CN102021443A - Al-Er-Zr合金及其时效强化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了Al-Er-Zr合金及其时效强化工艺，属于合金技术领域。所述合金为在铝基体中加入了0.09～0.3％(重量百分比)的Er，0.08～0.3％(重量百分比)的Zr。该合金的固溶时效热处理工艺包括以下步骤，首先在640±10℃固溶20～30小时，随后水淬到室温，然后在200～575℃之间每隔25℃等时时效3小时，或者在300～450℃之间等温时效，最佳的等温时效温度在350～400℃之间。本发明由于采用了Er和Zr复合微合金化，具有非常显著的时效强化效果，相对Al-Er合金提高了时效强化效果和热稳定性，相对Al-Zr合金则使得时效析出的过程明显加速。

Description

Al-Er-Zr合金及其时效强化工艺
技术领域
本发明涉及一种经过微合金化的铝合金材料及其热处理工艺，属于金属合金技术领域。
技术背景
近年来，国内外大量学者对稀土元素在铝合金中的作用做了大量的研究。这些研究主要集中在La、Ce、Y、Sc、Zr和混合稀土对铝合金的的影响，其中对稀土元素Sc研究最为深入，在Al-Si系、Al-Zn-Mg系及Al-Mg系等铝合金中添加Sc均取得了令人满意的研究结果。然而，添加Sc大大增加了铝合金的生产成本，使含Sc铝合金在工业中的应用受到了限制。将Er加入到铝合金中，能生成与Al3Sc作用相同的Ll2结构的Al3Er相，可以提高铝合金的再结晶温度，更能有效的起到细晶强化和弥散强化等积极作用，提高铝合金的综合使用性能。而且Er的价格比较便宜，在铝合金中添加少量的Er元素不会大幅度提高生产成本，能够广泛应用于工业生产中。然而，在常规铸锭冶金的凝固过程中Er在铝合金中的固溶度有限，限制了其作用的进一步提高。通过复合添加其它能够生成Ll2结构析出相的合金元素有可能提高析出密度，从而进一步发挥合金化的作用。除了Sc以外，Zr是一种能够生成亚稳L12结构析出相的合金元素，但是Zr本身的析出过程非常缓慢，尤其是成份较低的情况下需要几千个小时才能充分析出。和Er复合微合金化后，在Al3Er相的诱导下有可能使得其析出过程提前。因此Er，Zr复合有可能充分发挥各自的作用，起到良好的合金化效果。本发明正是在基于以上考虑的情况下，设计了Al-Er-Zr合金，寻找其合适的成份范围和相应的热处理工艺。
发明内容
本发明的目的在于通过复合微合金化的方法，寻找一种和Er协同发挥强化作用的微合金化元素，对铝或者铝合金基体起到强化作用，从而提高铝合金的性能。
本发明所提供的Al-Er-Zr合金，其特征在于铝基体中加入了0.09～0.3％(重量百分比)的Er，0.08～0.3％(重量百分比)的Zr，其最大成份均为该元素的最大固溶度，这样才能通过铸锭冶金的方法和常规的固溶时效工艺来获得合金并改善其性能。
以上所述的合金元素的最佳成份范围为：0.2～0.3％(重量百分比)的Er，0.25～0.3％(重量百分比)的Zr。
该合金的制备方法是在熔炼铝的过程中加入AlEr和AlZr中间合金实现的，熔炼温度为780±10℃。到达熔炼温度后保温30分钟，然后用铁模浇铸。铸锭随后进行固溶时效热处理，其工艺包括以下步骤：首先在640±10℃固溶20～30小时，随后水淬到室温，然后在200～575℃之间进行等时时效(具体过程为每隔25℃保温3h后取样，例如200℃/3h取第一个样，200℃/3h+225℃/3h取第二个样，200℃/3h+225℃/3h+250/3h取第三个样，依次类推直到575℃结束)；或者在300～450℃之间等温时效(即在特定温度下保温不同的时间，从10分钟到600小时)，最佳的等温时效温度为350℃和400℃之间。
本发明由于采用了Er和Zr复合微合金化，具有非常显著的时效强化效果，如附图2所示，Al-0.25Er-0.28Zr(S5号样)的最大硬度达到了56HV，相对Al-Er合金提高了时效强化效果和热稳定性，相对Al-Zr合金则使得时效析出的过程明显加速。
附图说明
图1：200～575℃之间每隔25℃等时3小时时效曲线；
图2：350℃等温时效曲线；
图3：400℃等温时效曲线；
图4：S5号样品不同温度等温时效曲线。
具体实施方式
实例1：采用石墨坩埚熔炼和铁模铸造制备合金铸锭，所用原料为纯铝和Al-6Er和Al-4Zr中间合金，熔炼温度为780±10℃。到达熔炼温度后保温30分钟，然后用铁模浇铸。制备了5种不同成份的合金，通过XRF测试了其实际成分，如下表1所示。其中S1和S2样品分别为Al-Er和Al-Zr二元合金，用作对比。
表1实验合金成份
  样品   设计成份(wt.％)   Er实际成份(wt.％)  Zr实际成份(wt.％)
  S1   Al-0.25Er   0.33   /
  S2   Al-0.28Zr   /   0.30
  S3   Al-0.25Er-0.07Zr   0.29   0.08
  S4   Al-0.25Er-0.14Zr   0.28   0.15
  S5   Al-0.25Er-0.28Zr   0.20   0.27
  S6   Al-0.12Er-0.14Zr   0.09   0.11
实例2：对实例1中的合金在640±10℃固溶30小时，水淬到室温，然后在200～575℃之间每隔25℃退火3小时。图1给出了不同温度下的硬度，从中可以看到S5号合金在400℃达到最大硬度值约50HV，远高于S1号Al-Er合金的最大硬度值。而且加了Zr的合金其硬度随温度升高下降要比Al-Er合金缓慢，说明Al-Er-Zr合金的热稳定性要优于Al-Er合金。此外，Al-Zr合金没有出现强化现象，这是由于Al-Zr合金的析出过程太缓慢，3小时退火不足以使其析出。从图1中还可以看到S5号试样有最高的硬度，所以合金的最佳成份范围应为：0.2～0.3％(重量百分比)的Er，0.25～0.3％(重量百分比)的Zr。
实例3：对实例1中的合金在640±10℃固溶20小时，水淬到室温，然后在350℃等温时效。图2给出了等温时效的硬度变化曲线，从图中可以看到S5号样的最大硬度值最高，达到了56HV，远高于S1号Al-Er二元合金试样。添加了Zr的合金随时间的延长其硬度下降的相对于Al-Er二元合金缓慢，说明其热稳定性得到了提高。Al-Zr二元合金在此温度下时效500小时，仍然没有出现强化现象，添加了Er的合金则出现了明显的时效硬化，说明Er的存在促进了Zr的析出。
实例4：对实例1中的合金在640±10℃固溶20小时，水淬到室温，然后在400℃等温时效。图3给出了等温时效的硬度变化曲线，其主要的现象与实例3类似，主要的区别是S5号试样时效300小时后出现了过时效的现象，硬度开始下降。
实例5：对S5号试样在640±10℃固溶20小时，水淬到室温，然后在300℃～450℃之间的不同温度进行等温时效。图4给出了等温时效的硬度变化曲线，可见随时效退火温度提高，达到峰值硬度的时间越短。300℃退火到500小时仍未到峰值，而450℃退火50小时左右即达到峰值。另外随退火温度提高，峰值下降，450℃退火的峰值硬度只有42HV，而350和400℃退火的峰值硬度分别为57和56HV。这表明S5号样最佳时效退火温度为350℃和400℃退火之间，即能在最短的时间达到最大的峰值硬度。

Claims (4)

1.一种Al-Er-Zr合金，其特征在于，铝基体中加入了0.09-0.3％(重量百分比)的Er，0.08-0.3％(重量百分比)的Zr。
2.根据权利要求1所述的Al-Er-Zr合金，其特征在于，铝合金中Er为0.2～0.3％(重量百分比)，Zr为0.25～0.3％(重量百分比)。
3.根据权利要求1所述的Al-Er-Zr合金固溶时效热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤，首先在640±10℃固溶20～30小时，随后水淬到室温，然后在200～575℃之间每隔25℃等时时效3小时，或者在300～450℃之间等温时效。
4.根据权利要求3所述的热处理工艺，其特征在于最佳的等温时效温度在350～400℃之间。
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