CN104152733B - 一种高性能铈镨铝合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高性能铈镨铝合金的制备方法，包括以下步骤：（1）在熔化的Al-Si-Cu中加入预热的Al-Ce-Pr合金，配制成含质量百分数为0.1～0.9%的Ce/Pr稀土铝合金，其中稀土Ce:Pr为1:0.5~2；（2）熔化时引入高能超声处理，间歇超声5～10min；（3）将熔体温度控制在730～750℃保温20～30min；继续超声5~10min；（4）将熔体降至720～730℃精炼、除气、除渣浇注。本发明合金成分稳定，通过Ce/Pr的合金化作用和超声作用，显著改善Al-Si-Cu合金显微组织，细化球化晶粒，改变第二相形态，大幅提高合金强度；同时Ce/Pr的加入，形成了微米级热稳定强化相Al4Ce、Al11Pr3，这些相起到了阻碍位错移动和钉扎晶界的作用，极大的提高了合金的机械性能，工艺简单、安全可靠，操作方便，无三废污染。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域。
背景技术
铝合金作为金属材料中典型的轻质材料，具有高强度、低密度、高断裂韧度，以及高抗应力腐蚀能力等优良特性，在机械、化工、汽车、建筑、航空、航天领域得以广泛应用。Al-Si-Cu合金具有良好的铸造工艺性能，但力学性能较差。合金在熔融状态下吸气倾向大，铸件容易形成氧化夹渣、缩孔、缩松等缺陷，浇注前液体金属需要变质处理，改善合金力学性能，限制了它在汽缸体、缸盖、引擎齿轮箱、连杆及电动工具体等零部件的应用。
对铝合金铸锭来说，细化晶粒可使其内部组织均匀，减少偏析，提高塑性，防止裂纹和缩孔等缺陷。在铝及铝合金中添加适量的稀土元素，能改善其性能，发展新材料。通常稀土元素具有很强的表面化学活性，具有合金化、净化、变质等作用。由于稀土均有不同程度的变质能力，可以生成不同的金属间化合物。因此可以通过添加几种不同的稀土构成混合稀土，获得几种提高合金性能的金属间化合物，起到一种协同作用。通常这些金属间化合物具有非常好的热稳定性，可以阻碍合金中位错移动，并且钉扎于晶界，极大的提高了合金的机械性能。
此外，近年来不同的研究者将功率超声应用于材料制备过程中，开辟了制备高性能材料的新途径。作为高能超声的重要参数，毫无疑问，超声功率、超声时间、超声频率等对高性能合金的制备将起到关键作用。不同的超声频率下会产生不同数量的空化气泡。超声频率小于22kHz时，空化气泡经历一次性膨胀和收缩就破灭，空化效应明显，为瞬态空化，并且在15kHz时，空化气泡振幅变化比在超声频率为22kHz要大。随着频率逐渐地升高，空化气泡开始需要经历多次膨胀、收缩的过程，最后才能破灭。空化气泡由瞬态空化逐渐变化到稳态空化，空化气泡的振幅变化也随频率的增大而逐渐减小。
空化气泡在超过一定的阈值的声压下发生崩溃并产生冲击激波，而这一切均是在极短的时间里，以很高的频率发生的。空化泡在崩溃后变为大大小小的气泡，其中大的气泡将继续作为核心，从而促使空化气泡不断产生、崩溃，不断的产生冲击激波，这样在声空化效应的作用下，己结晶长大的晶粒被急剧的冲击激波打碎，抑制了晶粒的长大，使晶粒得到细化的同时，晶体也得到了均匀弥散。
本发明是在稀土变质细化的基础上，结合高能超声的声空化效应和声流效应制备合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能铈镨铝合金制备方法，获得高力学性能的稀土铝合金。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤。
（1）将Al-Si-Cu合金加入到熔炼炉，完全熔化，升高温度到750～780℃，加入预热到150～250℃的Al-Ce-Pr三元中间合金，配制成含质量百分数为0.1～0.9%的Ce/Pr稀土铝合金，其中稀土Ce:Pr为1:0.5~2。
（2）熔化时引入高能超声处理，超声频率15~22kHz，超声强度1.11kw/cm2～1.2kw/cm2，每次施加时间0～20s，间歇时间0～20s，总超声时间5～10min。
（3）将熔体温度控制在730～750℃保温20～30min；继续超声5~10min，超声频率22kHz。
（4）将熔体降至720～730℃精炼、除气、除渣浇注。
材料力学试验：根据国家标准GB/T228-2002，将试验得到的铸件加工成标准拉伸试样，在SUNSUTM5105型拉伸机上进行拉伸试验。其中，铸件未经任何热处理，也不进行X射线探伤，随机取样。
拉伸试验结果可知，加入稀土后，合金抗拉强度，延伸率都得到大大提高。其中当添加0.6%的稀土Ce/Pr后，相对基体合金其抗拉强度提高了71.5%，延伸率提高了69.3%。
本发明的技术效果是：本发明制备工艺简单，合金成分稳定，通过Ce/Pr的合金化作用和超声作用，显著改善Al-Si-Cu合金显微组织，细化球化晶粒，改变第二相形态，大幅提高合金强度；同时Ce/Pr的加入，形成了微米级热稳定强化相Al4Ce、Al11Pr3，这些相起到了阻碍位错移动和钉扎晶界的作用，极大的提高了合金的机械性能。且工艺简单、安全可靠，操作方便，无三废污染。
附图说明
图1为本发明制备的Al-Si-Cu-0.3Ce/Pr稀土铝合金显微组织金相图。
具体实施方式
本发明将通过以下实施实例作进一步说明，但本发明的具体实施方式不局限于下述的实施例。
实施例1。
预热Al-Ce-Pr三元中间合金到150℃；将Al-Si-Cu合金加入到熔炼炉，完全熔化，升高温度到750℃后加入预热过的Al-Ce-Pr三元中间合金，配制成含Ce/Pr质量分数为0.3%（Ce0.1%，Pr0.2%）的稀土铝合金。熔化时引入高能超声处理，超声频率22kHz，超声强度1.11kw/cm2，超声时间5min，高能超声每次施加时间5s，间歇时间5s；再将熔体温度控制在740℃保温25min；继续连续超声5min，超声频率22kHz；将熔体降至720℃精炼、除气、除渣浇注，得到抗拉强度为241.58MPa，延伸率为3.12%的合金。
实施例2。
预热Al-Ce-Pr三元中间合金到200℃；将Al-Si-Cu合金加入到熔炼炉，完全熔化，升高温度到760℃后加入预热过的Al-Ce-Pr三元中间合金，配制成含Ce/Pr质量分数为0.6%（Ce0.3%，Pr0.3%）的稀土铝合金。熔化时引入高能超声处理，超声频率18kHz，超声强度1.16kw/cm2，超声时间6min，高能超声每次施加时间10s，间歇时间10s；再将熔体温度控制在750℃保温25min；继续连续超声8min，超声频率22kHz；将熔体降至725℃精炼、除气、除渣浇注，得到抗拉强度为268.29MPa，延伸率为3.91%的合金。
实施例3。
预热Al-Ce-Pr三元中间合金到250℃；将Al-Si-Cu合金加入到熔炼炉，完全熔化，升高温度到780℃后加入预热过的Al-Ce-Pr三元中间合金，配制成含Ce/Pr质量分数为0.9%（Ce0.5%，Pr0.4%）的稀土铝合金。熔化时引入高能超声处理，超声频率15kHz，超声强度1.2kw/cm2，超声时间8min，高能超声每次施加时间20s，间歇时间20s；再将熔体温度控制在730℃保温20min；继续连续超声10min，超声频率22kHz；将熔体降至730℃精炼、除气、除渣浇注，得到抗拉强度为235.46MPa，延伸率为3.43%的合金。
由附图1可以看出，由于稀土Ce/Pr的变质作用及超声波的声空化和声流化效应对熔体的搅拌、分散作用，稀土铝合金组织中晶粒细小圆整且分布均匀，无氧化夹杂和成分偏析现象，且工艺简单、安全可靠，操作方便，无三废污染。XRD分析可知，合金中生成了Al4Ce、Al11Pr3等微米级热稳定强化相，这些相起到了阻碍位错移动和钉扎晶界的作用，给合金的性能带来了明显的改善作用。
综上所述，本发明得到的稀土铝合金组织分布均匀，无氧化夹杂和成分偏析现象，合金机械性能大大提高，且工艺简单、安全可靠，操作方便，无三废污染。
Claims (1)
1.一种高性能铈镨铝合金的制备方法，其特征是包括以下步骤：
（1）将Al-Si-Cu合金加入到熔炼炉，完全熔化，升高温度到750～780℃，加入预热到150～250℃的Al-Ce-Pr三元中间合金，配制成含质量百分数为0.1～0.9%Ce和Pr的稀土铝合金，其中稀土Ce:Pr为1:0.5~2；
（2）熔化时引入高能超声处理，超声频率15~22kHz，超声强度1.11kw/cm2～1.2kw/cm2，每次施加时间0～20s，间歇时间0～20s，总超声时间5～10min；
（3）将熔体温度控制在730～750℃保温20～30min；继续超声5~10min，超声频率22kHz；
（4）将熔体降至720～730℃精炼、除气、除渣浇注。
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