CN105603237A - 一种含钪的铸造导电铝合金及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种含钪的铸造导电铝合金及其制备工艺，导电铝合金主要由铝、钪组成，钪含量为0.2-0.4wt.％，杂质铁含量低于0.1wt.％，铝为余量。制备工艺：熔铝、精炼并静置后加入Al-3wt.％Sc中间合金，保温30分钟，通过化学成分测定，将合金中Sc的含量控制在0.2-0.4wt.％之间，真空静置后浇铸，得到含有5-10um的ScAl₃颗粒的导电铝合金的铸锭/铸件，((620-640)℃×24h+(280-300)℃×3h)固溶处理时效处理。本发明通过添加钪元素，细化了晶粒，并且热处理过程中析出了大量的ScAl₃颗粒，在保证合金具有优异的铸造性能和导电性能基础上提高了合金的力学性能。

Description

一种含钪的铸造导电铝合金及其制备工艺

技术领域

本发明属于有色金属冶炼和加工技术领域，具体涉及到一种含钪的铸造导电铝合金及其制备工艺。

背景技术

自2002年之后，中国汽车工业开始进入爆发式增长阶段，2009年中国成为当年世界最大汽车市场后，产销量连续世界第一。但是汽车工业的快速增长给环境和能源带来了巨大的压力，同样地，能源和环境也成为了我国汽车工业可持续发展的重要制约因素，汽车轻量化成为汽车节能减排的重要手段。

目前，汽车用导电构件还是以铜合金为主导，而铝的密度只有铜的1/3，用铝取代铜可以显著地降低汽车自重。但是采用铝的导电构件，如发动机转子和线路连接器等，大多沿用架空铝导线中采用的6101导电铝合金或工业纯铝铸造成型。6101导电铝合金是一种Al-Mg-Si合金，中等含量的Mg和Si加入到铝中形成Mg₂Si相，使得合金具有良好的力学性能和一定的导电性能，但是该合金的铸造性能差，特别是热裂倾向非常大，成品率很低。而纯铝导电构件具有优异的导电性能和铸造性能，但是强度极低，不能满足要求。因此需要开发出一种同时具有优异的导电性能、力学性能和铸造性能的合金来代替目前所用的导电铝合金。

发明内容

为了克服现有技术领域存在的问题，本发明的目的在于，提供一种铸造性能好、流动性高、热裂倾向小且力学性能好的含钪的铸造导电铝合金及其制备工艺。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种含钪的铸造导电铝合金，主要由铝、钪组成，钪含量为0.2-0.4wt.％，杂质铁含量低于0.1wt.％，铝为余量，合金铸态下组织特征是晶粒得到显著的细化，平均晶粒尺寸在205um以下，合金热处理态下组织特征是析出了大量的ScAl₃颗粒。

本发明所述的一种含钪的铸造导电铝合金的制备工艺，包括以下步骤：

第一步：将纯铝锭加热熔化，形成熔体；

第二步：于710-730℃时加入0.6wt.％六氯乙烷进行精炼且六氯乙烷为铸造导电铝合金中铝的加入质量的0.6％，静置10分钟后，加入Al-3wt.％Sc中间合金，710-730℃下保温30分钟，并通过化学成分测定，将合金中Sc的含量控制在0.2-0.4wt.％之间，杂质Fe的含量低于0.1wt.％；

第三步：随后进行真空静置30-60分钟，于710-720℃浇入到金属模具中，凝固后得到含有5-10um的ScAl₃颗粒的导电铝合金的铸锭/铸件；

第四步：对铸锭/铸件进行620-640℃下的固溶处理24h，使凝固过程中析出的ScAl₃部分固溶进入到铝基体中，ScAl₃颗粒尺寸变小，同时析出200-300nm的ScAl₃颗粒，然后再进行280-300℃下的3h时效处理，析出5-50nm的ScAl₃颗粒，最终得到包含有5-50nm及200-300nm的ScAl₃颗粒的含钪的铸造导电铝合金。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明的铸造导电铝合金通过在纯铝中加入钪元素，显著细化了晶粒，平均晶粒尺寸在205um以下，从而提高了合金的力学性能。

2.本发明的铸造导电铝合金在热处理前后合金中的ScAl₃形貌状态大致经历以下几个阶段：(1)凝固过程中，合金中析出5-10um大小的ScAl₃颗粒，如图1(a)；(2)通过(620-640)℃×24h的固溶处理，凝固过程中析出的ScAl₃部分固溶进入到铝基体中，ScAl₃颗粒尺寸变小，如图1(b)。同时析出200-300nm大小的ScAl₃颗粒，如图2(a)；(3)通过(280-300)℃×3h的时效处理，固溶过程中析出的ScAl₃颗粒尺寸大小不变，如图2(b)，同时析出大量的5-50nm的ScAl₃颗粒，如图2(c)。合金的TEM衍射花样如图3所示，证明合金中这些析出相为ScAl₃颗粒，并显示出ScAl₃与铝基体存在良好的共格关系，原子匹配度好，界面能低。同时由于ScAl₃颗粒可以起到钉扎位错的作用，使得合金的力学性能提高。尺寸细小的ScAl₃颗粒(5-50nm)可以显著的提高合金的力学性能，尺寸较大的ScAl₃颗粒(200-300nm)对合金力学性能的提高也起到了一定的作用。

3.本发明的铸造导电铝合金是在纯铝中加入少量的钪形成的合金，保证了所发明的合金具有优异的铸造性能，流动性高、热裂倾向小。同时导电性能大于55％ICAS，高于汽车用导电构件的要求。

附图说明

图1本发明合金固溶前后((620-640)℃×24h)ScAl₃颗粒的SEM照片，其中(a)为固溶前；(b)为固溶后。

图2本发明合金热处理过程中((620-640)℃×24h+(280-300)℃×3h)析出不同尺寸的ScAl₃颗粒，其中(a)为固溶后；(b)和(c)为时效后。

图3本发明合金TEM衍射花样，显示ScAl₃与铝基体具有良好的共格关系。

图4本发明合金晶粒尺寸随Sc含量的变化，显示Sc的加入显著细化了晶粒，其中(a)为样品S0；(b)为样品S1；(c)为样品S2。

具体实施方式

本发明所述的一种含钪的铸造导电铝合金，主要由铝、钪组成，其特征是，钪含量为0.2-0.4wt.％，杂质铁含量低于0.1wt.％，铝为余量，合金铸态下组织特征是晶粒得到显著的细化，平均晶粒尺寸在205um以下，合金热处理态下组织特征是析出了大量的ScAl₃颗粒。它主要采用纯铝锭(纯度≥99.8wt.％)、Al-3wt.％Sc中间合金为原料，利用电炉(包括但不限于电阻炉、感应电炉)熔炼以及铁模铸造来制备铸锭/铸件，并对铸锭/铸件进行了固溶时效热处理((620-640)℃×24h+(280-300)℃×3h)，使得晶粒得到细化，平均晶粒尺寸在205um以下，显著提高了合金的力学性能。热处理态下析出了大量的ScAl₃颗粒，大幅度提高了合金的力学性能，具有优异的铸造性能，热裂倾向小，导电性能大于55％ICAS，高于汽车用导电构件的要求。

本发明所述的一种含钪的铸造导电铝合金的制备工艺，包括以下步骤：

第一步：将纯铝锭加热熔化，形成熔体，其中，纯铝锭的纯度≥99.8wt.％，在纯度≥99.8wt.％的纯铝中加入0.2-0.4wt.％的Sc，在保证合金具有优异的导电性能和铸造性能的基础上，通过细晶强化、固溶强化、析出强化等提高合金的力学性能。加热熔化采用电炉，包括但不限于电阻炉、感应电炉；

第二步：于710-730℃时加入0.6wt.％六氯乙烷进行精炼且六氯乙烷为铸造导电铝合金中铝的加入质量的0.6％，静置10分钟后，加入Al-3wt.％Sc中间合金，Al-3wt.％Sc中间合金的获得方式很多，本发明中所用的Al-3wt.％Sc中间合金为购买所得，710-730℃下保温30分钟，并通过化学成分测定，将合金中Sc的含量控制在0.2-0.4wt.％之间，Sc含量控制方法很多，本实施例中的Sc含量的控制是根据前期实验中所测得的Sc的烧损率，在配料过程中根据烧损率计算所需Al-3wt.％Sc中间合金的量，从而确保熔炼的合金中Sc含量符合要求，杂质Fe的含量低于0.1wt.％；

第三步：随后进行真空静置30-60钟，于710-720℃浇入到金属模具中，凝固后得到含有5-10um的ScAl₃颗粒的导电铝合金的铸锭/铸件；

第四步：对铸锭/铸件进行620-640℃下的固溶处理24h，使凝固过程中析出的ScAl₃部分固溶进入到铝基体中，ScAl₃颗粒尺寸变小，同时析出200-300nm的ScAl₃颗粒，再进行280-300℃下的3h时效处理，析出5-50nm的ScAl₃颗粒，最终得到包含有5-50nm及200-300nm的ScAl₃颗粒的含钪的铸造导电铝合金。实施例1：

采用电阻炉熔炼以及铁模铸造制备铸锭/铸件，所用原料为纯铝锭(纯度≥99.8wt.％)，Al-3wt.％Sc中间合金。具体的熔炼方法为：将纯铝锭放入石墨坩埚中加热至750-770℃搅拌熔清，降温至710-730℃做精炼处理(精炼剂为C₂Cl₆)，静置10分钟，720-730℃下加入Al-3wt.％Sc中间合金，最后进行抽真空直至炉内真空度达到-0.1MPa，静置1h后将铝液浇注到金属模具内。熔炼过程中使用的与熔体接触的工具，包括撇渣勺、钟罩等，需进行喷覆氧化锌涂料处理，防止熔炼过程中熔体中引入外来杂质，严格控制杂质Fe的含量。制备了3种不同成分的合金，通过MAXxLMF15型直读光谱仪测试了实际成分，如表1所示。对制备的三种合金进行(620-640)℃×24h+(280-300)℃×3h的固溶时效热处理。表2给出了三种合金铸态和热处理态下的力学性能和导电性能。

表1不同钪含量合金的实际化学成分

表2不同钪含量合金铸态与热处理态下力学性能与导电性能

从图4可以看出，随着合金中Sc含量的增加，晶粒尺寸得到显著的细化，S0合金的平均晶粒尺寸为820um，而S2合金的平均晶粒尺寸在205um以下。从表2中可以看出，随着Sc含量的增加，合金的力学性能得到大幅度提高，S1合金铸态和热处理态下的抗拉强度分别提高到97.47MPa和124.21MPa，S2合金力学性能最优，铸态和热处理态下的抗拉强度分别为137.43MPa和192.74MPa。Sc元素的加入略微降低了合金的导电性能，S2合金铸态下导电性能为52.06％ICAS，经过热处理后导电性能达到55.02％ICAS，高于汽车用导电构件的要求。

Claims (6)

1.一种含钪的铸造导电铝合金，主要由铝、钪组成，其特征是，钪含量为0.2-0.4wt.％，杂质铁含量低于0.1wt.％，铝为余量，合金铸态下组织特征是晶粒得到显著的细化，平均晶粒尺寸在205um以下，合金热处理态下组织特征是析出了大量的ScAl₃颗粒。

2.如权利要求1所述的含钪的铸造导电铝合金，其特征是，主要采用纯铝锭(纯度≧99.8wt.％)、Al-3wt.％Sc中间合金为原料，利用电炉(包括但不限于电阻炉、感应电炉)熔炼以及铁模铸造来制备铸锭/铸件，并对铸锭/铸件进行了固溶时效热处理((620-640)℃×24h+(280-300)℃×3h)。

3.如权利要求1所述的含钪的铸造导电铝合金，其特征是，晶粒得到细化，平均晶粒尺寸在205um以下，显著提高了合金的力学性能。

4.如权利要求1所述的含钪的铸造导电铝合金，其特征是，热处理态下析出了大量的ScAl₃颗粒，大幅度提高了合金的力学性能。

5.如权利要求1所述的含钪的铸造导电铝合金，其特征是，具有优异的铸造性能，热裂倾向小，导电性能大于55％ICAS，高于汽车用导电构件的要求。

6.一种权利要求1所述含钪的铸造导电铝合金的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：将纯铝锭加热熔化，形成熔体；

第二步：于710-730℃时加入六氯乙烷进行精炼且六氯乙烷为铸造导电铝合金中铝的加入质量的0.6％，静置10分钟后，加入Al-3wt.％Sc中间合金，710-730℃下保温30分钟，并通过化学成分测定，将合金中Sc的含量控制在0.2-0.4wt.％之间，杂质Fe的含量低于0.1wt.％；

第三步：随后进行真空静置30-60分钟，于710-720℃浇入到金属模具中，凝固后得到含有5-10um的ScAl₃颗粒的导电铝合金的铸锭/铸件；

第四步：对铸锭/铸件进行620-640℃下的固溶处理24h，使凝固过程中析出的ScAl₃部分固溶进入到铝基体中，ScAl₃颗粒尺寸变小，同时析出200-300nm的ScAl₃颗粒，然后再进行280-300℃下的3h时效处理，析出5-50nm的ScAl₃颗粒，最终得到包含有5-50nm及200-300nm的ScAl₃颗粒的含钪的铸造导电铝合金。