CN105112746A

CN105112746A - 一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金及其制备方法

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Publication number: CN105112746A
Application number: CN201510619328.6A
Authority: CN
Inventors: 吴伟; 车欣; 杨林; 陈立佳; 李锋; 林立; 王鑫; 李云龙; 王玉
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: CN105112746B

Abstract

一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Zn？7%、Mg？2%、Cu？2.3%、Ce？0.1%、Y？0.5%、Er？0.1%、La？0.01%、Sc？0.2%、Al余量。其中Al、Zn、Mg、Cu以纯度＞99.99wt.%的工业纯Al、纯Zn、纯Mg、纯Cu的形式添加；Ce、Er、Y、Sc、La分别以Al-30wt.%Ce、Mg-30wt.%Er、Mg-20wt.%Y、Al-30wt.%La、Al-2wt.%Sc的粉末状稀土合金进行添加。本发明还提供该高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金的制备方法，通过加入稀土元素、及利用氦气吹入稀土合金粉末从而达到良好的成分均匀化，在制备过程中通过氦气形成保护氛围，使熔炼过程中氧化反应尽可能减小，形成的合金成分更加精确，有效解决了传统的Al-Zn-Mg-Cu合金性能不足和产品缺陷的问题。

Description

一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金及其制备方法。

背景技术

从当前的技术和应用领域看，国内外对于铝合金各项性能的要求不断提高，随着其应用领域的不断推广，大量新型高强度高性能铝合金应运而生，对于研发和制备工艺提出了新的挑战，从可持续性发展的角度出发，经济、节约、高效三者的有机结合是在实际生产过程中扮演者举足轻重的作用。

传统铝合金的抗拉强度和抗疲劳强度都存在不足，在生产过程中由于精炼剂的加入又造成了一定污染，使成分难以精确控制从而在各项性能上都产生了难以估计的影响，在铝合金的切削加工方面，新型稀土铝合金比传统铝合金具有更好的切削加工性能，适用于复杂构件的制造加工，加工成本也大幅降低。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金及其制备方法，通过加入稀土元素、及利用氦气吹入稀土合金粉末从而达到良好的成分均匀化，有效解决了传统的Al-Zn-Mg-Cu合金性能不足和产品缺陷的问题。

为实现本发明的上述目的，本发明提供一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Zn7%、Mg2%、Cu2.3%、Ce0.1%、Y0.5%、Er0.1%、La0.01%、Sc0.2%、Al余量。

其中，Ce、Er、Y、Sc、La分别以Al-30wt.%Ce、Mg-30wt.%Er、Mg-20wt.%Y、Al-30wt.%La、Al-2wt.%Sc的粉末状稀土合金进行添加，所述稀土合金颗粒直径在40um～50um之间。

本发明还提供一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金的制备方法，包括以下步骤。

步骤1、按配方质量百分比取Al、Zn、Mg、Cu、Ce、Y、Er、La、Sc准备熔炼。

步骤2、将坩埚放入氦气环境中进行预热，当温度达到730℃时，放入准备熔炼的铝，待铝融化后，将准备熔炼的锌和铜按顺序放入铝液中。

步骤3、待铝液融化回温后，开始通过蜂窝陶瓷喷管向铝液底部持续通入氦气，通入的氦气进入铝液前需经过预热达到740℃，通过氦气的流动带动稀土合金粉末和镁颗粒，经过蜂窝陶瓷喷管进入到熔融的铝液中。

步骤4、持续保温740℃并通入氦气0.5h后，炉冷降温，当温度降到710℃时，将合金溶液浇入事先预热400℃过的金属模具内，待让合金空冷至室温，即得到成分均匀的Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc合金铸锭。

步骤5、将所得合金铸锭在450℃下进行均匀化处理，然后除去合金铸锭氧化皮，在430～450℃温度区间内预热2h后，加入已预热至440℃的挤压模具内，低速挤压成棒材。

步骤6、将棒材切割成试样，加工成拉伸棒（Φ12），然后进行T6热处理；固溶温度480℃、2.5h，油冷沾火；在120℃下进行人工时效处理，时效时间分别为6h、12h、18h、24h、30h，时效结束后试样油冷至室温，即得高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金。

所述蜂窝陶瓷喷管的每根陶瓷喷管间距不得小于5cm，陶瓷喷管总数为7根，六边形布局分布，中间分布一根，每跟陶瓷喷管切面为正六边形；所述陶瓷喷管末端距离坩埚底部15mm；所述陶瓷喷管内切圆孔径直径为2mm。

与现有技术相比本发明的有益效果。

本发明提供的高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金及其制备方法，通过在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基础上加入稀土元素Ce、Y、Er、La、Sc，再利用气泵将氦气瓶中的氦气（氦气纯度不小于99.99%体积分数）导入蜂窝陶瓷喷管中，然后吹入稀土合金粉末从而达到良好的成分均匀化，气泡直径控制在直径5mm左右，以获得更多更均匀的气泡，对容易进行搅动。在整个过程中通过惰性气体（氦气）形成保护氛围，使熔炼过程中氧化反应尽可能减小，形成的合金成分更加精确，并且在氦气气泡的上浮过程中能吸附和包裹大量的杂质微粒和气体微粒，从而起到净化铝液的目的，排除了氧化物对合金的影响；另外，由于气泡上浮不断搅动铝液也使得成分更加均匀，可通过控制气体流速控制搅拌速率，灵活多变，并结合挤压变形及后续的热处理，进一步提高合金的强韧度，可以满足更广泛的应用需求。

附图说明

图1为本发明实施例的合金铸态显微组织图（100μm、50μm）。

图2为本发明对照组1的合金铸态显微组织图（100μm、50μm）。

图3为本发明对照组2的合金铸态显微组织图（100μm、50μm）。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细说明本发明。

实施例1。

本实施例提供一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Zn（锌）7%、Mg（镁）2%、Cu（铜）2.3%、Ce（铈）0.1%、Y（钇）0.2%、Er（铒）0.1%、La（镧）0.01%、Sc（钪）0.2%、Al（铝）余量。

本实施例还提供一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金的制备方法，包括以下步骤。

步骤1、按配方质量百分比取Al、Zn、Mg、Cu、Ce、Y、Er、La、Sc准备熔炼。其中，Al、Zn、Mg、Cu以纯度＞99.99wt.%的工业纯Al、纯Zn、纯Mg、纯Cu的形式添加，Ce、Er、Y、La、Sc分别以Al-30wt.%Ce、Mg-30wt.%Er、Mg-20wt.%Y、Al-30wt.%La、Al-2wt.%Sc的粉末状稀土合金进行添加。原料均不需要预热处理。

镁以球状颗粒形式存在，这是因为球状更加容易被气流带动，由于过小的镁容易发生氧化反应，故球状颗粒直径为1mm。

由于选择过大的稀土合金颗粒较难被气流带动，较小的颗粒易氧化，故所述稀土合金的颗粒直径为40um～50um之间。

步骤2、将坩埚放入氦气环境中进行预热，当温度达到730℃时，放入准备熔炼的铝，这样能防止在炉温升高过程中造成的不必要的氧化反应，待铝融化后，将准备熔炼的锌粒和铜块按顺序放入铝液中。此时提高炉温至760℃，这种按照Al、Zn、Cu先后顺序进行添加，能更好的促进Zn和Cu的熔化，因为铜具有较高的熔点，保温1h，以保证Cu完全熔化，此时再缓慢降温至740℃。所述Cu（铜块）需预先除掉表面氧化层。

步骤3、待铝液融化回温后，开始通过蜂窝陶瓷喷管向铝液底部持续通入氦气，气流量为约0.3L/s，通入的氦气进入铝液前需经过预热达到740℃；所述氦气带动稀土合金粉末和镁球状颗粒，通过蜂窝陶瓷喷管进入到熔融的铝液中，利用大量惰性气体（氦气）气泡上浮形成的表面效应，粘合包裹铝液中的杂质和微小气泡，使之上浮到铝液表面，方便后续的捞渣工作。

所述蜂窝陶瓷喷管的每根陶瓷喷管间距不得小于5cm，陶瓷喷管总数为7根，六边形布局分布，中间分布一根，每跟陶瓷喷管切面为正六边形，有利于镁颗粒和粉末合金的通过，不容易堵塞喷管；所述陶瓷喷管末端距离坩埚底部15mm左右，切不可接触坩埚底部和侧壁，防止堵塞喷管；所述陶瓷喷管内切圆孔径直径为2mm，这可增加管内气体流速从而达到带动粉末的要求，又可以将粉末无障碍的送入到铝液底部，不至于粘合在陶瓷喷管内壁。

步骤4、持续保温740℃并通入氦气0.5h后，炉冷降温，当温度降到710℃时，使用陶瓷滤网进行捞渣，滤网孔径不大于0.5mm，随后将均匀的合金溶液浇入事先预热到400℃的金属模具内，待让合金冷却至室温，即得到成分均匀的Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc合金铸锭。

步骤5、将所得合金铸锭进行均匀化处理（随炉升温至450℃，保温24h，炉冷降温至常温），冷却后用车床除去合金铸锭氧化皮，先进行均匀化处理后去除氧化皮有利于各成分含量趋近于计算值，然后在430～450℃温度区间内预热2h后，加入已预热至440℃的挤压模具内，低速挤压成棒材。所述低速挤压的挤压温度为440℃，挤压速率为1.0～1.5mm/s，挤压比为110:1。所述挤压过程中向挤压筒内壁加入二硫化钼作为润滑剂。

步骤6、将棒材切割成10cm长的试样，用车床加工成标准的拉伸棒（Φ12），所得试样进行T6热处理；固溶温度480℃、2.5h，油冷沾火，可防止水中的氢离子对试样的影响，在120℃下进行人工时效处理，时效时间分别为6h、12h、18h、24h、30h，时效结束后棒材试样油冷至室温，即得高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金。

为进一步验证本发明的有益效果，本发明提供以下试验案例。

1、分组。

实验组：采用本实施例的制备方法进行变形铝合金制备。

对照组1：不加氦气，通过电磁搅拌的方式使原料混匀，即对照组的步骤3为：待合金全部融化，温度降到710℃时，把坩埚放入电磁搅拌器加热并保温，同时启动电磁搅拌装置对合金进行搅拌；将搅拌均匀的合金溶液浇入事先预热过的金属模具内，待让合金随炉冷却至室温后关闭电磁搅拌器，即得到成分均匀的合金铸锭。其他原料成分、步骤均与实验组相同。

对照组2：不加氦气，通过电磁搅拌的方式使原料混匀，原料为传统的Al-Zn-Mg-Cu合金。

2、结果。

（1）三种不同制备方法得到的铝合金硬度（维氏硬度HV）结果，请参见表1。

表1：三种不同制备方法得到的铝合金硬度结果。

时效时间	实验组	对照组1	对照组2
				6h	160	154	113
12h	175	168	125
				18h	187	179	132
24h	209	191	140
				30h	193	178	131

由表1可知，采用本实施例制备方法（实验组）得到的铝合金硬度性能明显优于两个对照组。这是由于本实施例在整个制备过程中，稀土元素起到的细化作用和氦气搅拌法的均匀化形成的组织结构，对整体材料性能均有较大的提升。其中，稀土元素Ce和Sc有效改善合金的组织性能，进一步除去杂质。同时，稀土元素Ce、Sc具有变质作用，主要表现在细化晶粒和枝晶，抑制粗片状T2相出现，消除原晶内分布的粗大块状相并形成球状相，使晶界处条状及碎块状化合物明显减少。氦气的搅拌均匀化效果明显，使得合金成分及晶粒大小均匀，使得本实施例制备的合金硬度明显提高。

（2）本发明实施例（实验组）的合金铸态显微组织图（100μm、50μm）请参见图1，对照组1的合金铸态显微组织图（100μm、50μm）请参见图2，对照组2的合金铸态显微组织图（100μm、50μm）请参见图3。

由图1可知，实验组制备的铝合金显微组织相对比较均匀，晶粒得到明显的细化，晶粒形貌呈现等轴晶特征，平均晶粒尺寸为33μm，这是由于实验组在铝合金中加入稀土元素Sc，能够明显消除树枝晶，抑制粗大相的形成。由图2可知，对照组1制备的铝合金显微组织枝晶得到细化，晶粒尺寸更加均匀，但晶界处条状及碎块状化合物明显，不如实验组效果理想。由图3可知，对照组2制备的铝合金显微组织存在粗大的枝晶臂，且晶粒尺寸分布不均匀，偏析比较严重，晶粒形貌呈现树枝晶特征。综上所述，本实施例（实验组）通过加入稀土元素、及利用氦气吹入稀土合金粉末从而达到良好的成分均匀化，合金显微组织明显优于两个对照组。

（3）三种不同制备方法得到的铝合金综合性能结果，请参见表2。

表2：三种不同制备方法得到的铝合金性能结果。

	实验组	对照组1	对照组2
				抗拉强度	725MP	680MP	660MP
屈服强度	650MP	615MP	600MP
				断裂伸长率	22%	17%	18%

由表2可知，采用本实施例制备方法得到的铝合金抗拉强度、屈服强度、断裂拉伸率均明显优于两个对照组。这是由于本实施例在整个制备过程中，稀土元素起到的净化作用和形成的组织结构，对整体材料性能均有较大的提升。其中，稀土元素Ce有效改善合金的组织性能，提高强度，进一步除去杂质。同时，稀土Ce具有变质作用，主要表现在细化晶粒和枝晶，抑制粗片状T2相出现，消除原晶内分布的粗大块状相并形成球状相，使晶界处条状及碎块状化合物明显减少。细化晶粒抑制粗大相的形成使得本实施例制备的合金强韧度明显提高。

通常情况下，由于在熔铸铝合金时，会带入大量气体和氧化夹杂（主要是氢、氧和氮），使铸件产生针孔、裂纹和夹杂等缺陷，降低铝合金的强度。但是，本实施例所采用的稀土能够明显减少铝液中的氢含量，降低针孔率和孔隙度，减少夹杂物和有害元素等。这是因为稀土与氢有较大的亲和力，能大量吸附和溶解氢，并形成稳定的化合物，不会聚集成气泡，使铝的含氢量和孔隙率明显降低；稀土与氮生成难熔化合物，在熔炼过程中大部分以渣的形式排除，从而达到净化铝液的目的。

另外，本实施例的制备过程在氦气的保护下有效阻隔了氧气对高温下铝液的影响，使得氧化物的形成得到了有效的控制，摆脱了对精炼剂的依赖、以及精炼剂的二次污染，并在整个氦气气体上浮过程中对铝液中的杂质不断的吸附包裹，对铝液进行不间断的无规则搅拌，使之形成了具有较高纯净度，均匀化效果比较明显的熔融铝液，省去了复杂电磁搅拌设备所带来的额外成本，在微观和宏观上对铝合金的组织结构起到了优化作用。

Claims

1.一种高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金，其特征在于，包括以下成分：Zn7%、Mg2%、Cu2.3%、Ce0.1%、Y0.5%、Er0.1%、La0.01%、Sc0.2%、Al余量。

2.如权利要求1所述的高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金，其特征在于，Ce、Er、Y、Sc、La分别以Al-30wt.%Ce、Mg-30wt.%Er、Mg-20wt.%Y、Al-30wt.%La、Al-2wt.%Sc的粉末状稀土合金进行添加。

3.如权利要求1所述的高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金，其特征在于，所述稀土合金颗粒直径在40um～50um之间。

4.如权利要求1所述的高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、按配方取Al、Zn、Mg、Cu、Ce、Y、Er、La、Sc准备熔炼；

步骤2、将坩埚放入氦气环境中进行预热，当温度达到730度时，放入准备熔炼的铝，待铝融化后，将准备熔炼的锌和铜按顺序放入铝液中；

步骤3、待铝液融化回温后，开始通过蜂窝陶瓷喷管向铝液底部持续通入氦气，通入的氦气进入铝液前需经过预热达到740度，通过氦气的流动带动稀土合金粉末和镁颗粒，经过蜂窝陶瓷喷管进入到熔融的铝液中；

步骤4、持续保温740度并通入氦气0.5h后，炉冷降温，当温度降到710度时，将合金溶液浇入事先预热400度过的金属模具内，待让合金空冷至室温，即得到成分均匀的Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc合金铸锭；

步骤5、将所得合金铸锭在450度下进行均匀化处理，然后除去合金铸锭氧化皮，在430～450度温度区间内预热2h后，加入已预热至440℃的挤压模具内，低速挤压成棒材；

5.如权利要求1所述的高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述蜂窝陶瓷喷管的每根陶瓷喷管间距不得小于5cm，陶瓷喷管总数为7根，六边形布局分布，中间分布一根，每跟陶瓷喷管切面为正六边形；所述陶瓷喷管末端距离坩埚底部15mm；所述陶瓷喷管内切圆孔径直径为2mm。

6.如权利要求1所述的高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述蜂窝陶瓷喷管向铝液底部持续通入氦气的气流量约为0.3L/s。

7.如权利要求1所述的高强Al-Zn-Mg-Cu-Ce-Y-Er-La-Sc变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述低速挤压的挤压温度为440℃，挤压速率为1.0～1.5mm/s，挤压比为110:1。