CN116516223A - 一种含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种含铒高锌Al‑Zn‑Cu‑Si‑Er‑Zr合金及其制备方法，涉及有色金属技术领域，合金含量分别为：Zn 25～35％，Cu 2.5～3.5％，Si 2.0～3.0％，Er 0～0.1％，Zr 0～0.1％，余量为Al。熔炼方法方法为：将纯铝和中间合金放入熔炼坩埚中，加热720～780℃形成铝熔体；放入纯锌搅拌熔化，扒渣后倒入提前准备好的模具当中。将铝合金铸锭经440℃环境下保温12h，立即水淬，再经120℃环境下保温1h，其屈服强度为400～410MPa，抗拉强度为440～460MPa。本发明的高锌铝合金具有可时效；高力学性能；制备方法简单，操作方便；能耗小，成本低，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属技术领域，具体涉及一种含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金及其制备方法。
背景技术
近年来，针对Al-Zn合金的研究越来越受到重视，在Al-Zn体系合金中，普遍研究的是Zn含量在10％以下，然而Zn含量大于10％，即含锌量在20％～45％铝锌合金尚且未被深入研究。高锌的铝合金具有熔点低、制造成本低和原材料易获取等优点，也是近几十年来科学家们热点研究开发的金属材料之一。目前，科学家们对高锌铝合金的研究大多基于铝锌和铝锌铜系，锌大部分能够固溶在固溶体铝中。研究表明，铝和定量的锌能够形成层状结构以及改善合金的流动性。
Cu、Si、Er、Zr稀土元素作为高锌铝合金中的主要合金元素：Cu时高锌铝合金中主要的强化元素，起着固溶强化作用和异质形核的作用，Cu可以和Al形成Al2Cu相，提高合金的强度；Cu可以改变Al-Zn合金的力学性能，但是会增加合金的尺寸不稳定性，这些问题都可以通过添加Si元素来解决，硅的加入降低了合金的抗拉强度和延性，但提高了合金的硬度和耐磨性；稀土元素Er、Zr是铝合金中继Sc之后的又一种有效的微合金化元素，添加微量的Er可以细化合金铸态晶粒；可以在保持合金的伸长率基本不变的前提下，大幅度提高纯铝的室温强度。到目前为止，有关含铒高锌含量的Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金少见应用报道。
研究发现，高锌铝合金主要被广泛应用在轴承、结构件和减震等部件。其中，高锌铝合金应用最多的是作为耐磨材料，例如轴承。高锌铝合金不仅仅在流动性方面不差于传统的铝硅合金，而且在耐磨性方面要高于传统的耐磨材料，例如锡青铜合金和球墨铸铁等。与前两者相比，高锌铝合金不仅具有以上的优点，而且还具有硬度高、成本低和易成型等特点，可以替代锡青铜合金等传统的耐磨材料。
常规的铸造方法对于高锌铝合金的制备还存在一些不足之处，例如未加入微合金化元素的二元铝锌合金在力学性能、尺寸稳定性上还比较差，这使得该合金不能够完美的被应用到工程领域当中，非常大的程度上限制了高锌铝合金在工业工程领域方面的应用。
发明内容
本发明旨在提供一种含铒的高锌铝合金的制备方法，通过添加微合金化元素改变其合金的成分，利用Cu提高强度，Si改善尺寸不稳定性，Er、Zr细化晶粒，并通过热处理从整体上提升高锌铝合金的强度及组织和力学性能。
本发明高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金按照质量百分比含Zn 25～35％，Cu 2.5～3.5％，Si 2.0～3.0％，Er 0～0.2％，Zr 0～0.2％，余量为Al以及不可避免的杂质元素；杂质的质量分数≤0.5％，杂质中单个元素的质量分数≤0.1％。热处理后合金的屈服强度为＞400MPa，抗拉强度为＞440MPa。
上述的含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金中的杂质质量分数≤0.3％，杂质中单个元素的质量分数≤0.05％。
上述的铸态高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金的显微硬度为＞150HV。
本发明的含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金的制备方法包括以下步骤：
(1)、准备纯铝、纯锌和铝铜、铝硅、铝铒、铝锆中间合金作为原料；其中Zn占全部原料总质量的25～35％，Cu占全部原料总质量的2.5～3.5％，Si占全部原料总质量的2.0～3.0％，Er占全部原料总质量的0～0.2％，Zr占全部原料总质量的0～0.2％，其余为Al；
(2)、将纯铝和中间合金置于坩埚中加热到760～780℃，形成铝铜硅铒锆熔体；
(3)、将纯锌放入熔体中，搅拌至完全熔化后，形成铝锌铜硅铒锆熔体；
(4)、对铝锌铜硅铒锆熔体进行扒渣处理，搅拌均匀后倒入准备好的模具中；待其冷却，制成高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金铸锭。
对上述合金进行热处理，其特征在于，包括以下步骤：
(5)将步骤(4)制得的铝合金铸锭切成块如10mm×10mm×5mm的样品，随炉升温，置于440℃环境中，并保温12h，立即水淬，完成均匀化处理；
(6)将步骤(5)经均匀化处理后的铝合金样品置于120℃环境下，保温1h，即得时效后的含铒高锌铝合金。
上述的步骤(1)中，纯铝、纯锌的纯度均≥99.98％，铝铜合金的铜含量为60％，铝硅合金的硅含量为20％，铝铒合金的铒含量为6％，铝锆合金的锆含量为10％。
上述的步骤(4)中，扒渣是采用钛合金工具扒除铝锌铜银熔体表面的氧化浮渣。
上述的步骤(4)中，倒入模具时铝锌铜硅铒锆熔体的温度为720～730℃。
上述方法中，模具的材质为铸铁。
上述的步骤(4)中，含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金为块材，厚度为100～200mm，宽度为180mm。
和如今现有的技术相比较，本发明的得益于：
1、将Cu元素添加到高锌铝合金中可以增强合金的强度；将Er、Zr元素添加到高锌铝合金中可以有效地细化晶粒，以此获得比传统高锌铝合金更优异地组织和力学性能；将Si元素添加到高锌铝合金中可以改善尺寸不稳定性。
2、Al-Zn-Cu-Si高锌铝合金可以通过成分的调控及热处理工艺的调整，使合金具备更高的强度和硬度等力学性能，拓展铸造合金的应用前景。
3、高锌铝合金铸造方法简单，能耗小，成本低，有望通过挤压铸造技术实现铸锻一体成型，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1的含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金金相照片图；
图2为本发明实施例1的含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金时效后电镜扫描照片图；
图3为本发明实施例1-3合金产品工程应力-工程应变曲线图；图中，经热处理后且含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr为实施例1，铸态不含铒高锌Al-Zn-Cu-Si为实施例2，铸态且含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr为实施例3；
图4为本发明实施例1-2合金产品铸态和固溶后合金电导率变化曲线。
具体实施方式
本发明实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
本发明实施例中，进行铸造是将加热炉内的物料浇注到模具中，通过随着模具降温；铸造完成后脱模制成含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金。
本发明实施例中，模具的材质为铸铁。
本发明实施例中，扒渣是采用钛合金工具扒除铝锌铜银熔体表面的氧化浮渣。
本发明实施例中，含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金为块材，厚度为25～35mm，宽度为60～70mm。
实施例1
准备纯铝、纯锌和铝铜、铝硅、铝铒、铝锆中间合金作为原料；其中Zn占全部原料总质量的25～35％，Cu占全部原料总质量的2.5～3.5％，Si占全部原料总质量的2.0～3.0％，Er占全部原料总质量的0～0.2％，Zr占全部原料总质量的0～0.2％，其余为Al；
纯铝、纯锌的纯度均≥99.98％，铝铜合金的铜含量为60％，铝硅合金的硅含量为20％，铝铒合金的铒含量为6％，铝锆合金的锆含量为10％；
将纯铝和中间合金置于坩埚中加热到720℃，形成铝铜硅铒锆熔体；
将纯锌放入熔体中，搅拌至完全熔化后，并保温20min形成铝锌铜硅铒锆熔体；
对铝铜硅铒锆熔体进行扒渣处理，然后导入静置炉，导入静置炉时铝铜硅铒锆熔体的温度为720℃；然后在炉内静置15min，然后进行浇铸，制成高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金，将制得的铝合金铸锭切成10mm×10mm×5mm的样品，随炉升温，置于440℃环境中，并保温12h，立即水淬，完成均匀化处理。将步骤(4)均匀化处理后的铝合金样品置于120℃环境下，保温1h，即得时效后的含铒高锌铝合金其金相组织图如图1所示，其电镜扫描照片如图2所示，其应力-应变曲线如图3所示；含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金经时效后的屈服强度＞400MPa，抗拉强度＞440MPa；含铒高锌Al-Zn-Cu-Si合金中杂质的质量分数≤0.3％，杂质中单个元素的质量分数≤0.05％；含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金的显微硬度＞170HV；
采用未热处理合金进行对比试验，获得铸态Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金及铸态Al-Zn-Cu-Si合金，其应力-应变曲线如图3所示。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)铸态且原料中未加入Er、Zr元素；
(2)高锌Al-Zn-Cu-Si铸态合金的屈服强度＞300MPa，抗拉强度＞320MPa，显微硬度＞150HV。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)合金含铒锆元素，但未进行相同的热处理；
(2)含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr铸态合金的屈服强度＞310MPa，抗拉强度＞350MPa，显微硬度＞150HV。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)合金未加入铒锆元素，进行相同的热处理；
(2)高锌Al-Zn-Cu-Si合金经热处理后的屈服强度＞400MPa，抗拉强度＞430MPa，显微硬度＞170HV。
Claims (9)
1.一种含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金，其特征在于，合金按照质量百分比含Zn 25～35％，Cu 2.5～3.5％，Si 2.0～3.0％，Er 0～0.2％，Zr 0～0.2％，余量为Al以及不可避免的杂质元素。
2.按照权利要求1所述的一种含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金，其特征在于，杂质的质量分数≤0.5％，杂质中单个元素的质量分数≤0.1％。
3.按照权利要求1所述的一种含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金，其特征在于，铸态Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金的显微硬度为＞150HV，热处理后合金的屈服强度为＞400MPa，抗拉强度为＞440MPa。
4.制备权利要求1-3任一项所述含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、准备纯铝、纯锌和铝铜、铝硅、铝铒、铝锆中间合金作为原料；其中Zn占全部原料总质量的25～35％，Cu占全部原料总质量的2.5～3.5％，Si占全部原料总质量的2.0～3.0％，Er占全部原料总质量的0～0.2％，Zr占全部原料总质量的0～0.2％，其余为Al；
(2)、将纯铝和中间合金置于坩埚中加热到760～780℃，形成铝铜硅铒锆熔体；
(3)、将纯锌放入熔体中，搅拌至完全熔化后，形成铝锌铜硅铒锆熔体；
(4)、对铝锌铜硅铒锆熔体进行扒渣处理，搅拌均匀后倒入准备好的模具中；待其冷却，制成高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金铸锭。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，对上述合金进行热处理，包括以下步骤：
(5)将步骤(4)制得的铝合金铸锭切成块如10mm×10mm×5mm的样品，随炉升温，置于440℃环境中，并保温12h，立即水淬，完成均匀化处理；
(6)将步骤(5)经均匀化处理后的铝合金样品置于120℃环境下，保温1h，即得时效后的含铒高锌铝合金。
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，上述的步骤(1)中，纯铝、纯锌的纯度均≥99.98％，铝铜合金的铜含量为60％，铝硅合金的硅含量为20％，铝铒合金的铒含量为6％，铝锆合金的锆含量为10％。
7.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，上述的步骤(4)中，扒渣是采用钛合金工具扒除铝锌铜银熔体表面的氧化浮渣；模具的材质为铸铁。
8.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，倒入模具时铝锌铜硅铒锆熔体的温度为720～730℃。
9.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，含铒高锌Al-Zn-Cu-Si-Er-Zr合金为块材，厚度为100～200mm，宽度为180mm。
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