本发明涉及铝合金铸造技术领域，具体涉及一种高硅铝合金及其铸造方法。
背景技术：
在汽车制造领域，对发动机提出了更高速度、更高功率的迫切需求，传统的亚共晶和共晶成分铝硅合金已经不能满足诸如发动机活塞、变速机壳和传动装置等对材料强度和耐磨性能的要求。
目前限制过共晶铝硅合金(si含量为17％-32％)产业化的主要关键技术是合金中初晶硅和共晶硅的尺寸与形态控制。众所周知，当过共晶铝硅合金中的初晶硅平均尺寸保持在40μm以下，共晶硅平均尺寸12μm以下，且共晶硅形态为近球形时，过共晶铝硅合金才能具备优异的力学、耐磨以及良好的尺寸稳定性等优异的综合性能。现有在使用变质剂如铝磷中间合金技术时，产业化过程中遇到很大的阻力，难以实现技术转移和复制。
而现有的高硅含量铝合金制备方法并不完美，例如发明专利(201810075148.x)公开了一种适合挤压铸造的高强韧高硅铝合金及其制备工艺，但是其合金成分中含有稀土元素，这会导致合金的制造成本显著上升；发明专利(200410043855.9；1279197c)公开了一种低膨胀超高硅铝合金的制备方法，虽然该方法实现了高硅含量铝合金的制造，其si含量可达到61.6％-70.8％，但是其中并没有实现变质过程，材料的综合性能并不适用于汽车零件的制造。
技术实现要素：
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种高硅铝合金及其铸造方法，通过在高硅铝合金铸造过程中辅助超声技术处理，从而优化高硅铝合金铸造过程中初晶硅和共晶硅形核及长大的过程，从尺寸和形态上实现完美的双重控制，实现高品质、低成本、产业化。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种高硅铝合金，其特征在于，所述高硅铝合金包括以下按质量百分比计的组分：17.2％～33.6％硅、2.1％～3.5％铜、0.3％～0.45％镁、0.1％～0.2％锰、0.08％～0.12％铁、0.15％～0.35％锌、0.1％～0.2％钛，余量为铝和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素合计小于0.15％。
一种高硅铝合金的铸造方法，其特征在于，所述方法步骤包括：
1)按照质量配比，熔炼铝合金：按照上述的质量百分比(wt％)配料称取纯铝锭、阴极铜、纯镁锭、纯硅颗粒，以及铝锰、铝铁、铝锌和铝钛中间合金；将熔炼炉温度设定为900℃～1000℃，将纯铝锭、纯硅颗粒、阴极铜，以及铝锰、铝铁、铝锌和铝钛中间合金装炉，待全部融化后，控制炉温在700℃～820℃之间；对熔炼炉内的熔体进行超声辅助熔炼，同时进行搅拌，搅拌次数共为3次，其中第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，然后进行其余两次搅拌过程，超声辅助熔炼直至搅拌过程结束；
2)精炼升温：将经步骤1)得到的熔体导入静置炉中，通入氩气进行精炼，精炼时间不少于10min，精炼后温度提升至825℃～835℃；
3)超声辅助变质处理：将经步骤2)得到的熔体保温1h-3h，保温温度为825℃～835℃，保温结束后，对静置炉内的熔体进行超声辅助变质，同时加入铝磷变质剂，并进行搅拌，搅拌时间为20min-35min；
4)铸造：将经步骤3)得到的熔体静置，熔体温度稳定至770℃～790℃之间时，将熔体加入铸造盘中铸造同时采用超声辅助铸造，铸造过程结束即得到高硅铝合金铸棒。
根据上述的铸造方法，其特征在于，所述步骤1)超声辅助熔炼是将超声波探头置于熔炼炉四周，超声波探头中轴线垂直于熔炼炉中轴线，超声波的频率为0.5mhz-1mhz，功率密度为0.3-0.32w/cm2。
根据上述的铸造方法，其特征在于，所述步骤1)每次搅拌时间为15min，搅拌间隔为30min。
根据上述的铸造方法，其特征在于，所述步骤2)氩气流量为5-10l/min。
根据上述的铸造方法，其特征在于，所述步骤3)超声辅助变质是将超声波探头设置在静置炉四周，保证超声波探头的中轴线与静置炉的中轴线垂直，超声波的频率为2mhz-5mhz，功率密度为0.32-0.35w/cm2。
根据上述的铸造方法，其特征在于，所述步骤3)铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.05％-0.1％。
根据上述的铸造方法，其特征在于，所述步骤4)铸造过程：采用水进行冷却，冷却水流速控制为2800-3200l/min；铸造速度为60-120mm/min。
根据上述的铸造方法，其特征在于，所述步骤4)超声辅助铸造是将超声波探头安装于铸造井距离地面400mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，超声波的频率为20khz-50khz，功率密度为0.30w/cm2-0.32w/cm2。
根据上述的制备方法，所述步骤1)超声辅助的目的是为了加速硅在熔炼炉中的融化，众所周知，纯硅的熔点高达1400℃，难以融化，因此在熔炼初期，采用超声辅助，将超声波探头参数控制在频率为0.5mhz-1mhz，功率密度为0.3-0.32w/cm2，在该参数下，能够有效的促进硅的融化，为后续初晶硅的尺寸控制奠定了良好的基础。
根据上述的制备方法，所述步骤3)中变质过程中采用了超声辅助，主要的目的是利用超声波高能量的特点，细化并增加变质过程中初晶硅的形核中心，增加形核数量，从而控制初晶硅的尺寸，本阶段的采用的超声波参数为频率为2mhz-5mhz，功率密度为0.32-0.35w/cm2，较高能量的超声波能够有效的增加形核中心，能量太低将不会有明显作用，而能量过高会明显的恶化合金的组织形态。
根据上述的制备方法，所述步骤4)铸造过程中，同样采用了超声辅助，铸造过程是初晶硅生长的的主要过程，因此此时最重要的就是控制合金中初晶硅的长大速度，而本过程中采用的超声波参数为频率为20khz-50khz，功率密度为0.30w/cm2-0.32w/cm2，该参数条件的超声波能够有效的降低初晶硅的长大速度，实现复合要求的合金组织形态。
超声辅助是本发明中的关键工艺，利用超声辅助工艺可以攻克高硅铝合金中铸造过程中的关键问题。首先超声辅助融化可以使含量较高的硅在熔炼炉中完全的融化，因此本发明合金中的硅含量最高可以实现33.6％。其次控制初晶硅尺寸的关键是控制初晶硅的形核数量和长大速度，本发明中在合金的变质及铸造过程中均采用了超声辅助措施，一方面增加变质过程中初晶硅的形核数量，提供更多的初晶硅的形核中心；另一方面在铸造过程中，采用超声辅助措施，降低合金中初晶硅的长大速度，避免多个初晶硅的合并长大。因此本发明最终实现了高硅铝合金的高品质，低成本及产业化生产。
本发明的有益效果：本发明提供了一种采用超声辅助技术进行的高硅铝合金的铸造方法，采用的超声辅助手段有效的改善了高硅铝合金的品质，获得了理想的组织状态，获得的高硅铝合金中，初晶硅的平均尺寸小于40μm，共晶硅的的平均尺寸低于12μm，并且合金具备优异的机械性能，最终实现了高硅铝合金的高品质、低成本和产业化生产。
附图说明
图1为实施例一制备的一种超声辅助铸造高硅铝合金的金相照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种高硅铝合金，包括以下按质量百分比计的组分：17.2％～33.6％硅、2.1％～3.5％铜、0.3％～0.45％镁、0.1％～0.2％锰、0.08％～0.12％铁、0.15％～0.35％锌、0.1％～0.2％钛，余量为铝和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素合计小于0.15％。不可避免的杂质元素包括：cr、ni。
一种高硅铝合金的铸造方法，步骤包括：
1)按照质量配比，熔炼铝合金：按照上述的质量百分比(wt％)配料称取纯铝锭、阴极铜、纯镁锭、纯硅颗粒，以及铝锰、铝铁、铝锌和铝钛中间合金；将熔炼炉温度设定为900℃～1000℃，将纯铝锭、纯硅颗粒、阴极铜，以及铝锰、铝铁、铝锌和铝钛中间合金装炉，待全部融化后，控制炉温在700℃～820℃之间；将熔炼炉四周安装超声波探头，超声波探头中轴线垂直于熔炼炉中轴线，对熔炼炉内的熔体进行超声辅助熔炼，超声波的频率为0.5mhz-1mhz，功率密度为0.3-0.32w/cm2，同时进行搅拌，搅拌次数共为3次，每次搅拌时间为15min，搅拌间隔30min，其中第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，然后进行其余两次搅拌过程，超声辅助熔炼直至全部搅拌过程结束；
2)精炼升温：将经步骤1)得到的熔体导入静置炉中进行精炼，其中，精炼方式为气体精炼，精炼剂为氩气，氩气流量为5-10l/min，精炼时间不少于10min，精炼后温度提升至825℃～835℃；
3)超声辅助变质处理：将经步骤2)得到的熔体保温1h-3h，保温温度为825℃～835℃，保温结束后，对熔体进行变质处理：将静置炉四周安装超声波探头，保证超声波探头的中轴线与静置炉的中轴线垂直，开启超声波探头对静置炉内的熔体进行超声辅助变质，超声波的频率为2mhz-5mhz，功率密度为0.32-0.35w/cm2，同时加入铝磷变质剂，铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.05％-0.1％，并进行搅拌，搅拌时间为20min-35min；
4)铸造：将经步骤3)得到的熔体静置，熔体温度稳定至770℃～790℃之间时，将熔体加入铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，冷却水流速控制为2800-3200l/min；铸造速度为60-120mm/min；同时将超声波探头安装于铸造井距离地面400mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，采用超声辅助铸造，超声波的频率为20khz-50khz，功率密度为0.30w/cm2-0.32w/cm2，铸造过程结束，即得到高硅铝合金铸棒。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一
本实施例中高硅铝合金包含下列质量百分比的配料：17.2％硅、3.5％铜、0.3％镁、0.2％锰、0.08％铁、0.35％锌、0.1％钛，不可避免的杂质元素(ni和cr)质量百分比总和0.14％，余量为铝。本实施例中高硅铝合金材料按照以下步骤进行：
一种超声辅助高硅铝合金铸造方法，步骤包括：
1)按照质量配比，熔炼铝合金：按照上述的质量百分比(wt％)配料称取纯铝锭、阴极铜、纯镁锭、纯硅颗粒，以及铝锰、铝铁、铝锌及铝钛中间合金。将炉气温度设定为900℃，将纯铝锭、纯硅颗粒、阴极铜，以及铝锰、铝铁、铝锌和铝钛中间合金装炉，待全部融化后，控制炉温在820℃。将超声波探头置于熔炼炉四周，超声波探头中轴线垂直于熔炼炉中轴线，对熔炼炉内的熔体进行超声辅助熔炼，超声波的频率为0.5mhz，功率密度为0.32w/cm2。同时进行搅拌，搅拌次数为3次，每次搅拌时间为15min，搅拌间隔30min，其中第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，进行其余两次搅拌过程，超声辅助直至搅拌过程结束。
2)精炼升温：将经步骤1)得到的熔体进行气体精炼，气体精炼剂为氩气，氩气流量控制为5l/min。精炼时间10min，精炼后温度提升至825℃。
3)超声辅助变质处理：步骤2)中得到的熔体保温3h，保温温度为825℃。保温过程结束后，加入铝磷变质剂对熔体进行变质处理：开启超声波探头，保证超声波探头的中轴线与静置炉的中轴线垂直，对静止炉内的熔体进行超声辅助变质，超声波的频率为2mhz，功率密度为0.35w/cm2；同时加入铝磷变质剂，加入量为熔炼炉中熔体质量的0.05％，并进行搅拌，搅拌时间为20min。
4)铸造：将经步骤3)得到的变质后的熔体静置，熔体温度稳定至770℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，冷却水流速控制为2800l/min；铸造速度为120mm/min；同时采用超声辅助铸造，超声波探头安装于铸造井距离地面400mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，超声波的频率为20khz，功率密度为0.32w/cm2。铸造过程结束后，即得到新型高硅铝合金铸棒。
实施例二
本实施例中高硅铝合金包含下列质量百分比的配料：25％硅、2.8％铜、0.36％镁、0.15％锰、0.1％铁、0.2％锌、0.15％钛，不可避免的杂质元素(cr和ni等)质量百分比总和0.13％，余量为铝。本实施例中高硅铝合金材料按照以下步骤进行：
一种超声辅助高硅铝合金铸造方法，步骤包括：
1)按照质量配比，熔炼铝合金：按照上述的质量百分比(wt％)配料称取纯铝锭、纯硅颗粒、阴极铜、纯镁锭，铝锰、铝铁、铝锌及铝钛中间合金。将炉气温度设定为950℃，将纯铝锭、纯硅颗粒、阴极铜，铝锰、铝铁、铝锌及铝钛中间合金装炉，待全部融化后，控制炉温在760℃。将超声波探头置于熔炼炉四周，超声波探头中轴线垂直于熔炼炉中轴线，对熔炼炉内的熔体进行超声辅助熔炼，超声波的频率为0.75mhz，功率密度为0.31w/cm2。同时进行搅拌，搅拌次数为3次，每次搅拌时间为15min，搅拌间隔30min，其中第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，进行其余两次搅拌过程，超声辅助直至搅拌过程结束。
2)精炼升温：将经步骤1)得到的熔体进行气体精炼，气体精炼剂为氩气，氩气流量控制为10l/min。精炼时间11min，精炼后温度提升至828℃。
3)超声辅助变质处理：步骤2)中得到的熔体保温2h，保温温度为828℃。保温过程结束后，加入铝磷变质剂对熔体进行变质处理：开启超声波探头，保证超声波探头的中轴线与静置炉的中轴线垂直，对静置炉内的熔体进行超声辅助变质，超声波的频率为3.5mhz，功率密度为0.33w/cm2；同时加入铝磷变质剂，加入量为熔炼炉中熔体质量的0.075％，并进行搅拌，搅拌时间为28min。
4)铸造：将经步骤3)得到的变质后的熔体静置，熔体温度稳定至780℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，冷却水流速控制为3200l/min；铸造速度为60mm/min；同时采用超声辅助铸造，超声波探头安装于铸造井距离地面400mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，超声波的频率为35khz，功率密度为0.31w/cm2。铸造过程结束后，即得到新型高硅铝合金铸棒。
实施例三
本实施例中高硅铝合金包含下列质量百分比的配料：33.6％硅、2.1％铜、0.45％镁、0.1％锰、0.12％铁、0.15％锌、0.2％钛，不可避免的杂质元素(cr和ni等)质量百分比总和0.12％，余量为铝。本实施例中高硅铝合金材料按照以下步骤进行：
一种超声辅助高硅铝合金铸造方法，所述方法步骤包括：
1)按照质量配比，熔炼铝合金：按照上述的质量百分比(wt％)配料称取纯铝锭、阴极铜、纯镁锭、纯硅颗粒，以及铝锰、铝锌、铝铁和铝钛中间合金。将炉气温度设定为1000℃，将纯铝锭、纯硅颗粒、阴极铜，铝锰、铝铁、铝锌及铝钛中间合金装炉，待全部融化后，控制炉温在700℃。将超声波探头置于熔炼炉四周，超声波探头中轴线垂直于熔炼炉中轴线，对熔炼炉内的熔体进行超声辅助熔炼，超声波的频率为1mhz，功率密度为0.3w/cm2。同时进行搅拌，搅拌次数为3次，每次搅拌时间为15min，搅拌间隔30min，其中第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，进行其余两次搅拌过程，超声辅助直至搅拌过程结束。
2)精炼升温：将经步骤1)得到的熔体进行气体精炼，气体精炼剂为氩气，氩气流量控制为7.5l/min。精炼时间15min，精炼后温度提升至835℃。
3)超声辅助变质处理：步骤2)中得到的熔体保温1h，保温温度为835℃。保温过程结束后，加入铝磷变质剂对熔体进行变质处理：开启超声波探头，保证超声波探头的中轴线与静置炉的中轴线垂直，对静置炉内的熔体进行超声辅助变质，超声波的频率为5mhz，功率密度为0.32w/cm2；同时加入铝磷变质剂，加入量为熔炼炉中熔体质量的0.1％，并进行搅拌，搅拌时间为35min。
4)铸造：将经步骤3)得到的变质后的熔体静置，熔体温度稳定至790℃时，将熔体加入至铸造盘中铸造，铸造过程中采用水进行冷却，冷却水流速控制为3000l/min；铸造速度为90mm/min；同时采用超声辅助铸造，超声波探头安装于铸造井距离地面400mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，超声波的频率为50khz，功率密度为0.30/cm2，铸造过程结束后，即得到新型高硅铝合金铸棒。
从图1中可以看出，利用超声辅助铸造的高硅铝合金组织照片中初晶硅的的平均尺寸低于40μm，而共晶硅的尺寸也低于12μm，这表明超声辅助可以实现高硅铝合金的高品质铸造。
对比例一：与实施例一不同的是，步骤1)中未采用超声辅助熔炼，其余与实施例一相同。
对比例二：与实施例一不同的是，步骤3)中未采用超声辅助变质，其余与实施例一相同。
对比例三：与实施例一不同的是，步骤4)中未采用超声辅助铸造，其余与实施例一相同。
下表所示分别为本发明实施例一～三，和对比例一～三中制备的铝合金材料的力学性能和初晶硅及共晶硅的平均尺寸进行了比较，结果如下：
实施例一—三中得到的高硅铝合金初晶硅的平均尺寸低于40μm，而共晶硅的平均尺寸低于12μm，力学性能均高于200mpa，甚至实施例一中，高硅铝合金的抗拉强度高达320mpa，可见本发明方法可以实现高品质高硅铝合金的产业化生产。与实施例一相比，对比例一中未采用超声辅助熔炼合金，制备结果表明：熔炼过程中硅熔点较高难以融化，若为采用超声辅助熔炼，则硅的熔化效果并不理想，造成后续铸造的合金中初晶硅的尺寸较大，力学性能显著降低。与实施例一相比，对比例二中在高硅铝合金变质过程中未采用超声辅助处理，试验的结果表明：高硅铝合金的初晶硅平均尺寸高达90μm，共晶硅平均尺寸高达20μm，这表明在变质过程中，由于未采用超声辅助手段，因此，初晶硅与共晶硅的形核数量急剧减少，造成合金组织并未达到理想的状态，且高硅铝合金的抗拉强度降低至160mpa。与实施例一相比，对比例三中铸造过程中为采用超声辅助手段，试验结果表明：铸造过程中的超声辅助手段同样非常重要，能够有效的抑制合金中初晶硅和共晶硅的长大速度，对比例三种未采用超声辅助，导致后续合金组织中的初晶硅尺寸大于75μm，而共晶硅尺寸大于35μm，材料的抗拉强度已经降低至120mpa。通过以上的对比结果可以看出，超声辅助对于高硅铝合金的铸造是非常有利的，能够有效的促进硅的熔化，增加共晶硅及初晶硅的形核数量，并降低初晶硅及共晶硅的长大速度，实现了高硅铝合金的高品质、低成本及产业化生产。
此外，以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。
1.一种高硅铝合金，其特征在于，所述高硅铝合金包括以下按质量百分比计的组分：17.2％～33.6％硅、2.1％～3.5％铜、0.3％～0.45％镁、0.1％～0.2％锰、0.08％～0.12％铁、0.15％～0.35％锌、0.1％～0.2％钛，余量为铝和不可避免的杂质元素；其中，不可避免的杂质元素合计小于0.15％。
2.一种如权利要求1所述的高硅铝合金的铸造方法，其特征在于，所述方法步骤包括：
1)按照质量配比，熔炼铝合金：按照上述的质量百分比(wt％)配料称取纯铝锭、阴极铜、纯镁锭、纯硅颗粒，以及铝锰、铝铁、铝锌和铝钛中间合金；将熔炼炉温度设定为900℃～1000℃，将纯铝锭、纯硅颗粒、阴极铜，以及铝锰、铝铁、铝锌和铝钛中间合金装炉，待全部融化后，控制炉温在700℃～820℃之间；对熔炼炉内的熔体进行超声辅助熔炼，同时进行搅拌，搅拌次数共为3次，其中第一次搅拌后扒渣，随后将纯镁锭加入，然后进行其余两次搅拌过程，超声辅助熔炼直至搅拌过程结束；
2)精炼升温：将经步骤1)得到的熔体导入静置炉中，通入氩气进行精炼，精炼时间不少于10min，精炼后温度提升至825℃～835℃；
3)超声辅助变质处理：将经步骤2)得到的熔体保温1h-3h，保温温度为825℃～835℃，保温结束后，对静置炉内的熔体进行超声辅助变质，同时加入铝磷变质剂，并进行搅拌，搅拌时间为20min-35min；
4)铸造：将经步骤3)得到的熔体静置，熔体温度稳定至770℃～790℃之间时，将熔体加入铸造盘中铸造同时采用超声辅助铸造，铸造过程结束即得到高硅铝合金铸棒。
3.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述步骤1)超声辅助熔炼是将超声波探头置于熔炼炉四周，超声波探头中轴线垂直于熔炼炉中轴线，超声波的频率为0.5mhz-1mhz，功率密度为0.3-0.32w/cm2。
4.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述步骤1)每次搅拌时间为15min，搅拌间隔为30min。
5.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述步骤2)氩气流量为5-10l/min。
6.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述步骤3)超声辅助变质是将超声波探头设置在静置炉四周，超声波探头的中轴线与静置炉的中轴线垂直，超声波的频率为2mhz-5mhz，功率密度为0.32-0.35w/cm2。
7.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述步骤3)铝磷变质剂的加入量为熔体质量的0.05％-0.1％。
8.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述步骤4)铸造过程：采用水进行冷却，冷却水流速控制为2800-3200l/min；铸造速度为60-120mm/min。
9.根据权利要求2所述的铸造方法，其特征在于，所述步骤4)超声辅助铸造是将超声波探头安装于铸造井距离地面400mm处，超声波探头轴线与铸棒的轴线垂直，超声波的频率为20khz-50khz，功率密度为0.30w/cm2-0.32w/cm2。
技术总结