CN109338180A - 一种高强韧铸造铝硅合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强韧铸造铝硅合金及其制备方法和应用，所述铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7～8％，Mg 0.4～0.5％，Fe 0.1～0.2％，Ti 0.1～0.2％，Sr 0.01～0.02％，La 0.03～0.06％，Ce 0.02～0.04％，其余为Al和不可避免的杂质元素。制备方法包括熔炼配制铝硅合金液、细化变质、精炼除气除杂、铸造和固溶时效处理。本发明通过优化Si、Mg元素的含量，细化变质α‑Al晶粒、β‑Fe富铁相和共晶Si相，使α‑Al树枝晶转变为细小等轴晶粒，使针片状β‑Fe富铁相和共晶Si相转变为细小的颗粒状或短棒状，消除针片状β‑Fe富铁相和共晶Si相对铝硅合金强度、塑性和断裂韧性的危害。本发明铸造铝硅合金具有强度高、塑性好和优异的断裂韧性，适合于铸造各种受力结构件，如汽车轻量化结构件。

Description

一种高强韧铸造铝硅合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及铝合金及其制备技术领域，具体是涉及一种高强韧铸造铝硅合金及其制备方法和应用。
背景技术
铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、易加工成型、可回收利用等优点，广泛应用于交通运输工具、电子电器、机械装备、建筑等领域。随着汽车轻量化的发展，汽车转向节、气囊支撑臂、制动器卡钳、减震塔、悬置支架、控制臂、发动机缸体和缸盖等零部件都急需“以铝代钢”，已到达汽车轻量化的目的。这些零部件在汽车上都属于重要的受力结构件，为了提高汽车的安全性和服役寿命，这些零部件对铝合金的综合力学性能也要求较高，如较高的强度，优良的塑性和断裂韧性。
铸造是将铝合金液直接浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铝铸件的工艺过程。铸造具有生产效率高、成本低的显著优点，是目前汽车零部件的广泛采用的生产工艺。目前铸造领域最常用的材料是铸造铝硅合金，如A356、ADC10、ADC12等。铸造铝硅合金虽然具有较好的铸造流动性和机械加工性能，但目前常用的铸造铝硅合金仍然普遍存在强度偏低、塑性较差和断裂韧性不足的问题，如A356铸造铝硅合金在T6热处理状态下的抗拉强度通常低于280MPa，屈服强度低于240MPa，伸长率低于7％，强度和塑性都无法满足大部分汽车受力结构件的要求。
因此，现有铸造铝硅合金及制备方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种具有高强度、高塑性和优异的断裂韧性和耐腐蚀性能的高强韧铸造铝硅合金及其制备方法和应用。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高强韧铸造铝硅合金，其特点是：该铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7～8％，Mg 0.4～0.5％，Fe 0.1～0.2％，Ti 0.1～0.2％，Sr 0.01～0.02％，La 0.03～0.06％，Ce 0.02～0.04％，其余为Al和不可避免的杂质元素。
优选的，所述铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7.7％，Mg 0.42％，Fe0.12％，Ti 0.16％，Sr 0.018％，La 0.036％，Ce 0.024％，其余为Al和不可避免的杂质元素。
优选的，所述La与Ce的质量比为3:2，杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％。
本发明所述高强韧铸造铝硅合金的制备方法，其特点是依次包括以下步骤：
第一步：按所述高强韧铸造铝硅合金的成分组成及质量百分比，选用铝源、硅源、镁源、钛源、锶源、镧源和铈源为原材料进行配料；
第二步：将铝源在760～780℃加热熔化，然后再加入硅源和镁源，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：在铝合金液中加入钛源、锶源、镧源和铈源进行细化变质处理；
第四步：采用高纯惰性气体和无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10～20分钟进行除气除杂处理，接着扒渣后再静置20～40分钟；
第五步：将铝合金液在680～720℃条件下铸造成形铝硅合金；
第六步：将铸造铝硅合金先加热至470～480℃保温2～3小时，然后继续升温至545～550℃保温5～6小时进行固溶处理，然后放入60～80℃的水进行淬火；
第七步：将铸造铝硅合金先加热至150～160℃保温1～2小时，然后继续升温至185～190℃保温3～5小时进行时效处理，随炉冷却后得到高强韧铸造铝硅合金。
进一步的，所述铝源为铝含量99.7％的铝锭，镁源为镁含量99.95％的镁锭，硅源为AlSi20合金，钛源为AlTi10合金，锶源为AlSr10合金，镧源为AlLa5合金，铈源为AlCe5合金。
进一步的，所述高纯惰性气体为纯度≥99.9％的氮气或氩气。优选的，所述高纯惰性气体为纯度≥99.99％的氮气。
进一步的，所述无钠精炼剂是指不含NaCl、NaF、Na2CO3等钠盐的精炼剂，无钠精炼剂的用量为原材料总重量的0.3～0.5％。
本发明所述高强韧铸造铝硅合金在汽车零部件中的应用。优选的，所述汽车零部件包括转向节、气囊支撑臂、制动器卡钳、减震塔、悬置支架、控制臂、发动机缸体和缸盖。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)优化了Si、Mg主合金元素的成分组成，使铸造铝硅合金能够获得所要达到的强度、塑性和铸造流动性。(2)引入微量Ti元素细化α-Al晶粒，改善铸造铝硅合金的组织成分均匀性，提高铸造铝硅合金的铸造流动性、强度和塑性。(3)引入微量Sr元素对共晶Si相进行细化变质，使细长的针片状共晶Si相转变为细小均匀的颗粒状和短棒状，并弥散分布在α-Al基体上，消除针片状共晶Si相对铸造铝硅合金塑性和韧性的危害，提高铸造铝硅合金的塑性和韧性。(4)引入微量La和Ce元素对针片状β-Fe富铁相进行细化变质，通过优化镧铈的配比，使针片状β-Fe富铁相转变为细小均匀的颗粒状和短棒状，并弥散分布在α-Al基体上，消除针状β-Fe富铁相对铸造铝硅合金强度、塑性、韧性和耐腐蚀性能的危害，显著提高铸造铝硅合金的强度、塑性、韧性和耐腐蚀性能。(5)采用双级固溶和双级时效工艺对铸造铝硅合金进行热处理，在不降低强度前提下，进一步提高铸造铝硅合金的塑性和韧性。
综上，本发明在优化Si、Mg主合金元素的成分组成基础上，引入微量Ti、Sr、La和Ce元素对α-Al晶粒、针片状共晶Si相和β-Fe富铁相进行细化变质，通过科学调控这些元素的含量，使其相互配合，最终使铸造铝硅合金具有高强度、高塑性和优异的断裂韧性和耐腐蚀性能，铸造铝硅合金的抗拉强度≥320MPa，屈服强度≥290MPa，断后伸长率≥10％。
附图说明
图1为实施例1铸造铝硅合金的扫描电镜组织图。
图2为实施例1铸造铝硅合金的光学显微镜组织图。
图3为对比例1铸造铝硅合金的扫描电镜组织图。
图4为对比例2铸造铝硅合金的扫描电镜组织图。
图5为对比例3铸造铝硅合金的光学显微镜组织图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例和对比例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的高强韧铸造铝硅合金，由以下质量百分比的成分组成：Si 7～8％，Mg 0.4～0.5％，Fe 0.1～0.2％，Ti 0.1～0.2％，Sr 0.01～0.02％，La 0.03～0.06％，Ce0.02～0.04％，其余为Al和不可避免的杂质元素。
优选的，所述高强韧铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7.7％，Mg0.42％，Fe 0.12％，Ti 0.16％，Sr 0.018％，La 0.036％，Ce 0.024％，其余为Al和不可避免的杂质元素。
优选的，所述高强韧铸造铝硅合金的成分组成中，La与Ce的质量比为3:2，杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％。
该高强韧铸造铝硅合金的成分组成的作用及含量说明如下：
Si是铸造铝硅合金的主要元素，首先，在合金凝固过程中，Si与Al可形成Al+Si共晶液相，提高铝硅合金的铸造流动性。其次，Si与Mg可形成Mg2Si强化相，增强铸造铝硅合金的强度。另外，当过剩的单质呈细小均匀的颗粒状或短纤维状弥散分布在α-Al基体上，还能提高铝硅合金的强度和机械加工性能。Si含量越高，铝硅合金的强度、铸造流动性和机械加工性能也越好，但塑性和韧性会逐渐下降。发明人通过大量实验研究发现，Si含量低于7％时，铝硅合金的抗拉强度达不到320MPa，而Si含量超过8％时，铝硅合金的伸长率又很难达到10％以上。因此，为了确保铝硅合金获得较好的综合性能，Si含量选择在7～8％，优选的，Si含量为7.7％。
Mg在铸造铝硅合金中能与Si形成Mg2Si强化相，增强铝硅合金的强度。Mg含量越高，铝硅合金的强度也越高，但Mg含量太高也会引起塑性下降。发明人通过大量实验研究发现，Mg含量低于0.4％，铝硅合金的强度达不到320MPa，Mg含量超过0.5％，铝硅合金的伸长率很难达到10％以上。因此，为了保证铸造铝硅合金的强度和塑性，Mg含量选择在0.4～0.5％，优选的，Mg含量为4.2％。
微量Ti元素在铸造铝硅合金中的作用主要是细化α-Al晶粒，改善铝硅合金的组织成分均匀性，提高铝硅合金的铸造流动性、强度和塑性。通常铝硅合金的凝固组织为粗大的树枝晶，这种粗大的树枝晶不仅会在凝固过程中阻碍共晶液相的流动补缩，导致铸件内部产生缩孔和疏松，还会使成分产生宏微观偏析，降低铝硅合金的强度和塑性。发明人通过大量实验研究发现，Ti含量小于0.1％，α-Al晶粒的细化效果不明显，无法完全消除α-Al树枝晶的产生。Ti含量越高，晶粒细化效果越好，但Ti含量超过0.2％时，又会导致粗大TiAl3相金属间化合物的出现，从而恶化铝硅合金的强度和塑性。因此，Ti含量选择在0.1～0.2％，优选的，Ti含量为0.16％。
微量Sr元素在铸造铝硅合金中的主要作用是细化变质共晶Si相。铸造铝硅合金中的Si除了与Mg形成Mg2Si强化相外，大量的共晶Si相在铝硅合金中通常都是呈细长的针片状存在于α-Al铝基上，这种细长的针片状共晶Si相会严重割裂铝硅合金基体，是导致传统铸造铝硅合金强度和塑性较低的重要原因之一。发明人通过大量实验研究发现，添加0.01～0.02％的Sr元素可对本发明铸造铝硅合金的共晶Si相具有良好的细化变质作用，可共晶Si的形态从细长的针片状完全转变为细小均匀的颗粒状和短棒状，并弥散分布在α-Al基体，显著提高铝硅合金的强度和塑性。Sr含量小于0.01％，无法完全细化变质共晶Si相，而Sr含量大于0.02％，又容易引起铝硅合金也吸气而使铸造铝硅合金产生气孔、疏松等问题。因此，Sr含量选择在0.01～0.02％，优选的，Sr含量为0.018％。
Fe在铸造铝硅合金中的主要作用是改善粘模倾向，有利于铝硅合金铸件的脱模。Fe是铝锭中不可避免的杂质元素，铝含量为99.7％的铝锭中通常含有0.1～0.2％的Fe。在铝硅合金中，Fe元素通常以细长的状片状β-Fe富铁相形式存在于铝硅合金中，如FeAl3、FeSiAl3等，这种细长的状片状β-Fe富铁相会严重割裂铝硅合金基体，成为铝硅合金受力断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，是导致传统铝硅合金强度低、塑性差的主要原因。发明人通过大量实验研究发现，在本发明铸造铝硅合金中添加0.03～0.06％的La，0.02～0.04％的Ce，且La与Ce的质量比为3:2时，通过La与Ce的交互作用，可阻碍状片状β-Fe富铁相的生长方向，使状片状β-Fe富铁相的形态转变为细小均匀的颗粒状和短棒状，并弥散分布在α-Al基体，可以完全消除β-Fe富铁相对铝硅合金强度和塑性的危害，大幅提高铝硅合金的强度和塑性。La含量低于0.03％或者Ce低于0.02％或者La与Ce的质量比不是3:2，都无法完全细化变质状片状β-Fe富铁相。因此，La含量选择在0.03～0.06％，Ce含量选择在0.02～0.04％，且La与Ce的质量比为3:2，优选的，La含量为0.036％，Ce含量为0.024％。
Cu、Zn、Mn、Be、Ni、Sn、Pb等元素是铝锭、镁锭中常见的杂质元素，通过原材料铝锭和镁锭会引入到铝硅合金中，这些杂质元素在铝硅合金中容易形成硬脆或低熔点的金属间化合物，同样会成为铝硅合金受力断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，从而恶化铝硅合金的强度和塑性，Cu元素还会降低铝硅合金的耐腐蚀性能，而Be和Pb还是对人体和环境有危害的元素，因此，这些杂质元素必须严格进行控制。本发明通过选用纯度99.7％的铝锭、纯度99.95％的镁锭以及AlSi20合金、AlTi10合金、AlSr10合金和AlRE10合金为原材料，将Cu、Zn、Mn、Be、Ni、Sn、Pb等杂质元素的单个含量小于0.05％、总量小于0.15％，消除这些杂质元素对铸造铝硅合金强度和塑性的危害。
本发明提供的高强韧铸造铝硅合金的制备方法，依次包括以下步骤：
第一步：按所述高强韧铸造铝硅合金的成分组成及质量百分比，选用铝源、硅源、镁源、钛源、锶源、镧源和铈源为原材料进行配料；
所述铝源为铝含量99.7％的铝锭，镁源为镁含量99.95％的镁锭，硅源为AlSi20合金，钛源为AlTi10合金，锶源为AlSr10合金，镧源为AlLa5合金，铈源为AlCe5合金；
第二步：将铝源在760～780℃加热熔化，然后再加入硅源和镁源，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：在铝合金液中加入钛源、锶源、镧源和铈源进行细化变质处理；
第四步：采用高纯惰性气体和无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼进行除气除杂处理；
所述高纯惰性气体为纯度≥99.9％的氮气或氩气，优选为纯度≥99.99％的氮气；所述无钠精炼剂是指不含NaCl、NaF、Na2CO3等钠盐的精炼剂，无钠精炼剂的用量为原材料总重量的0.3～0.5％。所述喷吹精炼的时间为10～20分钟，对铝合金液喷吹精炼除气除杂处理后，接着扒渣后再静置20～40分钟；
第五步：将铝合金液在680～720℃条件下铸造成形铝硅合金；
第六步：将铸造铝硅合金先加热至470～480℃保温2～3小时，然后继续升温至545～550℃保温5～6小时进行固溶处理；
所述铸造铝硅合金固溶处理的淬火冷却介质是60～80℃的水；
第七步：将铸造铝硅合金先加热至150～160℃保温1～2小时，然后继续升温至185～190℃保温3～5小时进行时效处理，随炉冷却后得到高强韧铸造铝硅合金。
铸造铝硅合金的固溶时效热处理工艺会直接影响到Mg2Si强化相的形态、大小和分布，并最终影响到铸造铝硅合金的强度和塑性。现有技术通常采用T6热处理工艺对铸造铝硅合金进行热处理，即固溶+时效的单级峰值时效工艺，这种单级固溶时效工艺虽然可以使铸造铝硅合金获得最高的强度，但也会牺牲铸造铝硅合金的塑性。发明人对本发明铸造铝硅合金的热处理工艺进行***研究后发现，采用双级固溶+双级时效的热处理工艺，即将铸造铝硅合金先加热至470～480℃保温2～3小时，然后继续升温至545～550℃保温5～6小时进行固溶处理，再将铸造铝硅合金先加热至150～160℃保温1～2小时，然后继续升温至185～190℃保温3～5小时进行时效处理，铸造铝硅合金既可以获得最终所需要的强度，同时又具有优异的塑性。如果不采用双级固溶+双级时效的热处理工艺或者时效温度、时效时间不在上述匹配范围内，铸造铝硅合金都无法获得期望的强度和塑性。
实施例1：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7.7％，Mg 0.42％，Fe 0.12％，Ti 0.16％，Sr 0.018％，La 0.036％，Ce 0.024％，其余为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％；制备方法依次包括下述步骤：
第一步：按铸造铝硅合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.95％的镁锭、AlSi20合金、AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在770℃加热熔化，然后再加入镁锭和AlSi20合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：在铝合金液中加入AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金进行细化变质处理；
第四步：采用纯度99.99％的氮气和占原材料总重量0.4％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼15分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置30分钟；
第五步：将铝合金液在700℃条件下铸造成形铝硅合金；
第六步：将铸造铝硅合金先加热至475℃保温2.5小时，然后继续升温至548℃保温5.5小时进行固溶处理，最后取出放入70℃的水进行淬火；
第七步：将铸造铝硅合金先加热至155℃保温1.5小时，然后继续升温至187℃保温3.5小时进行时效处理，随炉冷却后得到所述铸造铝硅合金。
实施例2：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7％，Mg 0.5％，Fe 0.1％，Ti0.2％，Sr 0.01％，La 0.06％，Ce 0.04％，其余为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％；制备方法依次包括下述步骤：
第一步：按铸造铝硅合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.95％的镁锭、AlSi20合金、AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在780℃加热熔化，然后再加入镁锭和AlSi20合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：在铝合金液中加入AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金进行细化变质处理；
第四步：采用纯度99.99％的氮气和占原材料总重量0.3％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼20分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置20分钟；
第五步：将铝合金液在720℃条件下铸造成形铝硅合金；
第六步：将铸造铝硅合金先加热至480℃保温2小时，然后继续升温至550℃保温5小时进行固溶处理，最后取出放入80℃的水进行淬火；
第七步：将铸造铝硅合金先加热至150℃保温2小时，然后继续升温至190℃保温3小时进行时效处理，随炉冷却后得到所述铸造铝硅合金。
实施例3：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 8％，Mg 0.4％，Fe 0.2％，Ti0.1％，Sr 0.02％，La 0.03％，Ce 0.02％，其余为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％；制备方法依次包括下述步骤：
第一步：按铸造铝硅合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.95％的镁锭、AlSi20合金、AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在760℃加热熔化，然后再加入镁锭和AlSi20合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：在铝合金液中加入AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金进行细化变质处理；
第四步：采用纯度99.99％的氮气和占原材料总重量0.5％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置40分钟；
第五步：将铝合金液在680℃条件下铸造成形铝硅合金；
第六步：将铸造铝硅合金先加热至470℃保温3小时，然后继续升温至545℃保温6小时进行固溶处理，最后取出放入60℃的水进行淬火；
第七步：将铸造铝硅合金先加热至160℃保温1小时，然后继续升温至185℃保温5小时进行时效处理，随炉冷却后得到所述铸造铝硅合金。
对比例1：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7.7％，Mg 0.42％，Fe 0.12％，Ti 0.16％，其余为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％；制备方法依次包括下述步骤：
第一步：按铸造铝硅合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.95％的镁锭、AlSi20合金、AlTi10合金为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在770℃加热熔化，然后再加入镁锭和AlSi20合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：在铝合金液中加入AlTi10合金进行细化变质处理；
第四步：采用纯度99.99％的氮气和占原材料总重量0.4％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼15分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置30分钟；
第五步：将铝合金液在700℃条件下铸造成形铝硅合金；
第六步：将铸造铝硅合金先加热至475℃保温2.5小时，然后继续升温至548℃保温5.5小时进行固溶处理，最后取出放入70℃的水进行淬火；
第七步：将铸造铝硅合金先加热至155℃保温1.5小时，然后继续升温至187℃保温3.5小时进行时效处理，随炉冷却后得到所述铸造铝硅合金。
对比例2：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7％，Mg 0.5％，Fe 0.1％，Ti0.2％，Sr 0.005％，La 0.06％，Ce 0.04％，其余为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％；制备方法依次包括下述步骤：
第一步：按铸造铝硅合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.95％的镁锭、AlSi20合金、AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在780℃加热熔化，然后再加入镁锭和AlSi20合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：在铝合金液中加入AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金进行细化变质处理；
第四步：采用纯度99.99％的氮气和占原材料总重量0.3％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼20分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置20分钟；
第五步：将铝合金液在720℃条件下铸造成形铝硅合金；
第六步：将铸造铝硅合金先加热至480℃保温2小时，然后继续升温至550℃保温5小时进行固溶处理，最后取出放入80℃的水进行淬火；
第七步：将铸造铝硅合金先加热至150℃保温2小时，然后继续升温至190℃保温3小时进行时效处理，随炉冷却后得到所述铸造铝硅合金。
对比例3：
铸造铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 8％，Mg 0.4％，Fe 0.2％，Ti0.06％，Sr 0.02％，La 0.03％，Ce 0.02％，其余为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％；制备方法依次包括下述步骤：
第一步：按铸造铝硅合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.95％的镁锭、AlSi20合金、AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在760℃加热熔化，然后再加入镁锭和AlSi20合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：在铝合金液中加入AlTi10合金、AlSr10合金、AlLa5合金和AlCe5合金进行细化变质处理；
第四步：采用纯度99.99％的氮气和占原材料总重量0.5％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置40分钟；
第五步：将铝合金液在680℃条件下铸造成形铝硅合金；
第六步：将铸造铝硅合金先加热至470℃保温3小时，然后继续升温至545℃保温6小时进行固溶处理，最后取出放入60℃的水进行淬火；
第七步：将铸造铝硅合金先加热至160℃保温1小时，然后继续升温至185℃保温5小时进行时效处理，随炉冷却后得到所述铸造铝硅合金。
按中华人民共和国国家标准GMN/T16865-2013，将上述实施例1～3和对比例1～3的铸造铝硅合金加工成标准拉伸试样，并在DNS500型电子拉伸试验机上进行室温拉伸力学性能，拉伸速率为2毫米/分钟，测试结果如表1所示。
在实施例1和对比例1～3制备的铸造铝硅合金上取样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在Nano SEM430场发射扫描电镜上对显微组织进行观察，在LICA-DCT 1500型金相显微镜下进行组织观察。图1为实施例1铸造铝硅合金的扫描电镜组织图，图2为实施例1铸造铝硅合金的光学显微镜组织图。实施例1添加了Ti、La、Ce和Sr元素对α-Al晶粒、β-Fe富铁相和共晶Si相进行细化变质处理，从图1可看到，β-Fe富铁相和共晶Si相均呈细小均匀的颗粒状或短棒状弥散分布在α-Al基体上，从图2可看到，α-Al晶粒呈细小均匀的等轴状。图3为对比例1铸造铝硅合金的扫描电镜组织图。对比例1由于未添加La、Ce和Sr元素进行细化变质处理，从图3可看到细长的状片状β-Fe富铁相和共晶Si相。图4为对比例2铸造铝硅合金的扫描电镜组织图。对比例2由于添加的Sr元素含量低于0.01％，无法完全细化变质共晶Si相，从图4可看到，部分共晶Si相仍呈针状或粗大颗粒状。图5为对比例3铸造铝硅合金的光学显微镜组织图。对比例3由于添加的Ti元素含量低于0.1％，无法完全细化α-Al晶粒，从图5可看到，α-Al晶粒呈粗大的树枝晶形态存在。
采用冲击韧性试验方法来检测铸造铝硅合金的韧性情况，冲击韧性是表征材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力，是反映材料对外来冲击负荷的抵抗能力。按标准HB 5144-1980《金属室温冲击韧性试验方法》，将实施例1～3和对比例1～3的铸造铝硅合金加工成标准试样，在PYM-100型冲击试验机上进行室温冲击试验，检测结果如表1所示。
表1实施例1～3和对比例1～3铸造铝硅合金的拉伸力学性能和冲击韧性
从表1可看到，实施例1～3的铸造铝硅合金的抗拉强度大于320MPa，屈服强度大于290MPa，断后伸长率大于10％，冲击韧性值大于25J·cm2，说明本发明铸造铝硅合金具有强度高、塑性好和优良的韧性。从表1还可看到，对比例1由于未添加La、Ce和Sr元素进行细化变质，对比例2由于添加的Sr元素含量低于0.01％，对比例3由于添加的Ti元素含量低于0.1％，导致对比例1～3的铸造铝硅合金的抗拉强度低于300MPa，屈服强度低于270MPa，断后伸长率低于8％，冲击韧性值低于20J·cm2。通过对比可以发现，本发明通过优化Si、Mg主合金元素的含量和添加微量的Ti、Sr、La和Ce元素细化变质α-Al晶粒、共晶Si相和β-Fe富铁相，可显著提高铸造铝硅合金的强度、塑性和韧性。
本发明所述的高强韧铸造铝硅合金主要用于制备汽车零部件。具体地，是用于制备汽车零部件的转向节、气囊支撑臂、制动器卡钳、减震塔、悬置支架、控制臂、发动机缸体和缸盖等。

Claims (9)

1.一种高强韧铸造铝硅合金，其特征在于：该铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7～8％，Mg 0.4～0.5％，Fe 0.1～0.2％，Ti 0.1～0.2％，Sr 0.01～0.02％，La 0.03～0.06％，Ce 0.02～0.04％，其余为Al和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝硅合金，其特征在于：所述铝硅合金由以下质量百分比的成分组成：Si 7.7％，Mg 0.42％，Fe 0.12％，Ti 0.16％，Sr 0.018％，La0.036％，Ce 0.024％，其余为Al和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的高强韧铸造铝硅合金，其特征在于：所述La与Ce的质量比为3:2，杂质元素单个含量小于0.05％，总量小于0.15％。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述高强韧铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
第一步：按所述高强韧铸造铝硅合金的成分组成及质量百分比，选用铝源、硅源、镁源、钛源、锶源、镧源和铈源为原材料进行配料；
第二步：将铝源在760～780℃加热熔化，然后再加入硅源和镁源，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：在铝合金液中加入钛源、锶源、镧源和铈源进行细化变质处理；
第四步：采用高纯惰性气体和无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10～20分钟进行除气除杂处理，接着扒渣后再静置20～40分钟；
第五步：将铝合金液在680～720℃条件下铸造成形铝硅合金；
第六步：将铸造铝硅合金先加热至470～480℃保温2～3小时，然后继续升温至545～550℃保温5～6小时进行固溶处理，然后放入60～80℃的水进行淬火；
第七步：将铸造铝硅合金先加热至150～160℃保温1～2小时，然后继续升温至185～190℃保温3～5小时进行时效处理，随炉冷却后得到高强韧铸造铝硅合金。
5.根据权利要求4所述高强韧铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述铝源为铝含量99.7％的铝锭，镁源为镁含量99.95％的镁锭，硅源为AlSi20合金，钛源为AlTi10合金，锶源为AlSr10合金，镧源为AlLa5合金，铈源为AlCe5合金。
6.根据权利要求4所述高强韧铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述高纯惰性气体为纯度≥99.9％的氮气或氩气。
7.根据权利要求4所述高强韧铸造铝硅合金的制备方法，其特征在于：所述无钠精炼剂是指不含NaCl、NaF、Na2CO3钠盐的精炼剂，无钠精炼剂的用量为原材料总重量的0.3～0.5％。
8.如权利要求1-3中任一项所述高强韧铸造铝硅合金在汽车零部件中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述汽车零部件包括转向节、气囊支撑臂、制动器卡钳、减震塔、悬置支架、控制臂、发动机缸体和缸盖。
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