CN111763861A - 一种高强耐热稀土铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强耐热稀土铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含稀土钐的高强耐热稀土铝合金及其制备方法，属于合金技术领域，该铝合金按质量百分比计，由如下组分组成：5～6％Zn，2～3％Mg，1～2％Cu，0.1～0.2％Sm，余量为Al和不可避免的杂质。在合金中均匀分布的多种第二相和均匀细小的显微组织、较弱的基面织构，使合金具有高强度和高塑性。本发明还公开一种高强耐热稀土铝合金材料的制备方法，使制备的铝合金组织中均匀分布有纳米、微米级第二相和相对较细的晶粒尺寸，显著改善了铝合金的力学性能。

Description

一种高强耐热稀土铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于合金技术领域，具体涉及一种含稀土钐的高温高强度铝合金及其制备方法。
背景技术
随着环境问题越来越明显，交通运输行业对控制二氧化碳排放和提高燃料利用率越来越重视。而铝合金密度小，比强度以及比刚度高，耐腐蚀性，加工性能好等特点特别符合关于汽车轻量化的要求，所以在将来铝合金势必替代钢材料成为第二大结构材料。
多年来国内外高强度铝合金的主要设计思路都是通过添加稀土等合金元素或者通过特殊的制备工艺获得高强度的铝合金材料，已发展出多种以稀土为主要合金元素或以稀土为微量元素添加的铝合金。少量稀土元素的添加可以使铝合金铸造组织晶粒得到明显细化，但是铝合金铸造组织中含有较多的组织缺陷如：缩松、缩孔和夹杂物，导致其力学性能较差。通过挤压、锻造、轧制后的变形铝合金与铸造铝合金相比组织更加致密均匀；而且少量稀土元素的添加可以促进热变形过程中的动态再结晶、激活非基面滑移，进而细化晶粒尺寸、弱化基面织构，使铝合金塑性得到提高。铝合金的耐热性能都较差，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。目前，高含量稀土铝合金虽然能够改善合金的力学性能，但能同时提高合金强度和塑性的技术工艺并不多见。
这些方法存在以下几个方面的不足：
1、合金化方法虽然通过沉淀强化可以进一步提高铝合金的强度，但是这种提高强度的方法是以牺牲铝合金塑性为代价的；
2、添加适量稀土元素的合金化方法虽然能够明显提高铝合金的强度，但是由于稀土是一种较昂贵的资源，导致用该种方法生产的铝合金成本极高且对稀土资源造成大量的消耗；
3、大塑性变形的方法虽然可以得到细化的晶粒组织，使铝合金的塑性和强度同时提高，但是生产设备复杂而昂贵，生产周期长。这样的加工方法不利于在实际工程中的运用。
所以如果想要铝合金能够成为钢材料的替代品，那么在强度和延展性上还需要进一步的改进。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种含稀土钐的高强耐热稀土铝合金；目的之二在于提供一种含稀土钐的高强耐热稀土铝合金的制备方法。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，0.1～0.2％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，0.2％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Al-10Sm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)按比例称取并将纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Al-10Sm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Al-10Sm，保温至合金全部熔化；然后升温至710～740℃进行精炼，去除表面浮渣后，降温至700～720℃静置保温，得合金液；
(3)将步骤(2)所得合金液进行半连续铸造后，得铸态合金；
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行均匀化热处理，并在热挤压后进行固溶、时效，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700～720℃保温20～30min。
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进行均匀化热处理。
上述耐热铝合金的制备方法，所述均匀化热处理的温度为460～480℃，处理时间为18～24h，然后水雾冷却至室温。
上述耐热铝合金的制备方法，所述热挤压温度为380～420℃，挤压速率为1.5～2.5m/min。
上述耐热铝合金的制备方法，所述固溶热处理温度为465～475℃，保温1～3h，并迅速水冷淬火至室温。
上述耐热铝合金的制备方法，所述时效处理的温度为处理温度为115～125℃，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＞490MPa，250℃的抗拉强度＞380MPa，300℃的抗拉强度＞350MPa。
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0.1％，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0.3％，因此合金中的添加量定为0.1～0.2％，最优重量百分比为0.2％。
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486MPa以上，屈服强度在421MPa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，0.15％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Al-10Sm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700℃时加入中间合金Al-10Sm，然后升温至730℃进行精炼，去除表面浮渣后，降温至710℃静置保温25min，得合金液；
(3)将步骤(2)所得合金液进行半连续铸造后，得铸态合金；
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行均匀化热处理，热处理的温度为460℃，处理时间为18h，然后水雾冷却至室温。
(5)对步骤(4)所得均匀化后的合金进行热挤压变形，挤压温度为380℃，挤压速率为2.5m/min，采用自然冷却。
(6)对步骤(5)所得挤压型材进行固溶热处理，温度为470℃，保温3h，并迅速水冷淬火至室温。
(7)对步骤(6)所得固溶制品进行时效热处理，温度为115℃，保温16h。
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，0.15％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Al-10Sm置于190℃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Al-10Sm，然后升温至740℃进行精炼，去除表面浮渣后，降温至720℃静置保温30min，得合金液；
(3)将步骤(2)所得合金液进行半连续铸造后，得铸态合金；
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行均匀化热处理，热处理的温度为475℃，处理时间为21h，然后水雾冷却至室温。
(5)对步骤(4)所得均匀化后的合金进行热挤压变形，挤压温度为410℃，挤压速率为2.0m/min，采用自然冷却。
(6)对步骤(5)所得挤压型材进行固溶热处理，温度为465℃，保温2h，并迅速水冷淬火至室温。
(7)对步骤(6)所得固溶制品进行时效热处理，温度为120℃，保温24h。
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，0.2％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Al-10Sm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720℃时加入中间合金Al-10Sm，然后升温至710℃进行精炼，去除表面浮渣后，降温至700℃静置保温20min，得合金液；
(3)将步骤(2)所得合金液进行半连续铸造后，得铸态合金；
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行均匀化热处理，热处理的温度为480℃，处理时间为24h，然后水雾冷却至室温。
(5)对步骤(4)所得均匀化后的合金进行热挤压变形，挤压温度为420℃，挤压速率为1.5m/min，采用自然冷却。
(6)对步骤(5)所得挤压型材进行固溶热处理，温度为475℃，保温1h，并迅速水冷淬火至室温。
(7)对步骤(6)所得固溶制品进行时效热处理，温度为125℃，保温16h。
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
Figure BDA0002572885560000051
从表1可以看出，实施例1-3所得耐铝铝合金的室温抗拉强度为610～638Mp，200℃时的抗拉强度为490～502MPa，250℃时的抗拉强度为381～399MPa，300℃时的抗拉强度为352～365MPa。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 (8)

1.一种高强耐热稀土铝合金材料，其特征在于，由以下质量百分含量的组分组成：5～6％Zn，2～3％Mg，1～2％Cu，0.1～0.2％Sm，余量为Al和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高强耐热稀土铝合金材料，其特征在于，所述稀土元素钐的质量分数为0.2～0.8％。
3.根据权利要求1所述高强耐热稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于，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-Al2 Sm)组成；合金的平均晶粒尺寸为50～70μm。
4.一种高强耐热稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：将预热的铝锭升温至720～750℃完全融化；并加入预热的纯铝、纯锌、纯镁和铝铜中间合金、铝钐中间合金得到铝合金熔融液；精炼温度控制在710～740℃，静置保温20～30min后浇铸，并冷却得到铝合金圆铸锭；
步骤(2)：将所述铝合金铸锭在460～480℃下进行均匀化热处理；
步骤(3)：将均匀化后的铝合金铸锭在380～430℃下预热1～3h，并在380～420℃下进行热挤压，挤压速率为1.5～2.5m/min，挤压后空冷或风冷至室温。
步骤(4)：将热挤压后的型材加热至465～475℃进行固溶热处理，保温1～3h，并迅速水冷淬火至室温。
步骤(5)：将淬火后的型材进行人工时效。
5.根据权利要求4所述的高强耐热稀土铝合金材料的制备方法，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。
6.根据权利要求4所述的高强耐热稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在690～710℃保温25～35min。
7.根据权利要求4所述的高强耐热稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述均匀化热处理的方法为：处理温度为460～480℃，处理时间为18～24h，然后水雾冷却至室温。
8.根据权利要求4所述高强耐热稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述时效处理的方法为：处理温度为115～125℃，处理时间为16～24h，然后空冷至室温。
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