CN106148769A - 一种铝锶系列合金棒材及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝锶系列合金棒材及其制备工艺，该合金棒材包括铝和锶，其重量百分比为(91.4～81.6):(8.6～18.4)，耐热温度为680℃，拉伸强度265MPa；铝锶系列合金棒材由铝锶合金棒体和含铝包裹层组成，含铝包裹层包裹于铝锶合金棒体上，铝锶合金棒体包括铝和锶，含铝包裹层包括铝，铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的锶及含铝包裹层中的铝的重量百分比为(53～86.23)：(21～7.64)：(26～6.13)。本发明制备工艺简单，成材率高，降低了制造成本，大大提高了铝合金材料的耐高温特性、热疲劳强度、散热性好。同时上述配方组成科学合理，配方简单，容易实施。

Description

一种铝锶系列合金棒材及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种铝锶系列合金棒材及其制备工艺，尤其是涉及一种铝合金变质剂用铝锶系列合金棒材及其制备工艺。

背景技术

铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。而耐热铝合金则是冷战期间发展起来的。耐热高强铝合金适用于在400℃以下的热环境中长期承受较大的工作载荷，在汽车发动机等领域得到越来越多的应用。除了汽车发动机与高温燃气接触的部件之外，其余高温高压强动力部件，例如汽车轮毂、航空涡轮发动机，均可采用耐热高强铝合金铸造。

铝合金在铸造过程中存在增铁、氧化和吸气三大问题，使得铝合金出现变质问题，例如铸造性能、力学性能，尤其耐热耐高温性能明显恶化；其高温强度较低(250℃以上瞬时抗拉强度小于200Mpa，持续强度小于100Mpa)、配方成本高、铸造性能差、铸件合格率低、废品料及渣料回用性差等缺陷，造成铸件质量差、成本高、渣料处理流程长等问题。此外，近年来申报的多数耐热铝合金专利新配方中也都含有贵重元素如铂、钒、钴等，而且铸造性能差，并且制造成本高，质量无法满足航空技术进步的要求，不适于产业化生产应用。铝合金熔炼的核心环节是熔体的高质化处理，它也是获得优质铝合金材料的基础和前提。高质化处理包括两个方面：一是纯净化，二是结构单元细化及均匀化。前提主要是采取把杂志固体化滤除和“以气除气”的方法降低熔体杂质和氢含量，工艺过程会产生废渣和废气；后者通常称为变质处理，是通过添加剂来采取机械、物理方法使构成铝合金熔体及固溶体的基本单元—结晶体—的尺寸变得尽可能的小、分布尽可能均匀，因添加剂进入合金熔体，成为合金的有效成分，因而整个过程中不产生废渣和废气。变质处理特别是使用高效变质剂是调整铝合金铸态组织的根本手段。

根据熔体结晶理论，作为变质剂加入的添加剂应该满足以下要求：

(1)在高温下化学成分不变，在铝熔体中有足够的稳定性；

(2)添加剂的熔点应比铝高；

(3)添加剂和铝的晶格在结构尺寸上应相适应；

(4)与被处理的熔体原子形成强而有力的吸附键。

实践证明，采用适当的变质剂对变形铝合金材料的性能具有良好的改善作用。

锶对铝合金的变质作用可持续数小时不衰退，有效时间长，经多次重熔后仍具有变质效果，无过变质行为，对坩埚和工具无腐蚀作用，所以铝锶合金已成为工业应用的最佳变质剂。采用铝锶合金进行变质处理可用锭块和棒(线)材两种形状，两者相比，棒材具有组织细小致密，成分均匀，容易熔化，操作工艺简单，便于连续生产，变质效果好等优点，国内和国外的大型铝轮毂厂都使用铝锶合金棒(线)材进行变质处理。工业上一般采用AlSr10(含Sr9～11％)合金作为变质剂，根据Al-Sr二元合金相图，AlSr10合金的熔点在750～830℃，显微组织是Al₄Sr+(Al+Al₄Sr)共晶体，由于Al₄Sr为金属化合物，性脆，在合金中呈条块状分布，所以该合金性脆、塑性差，变形抗力较大，变形加工困难，不能采用热轧工艺加工成线材；亦很难采取常规的挤压工艺生产出质量良好的棒材，易产生竹节、横向裂纹、表面粗糙、起皮、灰黑等缺陷，当合金中增加Sr含量或添加其他合金元素(如Ti、B、C、RE等)时，由于增多了Al₄Sr、TiB₂、TiC、Al₄Ce等脆性金属化合物，变形性能更差，则无法生产质量合格的棒材。

因此，如何对现有的铝轮毂厂的铝合金变质剂的含量问题进行改进，例如选择合适的元素配方比，进而提高整个铝锶合金棒(线)的强度和耐热性，是目前本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对目前耐高温铝合金领域存在的高温强度低、耐久性不足、散热性低等技术难题，通过优选合金主元素与变质剂锶的配方比，提供一种铝锶系列合金棒材及其制备工艺，本发明制备工艺简单，成材率高，降低了制造成本，大大提高了铝合金材料的耐高温特性、热疲劳强度、散热性好。

本发明的技术方案是：一种铝锶系列合金棒材及其制备工艺，该合金棒材包括铝和锶，其重量百分比为(91.4～81.6):(8.6～18.4)，耐热温度为680℃，拉伸强度265MPa；铝锶系列合金棒材由铝锶合金棒体和含铝包裹层组成，含铝包裹层包裹于铝锶合金棒体上，铝锶合金棒体包括铝和锶，含铝包裹层包括铝，铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的锶及含铝包裹层中的铝的重量百分比为(53～86.23)：(21～7.64)：(26～6.13)。

本发明所述铝锶系列合金棒材的工艺是：

第一步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将铝锶合金棒体部分的铝加热至790℃～1200℃，精炼除气后采取密封法加入铝锶合金棒体部分的锶，搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成得到铝锶合金棒体挤压坯；

第二步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将含铝包裹层部分的铝加热至790℃～860℃，精炼除气后采取密封法加入含铝包裹层部分的锶，搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成与锭坯形状、尺寸配套的含铝包裹层，再将含铝包裹层套在铝锶合金棒体；

第三步：将套有含铝包裹层的铝锶合金棒体坯加热至320℃～580℃，以5～20m/min的挤压速度，将其复合挤压成棒材。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明铝锶系列合金棒材变质细化元素含量高(13～22wt％)，其变质效果好，加入量少，变质处理成本低；它们适用范围广，可用于多种铸造铝合金；Al-Sr系列棒材适用于铝硅合金的变质，Al-Sr-RE系列棒材在变质过程中RE可减轻Sr的吸氢危害，有复合变质作用，Al-Sr-Ti-B系列棒材适用于不含Zr、Cr、Mn等对B有“毒化”作用元素的亚共晶类铝硅合金的变质和铝基体细化处理。

本发明利用包裹在挤压锭坯外部诸如铝或锶系列合金中的同类合金等良好塑性材料(含量小于5％重量百分比合金化元素)与铝锶系列合金一起进行复合挤压，改善了挤压工艺性能，弥补了单纯的高含量铝锶系列合金难以挤压成型的缺陷。此外，本发明不仅适合挤压成型工艺，而且也满足了变质剂用棒材对成分要求准确、对杂质要求少、对表面要求光滑、对组织要求细密，而对力学性能则无过高要求等特点。

本发明制备工艺简单，成材率高，降低了制造成本，大大提高了铝合金材料的耐高温特性、热疲劳强度、散热性好。同时上述配方组成科学合理，配方简单，容易实施；用此材料制成的轮毂，大大提高了产品的使用寿命，产品极具特色，市场前景广阔。

具体实施方式

实施例1

一种涉及铝合金变质剂用铝锶系列合金棒材，包括铝和锶，铝和锶的重量百分比为(91.4～81.6):(8.6～18.4)，铝锶系列合金棒材由铝锶合金棒体和含铝包裹层组成，含铝包裹层包裹于铝锶合金棒体上，铝锶合金棒体包括铝和锶，含铝包裹层包括铝，铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的锶及含铝包裹层中的铝的重量百分比为(53～86.23)：(21～7.64)：(26～6.13)。

其制备工艺是：

第一步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将铝锶合金棒体部分的铝加热至790℃～1200℃，精炼除气后采取密封法加入铝锶合金棒体部分的锶，搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成得到铝锶合金棒体挤压坯；

第二步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将含铝包裹层部分的铝加热至790℃～860℃，精炼除气后搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成与锭坯形状、尺寸配套的含铝包裹层，再将含铝包裹层套在铝锶合金棒体；

第三步：将套有含铝包裹层的铝锶合金棒体坯加热至320℃～580℃，以5～20m/min的挤压速度，将其复合挤压成棒材。

实施例2

一种涉及铝合金变质剂用铝锶系列合金棒材，包括铝和锶，铝和锶的重量百分比为(91.4～81.6):(8.6～18.4)，在本次实施例中，铝锶合金棒材由铝、锶及稀土组成，含铝包裹层由铝和稀土组成，铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的锶、铝锶合金棒体中的稀土、含铝包裹层中的铝及含铝包裹层中的稀土的重量百分比为(52～81.75)：(17～8.36)：(8～3.65)：(23～3.55)：(0～2.69)。

其制备工艺是：

第一步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将铝锶合金棒体部分的铝加热至790℃～1200℃，精炼除气后采取密封法加入铝锶合金棒体部分的锶，然后，加入铝锶合金棒体部分的稀土，搅拌均匀、除渣、浇入铁模，得到铝锶合金挤压坯；

第二步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将含铝包裹层部分的铝加热至790℃～860℃，精炼除气后加入含铝包裹部分的稀土，搅拌均匀、除渣、浇入铁模、铸成与棒体坯形状、尺寸配套的含铝包裹层，再将含铝包裹层套在铝锶合金棒体挤压坯外部；

第三步：将套有含铝包裹层的铝锶合金棒体坯加热至320℃～580℃，以5～20m/min的挤压速度，将其复合挤压成棒材。

实施例3

一种涉及铝合金变质剂用铝锶系列合金棒材，包括铝和锶，铝和锶的重量百分比为(91.4～81.6):(8.6～18.4)，在本次实施例中，铝锶合金棒材由铝、锶、钛及硼组成，含铝包裹层由铝组成，铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的锶、铝锶合金棒体中的钛、铝锶合金棒体中的硼、含铝包裹层中的铝的重量百分比为(50～83.25)：(23～7.16)：(0～4)：(0.4～1)：(26.6～4.59)。

其制备工艺是：

第一步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的钛及铝锶合金棒体中的硼加热至900℃～1100℃，精炼除气后采取密封法加入铝锶合金棒体部分的锶，搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成铝锶合金棒体挤压坯；

第二步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将含铝包裹层中的铝加热至790℃～860℃，精炼除气后搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成与棒体坯形状、尺寸配套的含铝包裹层，再将含铝包裹层套在铝锶合金棒体挤压坯外部；

第三步：将套有含铝包裹层的铝锶合金棒体坯加热至320℃～580℃，以5～20m/min的挤压速度，将其复合挤压成棒材。

Claims (4)

1.一种铝锶系列合金棒材，其特征是该合金棒材包括铝和锶，其重量百分比为91.4～81.6:8.6～18.4，耐热温度为680℃，拉伸强度265MPa；铝锶系列合金棒材由铝锶合金棒体和含铝包裹层组成，含铝包裹层包裹于铝锶合金棒体上。

2.如权利要求1所述的铝锶系列合金棒材，其特征是铝锶合金棒体包括铝和锶，含铝包裹层包括铝，铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的锶及含铝包裹层中的铝的重量百分比为53～86.23：21～7.64：26～6.13；

其制备工艺是：

第一步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将铝锶合金棒体部分的铝加热至790℃～1200℃，精炼除气后采取密封法加入铝锶合金棒体部分的锶，搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成得到铝锶合金棒体挤压坯；

第二步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将含铝包裹层部分的铝加热至790℃～860℃，精炼除气后采取密封法加入含铝包裹层部分的锶，搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成与锭坯形状、尺寸配套的含铝包裹层，再将含铝包裹层套在铝锶合金棒体；

第三步：将套有含铝包裹层的铝锶合金棒体坯加热至320℃～580℃，以5～20m/min的挤压速度，将其复合挤压成棒材。

3.如权利要求1所述的铝锶系列合金棒材及其制备工艺，其特征是铝锶合金棒材由铝、锶及稀土组成，含铝包裹层由铝和稀土组成，铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的锶、铝锶合金棒体中的稀土、含铝包裹层中的铝及含铝包裹层中的稀土的重量百分比为52～81.75：17～8.36：8～3.65：23～3.55：0～2.69；

其制备工艺是：

第一步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将铝锶合金棒体部分的铝加热至790℃～1200℃，精炼除气后采取密封法加入铝锶合金棒体部分的锶，然后，加入铝锶合金棒体部分的稀土，搅拌均匀、除渣、浇入铁模，得到铝锶合金挤压坯；

第二步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将含铝包裹层部分的铝加热至790℃～860℃，精炼除气后加入含铝包裹部分的稀土，搅拌均匀、除渣、浇入铁模、铸成与棒体坯形状、尺寸配套的含铝包裹层，再将含铝包裹层套在铝锶合金棒体挤压坯外部；

第三步：将套有含铝包裹层的铝锶合金棒体坯加热至320℃～580℃，以5～20m/min的挤压速度，将其复合挤压成棒材。

4.如权利要求1所述的铝锶系列合金棒材及其制备工艺，其特征是铝锶合金棒材由铝、锶、钛及硼组成，含铝包裹层由铝组成，铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的锶、铝锶合金棒体中的钛、铝锶合金棒体中的硼、含铝包裹层中的铝的重量百分比为50～83.25：23～7.16：0～4：0.4～1：26.6～4.59；

其制备工艺是：

第一步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将铝锶合金棒体中的铝、铝锶合金棒体中的钛及铝锶合金棒体中的硼加热至900℃～1100℃，精炼除气后采取密封法加入铝锶合金棒体部分的锶，搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成铝锶合金棒体挤压坯；

第二步：按照上述铝锶系列合金棒材的配方，将含铝包裹层中的铝加热至790℃～860℃，精炼除气后搅拌均匀、除渣、浇入铁模，铸成与棒体坯形状、尺寸配套的含铝包裹层，再将含铝包裹层套在铝锶合金棒体挤压坯外部；

第三步：将套有含铝包裹层的铝锶合金棒体坯加热至320℃～580℃，以5～20m/min的挤压速度，将其复合挤压成棒材。