CN112899538B - 一种铝镁锌合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝镁锌合金及其制备方法，属于铝合金制备领域，包括以下重量百分含量的组分：83％的Al，11％的Zn，3％的Mg，0.2％的Si，0.5％的Fe，0.2％的Mn，1.4％的Cu，0.2％Ti，0.5％的镧系混合稀土，所述镧系混合稀土元素包括0.3％的La，0.1％的Nd以及0.1％的Ce，制备方法包括将熔化后的铝板预热处理、对熔化后的废阴极铝板进行电磁搅拌以及对铸锭进行热处理。实施例的数据表明，本发明提供的铝镁锌合金的硬度为130BHN，抗拉强度为400MPa，伸长率为0.85％，耐盐雾处理都在100小时以上,显示出耐蚀性和耐磨性。

Description

一种铝镁锌合金及其制备方法

本申请为2017年9月6日提交中国专利局、申请号为CN201710797518.6、发明名称为“一种铝镁锌合金以及制备方法”的中国专利申请的分案申请，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种铝镁锌合金及其制备方法。

背景技术

随着地球环境的日趋恶劣，为节约能源，延长材料的使用寿命，建筑、汽车、高铁、航空航天等行业用户对材料的耐蚀性及耐候性等提出了更高的要求。

铝镁锌合金由于具有优良的力学性能和铸造性能且价格便宜(仅为铜合金的1/2～1/3)，已经在很多领域逐渐取代青铜用于制造的涡轮、轴瓦、滑块、螺纹套等耐磨零件。但目前成熟的铝镁锌合金只能用于低速重载工作的零件，对于中高速运动、高温环境下工作的铝镁锌合金零件存在着尺寸稳定性差的问题，严重限制了铝镁锌合金的应用范围。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种镁铝锌合金，高温工作环境下具有较高的尺寸稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种铝镁锌合金，按照元素组成，包括以下重量百分含量的组分：83％的Al，11％的Zn，3％的Mg，0.2％的Si，0.5％的Fe，0.2％的Mn，1.4％的Cu，0.2％Ti，0.5％的镧系混合稀土，所述镧系混合稀土元素包括0.3％的La，0.1％的Nd以及0.1％的Ce；

所述铝镁锌合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铝板依次经预热、熔化和电磁搅拌，得到铝熔液；

(2)将所述步骤(1)得到的铝熔液与锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂混合进行熔炼，得到混合熔液；

(3)将所述步骤(2)得到的混合熔液依次进行调质和过滤，得到精炼熔液；

(4)将所述步骤(3)得到的精炼熔液铸造成型，得到铸锭；

(5)将所述步骤(4)得到的铸锭进行热处理，得到铝镁锌合金。

优选的，所述步骤(1)中铝板预热前还包括：对所述铝板依次进行除酸和阴干处理。

优选的，所述除酸所用试剂为质量分数为20％的碳酸钠溶液。

优选的，所述步骤(1)中预热的温度为660℃，时间为1h。

优选的，所述步骤(1)中熔化的温度为700℃，时间为0.5h；所述步骤(1)中电磁搅拌的转速为800rpm，时间为0.2～0.3h。

优选的，所述步骤(2)中熔炼的温度为620℃或630℃。

优选的，所述步骤(5)中热处理依次包括固溶处理和时效处理。

优选的，所述固溶处理的温度为360℃，所述固溶处理的时间为8h。

优选的，所述时效处理的温度为50℃，所述时效处理的时间为30min

本发明还提供了上述技术方案所述铝镁锌合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将废阴极铝板依次经预热、熔化和电磁搅拌，得到铝熔液；

(2)将所述步骤(1)得到的铝熔液与锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂混合进行熔炼，得到混合熔液；

(3)将所述步骤(2)得到的混合熔液依次进行调质和过滤，得到精炼熔液；

(4)将所述步骤(3)得到的精炼熔液铸造成型，得到铸锭；

(5)将所述步骤(4)得到的铸锭进行热处理，得到铝镁锌合金。

本发明提供了一种铝镁锌合金，按照元素组成，包括以下重量百分含量的组分：83％的Al，11％的Zn，3％的Mg，0.2％的Si，0.5％的Fe，0.2％的Mn，1.4％的Cu，0.2％Ti，0.5％的镧系混合稀土，所述镧系混合稀土元素包括0.3％的La，0.1％的Nd以及0.1％的Ce，制备方法包括以下步骤：将废阴极铝板依次经预热、熔化和电磁搅拌，得到铝熔液，将铝熔液与锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂混合进行熔炼，得到混合熔液，混合熔液依次进行调质和过滤，得到精炼熔液，精炼熔液铸造成型，得到铸锭，对铸锭进行热处理，得到铝镁锌合金。

在本发明中，提高铝元素的含量可以增加铝镁锌合金的尺寸稳定性；硅元素的加入可以改善铝镁锌合金的流动性能，硅相的解离开裂和割裂基体的作用也能够改善铝镁锌合金的耐磨性；铜、镁元素作为增强相可以提高铝镁锌合金的力学性能，如硬度、拉伸性能，也能够增加合金的耐磨性；锌元素能够起到补充强化作用，并可改善合金的塑性；镧系混合稀土的加入对铝镁锌合金有变质作用、微合金化作用、净化作用，可以细化铝镁锌合金晶粒，提高合金耐磨性，改善铝镁锌合金高温性能以及热裂性能；铁元素能够防止合金裂纹的产生；锰元素和钛元素能够提高合金的强度和塑性，同时铜元素和锰元素能够与铝元素形成细小质点，进一步提高合金的强度和塑性。本发明提供的铝镁锌合金的制备方法包括将熔化后的铝板预热处理，能够细化富铝枝状晶细、减小晶间的间隙；对熔化后的废阴极铝板进行电磁搅拌能够加速热量的释放，改变熔体的流动方式，可有效的抑制柱状晶生长，使晶粒等轴化，还可以加快扩散，溶解，脱氧等反应过程，缩短冶炼周期，在改变析出相形态的同时减少宏观偏析和显微偏析；对铸锭进行热处理可完全消除铝镁锌合金中铸锭中的(n+ε)网状组织，β相的枝晶偏析程度大大减轻，进一步避免铝镁锌合金尺寸不稳定的现象。实施例的数据表明，本发明提供的铝镁锌合金的硬度高达133BHN，抗拉强度为403MPa，伸长率为0.90％，耐盐雾处理都在100小时以上,显示出耐蚀性和耐磨性。

具体实施方式

本发明提供了一种铝镁锌合金，按照元素组成，包括以下重量百分含量的组分：

83％的Al，11％的Zn，3％的Mg，0.2％的Si，0.5％的Fe，0.2％的Mn，1.4％的Cu，0.2％Ti，0.5％的镧系混合稀土，所述镧系混合稀土元素包括0.3％的La，0.1％的Nd以及0.1％的Ce；

所述铝镁锌合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铝板依次经预热、熔化和电磁搅拌，得到铝熔液；

(2)将所述步骤(1)得到的铝熔液与锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂混合进行熔炼，得到混合熔液；

(3)将所述步骤(2)得到的混合熔液依次进行调质和过滤，得到精炼熔液；

(4)将所述步骤(3)得到的精炼熔液铸造成型，得到铸锭；

(5)将所述步骤(4)得到的铸锭进行热处理，得到铝镁锌合金。

本发明提供的铝镁锌合金，按照元素组成，优选包括83％重量百分含量的Al。在本发明中，提高铝元素的含量可以增加铝镁锌合金的尺寸稳定性，但铝元素含量提高会造成铝锌液固相线宽度增大、枝晶增多、偏析严重的问题，降低锌铝合金流动性和铸造性能。

本发明提供的铝镁锌合金，按照元素组成，优选包括11％重量百分含量的Zn。在本发明中，所述锌元素能够起到补充强化的作用，并可改善铝镁锌合金的塑性。

本发明提供的铝镁锌合金，按照元素组成，优选包括3％重量百分含量的Mg。在本发明中，所述镁元素作为增强相可以提高铝镁锌合金的力学性能，如硬度、拉伸性能，也能够增加合金的耐磨性，且本发明通过控制镁元素和锌元素的比例，提高了合金的热裂性能。

本发明提供的铝镁锌合金，按照元素组成，优选包括0.2％重量百分含量的Si。在本发明中，所述硅元素的加入可以改善铝镁锌合金的流动性能，硅相的解离开裂和割裂基体的作用也能够改善铝镁锌合金的耐磨性。

本发明提供的铝镁锌合金，按照元素组成，优选包括1.4％重量百分含量的Cu。在本发明中，所述铜元素作为增强相可以提高铝镁锌合金的力学性能，如硬度、拉伸性能，也能够增加合金的耐磨性。

本发明提供的铝镁锌合金，按照元素组成，优选包括0.5％重量百分含量的镧系混合稀土元素。本发明中，所述镧系混合稀土元素优选包括0.3％的La，0.1％的Nd以及0.1％的Ce。在本发明中，所述镧系混合稀土元素的加入对铝镁锌合金有变质作用、微合金化作用、净化作用，可以细化铝镁锌合金晶粒，提高合金耐磨性，改善铝镁锌合金高温性能。

本发明提供的铝镁锌合金，按照元素组成，优选包括0.5％重量百分含量的Fe。在本发明中，所述铁元素、锰元素与铝元素和硅元素能够形成螃蟹状的AlFeMnSi相，提高合金的耐腐蚀性能。

本发明还提供了上述技术方案所述铝镁锌合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铝板依次经预热、熔化和电磁搅拌，得到铝熔液；

(2)将所述步骤(1)得到的铝熔液与锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂混合进行熔炼，得到混合熔液；

(3)将所述步骤(2)得到的混合熔液依次进行调质和过滤，得到精炼熔液；

(4)将所述步骤(3)得到的精炼熔液铸造成型，得到铸锭；

(5)将所述步骤(4)得到的铸锭进行热处理，得到铝镁锌合金。

在本发明中，所述铝板预热前还优选依次包括除酸和阴干处理。在本发明中，所述铝板的铝含量优选为大于99.7％。

本发明优选将所述铝板预热前进行除酸。在本发明中，所述除酸能够除去表面的金属氧化物以及油脂。本发明对所述除酸的方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的除酸方式即可，具体的，如使用碱性溶液清洗废阴极铝板，在本发明实施例中，所述碱性溶液优选为质量分数为20％的碳酸钠溶液。

除酸完成后，本发明优选将除酸后的铝板进行阴干处理。本发明对所述阴干处理的温度、时间没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的、能够完全除去铝板中的水分即可。

在本发明中，所述铝板优选为废阴极铝板，本发明对所述废阴极铝板的来源没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可，具体的，如电解锌厂的废阴极铝板。

本发明将铝板依次经预热、熔化和电磁搅拌，得到铝熔液。在本发明中，所述预热的温度优选为620～650℃，更优选为625～640℃，最优选为630～635℃；所述预热的时间优选为1～1.5h，更优选为1.2h。本发明中所述预热能够细化富铝枝状晶细、减小晶间的间隙。

预热完成后，本发明将预热后的铝板进行熔化。在本发明中，所述熔化的温度优选为680～700℃，更优选为690～695℃，本发明对所述熔化的时间没有特殊的限定，能够使铝板完全熔化即可。

熔化完成后，本发明将熔化产物进行电磁搅拌，得到铝熔液。在本发明中，所述电磁搅拌的转速优选为100～800rpm，更优选为200～400rpm；所述电磁搅拌的时间优选为0.2～0.3h，更优选为0.2～0.24h。在本发明中，对熔化后的废阴极铝板进行电磁搅拌能够加速热量的释放，改变熔体的流动方式，可有效地抑制柱状晶生长，使晶粒等轴化，还可以加快扩散，溶解，脱氧等反应过程，缩短冶炼周期，在改变析出相形态的同时减少宏观偏析和显微偏析。

得到铝熔液后，本发明将所述铝熔液与锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂混合进行熔炼，得到混合熔液。在本发明中，所述熔炼的温度优选为660～700℃，更优选为670～680℃；本发明对所述熔炼的时间没有特殊的限定，能够保证原料完全熔炼即可。

本发明对所述除渣剂的用量没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的除渣剂的用量即可，具体的，除渣剂的用量优选为铝熔液质量的0.002～0.02％。

本发明对所述锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可，具体的，如锌铝合金、镁铝合金、硅铝合金、铜铝合金、铁铝合金、锰铝合金、钛铝合金以及氟硅酸钠除渣剂。

本发明对所述铝熔液、锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂的加料顺序没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加料顺序即可；在本发明实施例中，优选先将铝熔液、锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及除渣剂混合，再加入镧系混合稀土。在本发明中，所述镧系混合稀土在最后加入能够避免稀土元素被氧化。

得到混合熔液后，本发明优选对混合熔液中的合金元素组分进行测定，当合金元素组合不能达到所述铝镁锌合金的元素组成要求时，通过补加的方式对混合熔液中的元素组成进行调整，使混合熔液的元素组成符合最终产品铝镁锌合金的标准。

得到混合熔液后，本发明将所述混合熔液依次进行调质和过滤，得到精炼熔液。本发明对所述调质的具体方式没有特殊的方式，采用本领域技术人员熟知的调质方式即可，具体的，如将精炼气体通入到所述混合熔液中。在本发明中，所述精炼气体优选为氮气。本发明中，所述调质能够除去混合熔液中的氧化物杂质、碱金属、盐以及溶解的的氢气。

调质后，本发明将所述调质后的混合熔液进行过滤，得到精炼熔液。本发明对所述过滤的具体方式没有特殊的方式，采用本领域技术人员熟知的过滤方式即可，具体的，如采用多孔陶瓷过滤器进行过滤。本发明中，所述过滤能够进一步除去混合熔液中的氧化物杂质。

得到精炼熔液后，本发明将所述精炼熔液铸造成型，得到铸锭。本发明对所述铸造成型的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的铸造成型方式即可，具体的，如连铸连锻。

得到铸锭后，本发明将所述铸锭进行热处理，得到铝镁锌合金。在本发明中，所述热处理依次包括固溶处理和时效处理。本发明中，所述固溶处理的温度优选为250～360℃，更优选为280～320℃，最优选为300～310℃；所述固溶处理的时间优选为2～8h，更优选为5.5～6.5h。本发明对铸锭加热至固溶处理温度的速率没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加热速率即可，具体的，如10～20℃/min。在本发明中，所述铸锭加热至固溶温度达到所述固溶处理的时间后，本发明优选将固溶产物进行冷却。本发明对所述冷却的速率没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的冷却方式即可，具体的，如水冷。在本发明中，所述固溶处理能够消除铸锭显微组织中的枝晶，使白色点状强化相弥散分布，得到均匀的过饱和固溶体组织，同时能够提高铸锭的力学性能。

得到固溶产物后，本发明将所述固溶产物进行时效处理，得到铝镁锌合金。在本发明中，所述时效处理的温度优选为50～150℃，更优选为100～120℃；所述时效处理的时间优选为10～30min，更优选为18～22min。本发明中，所述时效处理能够提高铝镁锌合金的硬度。

时效处理完成后，本发明优选对时效处理产物进行后处理得到铝镁锌合金。在本发明中，所述后处理采用本领域熟知的方式，具体的，如去浇口飞边、整理、检验、打包成捆等。

下面结合实施例对本发明提供的铝镁锌合金及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种铝镁锌合金，按照元素组成，包括以下重量百分含量的组分：84％的Al，11％的Zn，2％的Mg，0.3％的Si，0.5％的Fe，1.3％的Cu，0.2％Ti，0.2％的Mn，0.5％的镧系混合稀土(包括0.3％的La，0.1％的Nd以及0.1的Ce)。

制备方法包括以下步骤：

(1)将电解锌厂的废阴极铝板(铝含量大于99.7％)用质量分数为20％的碳酸钠溶液进行除酸，再进行阴干处理，然后依次在620℃下预热1-2h、在680℃下熔化0.5h，再在100rpm下进行电磁搅拌0.5h，得到铝熔液；

(2)将铝熔液、锌源、镁源、硅源与铜源混合后在630℃下熔炼，再加入镧系混合稀土以及除渣剂混合于620℃下熔炼，得到混合熔液，除渣剂的用量为铝熔液质量的0.005％，对混合熔液中的合金元素组分进行测定，当合金元素组合不能达到所述铝镁锌合金的元素组成要求时，通过补加的方式对混合熔液中的元素组成进行调整，使混合熔液的元素组成符合最终产品铝镁锌合金的标准；

(3)将混合熔液中通入氮气进行调质，然后经过多孔陶瓷过滤器进行过滤，得到精炼熔液；

(4)将精炼熔液连铸连锻铸造成型，得到铸锭；

(5)将铸锭于250℃下进行固溶处理2h，然后进行水冷，水冷后的载再于150℃下进行时效处理10min，最后经过去浇口飞边、整理、检验、打包成捆得到铝镁锌合金。

对实施例1制得的铝镁锌合金进行性能测试，测试结果：硬度为133BHN，抗拉强度为403MPa，伸长率为0.90％，耐盐雾处理都在100小时以上。

实施例2

一种铝镁锌合金，按照元素组成，包括以下重量百分含量的组分：

83％的Al，11％的Zn，3％的Mg，0.2％的Si，0.5％的Fe，1.4％的Cu，0.2％Ti，0.2％的Mn，0.5％的镧系混合稀土(包括0.3％的La，0.1％的Nd以及0.1％的Ce)。

制备方法包括以下步骤：

(1)将电解锌厂的废阴极铝板(铝含量大于99.7％)用质量分数为20％的碳酸钠溶液进行除酸，再进行阴干处理，然后依次在660℃下预热1h、在700℃下熔化0.5h，再在800rpm下进行电磁搅拌0.2-0.3h，得到铝熔液；

(2)将铝熔液、锌源、镁源、硅源与铜源混合后在630℃下熔炼，再加入镧系混合稀土以及除渣剂混合于620℃下熔炼，得到混合熔液，除渣剂的用量为铝熔液质量的0.005％，对混合熔液中的合金元素组分进行测定，当合金元素组合不能达到所述铝镁锌合金的元素组成要求时，通过补加的方式对混合熔液中的元素组成进行调整，使混合熔液的元素组成符合最终产品铝镁锌合金的标准；

(3)将混合熔液中通入氮气进行调质，然后经过多孔陶瓷过滤器进行过滤，得到精炼熔液；

(4)将精炼熔液连铸连锻铸造成型，得到铸锭；

(5)将铸锭于360℃下进行固溶处理8h，然后进行水冷，水冷后的载再于50℃下进行时效处理30min，最后经过去浇口飞边、整理、检验、打包成捆得到铝镁锌合金。

对实施例2制得的铝镁锌合金进行性能测试，测试结果：硬度为130BHN，抗拉强度为400MPa，伸长率为0.85％，耐盐雾处理都在100小时以上。

对比例

采用与实施例1相同的制备方法制备铝镁锌合金，区别仅在于铝镁锌合金的成分中不含有镧系混合稀土元素，将实施例1中的镧系混合稀土元素替换为铝元素。

对对比例制得的铝镁锌合金进行性能测试，测试结果：硬度为120BHN，抗拉强度为394MPa，伸长率为0.66％，耐盐雾处理出现腐蚀现象。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种铝镁锌合金，按照元素组成，由以下重量百分含量的组分组成：83％的Al，11％的Zn，3％的Mg，0.2％的Si，0.5％的Fe，0.2％的Mn，1.4％的Cu，0.2％Ti，0.5％的镧系混合稀土，所述镧系混合稀土元素包括0.3％的La，0.1％的Nd以及0.1％的Ce；所述铁元素、锰元素与铝元素和硅元素形成螃蟹状的AlFeMnSi相；

所述铝镁锌合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铝板依次经预热、熔化和电磁搅拌，得到铝熔液；

(2)将所述步骤(1)得到的铝熔液与锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂混合进行熔炼，得到混合熔液；

(3)将所述步骤(2)得到的混合熔液依次进行调质和过滤，得到精炼熔液；

(4)将所述步骤(3)得到的精炼熔液铸造成型，得到铸锭；

(5)将所述步骤(4)得到的铸锭进行热处理，得到铝镁锌合金；

所述步骤(1)中预热的温度为660℃，时间为1h；

所述步骤(5)中热处理依次包括固溶处理和时效处理；

所述固溶处理的温度为360℃，所述固溶处理的时间为8h；

所述时效处理的温度为50℃，所述时效处理的时间为30min。

2.根据权利要求1所述的铝镁锌合金，其特征在于，所述步骤(1)中铝板预热前还包括：对所述铝板依次进行除酸和阴干处理。

3.根据权利要求2所述的铝镁锌合金，其特征在于，所述除酸所用试剂为质量分数为20％的碳酸钠溶液。

4.根据权利要求1所述的铝镁锌合金，其特征在于，所述步骤(1)中熔化的温度为700℃，时间为0.5h；所述步骤(1)中电磁搅拌的转速为800rpm，时间为0.2～0.3h。

5.权利要求1～4任意一项所述铝镁锌合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将废阴极铝板依次经预热、熔化和电磁搅拌，得到铝熔液；

(2)将所述步骤(1)得到的铝熔液与锌源、镁源、硅源、铜源、铁源、锰源、钛源以及镧系混合稀土以及除渣剂混合进行熔炼，得到混合熔液；

(3)将所述步骤(2)得到的混合熔液依次进行调质和过滤，得到精炼熔液；

(4)将所述步骤(3)得到的精炼熔液铸造成型，得到铸锭；

(5)将所述步骤(4)得到的铸锭进行热处理，得到铝镁锌合金。