CN107937773A - 一种耐热铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的之一在于解决现有技术中的铝合金耐热性能较差问题,提供一种耐热铝合金,本发明的目的之二是提供一种耐热铝合金的制备方法,属于铝合金材料技术领域。该耐热铝合金,由以下质量百分比的组分组成:5~6%Zn,2~3%Mg,1~2%Cu,0.3~0.5%Sm,余量为Al和不可避免的杂质。本发明的耐热铝合金的合金元素种类少,成本低,合金成分简单,熔炼混合过程易于控制,降低了制备的难度;所得铝合金显微组织均匀,析出相分布均匀弥散,具有较高的室温、高温抗拉强度和屈服强度,在200℃时抗拉强度在586MPa以上,屈服强度在521MPa以上,同时塑性也得到较大改善,具有较高的性价比。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域,具体涉及一种耐热铝合金及其制备方法。
背景技术
铝及铝合金作为工程应用中最轻的金属结构材料,具有低密度、高比强度和比刚度、优异阻尼减震性能以及良好散热性的优点,在许多领域应用都有十分显著的优势。目前商用铝合金基本上可分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。7系铝合金由于具有低廉的价格和良好的铸造工艺而应用广泛,主要有7005、7050、7075铝合金。其中7050-T6铝合金的极限抗拉强度为525~545MPa,7075-T6铝合金的极限抗拉强度535~550MPa,7005-T6铝合金的极限抗拉强度为525~545MPa。
上述铝合金的耐热性能都较差,当环境温度超过200℃后,铝合金的强度会陡然下降,限制了其在许多工业设备和产品上的应用。为了扩大铝合金的应用范围和领域,科研工作对现有的铝合金进行了大量探索研究,尽管许多科研工作对现有铝合金进行了许多改性,但是应用性并不理想。
发明内容
本发明的目的之一在于解决现有技术中的铝合金耐热性能较差问题,提供一种耐热铝合金,本发明的目的之二是提供一种耐热铝合金的制备方法。本发明的铝合金合金元素种类少,成本低,环境温度超过200℃后强度稳定。该制备方法简单易操作。
为了实现以上目的之一,本发明所采用的技术方案是:
一种耐热铝合金,由以下质量百分比的组分组成:5~6%Zn,2~3%Mg,1~2%Cu,0.3~0.5%Sm,余量为Al和不可避免的杂质。
优选的,所述的耐热铝合金由以下质量百分比的组分组成:6%Zn,3%Mg,2%Cu,0.5%Sm,余量为Al和不可避免的杂质。
上述耐热铝合金,所述杂质的质量含量低于0.1%。
上述耐热铝合金,以纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm为原料熔炼铸造并经热处理制备而成。
为了实现以上目的之二,本发明所采用的技术方案是:
一种上述的耐热铝合金的制备方法,包括下列步骤:
(1)按比例称取纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm,并将纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm预热;
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化,加热至700~720℃时加入中间合金Mg-25Sm,保温至合金全部熔化后去除表面浮渣;然后升温至730~740℃,搅拌均匀后,再降温至690~700℃并保温,得合金液;
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至模具中,得铸态合金;
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行热处理,即得所述耐热铝合金。
上述耐热铝合金的制备方法,步骤(1)中,所述预热的温度为180~200℃,预热时间为1~2h。
上述耐热铝合金的制备方法,步骤(2)中,在690~700℃保温5~10min。
上述耐热铝合金的制备方法,步骤(3)中,所述模具为金属模具;模具使用前经过预热,所述预热的温度为250~300℃。
上述耐热铝合金的制备方法,步骤(4)中,所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。
上述耐热铝合金的制备方法,所述固溶处理的温度为480~500℃,处理时间为8~18h,然后热水淬火至室温;所述热水的温度为80~100℃;并且所述固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行,防止氧化燃烧。
上述耐热铝合金的制备方法,所述时效处理的温度为150~200℃,处理时间为16~24h,然后空冷至室温。
经分析检测,本发明耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm,所述耐热稀土铝合金金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成;合金的平均晶粒尺寸为50~70μm。
本发明合金的拉伸强度较好并且极其稳定,室温抗拉强度>610MPa,200℃的抗拉强度>590MPa,250℃的抗拉强度>580MPa,300℃的抗拉强度>550MPa。
本发明的原理为:铝锌镁系合金是目前工业上应用广泛的铝合金,该系列合金具有较好的的室温力学性能、铸造性及机加工性能。本发明的耐热铝合金,Zn、Mg元素为该合金的重要组分,是铝合金重要的合金元素,在铝中有较大的固溶度,其强化作用表面在两方面,一是通过形成β-Al2Mg3Zn3金属间化合物的第二相强化,二是通过Zn、Mg原子在铝基体中形成固溶体的固溶强化。铝锌镁系合金中的β-Al2Mg3Zn3相热稳定性较差,高温下易于软化,使得该合金的高温性能较差。Cu作为铝合金重要的合金元素,在共晶温度550℃时的固溶度为13.21%,而在150℃时的固溶度仅仅为2.11%,因此在铝合金中具有较好的固溶强化和析出强化效果,且Cu在铝合金中能够形成高熔点的β-Al2Cu金属间化合物,具有弥散强化效果,因此合金中Cu的添加量定为1~2%,最优重量百分比为2%。本发明的耐热铝合金中,Sm作为重要的稀土添加元素,Sm在铝合金中的固溶度较大,具有较好的析出强化效果,同样在铝合金中能够形成高熔点的金属间化合物,为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果,加入量不低于0.3%,同时为了避免合金密度增加太多,以及合金过分脆化,Sm的加入量不高于0.5%,因此合金中的添加量定为0.3~0.5%,最优重量百分比为0.5%。
与现有技术相比,本发明的优势在于;
1、本发明的耐热铝合金的合金元素种类少,成本低,合金成分简单,熔炼混合过程易于控制,降低了制备的难度;所得铝合金显微组织均匀,析出相分布均匀弥散,具有较高的室温、高温抗拉强度和屈服强度,在200℃时抗拉强度在586MPa以上,屈服强度在521MPa以上,同时塑性也得到较大改善,具有较高的性价比。
2、本发明的耐热铝合金的制备方法,通过熔炼的方法在Al-Zn-Mg系合金中添加适量的Cu和Sm,对合金进行改性,并将得到的铸态合金进行热处理,所得铝合金显微组织均匀,析出相分布均匀弥散,具有较高的室温和高温抗拉强度,塑性也得到较大改善该制备方法工艺简单,操作方便,过程易于控制,适合大规模工业化生产。
附图说明
图1、本发明实施例1中耐热铝合金的时效试样图片。
图2、本发明实施例2中耐热铝合金的时效试样图片。
图3、本发明实施例3中耐热铝合金的时效试样图片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
耐热铝合金,由以下质量百分比的组分组成5%Zn,2%Mg,1%Cu,0.3%Sm,余量为Al和不可避免的杂质。
上述耐热铝合金的制备方法,包括下列步骤:
(1)按比例将纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm置于200℃的干燥箱中进行干燥预热,预热时间1h;
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化,加热至710℃时加入中间合金Mg-25Sm,保温10min,至合金全部熔化后去除表面浮渣;将温度升至730℃后停止升温,然后搅拌均匀,再降温至690℃并保温5min,得合金液;
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中,得铸态合金;所述金属型模具的预热温度为300℃;
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行热处理,所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理,所述固溶处理的温度为500℃,处理时间为16h,后用80℃的热水淬火至室温;所述时效处理的温度为200℃,处理时间为18h,后空冷至室温,即得所述耐热铝合金。
经分析检测,本发明耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm,所述耐热稀土铝合金金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成;合金的平均晶粒尺寸为60~70μm。
实施例2
耐热铝合金,由以下质量百分比的组分组成:5.5%Zn,3.5%Mg,1.5%Cu,0.4%Sm,余量为Al和不可避免的杂质。
上述耐热铝合金的制备方法,包括下列步骤:
(1)按比例将纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm置于190℃的干燥箱中进行干燥预热,预热时间1.5h;
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化,加热至720℃时,加入中间合金Mg-25Sm,保温10min,至合金全部熔化后去除表面浮渣;将温度升至740℃后停止升温,然后搅拌均匀,再降温至700℃并保温10min,得合金液;
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中,得铸态合金所述金属型模具的预热温度为250℃;
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行热处理,所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理,所述固溶处理的温度为490℃,处理时间为18h,后用100℃的热水淬火至室温;所述时效处理的温度为150℃,处理时间为24h,后空冷至室温,即得所述耐热铝合金。
图,经分析检测,本发明耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm,所述耐热稀土铝合金金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成;合金的平均晶粒尺寸为55~65μm。
实施例3
耐热铝合金,由以下质量百分比的组分组成:6%Zn,3%Mg,2%Cu,0.5%Sm,余量为Al和不可避免的杂质。
上述耐热铝合金的制备方法,包括下列步骤:
(1)按比例将纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm置于180℃的干燥箱中进行干燥预热,预热时间2h;
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化,加热至700℃时加入中间合金Mg-25Sm,保温10min,至合金全部熔化后去除表面浮渣;将温度升至735℃后停止升温,然后搅拌均匀,再降温至695℃并保温8min,得合金液。
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中,得铸态合金所述金属型模具的预热温度为275℃;
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行热处理,所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理,所述固溶处理的温度为480℃,处理时间8h,后用90℃的热水淬火至室温,所述时效处理的温度180℃,处理时间为16h,后空冷至室温,即得所述耐热铝合金。
图,经分析检测,本发明耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm,所述耐热稀土铝合金金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成;合金的平均晶粒尺寸为50~60μm。
对上述实施例1-3所得耐热铝合金和现有的7005、7050、7075铝合金性能进行检测,结果如表1所示。
表1实施例1-3所得耐热铝合金的性能检测结果
从表1可以看出,实施例1-3所得耐热铝合金的室温抗拉强度为610~638Mp,200℃时的抗拉强度为590~602MPa,250℃时的抗拉强度为581~599MPa,300℃时的抗拉强度为552~565MPa。实验结果表明,本发明所得耐热铝合金在20℃~300℃范围内具有高的抗拉强度,耐热性能及力学性能优异。
Claims (10)
1.一种耐热铝合金,其特征在于,由以下质量百分比的组分组成:5~6%Zn,2~3%Mg,1~2%Cu,0.3~0.5%Sm,余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐热铝合金,其特征在于,所述杂质的质量百分比含量低于0.1%。
3.根据权利要求1所述的耐热铝合金,其特征在于,所述耐热铝合金,以纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm为原料熔炼铸造并经热处理制备而成。
4.根据权利要求1所述的耐热铝合金,其特征在于,所述耐热稀土铝合金的组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm,金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成;合金的平均晶粒尺寸为50~70μm。
5.一种权利要求1至4任意一项所述的耐热铝合金的制备方法,其特征在于,包括下列步骤:
(1)按比例称取纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm,并预热;
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化后,加热至700~720℃,然后加入中间合金Mg-25Sm,保温至合金全部熔化后去除表面浮渣;然后升温至730~740℃,搅拌均匀后,再降温至690~700℃并保温,得合金液;
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至模具中,得铸态合金;
(4)对步骤(3)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理,即得所述耐热铝合金。
6.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述预热的温度为180~200℃,预热时间为1~2h。
7.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,在690~700℃保温5~10min。
8.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述模具为金属模具;模具使用前经过预热,所述预热的温度为250~300℃。
9.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法,其特征在于,所述固溶处理的方法为:处理温度为480~500℃,处理时间为8~18h,然后用温度为80~100℃的热水淬火至室温;并且所述固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行,防止氧化燃烧。
10.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法,其特征在于,所述时效处理的方法为:处理温度为150~200℃,处理时间为16~24h,然后空冷至室温。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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