CN106011507A - 一种Al-Mg-Si-Y稀土铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属合金技术领域，尤其涉及一种Al‑Mg‑Si‑Y稀土铝合金及其制备方法。其特征在于：在6082合金的基体中加入了占最终产物Al‑Mg‑Si‑Y稀土铝合金重量百分比为0.1％～0.7％的稀土Y元素。由于加入了微量的稀土Y元素，细化了合金的二次枝晶组织，减小了共晶化合物尺寸的同时，改善了合金中粗大化合物相AlFeMnSi、AlFeSi相的形貌，由原来硬脆的针状或粗大的骨骼状变成细小、破碎的团球状，棱角钝化，降低了富铁杂质相的危害，避免了拉伸过程中应力集中的产生，合金的综合性能得到改善，其最大抗拉强度较未添加Y提高了10％，合金的塑性较未添加Y，合金的伸长率提高了83.9％。

Description

一种Al-Mg-Si-Y稀土铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于金属合金技术领域，尤其涉及一种Al-Mg-Si-Y稀土铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金是现代工业技术中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造及化学工业中被广泛使用。Al-Mg-Si系铝合金具有优良的耐蚀性、良好的热塑性以及理想的综合机械性能，该系以6061、6082铝合金为代表的工业型材用途非常广泛。Al-Mg-Si系铝合金的主要合金元素为Mg和Si，另外还有少量的Fe、Mn、Cu、Zn、Zr、Ti等元素。合金中加入Si的目的是改善合金的流动性，降低热裂倾向、改善气密性、尽量减少疏松等缺陷；Mg的作用是与Si形成强化相Mg2Si，Mg2Si作为Al-Mg-Si系铝合金的主要强化相，对合金的性能有决定性的作用。然而，该系铝合金也存在强度偏低、抗蠕变性能差、模量低等缺点，不能满足更高性能的要求。目前，提高Al-Mg-Si系铝合金的强度，改善其塑性，是当前研究的主要方向。
当前，通过添加其它金属元素改善合金的性能已成为研究的趋势。加入Cu可明显提高合金的强度和硬度，但塑性降低；Cr和Ti的加入可以减少合金铸态组织中粗大含Fe杂质相β(Al9Fe2Si2)的数量，促进了尺寸较小、形状较利于变形的α(Al12(Fe，Cr)3Si)相的形成，增加了含Fe弥散相的体积分数。Mn和Zr同时添加对再结晶的抑制效果效果最明显，提高合金的再结晶温度，再结晶晶粒细化。目前已有的研究中，添加稀土元素也是经常采用的办法，稀土元素Ce的加入可以提高合金的抗拉强度，冷拉状态型材的延伸率降低，人工时效状态型材的延伸率增大，但合金抗晶间腐蚀能力明显下降。Er的加入可以有效细化铸态晶粒，减小枝晶间距，但Er活性较高，在Al-Mg-Si合金中形成较多Er5Si3相，消耗了合金中的Si，导致合金主要强化相Mg2Si数量的减少，合金强度降低。现有研究表明，在所有微合金化元素中，稀土元素Sc的微合金化效果最好，Sc微合金化大幅度提高了时效态合金的强度，同时保持了合金的塑性。然而其价格非常昂贵，提高了生产成本，无法实现工业化批量生产。因此，寻找具有微合金化效果类似于Sc且价格低廉适于企业批量化生产的稀土元素成为当前研究的热点。本实验发现在Al-Mg-Si合金中加入稀土Y微合金化效果显著，细化合金晶粒的同时改善合金组织中粗大脆性相AlFeMnSi、AlFeSi相的形貌，有效提高了合金的强度和塑性。目前，Y对Al-Mg-Si系铝合金力学性能的影响尚无报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的Al-Mg-Si-Y铝合金，其综合性能好，合金的最大抗拉强度较未添加Y提高了10％，同时大幅度提高了合金的塑性，较未添加Y，合金的伸长率提高了83.9％。
本发明所提供的Al-Mg-Si-Y新型铝合金，其特征在于：在6082合金的基体中加入了占最终产物Al-Mg-Si-Y稀土铝合金重量百分比为0.1％～0.7％的稀土Y元素。
稀土Y的优选含量范围为最终产物总重量的0.45％～0.55％。
稀土Y的最佳含量范围为最终产物总重量的0.5％。
该合金的制备方法是以6082铝合金及经真空熔炼的Al-10Y中间合金为原料，制备不同Y含量的Al-Mg-Si-Y铝合金；采用电阻炉将6082铝合金加热至750℃熔炼，加入Al-10Y中间合金，保温20分钟，期间每隔5分钟用石墨棒搅拌一次，之后用C2Cl6除气精炼，扒除表层浮渣，浇铸温度为700℃，浇铸模具采用铜模，模具预热温度200～250℃。
本发明由于加入了微量的稀土Y元素，细化了合金的二次枝晶组织，减小了共晶化合物尺寸的同时，改善了合金中粗大化合物相AlFeMnSi、AlFeSi相的形貌，由原来硬脆的针状或粗大的骨骼状变成细小、破碎的团球状，棱角钝化，降低了富铁杂质相的危害，避免了拉伸过程中应力集中的产生，合金的综合性能得到改善，其最大抗拉强度较未添加Y提高了10％，同时显著提高了合金的塑性，较未添加Y，合金的伸长率提高了83.9％。
附图说明
图1为合金显微组织的金相图片；(a)未添加Y；(b)Y含量为0.5wt％。
图2为Y质量百分比为0.5％时的合金显微组织的SEM图像。
图3为Y质量百分比为0.5％时的合金显微组织SEM图像A点的能谱分析。
图4为合金显微组织的SEM图片；(a)未添加Y；(b)Y含量为0.5wt％。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施方案进一步描述
实施例1
采用常规重力铸造制备Al-Mg-Si-Y合金，所用的原料为6082铝合金和Al-10Y中间合金；首先将6082铝合金676.4g放入石墨坩埚中，在电阻炉中熔炼合金，熔炼温度为750℃；待合金完全熔化后，加入Al-10Y中间合金6.76g，保温20分钟，期间每隔5分钟用石墨棒搅拌一次，之后用C2Cl6除气精炼，扒除表层浮渣，浇铸温度为700℃，浇铸采用铜模，模具预热温度200～250℃，制备得到Y质量分数为0.1％的Al-Mg-Si-Y合金。
实施例2
采用常规重力铸造制备Al-Mg-Si-Y合金，所用的原料为6082铝合金和Al-10Y中间合金；首先将6082铝合金639.6g放入石墨坩埚中，在电阻炉中熔炼合金，熔炼温度为750℃；待合金完全熔化后，加入Al-10Y中间合金19.19g，保温20分钟，期间每隔5分钟用石墨棒搅拌一次，之后用C2Cl6除气精炼，扒除表层浮渣，浇铸温度为700℃，浇铸采用铜模，模具预热温度200～250℃；制备得到Y质量分数为0.3％的Al-Mg-Si-Y合金。
实施例3
采用常规重力铸造制备Al-Mg-Si-Y合金，所用的原料为6082铝合金和Al-10Y中间合金；首先将6082铝合金710.7g放入石墨坩埚中，在电阻炉中熔炼合金，熔炼温度为750℃；待合金完全熔化后，加入Al-10Y中间合金35.54g，保温20分钟，期间每隔5分钟用石墨棒搅拌一次，之后用C2Cl6除气精炼，扒除表层浮渣，浇铸温度为700℃，浇铸采用铜模，模具预热温度200～250℃；制备得到Y质量分数为0.5％的Al-Mg-Si-Y合金。
实施例4
采用常规重力铸造制备Al-Mg-Si-Y合金，所用的原料为6082铝合金和Al-10Y中间合金；首先将6082铝合金655.3g放入石墨坩埚中，在电阻炉中熔炼合金，熔炼温度为750℃。待合金完全熔化后，加入Al-10Y中间合金45.87g，保温20分钟，期间每隔5分钟用石墨棒搅拌一次，之后用C2Cl6除气精炼，扒除表层浮渣，浇铸温度为700℃，浇铸采用铜模，模具预热温度200～250℃；制备得到Y质量分数为0.7％的Al-Mg-Si-Y合金。
将上述四个实验获得的铸锭及一个基体6082合金铸锭按GB228-2002金属材料室温拉伸试验方法加工成拉伸试样，然后经后期热处理(550℃535淬火+175℃565时效)后，在ESH-50型万能材料试验机上测试不同Y含量合金的室温拉伸力学性能。
表1合金热处理后化学成分与力学性能指标
由表1可以看出，当Y的添加量为0.5wt％时，合金的抗拉强度为330Mpa，延伸率为11.4％，未添加Y时合金的抗拉强度为300Mpa，延伸率为6.2％，较未添加Y时强度提高了10％，塑性提高了83.9％，可以看出，添加了0.5wt％的Y后，提高了合金的强度，同时显著提高了合金的塑性，效果最好。
将实验例3制得的铸锭和基体6082合金铸锭截取尺寸为10×10×10㎜的正方体试样，经打磨、抛光后，采用金相显微镜观察其显微组织形貌，如附图1所示，可以看出，对比基体的金相组织，加入稀土Y后，组织中的晶粒得到明显细化，合金的二次枝晶组织明显变小。
根据附图2、3所示，分析其原因，稀土Y加入后，可以形成Y5Si3、Al3Y、Al6Cu6Y等化合物相，在合金凝固过程中这些相消耗了液体中的Si、Cu等元素，导致部分合金相形成的温度范围有所改变，使得残余共晶液体数量减少，细化了多元共晶组织，抑制了粗大共晶体的形成。
稀土Y对Al-Mg-Si合金组织的细化效果明显，由附图2、3分析可得，Y和Si生成了Y5Si3化合物相，减小了合金组织中游离Si的存在，游离的杂质Si严重影响合金的韧性指标，同时也使得组织中的针状脆性相(AlFeSi)相的数量减少，因而减轻了由针状相造成的局部区域应力集中，材料的强度和韧性得到改善。同时，稀土Y和铝基体及Si生成的稀土化合物熔点较高、稳定性强，能有效阻止高温下的晶界滑移，有利于增加合金的拉伸强度及热稳定性。
由表1看出，当Y的添加量超过0.5wt％后，合金的强度和塑性反而下降，这是由于当加入的稀土含量过高时，材料组织中生成了大量含稀土化合物相，这类相结构复杂，与铝基体的性能差异极大，在相和基体的边界处衔接性质差，可能产生裂纹扩展源，导致材料性能降低。
另一方面，本实验采用的基体合金为6082铝合金，除Al、Mg、Si主要元素以外，还含有Mn、Cu、Fe等元素。合金凝固过程中，这些杂质元素富集于固液界面前沿，形成粗大、硬脆、具有较强热缩性的AlFeMnSi、AlFeSi相，如附图3所示。该相在铝镁硅合金中一般为杂质相，严重割裂了基体，易使铸锭有较大的热脆性、产生裂纹，这种富铁相还会成为应力集中源，降低了合金的强度和塑性。然而，由于稀土元素Y的加入，发现组织中富铁相形貌发生改变，由原来硬脆的针状或粗大的骨骼状变成细小、破碎的团球状，棱角钝化，降低了富铁杂质相的危害，避免了拉伸过程中应力集中的产生，提高了合金的强度和塑性。出现这种变化的原因主要是稀土元素Y进入到富铁相中，置换了富铁相中的Fe原子，形成AlYSi、AlYMnSi化合物，改善了Fe相的组成和形态，因而合金的力学性能得到改善。

Claims (4)

1.一种Al-Mg-Si-Y稀土铝合金，其特征在于：在6082合金的基体中加入了占最终产物Al-Mg-Si-Y稀土铝合金重量百分比为0.1％～0.7％的稀土Y元素，同时提高合金的抗拉强度和塑性。
2.如权利要求1所述的一种Al-Mg-Si-Y稀土铝合金，其特征在于：在6082合金的基体中加入了占最终产物Al-Mg-Si-Y稀土铝合金重量百分比为0.45％～0.55％的稀土Y元素。
3.如权利要求1或2所述的一种Al-Mg-Si-Y稀土铝合金，其特征在于：在6082合金的基体中加入了占最终产物Al-Mg-Si-Y稀土铝合金重量百分比为0.5％的稀土Y元素，合金的抗拉强度为330Mpa，延伸率为11.4％，较未添加Y时抗拉强度提高了10％，塑性提高了83.9％。
4.如权利要求1所述的一种Al-Mg-Si-Y稀土铝合金的制备方法，其特征在于：采用电阻炉将6082铝合金加热至750℃熔炼，加入Al-10Y中间合金，保温20分钟，期间每隔5分钟用石墨棒搅拌一次，之后用C2Cl6除气精炼，扒除表层浮渣，浇铸温度为700℃，浇铸模具采用铜模，模具预热温度200～250℃。
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