CN103785818A - 高强度半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：（1）采用真空熔炼炉和电磁搅拌的方法制备含铒10%的Al-Er中间合金；（2）将步骤（1）制得的铝铒中间合金加入到铝合金熔体中，升高合金温度至800℃，保温10min，制得稀土铒铝合金熔体；（3）将步骤（2）制得的稀土铒铝合金熔体降温至半固态温度区间，采用机械搅拌的方法进行强烈搅拌10-15min，再将其浇入可控温模具中进行半固态等温处理，随后逐渐降温凝固成型。本发明的优点在于，采用稀土Er优化合金成分同时结合半固态成形新工艺，使得所制得的稀土合金材料不仅强度高、冲型性能好，而且工艺简单，成本经济，应用于汽车、航空、军工等对材料性能要求较高的领域。

Description

高强度半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料的制备方法，尤其涉及一种新型半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法。

背景技术

新型铝合金材料是通过设计、优化铝合金成分以及采用新型的铝合金成形工艺和方法获得满足特殊性能要求的合金。1971年Willey对稀土元素优化铝合金成分的方法进行研究，首次将稀土Sc应用于铝合金中，其中添加稀土Sc的铝镁合金的强度提高近两倍；上世纪70年代美国麻省理工学院的Flemings教授提出了一种新型的金属成形方法，即半固态成形技术。1978年，美国Alumax公司率先应用这一新的成形方法，使用MHD技术生产出供触变成形用圆锭，并建立了世界上第一条高度自动化的触变成形生产线，生产汽车零件。

目前，我国70％～80％高性能铝合金需要进口，因此，研究和发展高性能铝合金是刻不容缓的任务。工业铝合金中主合金元素控制已形成标准体系，从主合金元素调整来提高合金性能的空间已经非常有限。大量研究表明，某些元素少量甚至痕量的存在会显著影响铝合金的微观组织和综合性能，因此，微合金化是挖掘合金潜力、改善合金性能并进一步开发新型铝合金的重要途径。微合金化元素种类繁多，其所能起的作用和机理也不尽相同，控制微量元素的种类和数量、充分发挥微量元素的作用是发展铝合金不懈努力的目标，也是当前铝合金研究的主要方向之一。在所有微合金化元素中，现有研究表明：Sc微合金化效果显著，但是，其价格非常昂贵，使得含Sc铝合金价格大幅增加，难于在工业领域获得广泛的应用，因此，必须寻找与Sc有类似作用的廉价而有效的微合金化元素以生产低成本、高强度的铝合金材料。

鉴于铝合金的半固态加工，可以大幅度减少普通压铸方法生产铝合金零部件时的气孔、缩松等缺陷，故而众多学者和企业对铝合金半固态浆料的制备工艺进行大量的研究，现在常用的制备方式有：机械搅拌法、电磁搅拌法、应力诱发熔体激活法（SIMA）、近液相线铸造法、超声振动法、半固态等温热处理法等。其中半固态等温热处理是近年开发的一种新方法，用该方法制备半固态成形用的非枝晶锭料在二次加热中直接由长条形树枝晶组织变成为非枝晶锭料，省略了传统半固态浆料制备中专门的非枝晶锭料的制备步骤。就现有铝合金半固态触变成形工艺而言，普遍存在着稀土合金化过程中成本过高以及半固态触变成形工艺设备复杂等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有半固态触变成形铝合金材料制备方法工艺较为复杂、成本过高，且所制的铝合金材料强度、硬度和冲型性能难以满足军工、航空等高科技领域需求的不足，提供一种高强度半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法，使用该方法所制得的稀土合金材料不仅强度高、冲型性能好，而且该方法工艺简单，成本经济。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种高强度半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：（1）采用真空熔炼炉和电磁搅拌的方法制备含铒10%的Al-Er中间合金；（2）将步骤（1）制得的铝铒中间合金加入到铝合金熔体中，升高合金温度至800℃，保温10min，制得稀土铒铝合金熔体；（3）将步骤（2）制得的稀土铒铝合金熔体降温至半固态温度区间，采用机械搅拌的方法进行强烈搅拌10-15min，再将其浇入可控温模具中进行半固态等温处理，随后逐渐降温凝固成型。

作为优选，步骤（3）所述的半固态等温处理温度为550℃～620℃，温差控制在±3℃之内，保温时间40～60min。

作为优选，步骤（3）所述的半固态等温处理温度为572℃，温差控制在±1℃之内，保温时间50～55min。

作为优选，所述步骤（3）所述的可控温模具由若干个侧板模板与底板模板拼接组合而成。

对比现有技术，本发明采用稀土Er优化合金成分同时结合半固态成形新工艺，获得高性能的铝合金。元素Er在铝合金中可形成纳米级A1₃Er强化相，比Al₃Sc相具有更好的热稳定性，因此在步骤（1）中采用真空熔炼炉和电磁搅拌的方法制备含铒10%的Al-Er中间合金，可明显细化铝合金的组织、提高铝合金的再结晶温度、促进主强化相的析出，大幅度提高铝合金的强度或塑性，并通过形成复合强化相等多层次作用机理，有效地提高铝合金耐热性能、抗疲劳性能和耐腐蚀性能等综合性能。其主要原理为，在铝合金熔炼过程中，稀土元素Er与合金中的氧、硫、氢、氮、卤族等元素有较强作用，合金中氢元素在稀土Er中的溶解度远大于合金熔体，因此稀土Er具有较好的除氢作用，稀土Er的加入还可以改善合金熔体中杂质形态，促进其上浮，以便有效去除杂质，最终净化了熔体。稀土Er的加入可以有效的细化合金的铸态晶粒，增加合金的热稳定性，在保证合金塑性不变的情况下，大幅度提高合金的强度和硬度。这主要是由于稀土Er在合金中以Al3Er粒子的形式存在，这种粒子属于立方晶系、属Pm3m空间群，可以与铝基体形成共格或半共格结构，先生成的Al3Er粒子可作为合金熔体的结晶形核的非均质核心，提高了合金的形核率，从而导致大量晶粒同时形核长大，产生相互抑制作用，阻碍了晶粒长大，从而细化了晶粒。由于细小弥散的Al3Er质点在晶界和晶内析出强化效应以及细晶强化效果使得合金的强度和硬度大幅度提升，有助于获得具有优异性能的新型铝合金。同时本发明还利用先进的半固态触变成形技术成形合金，将新型的稀土铒铝合金控温在半固态温度区间（即固液共存区），而后给合金熔体施加强烈的搅拌和剪切作用，合金在半固态温度区间已经部分结晶形核生长，此时施加强烈搅拌，可以有效的破碎先生成的枝晶或晶粒，形成大量的破碎枝晶和晶粒，这些破碎的晶体可以作为后续晶粒形核生长的核心，从而有效的细化了晶粒，进一步提高了铝合金的强度。相关试验表明，在纯铝中添加微量的Er元素能够起到明显的时效强化效果，时效峰值硬度达到410 MPa，相比纯铝的增加了160 MPa，增加幅度达到65％。采用可控温冲型模具，模具在加热状态下冲型，保证了稀土半固态铝合金的冲型性能。此外，通过模具直接加热成形，与传统成形工艺中必须先将坯料加热至半固态温度区间，再将半固态浆料压入模型的工艺方法相比，工艺更加简便，操作更为方便。  

附图说明

图1为本发明实施例中可控温模具的结构示意图。其中，1为侧板，2为底板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：首先必须制备稀土Al-Er中间合金，本发明采用真空熔炼炉和电磁搅拌的方法制备含铒10%的Al-Er中间合金。将制备好的铝铒中间合金加入到铝合金熔体中，升高合金温度至800℃，保温10min，以保证稀土元素铒扩散均匀。之后将制备好的稀土铒铝合金降温至半固态温度区间（固液共存区），采用机械搅拌的方法进行强烈搅拌10-15min，再将其浇入可控温模具中进行572℃的温度下半固态等温处理，温差控制在±1℃之内，保温时间50～55min，随后逐渐降温凝固成型。其中，可控温模具由若干个侧板模板与底板模板拼接组合而成。

需要说明的是，本发明实施例，仅用于对本实施原理的解释和说明，不涉及保护范围。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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高强度半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）采用真空熔炼炉和电磁搅拌的方法制备含铒10%的Al-Er中间合金；（2）将步骤（1）制得的铝铒中间合金加入到铝合金熔体中，升高合金温度至800℃，保温10min，制得稀土铒铝合金熔体；（3）将步骤（2）制得的稀土铒铝合金熔体降温至半固态温度区间，采用机械搅拌的方法进行强烈搅拌10-15min，再将其浇入可控温模具中进行半固态等温处理，随后逐渐降温凝固成型。

2.根据权利要求1所述的高强度半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的半固态等温处理温度为550℃～620℃，温差控制在±3℃之内，保温时间40～60min。

3.根据权利要求2所述的高强度半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的半固态等温处理温度为572℃，温差控制在±1℃之内，保温时间50～55min。

4.根据权利要求1所述的高强度半固态触变成形稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于步骤（3）所述的可控温模具由若干个侧板模板与底板模板拼接组合而成。

Images