CN102011072A - 一种Al-Mg-Si-Er新型铝合金板材的制备及时效处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al-Mg-Si-Er新型铝合金板材的制备及其时效处理工艺，属于金属合金技术领域。制备方法为：采用半连续铸造方式制备出金属铸锭，将金属铸锭进行均匀化处理，最后在310×480mm的轧机上分别进行热轧和冷轧，热轧加热温度为450℃，保温2小时，终轧厚度约为2mm。工艺条件为：一种固溶处理后在180℃进行1～50小时的时效热处理。另一种在180℃时效7小时基础上，再进行220℃回归1小时的回归热处理，合金经过回归处理后在150℃进行1～24小时再时效。经过本发明处理的合金强度都较高，都能够很好的达到该合金的使用性能要求230MPa，可以提高合金的耐蚀性和塑性。
Description
技术领域
本发明属于金属合金技术领域，具体涉及一种针对Al-Mg-Si-Er合金板材的制备及其时效处理工艺。
背景技术
文献表明，目前稀土微合金化是铝合金强化的一个重要手段，在铝中只要加入千分之几的钪，就会对铝合金起变质作用，使合金的结构和性能发生明显变化。加入0.2％～0.4％的Sc，可使合金的再结晶温度提高150～200℃，且高温强度、结构稳定性、焊接性能和抗腐蚀性能均明显提高，并可避免高温下长期工作时易产生的脆化现象。高强高韧铝合金、新型高强耐蚀可焊铝合金、新型高温铝合金、高强度抗中子辐照用铝合金等，在航天、航空、舰船、核反应堆以及轻型汽车和高速列车等方面具有非常诱人的开发前景。关于Sc在Al-Mg-Si系铝合金中的作用，有研究表明Sc能够细化Al-Mg-Si系合金晶粒、提高晶粒的稳定性、加速塑性变形过程中晶粒细化过程、降低时效过程中析出相的析出温度和提高再结晶温度等作用，但是Sc昂贵的价格大大限制了其应用范围，但是稀土在铝镁硅系合金中的应用，除了Sc之外大部分均是混合稀土，而价格只有Sc的几十分之一的Er在高纯铝、铝镁等合金中具有许多积极的作用，可以作为Sc元素的替代元素，前期的实验结果也表明Er在铝镁硅系合金中具有一定的积极作用：如细化晶粒，降低时效激活能，减少时效析出相析出时间。美国在研究7075合金时，通过一种回归再时效工艺很好的解决了应力腐蚀的问题，但这一工艺在技术上一直封锁。另外由于铝镁硅系合金是一种热处理可强化的合金，关于该系合金的热处理制度的报道很多，但关于含Er的铝镁硅系合金在时效过程中力学性能和显微硬度的变化研究很少报道。
发明内容
本发明所要解决的问题是Al-Mg-Si-Er合金板材的制备以及添加稀土Er的铝镁硅合金固溶处理后的时效热处理工艺，寻找在时效过程中材料获得优良的综合性能的最佳温度和时间。
本发明所提供的两种时效工艺制度，一种固溶处理后在180℃进行1～50小时的时效热处理。另一种在180℃时效7小时基础上，再进行220℃回归1小时的回归热处理，合金经过回归处理后在150℃进行1～24小时再时效。
本发明优选的合金分别在180℃时效7h和在180℃时效7小时后，再在220℃进行1小时回归处理，最后在150℃再时效8小时，合金的显微硬度相应的出现了峰值，强度也达到最高。
本发明所述铝合金材料由Al，Mg，Si，Er组成，其各组分质量百分含量为Mg：0.45～0.9％；Si：0.2～0.6％；Er：0.08～0.25％，余量为铝。采用半连续铸造方式制备出金属铸锭，将金属铸锭在560℃保温6小时均匀化处理，最后在轧机上分别进行热轧和冷轧，热轧加热温度为450℃，保温2小时，终轧厚度为1-5mm，将所述合金在520℃时在空气循环炉中保温40分钟后放入温度为-30℃的冰水中进行淬火即固溶处理，然后进行时效热处理。
本发明的优点是：
1，各种元素在合金中都起到各自积极的作用。
Er在合金中的添加可以细化该合金铸态晶粒和枝晶，通过在凝固过程中生成的初生的Al3Er相，作为非均质形核的核心，提高形核率，细化铸态晶粒。而在随后的时效过程中可以析出弥散分布的次生的纳米尺度的Al3Er相，对合金起到增强的作用，同时Er的添加可以使合金中的主要强化相Mg2Si相的析出更为容易，与传统的Al-Mg-Si系合金相比较，析出的主强化相Mg2Si的体积分数很大程度提高，使合金可以提前达到时效的最大强度并且峰值时效强度也有很大程度提高。
Mg与Si主要生成针状的Mg2Si相，这种相硬度高、强度高、弥散分布，对合金强度贡献最大。另外，过量的单质硅也均匀地分布在合金中，很好地对合金起到增强效果。
2，提供了两种时效工艺，两种工艺得到的合金强度都较高，都能够很好的达到该合金的使用性能要求230Mpa，参照表1。回归再时效工艺虽然略微地牺牲了合金的强度，但从组织的角度看，对合金的综合性能较为有利，生成了颗粒状的第二相，增大了比表面，可以提高合金的耐蚀性和塑性。
附图说明
图1：Al-Mg-Si-Er合金在180℃时效不同时间的时效硬化曲线；
图2：Al-Mg-Si-Er合金在180℃×7h+220℃×1h+150℃在时效不同时间的时效硬化曲线。
图3：Al-Mg-Si-Er合金在180℃×7h后TEM微观组织
图4：Al-Mg-Si-Er合金在180℃×7h+220℃×1h+150℃×8h后微观组织
具体实施方式
采用半连续模铸造法制备Al-Mg-Si-Er合金铸锭，所用原料为99.9％的工业纯Al、99.999％的工业纯Mg、Al-20Si、Al-6％Er的中间合金。熔炼在SG2-7.5-12型坩埚电阻炉中进行，坩埚采用石墨粘土坩埚，熔化温度为760℃左右。熔炼时先将高纯Al放入坩埚中，然后根据合金的成分设计依次加入其他中间合金，待Al和中间合金全部熔化后再加入Mg；待所有原料完全熔化后再加入适量的(10g左右)六氯乙烷进行除气，然后搅拌均匀、静置、扒渣。浇注前在模具内壁涂一层氧化锌与水玻璃的混合溶液，200℃烘干。浇注大约温度为720℃，模具为铁模，铸锭为扁锭。为了消除铸锭中的成分偏析，需对铸锭进行均匀化处理。铸锭先后经历560℃均匀化退火6小时和铣去铸锭表面的缺陷和氧化皮后，最后在310×480mm双辊轧机上进行热轧及冷轧，热轧加热温度为450℃，热轧后再冷轧，最终制成大约2mm厚的板材，将所述合金在520℃时在空气循环炉中保温40分钟后放入温度为-30℃的冰水中进行淬火即固溶处理。
实施例1
将事先准备好的高纯铝锭放入石墨坩埚中，待铝锭熔化完全后，依次加入铝硅和铝铒合金，最后加入高纯镁锭，同时将镁锭用铝箔包住，所有金属熔化完成后加入六氯乙烷(含量为金属原料质量的2％)搅拌均匀后，静置，扒渣，最后将金属液浇入内壁涂一层氧化锌与水玻璃的混合溶液的铁模中。将铸锭在560℃的空气循环炉中均匀化处理6小时后，在机床上铣去表面氧化皮和缺陷准备轧制。轧制前，将金属锭加热到450℃保温2小时，在310×480mm双辊轧机上进行热轧及冷轧，中间经历大约13道次，最终厚度大约为2mm左右，将所述合金在520℃时在空气循环炉中保温40分钟后放入温度为-30℃的冰水中进行淬火即固溶处理，得到Al-Mg-Si-Er合金板材。
实施例2
将Al-Mg-Si-Er合金板材在180℃时效不同时间，图1为Al-Mg-Si-Er合金180℃时效硬化曲线。通过180℃时效不同的时间，可以看出，随着时效时间的延长，合金的显微硬度先增加后降低，当时效时间为7h时，合金的显微硬度最高，这说明时效7小时可达到完全时效的状态。
实施例3
将Al-Mg-Si-Er合金板材在180℃时效7小时，然后在220℃进行1小时回归处理最后在较低温度150℃再时效不同时间，其时效硬化曲线见图2。
从图2可以看出：合金在180℃时效7小时达到峰时效状态，然后在220℃进行1小时回归处理使得先析出的第二相粒子回溶到集体中，最后在较低温度150℃再时效过程中显微硬度变化曲线，在8小时合金的硬度值最高。
表1列出了Al-Mg-Si-Er合金经不同热处理工艺后峰值时效的拉伸力学性能。
图3的微观组织反映了峰值时效状态下合金中主要出现了针状的第二相颗粒β″，另外还出现了少量的球形颗粒，这种颗粒可能是未分解的GP区。从图4可以看出合金在回归再时效后再次峰时效后，合金中出现较少的针状β″，这些针状的第二相长度比图3中的长，同时出现了很多尺寸较大的球形粒子，回归再时效工艺使得粒子尺寸增大，粒子与基体的比表面降低，体积百分数升高，这些是回归再时效工艺既能保持高强度，又能提高抗应力腐蚀的性能。
Claims (4)
1.一种Al-Mg-Si-Er新型铝合金板材的时效处理工艺，采用半连续铸造方式制备出金属铸锭，将金属铸锭在560℃保温6小时均匀化处理，最后在轧机上分别进行热轧和冷轧，热轧加热温度为450℃，保温2小时，终轧厚度为1-5mm，将所述合金在520℃时在空气循环炉中保温40分钟后放入温度为-30℃的冰水中进行淬火即固溶处理，然后进行时效热处理，其特征在于，具体工艺为：固溶处理后在180℃进行1～50小时的时效热处理。
2.权利要求1所述的时效处理工艺，其特征在于，固溶处理后在180℃进行7小时的时效热处理。
3.权利要求1的一种Al-Mg-Si-Er新型铝合金板材的时效处理工艺，其特征在于，具体工艺为：在180℃时效7小时基础上，再进行220℃回归1小时的回归热处理，合金经过回归处理后在150℃进行1～24小时再时效。
4.权利要求3所述的时效处理工艺，其特征在于，在150℃进行8小时再时效。
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