CN106929721A

CN106929721A - 一种低热裂倾向的高强度Al‑Cu合金及其制备方法

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Publication number: CN106929721A
Application number: CN201710237897.3A
Authority: CN
Inventors: 黄宏军; 刘健; 左晓姣; 王玉龙; 袁晓光
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2017-07-07

Abstract

本发明提供了一种低热裂倾向的高强度Al‑Cu合金，其中各合金组分及其重量百分比为：Cu含量为3.8％‑4.9％，Mg含量为1.2％‑1.8％，Zr含量为0.1％‑0.25％，稀土La含量为0.2％‑0.5％，余量为Al。本发明将稀土元素La加入到Al‑Cu‑Mg‑Zr系铝合金中，从而显著的降低合金的热裂倾向，提高了合金的综合机械性能，铸态下合金的抗拉强度、伸长率均有显著提升，经过热处理之后，新型合金的抗拉强度、伸长率可以进一步提升，抗拉强度可达到498MPa，伸长率可达到11.8％。同时，考虑到应用成本，添加稀土La元素量较小，成本较为经济，该合金在实际的工业生产中具有广泛的前景。

Description

一种低热裂倾向的高强度Al-Cu合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属合金材料制备领域，涉及一种含稀土元素La的低热裂倾向高强度Al-Cu合金及其制备方法。

背景技术

Al-Cu系合金一直具有强度高、韧性好、加工性能优越等特点，但因为其热裂倾向大的缺点一直制约着它的应用。热裂纹是合金凝固过程中，在准固相区收缩受阻而产生于晶界的一种缺陷。由于Al-Cu合金为固溶体型合金，其在凝固结晶温度范围较宽，致使其组织树枝晶极为发达，共晶成分较少，同时合金在凝固末期流动性差，使产生的裂纹不能充分被液相补缩，致使Al-Cu系合金热裂倾向较大。

发明内容

本发明目的在于通过添加稀土元素La降低高强度Al-Cu系合金热裂倾向，同时在一定程度上提升合金的综合机械性能。

一种低热裂倾向的高强度Al-Cu合金，其中各合金组分及其重量百分比为：Cu含量为3.8％-4.9％，Mg含量为1.2％-1.8％，Zr含量为0.1％-0.25％，稀土La含量为0.2％-0.5％，余量为Al。

优选的，所述的稀土La的重量百分比优选为0.35-0.45％。

进一步优选的，所述的稀土La的重量百分比优选为0.4％。

在合金中加入稀土元素La，一方面La元素富集在枝晶固液界面前沿，改变Cu了元素在合金中的平衡分配系数，使其不容易固溶到αAl基体中，造成成分过冷，使枝晶得到细化，减小了二次枝晶的间距，使裂纹的产生倾向降低；另一方面，La元素的加入形成了很多低熔点相，在凝固末期这些低熔点相形成液膜，由于液膜的存在，液膜之间存在结合力，使合金在凝固末期抵御晶间分离的能力增强，同时液膜还可以对已经产生的热裂纹形成一定的补缩。最终，Al-Cu系合金的热裂倾向得到降低。

稀土La添加量过少，对合金产生的上述变质细化效果不明显，但稀土La添加的量过多，稀土元素富集明显，失去变质的效果；此外随着稀土元素添加量的增加，生成的稀土化合物偏聚在晶界，由于其本身为脆性相对材料的性能造成不利影响。同时，考虑到应用成本，添加稀土La元素加入量也不宜过高。

本发明提供的添加La的低热裂倾向Al-Cu-Mg-Zr合金，是采用传统的铸态成型方法。

一种低热裂倾向的高强度Al-Cu合金的制备方法，包括以下步骤：

A、将坩埚加热到740-760℃的熔炼炉中，加入高纯Al和Al-5Zr中间合金；

B、待合金全部融化后，将炉温下降到710-730℃，加入Al-50Cu和Al-10La中间合金；

C、待合金全部融化后，将炉温下降到695-705℃，加入工业纯镁；

D、待合金全部融化后，轻轻搅拌1-2min，使合金液充分混合；

E、后经除气、精炼、清渣后，浇注到砂型或者模具内。

将合金浇筑到临界直径法测合金热裂倾向的金属模具中时，模具经预热至300℃。

本发明的优点和积极效果是：

本发明将稀土元素La加入到Al-Cu-Mg-Zr系铝合金中，从而显著的降低合金的热裂倾向提高了合金的综合机械性能，铸态下合金的抗拉强度、伸长率均有显著提升，经过热处理之后，新型合金的抗拉强度、伸长率可以进一步提升，抗拉强度可达到498MPa，伸长率可达到11.8％。同时，考虑到应用成本，添加稀土La元素量较小，成本较为经济，该合金在实际的工业生产中具有广泛的前景。

附图说明

图1、测定热裂的金属模具图；

图2、不同稀土La含量对低热裂倾向Al-Cu系合金热敏感系数；

图3、热烈倾向试样热裂情况(a)La＝0％wt、(b)La＝0.4％wt；

图4、圆柱形铸件力学性能加工件线切割示意图；

图5、不同稀土La元素含量对Al-Cu系合金性能影响。

具体实施方式

实施例1

将99.99％高纯Al、Al-5Zr中间合金随石墨坩埚加入到750℃的电阻熔炼炉中，待合金全部融化后，将炉温下降到720℃，加入Al-50Cu和Al-10La中间合金，待合金全部融化后，将炉温下降到700℃，加入工业纯镁。待合金全部融化后，轻轻搅拌1.5min，使合金液充分混合，后经除气、精炼、清渣后，浇注到砂型内或浇注到预热300℃的临界直径法测合金热裂倾向的金属模具中。加入合金质量分数百分比见表1。

表1、实施例1中的各合金化学成分(wt％)

模具剖面图见图1(图1中单位均为mm)。采用临界直径法和热敏感系数来表征合金的热裂倾向。具体公式如下：

式中：Dcrit为合金试棒断裂的临界直径，25为试棒固定端尺寸如图1所示，Hsc作为表征合金热裂倾向的热敏感系数，其值越低，合金的热裂抗性越强。记录实施例1中的试棒断裂结果，为消除误差因素，每组合金成分均取10次成功实验结果计算平均值，根据公式计算合金的热敏感系数Hsc，结果如图2所示。由于合金的热裂抗性随热敏感系数Hsc的增加而减小，所以随着La含量的增加，合金的热裂抗性呈先升高后降低的趋势，在La加入量为0.4％时，合金达到最佳热裂抗性，之后再增加La的含量，合金的热裂倾向又有所回升。图3是La元素含量为0％wt、0.4％wt时的热烈倾向试样热裂情况。

实施例2

分别取表1中7组成分的合金，按实施例1中方法浇注到砂型或预热到100℃的金属型圆柱模具中，如图4所示，取圆柱形心部位置切割成拉伸式样，通过力学性能测试，记录实验结果。每组成分进行10次试验取平均值，结果见图5。

实施例3

取表1中添加La元素为0.3％wt的成分，Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.3La合金，按实施例1中方法浇注到砂型或预热到100℃的金属型圆柱模具中。如图4所示，取圆柱形心部位置切割成拉伸式样。对拉伸式样进行热处理后，经荧光分析实际试验成分为Al-4.52Cu-1.53Mg-0.16Zr-0.28La，各种合金元素的质量百分数在专利保护范围之内，通过力学性能测试，取10次平均值记录实验结果见表2。

表2：Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.3La合金热处理后力学性能

处理工艺	抗拉强度(MPa)	伸长率(％)
			未热处理	245	9.4
热处理	479	12.7

实施例4

取表1中最优成分配比Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.4La合金，按实施例1中方法浇注到砂型或预热到100℃的金属型圆柱模具中。如图4所示，取圆柱形心部位置切割成拉伸式样。对拉伸式样进行热处理后，经荧光分析实际试验成分为Al-4.27Cu-1.38Mg-0.18Zr-0.42La，各种合金元素的质量百分数在专利保护范围之内，通过力学性能测试，取10次平均值记录实验结果见表3。

表3：最优成分Al-4.4Cu-1.5Mg-0.15Zr-0.4La合金热处理后力学性能

处理工艺	抗拉强度(MPa)	伸长率(％)
			未热处理	258	8.6
热处理	498	11.8

最后应说明的是，从图2可以看出，随着稀土La加入量的升高，Al-Cu系合金的热裂抗性呈先升高后降低的趋势，在La加入量为0.4％时，合金达到最佳热裂抗性，之后再增加La的含量，合金的热裂倾向又有所回升。

从表3可以看出，稀土La的加入提高了Al-Cu系合金的综合力学性能。La元素含量最优时，铸态合金的抗拉强度(σb)由173MPa增加到258MPa，提高了49％，伸长率(δ)由7.3％增加到8.6％，提高了18％；经过热处理之后，合金的抗拉强度可达到498MPa，伸长率可达到11.8％。所以，本发明要求稀土La的重量百分比优选0.4％左右。

实施例5

将表1中7组成分的合金中的La元素分别替换为其它稀土金属，铈、钕和钇，并与不加入稀土元素的Al-Cu-Mg-Zr合金进行对比，发现抗拉强度的提升幅度均小于10％，伸长率的提升幅度均小于5％，故本发明的高强度Al-Cu合金中添加镧元素，与添加铈、钕和钇金属对合金的影响有显著差别，并非稀土金属的共性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低热裂倾向的高强度Al-Cu合金，其特征在于，各合金组分及其重量百分比为：Cu含量为3.8％-4.9％，Mg含量为1.2％-1.8％，Zr含量为0.1％-0.25％，稀土La含量为0.2％-0.5％，余量为Al。

2.如权利要求1所述的低热裂倾向的高强度Al-Cu合金，其特征在于，所述的稀土La的重量百分比为0.35-0.45％。

3.如权利要求1所述的低热裂倾向的高强度Al-Cu合金，其特征在于，所述的稀土La的重量百分比为0.4％。

4.一种低热裂倾向的高强度Al-Cu合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

D、待合金全部融化后，轻轻搅拌1-2min，使合金液充分混合；

E、后经除气、精炼、清渣后，浇注到砂型或者模具内。

5.如权利要求4所述的低热裂倾向的高强度Al-Cu合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、将坩埚加热到750℃的熔炼炉中，加入高纯Al和Al-5Zr中间合金；

B、待合金全部融化后，将炉温下降到720℃，加入Al-50Cu和Al-10La中间合金；

C、待合金全部融化后，将炉温下降到700℃，加入工业纯镁；

D、待合金全部融化后，轻轻搅拌1.5min，使合金液充分混合；

E、后经除气、精炼、清渣后，浇注到砂型或者模具内。