CN105441756B - 一种含Fe‑Be耐热铝铜合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Fe‑Be耐热铝铜合金及其制备方法，属金属材料工程领域。含Fe‑Be耐热铝铜合金，其化学成分按照重量百分比为：Cu：6～7％，Mn：0.5～0.7％，Ni：0.5～0.7％，Cr：0.3～0.4％，Fe：0.3～0.4％，Be：0.3～0.4％，V：0.2～0.3％，Ti：0.15～0.25％，B：0.01～0.015％，Ce：2.5～3％，La：1.5～2％，余量为Al和不可避免的杂质。制备方法：(1)熔炼：加入铝铬中间合金，熔化降温，以中间合金形式加入其它合金和铝，加覆盖剂，恒温后加铝精炼剂；(2)浇铸；(3)进行固溶+时效处理。Fe‑Be耐热铝铜合金，通过多元合金化、经热处理后显著提高了合金的室温、高温强度和高温持久性能；在250℃的瞬时抗拉强度最高达到258～264MPa；200℃加热200小时的抗拉强度为213～223Mp，250℃加热200小时的抗拉强度为185～192Mpa。

Description

一种含Fe-Be耐热铝铜合金及其制备方法

技术领域

本发明属于金属材料工程领域，特别涉及一种含Fe-Be耐热铝铜合金及其制备方法。

背景技术

目前，铝及铝合金是仅次于钢铁的金属材料，广泛应用于建筑、能源、运输、航空航天等领域。铝及铝合金材料的应用及其研究也得到了迅猛发展，各种铝合金被广泛的应用。

耐热铝铜合金在铸造过程中存在热裂倾向大的问题，其主要原因是在于合金主元素Cu成分范围为了达到最大的强化效果，通常选择在4.5～5.5％的范围内，合金结晶温度范围较宽，铸造凝固时为具有各向异性的枝晶发育提供了充分条件，在凝固后期形成强大的内部收缩应力，故而收缩热裂倾向大。

耐热铝合金领域研究中还存在着高温瞬时强度和高温持久强度偏低的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种耐热铝铜合金及其制备方法，目的是获得铸造性能好，高温强度高和高温持久性能好的铝铜合金。

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金，其化学成分按照重量百分比为：Cu：6～7％，Mn：0.5～0.7％，Ni：0.5～0.7％，Cr：0.3～0.4％，Fe：0.3～0.4％，Be：0.3～0.4％，V：0.2～0.3％，Ti：0.15～0.25％，B：0.01～0.015％，Ce：2.5～3％，La：1.5～2％，余量为Al和不可避免的杂质。

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金，在250℃的高温瞬时抗拉强度达到258～264MPa；本发明含Fe-Be耐热铝铜合金，200℃条件下加热200小时的抗拉强度达到213～223Mp，250℃条件下加热200小时的抗拉强度达到185～192Mpa。

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

将铝铬中间合金放入坩埚，加热至920～930℃，待其完全熔化后，将炉温降至780～800℃；

按设定的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金，铝镍中间合金，铝铍中间合金、铝钒中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料溶化后，加入覆盖剂，待炉料全部熔化后，将炉温降至720～730℃保温15～20min；

待炉温稳定后，扒去熔渣，加入铝精炼剂后，在725～730℃下保温10～15min后撇渣，得到精炼金属熔液；其中铝精炼剂分两次加入，第一次压入量为铝精炼剂总质量的3/5～2/3，第二次压入余量；

步骤2，浇铸：将铸造模具预热至240～260℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；

步骤3，热处理：

对铸坯进行固溶+时效处理，在525～535℃保温7～9h，然后在60～100℃的水中淬火，在170～180℃下保温5～7h，得到含Fe-Be耐热铝铜合金。

其中，步骤1中，加入覆盖剂的成分质量含量为：荧石35％，石英砂20％，工业盐45％；加入覆盖剂的量为：每平方米坩埚横截面积加入0.2～0.3kg；步骤1中，加入铝精炼剂为成分质量含量为：荧石25％，石英砂20％，工业盐55％，加入铝精炼剂的总量为：每吨含Fe-Be耐热铝铜合金加入1～3kg。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明的耐热铝铜合金，主加元素Cu的成分范围为6～7％，选择在这个范围的目的：一是为了改善铸造性能；二是为了有足够量的Cu元素形成含Cu的耐高温的第二相。Re的含量为4～5％，这个含量的Re有利于改善合金的铸造性能，并且与Cu，Mn等形成难熔的稳定金属间化合物，在高温下阻碍原子扩散和晶粒之间的滑移，起到了高温强化的作用。

本发明是在Al-Cu合金成分的基础上，添加Mn、Ni、Cr、Fe、Be、V、Ti、Re等合金元素，这样的多元合金化措施能够有的效提高了合金的耐热稳定性。由于Mn、Ni、Cr、Be、Fe、V、Ti、Re等多种合金元素的加入使合金中析出了稳定性好的第二相，在热处理过程中，这些第二相呈更加分散的状态析出，化学成分和晶格结构复杂，与α(Al)的组分结构差别大，形成新相的扩散过程慢，在晶界上呈封闭的网状或骨架状析出，这些第二相大多数为硬度较高的金属间化合物，由于它们在合金中可以起到阻碍晶界滑移及位错运动的作用，提高晶界强度和抗蠕变能力，合金的强度和耐热性得到了提高。

其中的Mn、Ni、Cr、Be、V、Ti、等元素，主要分布在晶粒内部，强化固溶体，提高合金的再结晶温度。Be、Mn、Cr、Fe、Cu、Al等能提高铝合金的原子健结合强度。α(Al)耐热温度的高低取决于原子键的结合强度，在固溶体饱和度相同的情况下，多元合金的原子键结合强度比二元合金高。因此，元素越多原子键结合强度越高。Mn元素在凝固时会在α(Al)晶界上形成T_Mn相，即Cu₂Mn₃Al₂₀。由于Mn在铝中的扩散速度小，凝固时部分的Mn呈过饱和态留在α(Al)中，在固溶处理时生成二次T_Mn相弥散析出。T_Mn相的点阵复杂，不易聚集长大，热硬性又很高，因此提高了合金的热稳定性。Ti、V等元素不仅可以细化晶粒，还可以形成弥散的Al₃M型强化相，这些相本身比较稳定，与基体错配度低，可与基体保持共格关系，能有效钉扎位错，稳定亚结构，阻止晶界滑移，同时抑制基体再结晶，提高基体再结晶温度。另外晶界强化也是提高铝合金耐热性能的重要途径，合金中的RE的主要作用是与其他元素形成复杂化合物，以网状形式分布在晶界上，他们能强烈的提高晶界强度和抗蠕变能力，晶间裂纹不易发展，具有很好的热强性。Ni在铝合金中形成的金属化合物能够提高合金的高温强度和尺寸稳定性，并有使Fe的化合物变成块状的倾向，该相热稳定性好。使合金的强度和热稳定性得到提高。

本发明的铝铜耐热合金，通过多元合金化、经热处理后显著提高了合金的室温、高温强度和高温持久性能。在250℃的瞬时抗拉强度最高达到264MPa。200℃加热200小时的抗拉强度最高达到223Mp，250℃加热200小时的抗拉强度最高达到192Mpa。

附图说明

图1为本发明实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，在200℃加热100小时的显微组织图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金，铝镍中间合金，铝铍中间合金、铝钒中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝为工业产品。

采用的覆盖剂为为徐州华中铝业有限公司生产HZ-WYF型无烟覆盖剂，成分质量含量为：荧石25％，石英砂20％，工业盐55％。

采用的铝精炼剂华中铝业有限公司生产的HZ-WYJ型无烟精炼剂，，成分质量含量为：荧石25％，石英砂20％，工业盐55％。

下面结合具体的实施例对本发明做具体的详细说明。

实施例1

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金，其化学成分按照重量百分比为：Cu：7％，Mn：0.6％，Ni：0.6％，Cr：0.4％，Fe：0.35％，Be：0.4％，V：0.3％，Ti：0.25％，B：0.01％，Ce：2.8％，La：1.8％，余量为Al和不可避免的杂质。

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

将铝铬中间合金放入坩埚，加热至920℃，待其完全熔化后，将炉温降至790℃；

按设定的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金，铝镍中间合金，铝铍中间合金、铝钒中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料溶化后，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入覆盖剂的量为：每平方米坩埚横截面积加入0.2kg，待炉料全部熔化后，将炉温降至730℃保温20min；

待炉温稳定后，扒去熔渣，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入铝精炼剂的总量为，每吨含Fe-Be耐热铝铜合金加入1kg，在730℃下保温10min后撇渣，得到精炼金属熔液；其中铝精炼剂分两次加入，第一次压入量为铝精炼剂总质量的2/3，第二次压入余量；

步骤2，浇铸：将铸造模具预热至240℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；

步骤3，热处理：

对铸坯进行固溶+时效处理，在530℃保温8h，然后在80℃的水中淬火，在175℃下保温6h，得到含Fe-Be耐热铝铜合金。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，在250℃条件下进行拉伸实验，250℃的高温瞬时抗拉强度为265MPa。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，进行高温持久性能测试：

将合金在200℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为221Mp；合金的显微组织见图1。

将合金在250℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为192Mpa。

实施例2

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金，其化学成分按照重量百分比为：Cu：6.5％，Mn：0.65％，Ni：0.55％，Cr：0.35％，Fe：0.4％，Be：0.35％，V：0.25％，Ti：0.2％，B：0.012％，Ce：2.6％，La：1.6％，余量为Al和不可避免的杂质。

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

将铝铬中间合金放入坩埚，加热至925℃，待其完全熔化后，将炉温降至790℃；

按设定的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金，铝镍中间合金，铝铍中间合金、铝钒中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料溶化后，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入覆盖剂的量为：每平方米坩埚横截面积加入0.25kg，待炉料全部熔化后，将炉温降至725℃保温18min；

待炉温稳定后，扒去熔渣，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入铝精炼剂的总量为，每吨含Fe-Be耐热铝铜合金加入2kg，在725℃下保温12min后撇渣，得到精炼金属熔液；其中铝精炼剂分两次加入，第一次压入量为铝精炼剂总质量的3/5，第二次压入余量；

步骤2，浇铸：将铸造模具预热至250℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；

步骤3，热处理：

对铸坯进行固溶+时效处理，在530℃保温8h，然后在100℃的水中淬火，在180℃下保温5h，得到含Fe-Be耐热铝铜合金。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，在250℃条件下进行拉伸实验，250℃的高温瞬时抗拉强度为263MPa。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，进行高温持久性能测试：

将合金在200℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为223Mp；

将合金在250℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为191Mpa。

实施例3

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金，其化学成分按照重量百分比为：Cu：6.0％，Mn：0.55％，Ni：0.65％，Cr：0.3％，Fe：0.35％，Be：0.3％，V：0.2％，Ti：0.22％，B：0.013％，Ce：2.9％，La：1.7％，余量为Al和不可避免的杂质。

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

将铝铬中间合金放入坩埚，加热至930℃，待其完全熔化后，将炉温降至800℃；

按设定的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金，铝镍中间合金，铝铍中间合金、铝钒中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料溶化后，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入覆盖剂的量为：每平方米坩埚横截面积加入0.3kg，待炉料全部熔化后，将炉温降至730℃保温15min；

待炉温稳定后，扒去熔渣，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入铝精炼剂的总量为，每吨含Fe-Be耐热铝铜合金加入3kg，在730℃下保温10min后撇渣，得到精炼金属熔液；其中铝精炼剂分两次加入，第一次压入量为铝精炼剂总质量的2/3，第二次压入余量；

步骤2，浇铸：将铸造模具预热至260℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；

步骤3，热处理：

对铸坯进行固溶+时效处理，在535℃保温7h，然后在100℃的水中淬火，在180℃下保温5h，得到含Fe-Be耐热铝铜合金。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，在250℃条件下进行拉伸实验，250℃的高温瞬时抗拉强度为263MPa。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，进行高温持久性能测试：

将合金在200℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为222Mp；

将合金在250℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为192Mpa。

实施例4

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金，其化学成分按照重量百分比为：Cu：6.3％，Mn：0.65％，Ni：0.7％，Cr：0.35％，Fe：0.35％，Be：0.35％，V：0.3％，Ti：0.25％，B：0.01％，Ce：3％，La：2％，余量为Al和不可避免的杂质。

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

将铝铬中间合金放入坩埚，加热至930℃，待其完全熔化后，将炉温降至785℃；

按设定的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金，铝镍中间合金，铝铍中间合金、铝钒中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料溶化后，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入覆盖剂的量为：每平方米坩埚横截面积加入0.2kg，待炉料全部熔化后，将炉温降至730℃保温15min；

待炉温稳定后，扒去熔渣，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入铝精炼剂的总量为，每吨含Fe-Be耐热铝铜合金加入2kg，在725℃下保温15min后撇渣，得到精炼金属熔液；其中铝精炼剂分两次加入，第一次压入量为铝精炼剂总质量的2/3，第二次压入余量；

步骤2，浇铸：将铸造模具预热至260℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；

步骤3，热处理：

对铸坯进行固溶+时效处理，在535℃保温7h，然后在60℃的水中淬火，在170℃下保温7h，得到含Fe-Be耐热铝铜合金。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，在250℃条件下进行拉伸实验，250℃的高温瞬时抗拉强度为264MPa。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，进行高温持久性能测试：

将合金在200℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为223Mp；

将合金在250℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为190Mpa。

实施例5

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金，其化学成分按照重量百分比为：Cu：6％，Mn：0.6％，Ni：0.6％，Cr：0.35％，Fe：0.4％，Be：0.3％，V：0.25％，Ti：0.15％，B：0.01％，Ce：2.9％，La：1.8％，余量为Al和不可避免的杂质。

本发明含Fe-Be耐热铝铜合金的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

将铝铬中间合金放入坩埚，加热至920℃，待其完全熔化后，将炉温降至788℃；

按设定的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金，铝镍中间合金，铝铍中间合金、铝钒中间合金、铝钛硼中间合金，铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料溶化后，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入覆盖剂的量为：每平方米坩埚横截面积加入0.2kg，待炉料全部熔化后，将炉温降至720℃保温20min；

待炉温稳定后，扒去熔渣，加入HZ-WYF型无烟覆盖剂，加入铝精炼剂的总量为，每吨含Fe-Be耐热铝铜合金加入1kg，在725℃下保温15min后撇渣，得到精炼金属熔液；其中铝精炼剂分两次加入，第一次压入量为铝精炼剂总质量的3/5，第二次压入余量；

步骤2，浇铸：将铸造模具预热至240℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；

步骤3，热处理：

对铸坯进行固溶+时效处理，在525℃保温9h，然后在60℃的水中淬火，在170℃下保温7h，得到含Fe-Be耐热铝铜合金。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，在250℃条件下进行拉伸实验，250℃的高温瞬时抗拉强度为260MPa。

将本实施例制备的含Fe-Be耐热铝铜合金，进行高温持久性能测试：

将合金在200℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为223Mp；

将合金在250℃条件下加热200小时后，合金拉伸试样的抗拉强度为191Mpa。

Claims (2)

1.一种含Fe-Be耐热铝铜合金，其特征在于，所述合金的化学成分按照重量百分比为:Cu:6～7％，Mn:0.5～0.7％，Ni:0.5～0.7％，Cr:0.3～0.4％，Fe:0.3～0.4％，Be:0.3～0.4％，V:0.2～0.3％，Ti:0.15～0.25％，B:0.01～0.015％，Ce:2.5～3％，La:1.5～2％，余量为Al和不可避免的杂质；所述合金在250℃的高温瞬时抗拉强度达到258～264MPa；所述合金在200℃条件下加热200小时的抗拉强度为213～223MPa，所述合金在250℃条件下加热200小时的抗拉强度为185～192MPa。

2.一种含Fe-Be耐热铝铜合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1，熔炼:

将铝铬中间合金放入坩埚，加热至920～930℃，待其完全熔化后，将炉温降至780～800℃；

按设定的合金成分，加入铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铁中间合金、铝镍中间合金、铝铍中间合金、铝钒中间合金、铝钛硼中间合金、铝稀土中间合金和铝，2/3以上的炉料熔化后，加入覆盖剂，待炉料全部熔化后，将炉温降至720～730℃保温15～20min；其中，加入覆盖剂的成分质量含量为:荧石35％，石英砂20％，工业盐45％；加入覆盖剂的量为:每平方米坩埚横截面积加入0.2～0.3kg；所述的设定的合金成分是按照重量百分比为:Cu:6～7％，Mn:0.5～0.7％，Ni:0.5～0.7％，Cr:0.3～0.4％，Fe:0.3～0.4％，Be:0.3～0.4％，V:0.2～0.3％，Ti:0.15～0.25％，B:0.01～0.015％，Ce:2.5～3％，La:1.5～2％，余量为Al和不可避免的杂质；

待炉温稳定后，扒去熔渣，加入铝精炼剂后，在725～730℃下保温10～15min后撇渣，得到精炼金属熔液；其中铝精炼剂分两次加入，第一次压入量为铝精炼剂总质量的3/5～2/3，第二次压入余量；其中，加入铝精炼剂为成分质量含量为:荧石25％，石英砂20％，工业盐55％，加入铝精炼剂的总量为:每吨含Fe-Be耐热铝铜合金加入1～3kg；

步骤2，浇铸:将铸造模具预热至240～260℃，将精炼金属熔液浇注成铸坯；

步骤3，热处理:

对铸坯进行固溶+时效处理，在525～535℃保温7～9h，然后在60～100℃的水中淬火，在170～180℃下保温5～7h，得到含Fe-Be耐热铝铜合金。