共晶硅的球化程度，进而决定合金的最终力学性能。因此，从成分设计、变质细化到热处理工艺的系统优化，是实现al-si-mg系合金高强韧化目标的核心技术路径。

4、尽管现有技术中已有多种al-si-mg系铸造铝合金及其制备方法，但在兼顾高强度与高韧性方面仍存在不足。例如，采用sr变质虽能获得纤维状共晶硅，但易吸氢导致气孔缺陷；sb变质虽稳定性好但塑性提升有限；而稀土元素单独使用时的变质效果受冷却速度影响较大。如何通过合理的复合变质与晶粒细化协同处理，在获得细小α-al晶粒的同时有效调控共晶硅形貌，并通过优化热处理工艺实现mg2si强化相的最佳析出，仍是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有al-si-mg系铸造铝合金在兼顾高强度与高韧性方面存在的不足，单一变质剂（如sb对冷速敏感、稀土易形成有害相）难以实现共晶硅的理想形态调控，以及变质处理、晶粒细化与热处理工艺之间缺乏系统匹配，本发明提供一种高强韧al-si-mg系铸造铝合金及其制备方法。该合金通过精确控制ce与sb的复合变质比例，协同ti-b晶粒细化和优化的t6热处理工艺，旨在获得共晶硅高度细化、α-al晶粒细小且mg2si强化相弥散析出的显微组织，从而实现抗拉强度≥365mpa、屈服强度≥320mpa、延伸率≥8.3%的高强韧性能匹配。

2、为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明的一种高强韧al-si-mg系铸造铝合金，所述al-si-mg系铸造铝合金按照质量分数计，是由si 6.5%～7.5%、mg 0.35%～0.55%、ti 0.08%～0.15%、ce 0.15%～0.25%、sb0.15%～0.25%、余量al和不可避免的杂质组成。

4、进一步地，所述al-si-mg系铸造铝合金中ce与sb的质量比ce/sb = 1：（0.6～1.2）。

5、本发明的高强韧铝合金制备方法：

6、（1）合金熔炼：按照高强韧al-si-mg系铸造铝合金的成分称取纯铝、al-20si、al-10ti和al-50mg中间合金，加热熔化，精炼处理；

7、（2）复合变质处理：向精炼后的熔体中加入al-ce中间合金和al-sb中间合金进行复合变质处理，使ce和sb含量分别在熔体中达到0.15%～0.25%和0.15%～0.25%；

8、（3）细化晶粒处理：向变质后的熔体中加入占熔体质量0.2%～0.4%的al-5ti-1b晶粒细化剂；

9、（4）浇铸：将熔体浇铸到模具中，获得铸件；

10、（5）固溶处理：对铸件进行固溶处理后淬火；

11、（6）时效处理：对淬火后的铸件进行时效处理。

12、进一步地，步骤（1）中，所述加热熔化温度为730～760℃；所述精炼处理为加入占熔体质量0.3%～0.5%的精炼剂于730～760℃精炼10～30分钟。

13、进一步地，所述精炼剂为六氯乙烷。

14、进一步地，步骤（4）中，所述浇铸为熔体在710～730℃下浇铸到预热至130～180℃的金属型模具中。

15、进一步地，步骤（5）中，所述固溶处理工艺：525～540℃保温3～6小时；固溶完成后在15秒内转移至常温水中淬火。

16、进一步地，步骤（6）中，所述时效处理工艺：160～180℃保温8～12小时后水冷。

17、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

18、（1）ce/sb精确协同变质，共晶硅形态显著优化。本发明首次提出将单一稀土元素ce与sb按ce/sb = 1：（0.6～1.2）的质量比进行复合变质。ce与sb在熔体中可形成协同作用。一方面，sb降低共晶硅生长界面的各向异性，促进硅相由片层状向薄片状转变；另一方面，ce在固液界面前沿富集，增大成分过冷，进一步细化共晶硅。两者协同作用下细化共晶硅，有效消除了应力集中源，显著提升合金塑性。相较于单独添加sb或单独添加ce，本发明复合变质后的合金延伸率可稳定达到8.3%以上。

19、（2）多重尺度组织协同调控，实现高强韧匹配。本发明通过ce/sb复合变质（细化共晶硅）、al-5ti-1b细化剂（细化α-al晶粒）和优化t6热处理（调控mg2si析出）的组织调控策略，实现了从纳米尺度（mg2si析出相）、亚微米尺度（共晶硅颗粒）到微米尺度（α-al晶粒）的多级微观结构优化。细晶强化、第二相强化和沉淀强化的协同作用使合金兼具高强度和高塑性。

20、（3）避免有害相生成，变质效果稳定可靠。本发明采用单一稀土ce而非混合稀土，避免了多种稀土元素之间不可控的交互作用，同时通过限定ce含量（0.15%～0.25%）和配比关系，有效抑制了针状al4ce有害相的形成。

21、（4）制备工艺简单可控，适合工业化生产。本发明各步骤均采用常规铸造设备，无需特殊气氛保护或快速凝固等苛刻条件，工艺窗口宽（固溶温度525～540℃、时效温度160～180℃），便于工业现场控制。精炼、变质和细化分步进行，操作顺序明确，重现性好，适合汽车结构件等批量生产场景。

22、（5）综合力学性能优异。采用本发明成分和工艺制备的al-si-mg系铸造铝合金，经t6热处理后，抗拉强度可高达381mpa，屈服强度达338mpa，延伸率达9.2%，能够满足汽车轻量化结构件、航空航天连接件等对材料高强韧性的迫切需求。