CN107815572A - 一种机械产品用稀土铝合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械产品用稀土铝合金材料，属于铝合金制备技术领域。所述的机械产品用稀土铝合金材料，以重量份为单位，包括以下原料：铝1620份、铜16份、钒7份、锰5份、锡7份、铬2份、稀土元素32份、碳化钛14份、碳化钨10份、硅化钨8份、钨4份、精炼剂18份、晶粒细化剂30份。采用本发明的工艺，可显著提高机械产品用稀土铝合金材料的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性。

Description

一种机械产品用稀土铝合金材料

技术领域

本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种机械产品用稀土铝合金材料。

背景技术

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，其在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中得到广泛应用。随着科学技术以及工业经济的飞速发展，铝合金的需求日益增多，因此铝合金的研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金在电力行业的发展，同时电力行业的发展又拓宽了铝合金的应用领域。

电力行业的基础元件-电力电缆，是用来输送和分配电能的资源，其基本结构由线芯、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成。其中，线芯是电力电缆的导电部分，用来输送电能，其是电力电缆的主要部分；绝缘层将线芯与大地以及不同相的线芯间在电气间彼此隔离，保证电能输送，其是电力电缆结构中不可缺少的组成部分；保护层是保护电力电缆免受外界杂质和水分的侵入，以及防止外力直接损坏电力电缆。由于铜具有良好的导电性，因此铜广泛用于电力电缆的线芯。随着铜资源的日益匮乏，而铝的含量很丰富，因此以铝代替铜受到了研究者的关注，目前铝合金作为电缆导体成为了研究的热点。

铝合金电缆替代铜缆逐渐成为一种趋势，并得到了广泛应用。现有技术中的铝合金导体材料，在电性能、耐腐蚀性能、机械性能、加工性能、抗蠕变性能等方面都做了大量研究和改进，但是对于铝合金电缆在低温环境下的耐腐蚀性能，以及低温条件下的电气性能和拉伸性能有待提高。

中国专利文献“一种稀土铝合金及其制备方法(专利号：ZL201510434656.9)”公开了一种稀土铝合金及其制备方法。该发明中的稀土铝合金，按重量百分比，包括如下组分：1.1-1.3wt％的Cu；0.9-1.1wt％的V；1.3-1.4wt％的Mn；0.45-0.55wt％的Sn；0.12-0.14wt％的Cr；0.85-0.98wt％的Pr；0.45-0.66wt％的Er；余量为铝。该发明中的稀土铝合金具有优异的加工、机械、电气性能，但存在着抗拉强度、断裂伸长率较低，耐腐蚀性较差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械产品用稀土铝合金材料，以解决在中国专利文献“一种稀土铝合金及其制备方法(专利号：ZL201510434656.9)”公开的铝合金配方基础上，如何优化组分、用量、方法等，提高铝合金的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性。

为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种机械产品用稀土铝合金材料，以重量份为单位，包括以下原料：铝1620份、铜16份、钒7份、锰5份、锡7份、铬2份、稀土元素32份、碳化钛14份、碳化钨10份、硅化钨8份、钨4份、精炼剂18份、晶粒细化剂30份；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镨8份、铒4份、钐2份、镝4份、钬7份、钇6份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠16份、氟化钠15份、石墨6份、氟化钙5份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-硅-锰-铜-镧合金中间体12份、铝-钛-碳-铈合金中间体5份；所述铝-硅-锰-铜-镧合金中间体的铝、硅、锰、铜、镧的重量比为82:3:5:4:1；所述铝-钛-碳-铈合金中间体的铝、钛、碳、铈的重量比为94:1.6:1:0.4。

本发明具有以下有益效果：

(1)由实施例1-3和对比例8的数据可见，实施例1-3制得的铝合金的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性显著高于对比例8制得的铝合金的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性；同时由实施例1-3的数据可见，实施例1为最优实施例。

(2)由实施例1和对比例1-7的数据可见，稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨、晶粒细化剂在制备铝合金中起到了协同作用，显著提高了铝合金材料的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性；这是：稀土元素属于典型的金属元素，活泼性强，在高温下易与铝液中溶解的非金属杂质元素相互作用，通过化学反应生成化合物。稀土元素镨、铒、钐、镝、钬、钇的添加，可与氢气生成稀土氢化物，以化合物形式存在的氢不会聚集形成气泡，有效抑制了气泡的出现，降低了铝中针孔率，有一定的除氢、精炼和净化作用，从而提高铝合金材料的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性；将熔炼过后的铝合金熔液进行纳米碳化和纳米碳化钨的变质处理，以纳米尺寸与高表面活性颗粒在铝合金熔液中形成的纳米形核以及纳米碳化钛和纳米碳化钨颗粒弥散均匀分布在基体上，它具有高硬度、高熔点、耐高温、尺寸小和弥散度高的特点，在结晶过程中增加形核的核心数量，减少了晶粒尺寸，细化了晶粒，纳米碳化钛、纳米碳化钨、硅化钨和钨粉的高表面活性及细化晶粒过程中弥散硬化，有效的提高了铝合金的硬度和韧性，从而提高了抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性；晶粒细化剂可以阻碍晶粒的生长，使得铝合金晶粒细化，有利于铝合金断裂过程中裂纹萌生位置和扩张途径发生改变，使得铝合金得韧化，从而提高铝合金材料的抗拉强度、断裂伸长率；同时，晶粒细化剂与本配方的稀土元素一起使用，能够使铝合金强度明显提高，这与对其晶粒细化作用有关，使粗晶组织在恢复与再结晶过程中得到有效控制，经均匀化退火后，得到弥散强化的细晶组织，从而能够增强抗拉强度和耐腐蚀性。

(3)本发明中的稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨、晶粒细化剂作为补强体系，实施例1-3通过控制稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨、晶粒细化剂的重量比为(20-38):(10-15):(8-12):(7-9):(3-5):(26-35)，实现在整个补强体系中以稀土元素作为体系的主导作用原料，同时利用纳米碳化钛、纳米碳化钨、硅化钨和钨粉的高表面活性及细化晶粒过程中弥散硬化性能，晶粒细化剂可以阻碍晶粒的生长，使得铝合金晶粒细化，有利于铝合金断裂过程中裂纹萌生位置和扩张途径发生改变，使得铝合金得韧化。从而使得整个补强体系运用到本发明的机械产品用稀土铝合金材料中能够有效提高铝合金材料的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性。

具体实施方式

为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。

在实施例中，所述机械产品用稀土铝合金材料，以重量份为单位，包括以下原料：铝1200-1850份、铜12-19份、钒5-8份、锰2-6份、锡4-8份、铬1-3份、稀土元素20-38份、碳化钛10-15份、碳化钨8-12份、硅化钨7-9份、钨3-5份、精炼剂15-20份、晶粒细化剂26-35份；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镨7-9份、铒2-6份、钐1-3份、镝3-5份、钬5-8份、钇2-7份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠10-20份、氟化钠8-16份、石墨5-7份、氟化钙3-6份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-硅-锰-铜-镧合金中间体7-15份、铝-钛-碳-铈合金中间体3-6份；所述铝-硅-锰-铜-镧合金中间体的铝、硅、锰、铜、镧的重量比为(75-86):(1.2-3.8):(2.2-7):(1.3-5):(0.9-1.2)；所述铝-钛-碳-铈合金中间体的铝、钛、碳、铈的重量比为(85-98):(1.2-1.9):(0.6-1.2):(0.3-0.5)；

所述机械产品用稀土铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：在电磁感应炉中加入铝，升高温度至850-900℃使其熔化，加入用铝箔包裹的重量份比例的硅、锰、铜、镧粉熔融，并对合金熔体进行搅拌，搅拌12-14min后，进行除气处理，静置，然后进行超声处理，得到铝-硅-锰-铜-镧合金中间体，超声处理的温度为780-800℃，超声功率为20-25KW，处理时间为26-35min；采用相同的方法制备铝-钛-碳-铈合金中间体；将铝-硅-锰-铜-镧合金中间体和铝-钛-碳-铈合金中间体按重量比制成晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的尺寸为15μm以下；

S2：将铝、铜、钒、锰、锡、铬、稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨按重量份投入到熔炼炉中熔融，得铝合金熔液；

S3：将铝合金熔液升温至745-760℃后，加入重量份的晶粒细化剂搅拌；

S4：在步骤S3中所得的熔液中加入重量份的精炼剂，同时通入惰性气体，不断搅拌进行精炼，控制精炼温度为730-750℃，精炼后对熔液进行扒渣处理，然后冷却、静置30-40min；

S5：将步骤S3中所得的铝合金熔液进行铸件；

S6：对铸件进行460-510℃、6-10h的固溶处理，制得机械产品用稀土铝合金材料。

下面通过更具体实施例对本发明进行说明。

实施例1

一种机械产品用稀土铝合金材料，以重量份为单位，包括以下原料：铝1620份、铜16份、钒7份、锰5份、锡7份、铬2份、稀土元素32份、碳化钛14份、碳化钨10份、硅化钨8份、钨4份、精炼剂18份、晶粒细化剂30份；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镨8份、铒4份、钐2份、镝4份、钬7份、钇6份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠16份、氟化钠15份、石墨6份、氟化钙5份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-硅-锰-铜-镧合金中间体12份、铝-钛-碳-铈合金中间体5份；所述铝-硅-锰-铜-镧合金中间体的铝、硅、锰、铜、镧的重量比为82:3:5:4:1；所述铝-钛-碳-铈合金中间体的铝、钛、碳、铈的重量比为94:1.6:1:0.4；

所述机械产品用稀土铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：在电磁感应炉中加入铝，升高温度至885℃使其熔化，加入用铝箔包裹的重量份比例的硅、锰、铜、镧粉熔融，并对合金熔体进行搅拌，搅拌13min后，进行除气处理，静置，然后进行超声处理，得到铝-硅-锰-铜-镧合金中间体，超声处理的温度为790℃，超声功率为24KW，处理时间为30min；采用相同的方法制备铝-钛-碳-铈合金中间体；将铝-硅-锰-铜-镧合金中间体和铝-钛-碳-铈合金中间体按重量比制成晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的尺寸为15μm以下；

S2：将铝、铜、钒、锰、锡、铬、稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨按重量份投入到熔炼炉中熔融，得铝合金熔液；

S3：将铝合金熔液升温至750℃后，加入重量份的晶粒细化剂搅拌；

S4：在步骤S3中所得的熔液中加入重量份的精炼剂，同时通入惰性气体，不断搅拌进行精炼，控制精炼温度为745℃，精炼后对熔液进行扒渣处理，然后冷却、静置35min；

S5：将步骤S3中所得的铝合金熔液进行铸件；

S6：对铸件进行500℃、9h的固溶处理，制得机械产品用稀土铝合金材料。

实施例2

一种机械产品用稀土铝合金材料，以重量份为单位，包括以下原料：铝1200份、铜19份、钒8份、锰6份、锡8份、铬3份、稀土元素20份、碳化钛10份、碳化钨8份、硅化钨7份、钨3份、精炼剂15份、晶粒细化剂26份；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镨7份、铒6份、钐1份、镝5份、钬5份、钇7份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠20份、氟化钠8份、石墨7份、氟化钙3份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-硅-锰-铜-镧合金中间体7份、铝-钛-碳-铈合金中间体6份；所述铝-硅-锰-铜-镧合金中间体的铝、硅、锰、铜、镧的重量比为75:1.2:7:5:1.2；所述铝-钛-碳-铈合金中间体的铝、钛、碳、铈的重量比为98:1.9:0.6:0.3；

所述机械产品用稀土铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：在电磁感应炉中加入铝，升高温度至850℃使其熔化，加入用铝箔包裹的重量份比例的硅、锰、铜、镧粉熔融，并对合金熔体进行搅拌，搅拌14min后，进行除气处理，静置，然后进行超声处理，得到铝-硅-锰-铜-镧合金中间体，超声处理的温度为780℃，超声功率为20KW，处理时间为35min；采用相同的方法制备铝-钛-碳-铈合金中间体；将铝-硅-锰-铜-镧合金中间体和铝-钛-碳-铈合金中间体按重量比制成晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的尺寸为15μm以下；

S2：将铝、铜、钒、锰、锡、铬、稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨按重量份投入到熔炼炉中熔融，得铝合金熔液；

S3：将铝合金熔液升温至745℃后，加入重量份的晶粒细化剂搅拌；

S4：在步骤S3中所得的熔液中加入重量份的精炼剂，同时通入惰性气体，不断搅拌进行精炼，控制精炼温度为730℃，精炼后对熔液进行扒渣处理，然后冷却、静置40min；

S5：将步骤S3中所得的铝合金熔液进行铸件；

S6：对铸件进行460℃、10h的固溶处理，制得机械产品用稀土铝合金材料。

实施例3

一种机械产品用稀土铝合金材料，以重量份为单位，包括以下原料：铝1850份、铜12份、钒5份、锰2份、锡4份、铬1份、稀土元素38份、碳化钛15份、碳化钨12份、硅化钨9份、钨5份、精炼剂20份、晶粒细化剂35份；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镨9份、铒2份、钐3份、镝3份、钬8份、钇2份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠10份、氟化钠16份、石墨5份、氟化钙6份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-硅-锰-铜-镧合金中间体15份、铝-钛-碳-铈合金中间体3份；所述铝-硅-锰-铜-镧合金中间体的铝、硅、锰、铜、镧的重量比为86:3.8:2.2:1.3:0.9；所述铝-钛-碳-铈合金中间体的铝、钛、碳、铈的重量比为85:1.2:1.2:0.5；

所述机械产品用稀土铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：在电磁感应炉中加入铝，升高温度至900℃使其熔化，加入用铝箔包裹的重量份比例的硅、锰、铜、镧粉熔融，并对合金熔体进行搅拌，搅拌12-14min后，进行除气处理，静置，然后进行超声处理，得到铝-硅-锰-铜-镧合金中间体，超声处理的温度为800℃，超声功率为25KW，处理时间为26min；采用相同的方法制备铝-钛-碳-铈合金中间体；将铝-硅-锰-铜-镧合金中间体和铝-钛-碳-铈合金中间体按重量比制成晶粒细化剂，所述晶粒细化剂的尺寸为15μm以下；

S2：将铝、铜、钒、锰、锡、铬、稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨按重量份投入到熔炼炉中熔融，得铝合金熔液；

S3：将铝合金熔液升温至760℃后，加入重量份的晶粒细化剂搅拌；

S4：在步骤S3中所得的熔液中加入重量份的精炼剂，同时通入惰性气体，不断搅拌进行精炼，控制精炼温度为750℃，精炼后对熔液进行扒渣处理，然后冷却、静置3min；

S5：将步骤S3中所得的铝合金熔液进行铸件；

S6：对铸件进行510℃、6h的固溶处理，制得机械产品用稀土铝合金材料。

对比例1

与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备机械产品用稀土铝合金材料的原料中缺少稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨、晶粒细化剂。

对比例2

与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备机械产品用稀土铝合金材料的原料中缺少稀土元素。

对比例3

与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备机械产品用稀土铝合金材料的原料中缺少碳化钛。

对比例4

与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备机械产品用稀土铝合金材料的原料中缺少碳化钨。

对比例5

与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备机械产品用稀土铝合金材料的原料中缺少硅化钨。

对比例6

与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备机械产品用稀土铝合金材料的原料中缺少钨。

对比例7

与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备机械产品用稀土铝合金材料的原料中缺少晶粒细化剂。

对比例8

采用中国专利文献“一种稀土铝合金及其制备方法(专利号：ZL201510434656.9)”实施例1-6的工艺制备铝合金。

按对比例8的方法对实施例1-3和对比例1-8制得的铝合金进行性能测试，结果如下表所示。

由上表可知：(1)由实施例1-3和对比例8的数据可见，实施例1-3制得的铝合金的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性显著高于对比例8制得的铝合金的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性；同时由实施例1-3的数据可见，实施例1为最优实施例。

(2)由实施例1和对比例1-7的数据可见，稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨、晶粒细化剂在制备铝合金中起到了协同作用，显著提高了铝合金材料的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性；这是：稀土元素属于典型的金属元素，活泼性强，在高温下易与铝液中溶解的非金属杂质元素相互作用，通过化学反应生成化合物。稀土元素镨、铒、钐、镝、钬、钇的添加，可与氢气生成稀土氢化物，以化合物形式存在的氢不会聚集形成气泡，有效抑制了气泡的出现，降低了铝中针孔率，有一定的除氢、精炼和净化作用，从而提高铝合金材料的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性；将熔炼过后的铝合金熔液进行纳米碳化和纳米碳化钨的变质处理，以纳米尺寸与高表面活性颗粒在铝合金熔液中形成的纳米形核以及纳米碳化钛和纳米碳化钨颗粒弥散均匀分布在基体上，它具有高硬度、高熔点、耐高温、尺寸小和弥散度高的特点，在结晶过程中增加形核的核心数量，减少了晶粒尺寸，细化了晶粒，纳米碳化钛、纳米碳化钨、硅化钨和钨粉的高表面活性及细化晶粒过程中弥散硬化，有效的提高了铝合金的硬度和韧性，从而提高了抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性；晶粒细化剂可以阻碍晶粒的生长，使得铝合金晶粒细化，有利于铝合金断裂过程中裂纹萌生位置和扩张途径发生改变，使得铝合金得韧化，从而提高铝合金材料的抗拉强度、断裂伸长率；同时，晶粒细化剂与本配方的稀土元素一起使用，能够使铝合金强度明显提高，这与对其晶粒细化作用有关，使粗晶组织在恢复与再结晶过程中得到有效控制，经均匀化退火后，得到弥散强化的细晶组织，从而能够增强抗拉强度和耐腐蚀性。

本发明中的稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨、晶粒细化剂作为补强体系，实施例1-3通过控制稀土元素、碳化钛、碳化钨、硅化钨、钨、晶粒细化剂的重量比为(20-38):(10-15):(8-12):(7-9):(3-5):(26-35)，实现在整个补强体系中以稀土元素作为体系的主导作用原料，同时利用纳米碳化钛、纳米碳化钨、硅化钨和钨粉的高表面活性及细化晶粒过程中弥散硬化性能，晶粒细化剂可以阻碍晶粒的生长，使得铝合金晶粒细化，有利于铝合金断裂过程中裂纹萌生位置和扩张途径发生改变，使得铝合金得韧化。从而使得整个补强体系运用到本发明的机械产品用稀土铝合金材料中能够有效提高铝合金材料的抗拉强度、断裂伸长率和耐腐蚀性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种机械产品用稀土铝合金材料，其特征在于，以重量份为单位，包括以下原料：铝1620份、铜16份、钒7份、锰5份、锡7份、铬2份、稀土元素32份、碳化钛14份、碳化钨10份、硅化钨8份、钨4份、精炼剂18份、晶粒细化剂30份；

所述稀土元素以重量份为单位，包括以下原料：镨8份、铒4份、钐2份、镝4份、钬7份、钇6份；

所述精炼剂以重量份为单位，包括以下原料：氯化钠16份、氟化钠15份、石墨6份、氟化钙5份；

所述晶粒细化剂以重量份为单位，包括以下原料：铝-硅-锰-铜-镧合金中间体12份、铝-钛-碳-铈合金中间体5份；所述铝-硅-锰-铜-镧合金中间体的铝、硅、锰、铜、镧的重量比为82:3:5:4:1；所述铝-钛-碳-铈合金中间体的铝、钛、碳、铈的重量比为94:1.6:1:0.4。