CN106591649A - 一种高强Al‑Cu‑Mg‑Mn‑Er变形铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强Al‑Cu‑Mg‑Mn‑Er变形铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强Al‑Cu‑Mg‑Mn‑Er变形铝合金及其制备方法，涉及铝合金材料领域，用以解决现有技术中Al‑Cu‑Mg系变形铝合金力学性能不足，无法满足严格的工艺要求的问题。高强Al‑Cu‑Mg‑Mn‑Er变形铝合金，其中各含量成分的质量百分比为，Cu：4.3‑4.5、Mg：0.8‑1.0、Mn：0.5、Er：0.3‑0.5，余量为Al和不可避免的杂质。本发明中高强Al‑Cu‑Mg‑Mn‑Er变形铝合金在具有高韧性的同时，也具有较高的抗拉强度和屈服强度。

Description

一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料领域，更具体的涉及一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金由于具有密度低、较高的比强度和比刚度、优异的成型性能等优点，因而被广泛应用于航空航天、交通运输和机械制造等行业。变形铝合金可以分为：不可热处理强化铝合金和可热处理强化铝合金。对于不可热处理强化铝合金，其只能作为承载较小载荷的结构件使用。与不可热处理强化铝合金相比，可热处理强化铝合金具有更高的耐热性能以及更优良的塑性和加工性能，在拓宽变形铝合金材料的应用领域方面具有极大的优势。然而，对于传统的可热处理强化Al-Cu-Mg系铝合金，如2024合金、2124A合金、2324合金、2524合金等(σb≥390MPa，σ0.2≥245MPa，δ＝12％～18％)，其在力学性能方面已经满足不了日益严格的工艺要求。
发明内容
本发明实施例提供一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金及其制备方法，用以解决现有技术中Al-Cu-Mg系变形铝合金力学性能不足，无法满足严格的工艺要求的问题。
本发明提供一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金，其中各含量成分的质量百分比为，Cu：4.3-4.5、Mg：0.8-1.0、Mn：0.5、Er：0.3-0.5，余量为Al和不可避免的杂质。
一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼；
准备纯铝、纯锌、纯镁、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金为原料进行熔炼，具体的，在预热好的坩埚中依次放入纯铝、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金，熔炼温度为750℃，并进行搅拌，当所有金属完全熔化后加入纯镁，熔化后搅拌均匀，放入精炼剂进行除渣，调整温度到720℃，保温30min后进行浇注铝合金铸锭；
(2)挤压；
将铝合金铸锭在430-440℃温度内预热120min，利用挤压机将铝合金铸锭挤压成铝合金棒材，挤压温度为430℃，模孔口速率为5-7m/min，得到Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金；
(3)固溶处理；
将热处理炉加热到400℃后，将Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金放入热处理炉，随炉加热到470-510℃时开始计时，保温2-5个小时，保温后将热处理炉中的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金取出，放入水中进行水淬处理；
(4)时效处理；
将固溶处理后的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金放入热处理炉中，随炉加热到160-180℃时开始计时，保温10-15个小时，停止加热，使Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金冷却至室温。
优选地，放入热处理炉中的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金为热挤压变形后的Al-Cu-Mg-Mn-Er合金棒材，所述Al-Cu-Mg-Mn-Er合金棒材的直径为12mm。
优选的，热处理炉为箱式电阻炉。
优选的，步骤(1)的固溶处理中，随炉加热时，升温速度为10℃/min。
优选的，步骤(1)的固溶处理中，保温过程中热处理炉内温度波动范围介于±1℃。
优选的，步骤(1)的固溶处理中，水淬处理时使用流动的室温水介质，保持水流速度恒定，水温为25-35℃，整个水淬处理中以30℃/s的速度冷却至室温。
优选的，步骤(2)的时效处理中，将固溶处理后的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金放入热处理炉时，热处理炉为室温。
优选的，步骤(2)的时效处理中，随炉加热时，升温速度为10℃/min。
优选的，步骤(2)的时效处理中，保温过程中热处理炉内温度波动范围介于±1℃。
本发明中，高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金在具有高韧性的同时，也具有较高的抗拉强度和屈服强度，本发明的变形铝合金中添加Mn和Er元素，在实现微合金化的同时还可起到较好的细化晶粒效果，对于Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金采用固溶加时效处理的处理方法，有效的缩短了热处理时间，且工艺通用性强，操作简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例3提供的高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金显微组织图；
图2为本发明实施例4提供的高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金显微组织图；
图3为本发明实施例3和4提供的高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn(-XEr)变形铝合金抗拉强度与时效时间的关系曲线图；
图4为本发明实施例3和4提供的高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn(-XEr)变形铝合金室温屈服强度与时效时间的关系曲线图；
图5为本发明实施例3和4提供的高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn(-XEr)变形铝合金室温断裂伸长率与时效时间的关系曲线图；
图6为本发明实施例3提供的高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金拉伸断口形貌图。
图7为本发明实施例4提供的高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金拉伸断口相貌图；
具体实施方式
实施例1
本发明实施例1提供一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金，其中各含量成分的质量百分比为，Cu：4.3、Mg：0.8、Mn：0.5、Er：0.3，余量为Al和不可避免的杂质。
具体的，高强Al-4.3Cu-0.8Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼；
准备纯铝、纯锌、纯镁、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金为原料进行熔炼，具体的，在预热好的坩埚中依次放入纯铝、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金，熔炼温度为750℃，并进行搅拌，完全熔化后加入纯镁，熔化后搅拌均匀，放入精炼剂进行除渣，调整温度到720℃，保温30min后进行浇注铝合金铸锭；
(2)挤压；
将铝合金铸锭在430℃温度内预热120min，利用挤压机将铝合金铸锭挤压成铝合金棒材，挤压温度为430℃，模孔口速率为5m/min，得到Al-4.3Cu-0.8Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金；
(3)固溶处理；
将热处理炉加热到400℃后，将Al-4.3Cu-0.8Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金棒材放入箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速度加热，随炉加热到470℃时开始计时，保温2个小时，保温过程中箱式电阻炉内温度波动范围不能超过±1℃，保温后将Al-4.3Cu-0.8Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金棒材取出，放入水中进行水淬处理，水淬处理时采用流速恒定的室温水，在水温为25℃情况下，以30℃/s的速度冷却Al-4.3Cu-0.8Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金棒材至室温。
(4)时效处理；
将固溶处理后的Al-4.3Cu-0.8Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金放入室温状态的箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速度加热，随炉加热到160℃时开始计时，保温10个小时，保温过程中箱式电阻炉内温度波动范围不能超过±1℃，保温10个小时后，停止加热，使Al-4.3Cu-0.8Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金棒材随炉冷却至室温。
对上述采用热处理工艺加工过的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金棒材进行材料性能分析：断裂伸长率δ＝20％，抗拉强度σb＝440.6MPa，屈服强度σ0.2＝335.8Mpa。
实施例2
本发明实施例2提供一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金，其中各含量成分的质量百分比为，Cu：4.4、Mg：0.9、Mn：0.5、Er：0.4，余量为Al和不可避免的杂质。
具体的，高强Al-4.4Cu-0.9Mg-0.5Mn-0.4Er变形铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼；
准备纯铝、纯锌、纯镁、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金为原料进行熔炼，具体的，在预热好的坩埚中依次放入纯铝、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金，熔炼温度为750℃，并进行搅拌，完全熔化后加入纯镁，熔化后搅拌均匀，放入精炼剂进行除渣，调整温度到720℃，保温30min后进行浇注铝合金铸锭；
(2)挤压；
将铝合金铸锭在435℃温度内预热120min，利用挤压机将铝合金铸锭挤压成铝合金棒材，挤压温度为430℃，模孔口速率为6m/min，得到Al-4.4Cu-0.9Mg-0.5Mn-0.4Er变形铝合金；
(3)固溶处理；
将热处理炉加热到400℃后，将Al-4.4Cu-0.9Mg-0.5Mn-0.4Er变形铝合金棒材放入箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速度加热，随炉加热到490℃时开始计时，保温5个小时，保温过程中箱式电阻炉内温度波动范围不能超过±1℃，保温后将Al-4.4Cu-0.9Mg-0.5Mn-0.4Er变形铝合金棒材取出，放入水中进行水淬处理，水淬处理时采用流速恒定的室温水，在水温为35℃情况下，以30℃/s的速度冷却Al-4.4Cu-0.9Mg-0.5Mn-0.4Er变形铝合金棒材至室温。
(4)时效处理；
将固溶处理后的Al-4.4Cu-0.9Mg-0.5Mn-0.4Er变形铝合金放入室温状态的箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速度加热，随炉加热到170℃时开始计时，保温15个小时，保温过程中箱式电阻炉内温度波动范围不能超过±1℃，保温15个小时后，停止加热，将Al-4.4Cu-0.9Mg-0.5Mn-0.4Er变形铝合金棒材取出，空冷至室温。
对上述采用热处理工艺加工过的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金棒材进行材料性能分析：断裂伸长率δ＝18％，抗拉强度σb＝424.3MPa，屈服强度σ0.2＝329.4MPa。
实施例3
本发明实施例3提供一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金，其中各含量成分的质量百分比为，Cu：4.5、Mg：1.0、Mn：0.5、Er：0.5，余量为Al和不可避免的杂质。
具体的，高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼；
准备纯铝、纯锌、纯镁、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金为原料进行熔炼，具体的，在预热好的坩埚中依次放入纯铝、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金，熔炼温度为750℃，并进行搅拌，完全熔化后加入纯镁，熔化后搅拌均匀，放入精炼剂进行除渣，调整温度到720℃，保温30min后进行浇注铝合金铸锭；
(2)挤压；
将铝合金铸锭在440℃温度内预热120min，利用挤压机将铝合金铸锭挤压成铝合金棒材，挤压温度为430℃，模孔口速率为7m/min，得到Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金；
(3)固溶处理；
将热处理炉加热到400℃后，将Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金棒材放入箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速度加热，随炉加热到510℃时开始计时，保温3个小时，保温过程中箱式电阻炉内温度波动范围不能超过±1℃，保温后将Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金棒材取出，放入水中进行水淬处理，水淬处理时采用流速恒定的室温水，在水温为30℃情况下，以30℃/s的速度冷却Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金棒材至室温。
(4)时效处理；
将固溶处理后的Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金放入室温状态的箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速度加热，随炉加热到180℃时开始计时，保温12个小时，保温过程中箱式电阻炉内温度波动范围不能超过±1℃，保温12个小时后，停止加热，使Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金棒材随炉冷却至室温。
对上述采用热处理工艺加工过的Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金棒材进行材料性能分析：断裂伸长率δ＝23％，抗拉强度σb＝454.3MPa，屈服强度σ0.2＝369.4MPa。
实施例4
本发明实施例4提供一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金，其中各含量成分的质量百分比为，Cu：4.5、Mg：1.0、Mn：0.5、Er：0.3，余量为Al和不可避免的杂质。
一种高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼；
准备纯铝、纯锌、纯镁、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金为原料进行熔炼，具体的，在预热好的坩埚中依次放入纯铝、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金，熔炼温度为750℃，并进行搅拌，完全熔化后加入纯镁，熔化后搅拌均匀，放入精炼剂进行除渣，调整温度到720℃，保温30min后进行浇注铝合金铸锭；
(2)挤压；
将铝合金铸锭在430℃温度内预热120min，利用挤压机将铝合金铸锭挤压成铝合金棒材，挤压温度为430℃，模孔口速率为5m/min，得到Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金；
(3)固溶处理；
将热处理炉加热到400℃后，将Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金棒材放入箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速度加热，随炉加热到490℃时开始计时，保温3个小时，保温过程中箱式电阻炉内温度波动范围不能超过±1℃，保温3个小时后将Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金棒材取出，放入水中进行水淬处理，水淬处理时采用流速恒定的室温水，在水温不超过35℃情况下，以30℃/s的速度冷却Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金棒材至室温。
(4)时效处理；
将固溶处理后的Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金放入室温状态的箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速度加热，随炉加热到170℃时开始计时，保温12个小时，保温过程中箱式电阻炉内温度波动范围不能超过±1℃，保温12个小时后，停止加热，使Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金棒材随炉冷却至室温。
对上述采用热处理工艺加工过的Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金棒材进行材料性能分析：断裂伸长率δ＝23％，抗拉强度σb＝482.2MPa，屈服强度σ0.2＝384.8MPa。
如图所示，图1为高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.5Er变形铝合金显微组织图，图2为高强Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn-0.3Er变形铝合金显微组织图，由图中可看出，添加稀土元素Er后可以明显的减小Al-Cu-Mg-Mn合金的晶粒尺寸，而且经过热处理后，晶粒的细化效果更加明显，主要是因为溶于合金中的稀土Er与基体组织中的α-Al相互作用形成了大量弥散分布与合金晶粒组织中可作为形核质点的Al3Er强化相，明显增加Al-Cu-Mg-Mn合金的形核率，从而有效的降低了Al-Cu-Mg-Mn合金的晶粒尺寸，并且，稀土元素Er的添加对于挤压变形Al-Cu-Mg-Mn合金而言还可以有效的阻碍Al-Cu-Mg-Mn合金在热处理的过程中再结晶晶粒长大从而对热处理合金同样有细化作用。
由图3-5可看出，不同Er含量的热挤压Al-4.5Cu-1Mg-0.5Mn(-xEr)合金的时效时间对抗拉强度、屈服强度以及断裂延长率都有很大的影响，经过时效处理的合金抗拉强度明显增大。
由图6和图7中可看出，添加稀土元素Er后，Al-Cu-Mg-Mn-Er合金经过热处理，可以看到，合金的韧窝的形状较小，深度较浅，数量较多，同时，在韧窝的周围还产生了大量的撕裂棱。
对上述实施例1-实施例4中制备的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金棒材进行材料性能分析，可看出经过本发明中热处理工艺加工过的高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金，其断裂伸长率、抗拉强度和屈服强度都有了很大的提高，更加符合现在严格的工艺要求。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金，其特征在于，其中各含量成分的质量百分比为，Cu：4.3-4.5、Mg：0.8-1.0、Mn：0.5、Er：0.3-0.5，余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)熔炼；
准备纯铝、纯锌、纯镁、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金为原料进行熔炼，具体的，在预热好的坩埚中依次放入纯铝、纯铜、Al-10％Mn中间合金和Al-4.77％Er中间合金，熔炼温度为750℃，并进行搅拌，完全熔化后加入纯镁，熔化后搅拌均匀，放入精炼剂进行除渣，调整温度到720℃，保温30min后进行浇注铝合金铸锭；
(2)挤压；
将铝合金铸锭在430-440℃温度内预热120min，利用挤压机将铝合金铸锭挤压成铝合金棒材，挤压温度为430℃，模孔口速率为5-7m/min，得到Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金；
(3)固溶处理；
将热处理炉加热到400℃后，将Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金放入热处理炉，随炉加热到470-510℃时开始计时，保温2-5个小时，保温后将热处理炉中的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金取出，放入水中进行水淬处理；
(4)时效处理；
将固溶处理后的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金放入热处理炉中，随炉加热到160-180℃时开始计时，保温10-15个小时，停止加热，使Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金冷却至室温。
3.根据权利要求2所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，其特征在于，放入热处理炉中的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金为热挤压变形后的Al-Cu-Mg-Mn-Er合金棒材，所述Al-Cu-Mg-Mn-Er合金棒材的直径为12mm。
4.根据权利要求2所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述热处理炉为箱式电阻炉。
5.根据权利要求2所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的固溶处理中，随炉加热时，升温速度为10℃/min。
6.根据权利要求2所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的固溶处理中，保温过程中热处理炉内温度波动范围介于±1℃。
7.根据权利要求2所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)的固溶处理中，水淬处理时使用流动的室温水介质，保持水流速度恒定，水温为25-35℃，整个水淬处理中以30℃/s的速度冷却至室温。
8.根据权利要求2所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的时效处理中，将固溶处理后的Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金放入热处理炉时，热处理炉为室温。
9.根据权利要求2所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的时效处理中，随炉加热时，升温速度为10℃/min。
10.根据权利要求2所述的一种高强Al-Cu-Mg-Mn-Er变形铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)的时效处理中，保温过程中热处理炉内温度波动范围介于±1℃。
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