CN112760509A - 一种利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，属于ZL201铝合金强化技术领域。本发明将纯铝锭、Cu、Mn和Ti加入到熔炼炉内进行升温熔炼，待铝锭开始融化时，加入覆盖剂，继续升温熔炼至熔体温度为740～750℃进行扒渣得到ZL201铝合金熔体；将Al‑10Er中间合金加入到ZL201铝合金熔体中，加入覆盖剂并进行恒温熔炼30～35min，加入精炼剂，恒温熔炼5～8min，进行扒渣，浇注即得强化ZL201铝合金。本发明通过向ZL201铝合金中添加稀土元素Er，可以有效的细化铸态组织晶粒，提高ZL201铝合金的抗拉强度，且操作方便工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，属于ZL201铝合金强化技术领域。
背景技术
铝合金是有色金属中使用量最大的材料，广泛应用于航空航天、国防、建筑、汽车制造、电子信息和石油化工等领域。但随着铝合金应用领域的不断扩大，对其性能的要求也越来越高。提高铝合金性能的关键是改善合金组织，而晶粒细化是改善铝合金组织的重要途径。ZL201是铝铜系铸造铝合金，具有高的热处理效果和热稳定性。
在微合金化元素中，Sc具备最佳的微合金化效果。在铝合金中添加Sc后，在热处理过程中析出与基体共格的弥散分布的Al3Sc相，Al3Sc是LI2结构的金属间化合物，塑性较好，熔点极高，与Al基体的晶格错配度很小，它的析出增大了二元合金的强度。此外，Sc对铝合金的晶粒细化效果明显，提高合金的再结晶温度，抑制晶粒长大，大幅度提高了合金的强度及塑性。然而，Sc作为战略性元素，价格昂贵，难以在工业大批量生产中得到实际应用，限制了它的应用。
目前国内外尚没有在ZL201合金中添加廉价稀土元素以制备出耐蚀中强变形铝铜合金的研究。
发明内容
本发明针对现有技术中ZL201合金强化的问题，提供一种利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，本发明将稀土元素Er添加到ZL201铝合金中，强化ZL201铝合金微观组织和力学性能。
一种利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，具体步骤如下：
(1)将纯铝锭、Cu、Mn和Ti加入到熔炼炉内进行升温熔炼，待铝锭开始融化时，加入覆盖剂，继续升温熔炼至熔体温度为740～750℃进行扒渣得到ZL201铝合金熔体；
(2)将Al-10Er中间合金加入到步骤(1)ZL201铝合金熔体中，加入覆盖剂并进行恒温熔炼30～35min，加入精炼剂，恒温熔炼5～8min，进行扒渣，浇注至预热模具中即得强化ZL201铝合金；
以质量百分数计，所述步骤(1)ZL201铝合金熔体中Cu的含量为4.5～5.3％，Mn的含量为0.6～1.0％，Ti的含量为0.15～0.35％；
所述步骤(1)覆盖剂为NaCl和KCl，NaCl和KCl的质量比为1:1；覆盖剂的加入量为为纯铝锭、Cu、Mn、Ti和Al-10Er中间合金的总质量的1.0‰～1.5‰；
所述步骤(2)强化ZL201铝合金中稀土元素Er的含量为0.1％～0.3％；
所述步骤(2)覆盖剂为NaCl和KCl，NaCl和KCl的质量比为1:1，覆盖剂的加入量为为纯铝锭、Cu、Mn、Ti和Al-10Er中间合金的总质量的1.0‰～1.5‰；
所述步骤(2)精炼剂为C2Cl6，C2Cl6的添加量为纯铝锭、Cu、Mn、Ti和Al-10Er中间合金的总质量的1.0‰～1.5‰；
所述步骤(2)模具预热温度为250～300℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明Er基本不溶于Al，稀土元素Er在合金凝固过程中，大部分富集在固液界面的前沿，增大了成分过冷，使得枝晶间距缩小，同时，Er和Al在相界之间形成稀土活化膜，并与Cu、Mn、Ti合金元素或杂质元素形成可以作为结晶形核质点的化合物，从而提高合金凝固时的形核率，使晶粒细化；
(2)本发明ZL201铝合金的抗拉强度随着Er掺杂含量(0.1％～0.3％)的升高呈现先升高后降低的趋势，稀土元素Er有利于ZL201晶粒组织变细。
附图说明
图1为对比例ZL201合金的金相图；
图2为实施例1添加0.1％Er的ZL201合金的金相图；
图3为实施例2添加0.2％Er的ZL201合金的金相图；
图4为实施例3添加0.3％Er的ZL201合金的金相图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
对比例：ZL201铝合金的制备方法，具体步骤如下：
(1)将95g铝锭、5g的Cu、0.8g的Mn和0.3g的Ti放入经预热干燥过的氧化铝坩埚中在井式电阻炉中加热升温熔炼，待铝锭软化时加入覆盖剂(NaCl和KCl)继续升温至温度为750℃并恒温熔炼30min得到ZL201铝合金熔体；其中NaCl和KCl的质量比为1:1，覆盖剂的加入量为纯铝锭、Cu、Mn、Ti和Al-10Er中间合金的总质量的1.0‰；覆盖剂可防止合金熔体氧化和吸氢；
(2)将精炼剂(C2Cl6)加入到ZL201铝合金熔体内恒温熔炼5min，进行扒渣，浇注至温度为250℃的预热模具中即得ZL201铝合金；其中精炼剂(C2Cl6)的加入量为纯铝锭、Cu、Mn、Ti和Al-10Er中间合金的总质量的1.0‰；
本对比例ZL201铝合金的金相图见图1，从图1可知，铸态组织晶粒粗大，晶界相连过长，铸件的力学性能差；
本对比例ZL201铝合金的拉伸强度为154Mpa。
实施例1：一种利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，具体步骤如下：
(1)将95g铝锭、5g的Cu、0.8g的Mn和0.3g的Ti加入到熔炼炉内进行升温熔炼，待铝锭开始融化时，加入覆盖剂(NaCl和KCl)，继续升温熔炼至熔体温度为750℃进行扒渣得到ZL201铝合金熔体；其中NaCl和KCl的质量比为1:1，覆盖剂的加入量为0.1g；覆盖剂可防止合金熔体氧化和吸氢；
(2)将12g的Al-10Er中间合金加入到步骤(1)ZL201铝合金熔体中，加入0.1g覆盖剂(NaCl和KCl)并进行恒温熔炼30min，加入精炼剂(C2Cl6)，恒温熔炼5min，进行扒渣，浇注至温度为250℃的预热模具中即得强化ZL201铝合金；其中精炼剂(C2Cl6)的加入量为0.1g；
本实施例强化ZL201铝合金经过EDS测试和拉伸测试以及扫描测试可知：Er的含量为0.1％，拉伸强度173Mpa，比对比例ZL201铝合金强度提高了9.4％；
本实施例强化ZL201铝合金的金相图见图2，从图1和图2可知，本实施例强化ZL201铝合金的晶粒明显变小。
实施例2：一种利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，具体步骤如下：
(1)将95g铝锭、5g的Cu、0.8g的Mn和0.3g的Ti加入到熔炼炉内进行升温熔炼，待铝锭开始融化时，加入覆盖剂(NaCl和KCl)，继续升温熔炼至熔体温度为750℃进行扒渣得到ZL201铝合金熔体；其中NaCl和KCl的质量比为1:1，覆盖剂的加入量为0.1g；覆盖剂可防止合金熔体氧化和吸氢；
(2)将28g的Al-10Er中间合金加入到步骤(1)ZL201铝合金熔体中，加入0.1g覆盖剂(NaCl和KCl)并进行恒温熔炼30min，加入精炼剂(C2Cl6)，恒温熔炼5min，进行扒渣，浇注至温度为250℃的预热模具中即得强化ZL201铝合金；其中精炼剂(C2Cl6)的加入量为0.1g；
本实施例强化ZL201铝合金经过EDS测试和拉伸测试以及扫描测试可知：Er的含量为0.2％，拉伸强度193Mpa，比对比例ZL201铝合金强度提高了25.6％；
本实施例强化ZL201铝合金的金相图见图3，从图1和图3可知，本实施例强化ZL201铝合金的晶粒明显变小。
实施例3：一种利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，具体步骤如下：
(1)将95g铝锭、5g的Cu、0.8g的Mn和0.3g的Ti加入到熔炼炉内进行升温熔炼，待铝锭开始融化时，加入覆盖剂(NaCl和KCl)，继续升温熔炼至熔体温度为750℃进行扒渣得到ZL201铝合金熔体；其中NaCl和KCl的质量比为1:1，覆盖剂的加入量为0.1g；覆盖剂可防止合金熔体氧化和吸氢；
(2)将45g的Al-10Er中间合金加入到步骤(1)ZL201铝合金熔体中，加入0.1g覆盖剂(NaCl和KCl)并进行恒温熔炼30min，加入精炼剂(C2Cl6)，恒温熔炼5min，进行扒渣，浇注至温度为250℃的预热模具中即得强化ZL201铝合金；其中精炼剂(C2Cl6)的加入量为0.1g；
本实施例强化ZL201铝合金经过EDS测试和拉伸测试以及扫描测试可知：Er的含量为0.3％，拉伸强度181Mpa，比对比例ZL201铝合金强度提高了17.5％；
本实施例强化ZL201铝合金的金相图见图4，从图1和图4可知，本实施例强化ZL201铝合金的晶粒明显变小。
上面对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将纯铝锭、Cu、Mn和Ti加入到熔炼炉内进行升温熔炼，待铝锭开始融化时，加入覆盖剂，继续升温熔炼至熔体温度为740～750℃进行扒渣得到ZL201铝合金熔体；
(2)将Al-10Er中间合金加入到步骤(1)ZL201铝合金熔体中，加入覆盖剂并进行恒温熔炼30～35min，加入精炼剂，恒温熔炼5～8min，进行扒渣，浇注即得强化ZL201铝合金。
2.根据权利要求1所述利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，其特征在于：以质量百分数计，步骤(1)ZL201铝合金熔体中Cu的含量为4.5～5.3％，Mn的含量为0.6～1.0％，Ti的含量为0.15～0.35％。
3.根据权利要求1所述利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，其特征在于：步骤(1)覆盖剂为NaCl和KCl，NaCl和KCl的质量比为1:1。
4.根据权利要求1所述利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，其特征在于：步骤(2)强化ZL201铝合金中稀土元素Er的含量为0.1％～0.3％。
5.根据权利要求1所述利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，其特征在于：步骤(2)覆盖剂为NaCl和KCl，NaCl和KCl的质量比为1:1。
6.根据权利要求1所述利用稀土元素Er强化ZL201铝合金的方法，其特征在于：步骤(2)精炼剂为C2Cl6，C2Cl6的添加量为纯铝锭、Cu、Mn、Ti和Al-10Er中间合金的总质量的1.0‰～1.5‰。
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