CN107937773A - 一种耐热铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的之一在于解决现有技术中的铝合金耐热性能较差问题，提供一种耐热铝合金，本发明的目的之二是提供一种耐热铝合金的制备方法，属于铝合金材料技术领域。该耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成：5～6％Zn，2～3％Mg，1～2％Cu，0.3～0.5％Sm，余量为Al和不可避免的杂质。本发明的耐热铝合金的合金元素种类少，成本低，合金成分简单，熔炼混合过程易于控制，降低了制备的难度；所得铝合金显微组织均匀，析出相分布均匀弥散，具有较高的室温、高温抗拉强度和屈服强度，在200℃时抗拉强度在586MPa以上，屈服强度在521MPa以上，同时塑性也得到较大改善，具有较高的性价比。

Description

一种耐热铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种耐热铝合金及其制备方法。
背景技术
铝及铝合金作为工程应用中最轻的金属结构材料，具有低密度、高比强度和比刚度、优异阻尼减震性能以及良好散热性的优点，在许多领域应用都有十分显著的优势。目前商用铝合金基本上可分为铸造铝合金和变形铝合金两大类。7系铝合金由于具有低廉的价格和良好的铸造工艺而应用广泛，主要有7005、7050、7075铝合金。其中7050-T6铝合金的极限抗拉强度为525～545MPa，7075-T6铝合金的极限抗拉强度535～550MPa，7005-T6铝合金的极限抗拉强度为525～545MPa。
上述铝合金的耐热性能都较差，当环境温度超过200℃后，铝合金的强度会陡然下降，限制了其在许多工业设备和产品上的应用。为了扩大铝合金的应用范围和领域，科研工作对现有的铝合金进行了大量探索研究，尽管许多科研工作对现有铝合金进行了许多改性，但是应用性并不理想。
发明内容
本发明的目的之一在于解决现有技术中的铝合金耐热性能较差问题，提供一种耐热铝合金，本发明的目的之二是提供一种耐热铝合金的制备方法。本发明的铝合金合金元素种类少，成本低，环境温度超过200℃后强度稳定。该制备方法简单易操作。
为了实现以上目的之一，本发明所采用的技术方案是：
一种耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成：5～6％Zn，2～3％Mg，1～2％Cu，0.3～0.5％Sm，余量为Al和不可避免的杂质。
优选的，所述的耐热铝合金由以下质量百分比的组分组成：6％Zn，3％Mg，2％Cu，0.5％Sm，余量为Al和不可避免的杂质。
上述耐热铝合金，所述杂质的质量含量低于0.1％。
上述耐热铝合金，以纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm为原料熔炼铸造并经热处理制备而成。
为了实现以上目的之二，本发明所采用的技术方案是：
一种上述的耐热铝合金的制备方法，包括下列步骤：
(1)按比例称取纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm，并将纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm预热；
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化，加热至700～720℃时加入中间合金Mg-25Sm，保温至合金全部熔化后去除表面浮渣；然后升温至730～740℃，搅拌均匀后，再降温至690～700℃并保温，得合金液；
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至模具中，得铸态合金；
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行热处理，即得所述耐热铝合金。
上述耐热铝合金的制备方法，步骤(1)中，所述预热的温度为180～200℃，预热时间为1～2h。
上述耐热铝合金的制备方法，步骤(2)中，在690～700℃保温5～10min。
上述耐热铝合金的制备方法，步骤(3)中，所述模具为金属模具；模具使用前经过预热，所述预热的温度为250～300℃。
上述耐热铝合金的制备方法，步骤(4)中，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理。
上述耐热铝合金的制备方法，所述固溶处理的温度为480～500℃，处理时间为8～18h，然后热水淬火至室温；所述热水的温度为80～100℃；并且所述固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧。
上述耐热铝合金的制备方法，所述时效处理的温度为150～200℃，处理时间为16～24h，然后空冷至室温。
经分析检测，本发明耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm，所述耐热稀土铝合金金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成；合金的平均晶粒尺寸为50～70μm。
本发明合金的拉伸强度较好并且极其稳定，室温抗拉强度＞610MPa，200℃的抗拉强度＞590MPa，250℃的抗拉强度＞580MPa，300℃的抗拉强度＞550MPa。
本发明的原理为：铝锌镁系合金是目前工业上应用广泛的铝合金，该系列合金具有较好的的室温力学性能、铸造性及机加工性能。本发明的耐热铝合金，Zn、Mg元素为该合金的重要组分，是铝合金重要的合金元素，在铝中有较大的固溶度，其强化作用表面在两方面，一是通过形成β-Al2Mg3Zn3金属间化合物的第二相强化，二是通过Zn、Mg原子在铝基体中形成固溶体的固溶强化。铝锌镁系合金中的β-Al2Mg3Zn3相热稳定性较差，高温下易于软化，使得该合金的高温性能较差。Cu作为铝合金重要的合金元素，在共晶温度550℃时的固溶度为13.21％，而在150℃时的固溶度仅仅为2.11％，因此在铝合金中具有较好的固溶强化和析出强化效果，且Cu在铝合金中能够形成高熔点的β-Al2Cu金属间化合物，具有弥散强化效果，因此合金中Cu的添加量定为1～2％，最优重量百分比为2％。本发明的耐热铝合金中，Sm作为重要的稀土添加元素，Sm在铝合金中的固溶度较大，具有较好的析出强化效果，同样在铝合金中能够形成高熔点的金属间化合物，为保证合金得到良好的时效析出强化和固溶强化效果，加入量不低于0.3％，同时为了避免合金密度增加太多，以及合金过分脆化，Sm的加入量不高于0.5％，因此合金中的添加量定为0.3～0.5％，最优重量百分比为0.5％。
与现有技术相比，本发明的优势在于；
1、本发明的耐热铝合金的合金元素种类少，成本低，合金成分简单，熔炼混合过程易于控制，降低了制备的难度；所得铝合金显微组织均匀，析出相分布均匀弥散，具有较高的室温、高温抗拉强度和屈服强度，在200℃时抗拉强度在586MPa以上，屈服强度在521MPa以上，同时塑性也得到较大改善，具有较高的性价比。
2、本发明的耐热铝合金的制备方法，通过熔炼的方法在Al-Zn-Mg系合金中添加适量的Cu和Sm，对合金进行改性，并将得到的铸态合金进行热处理，所得铝合金显微组织均匀，析出相分布均匀弥散，具有较高的室温和高温抗拉强度，塑性也得到较大改善该制备方法工艺简单，操作方便，过程易于控制，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1、本发明实施例1中耐热铝合金的时效试样图片。
图2、本发明实施例2中耐热铝合金的时效试样图片。
图3、本发明实施例3中耐热铝合金的时效试样图片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成5％Zn，2％Mg，1％Cu，0.3％Sm，余量为Al和不可避免的杂质。
上述耐热铝合金的制备方法，包括下列步骤：
(1)按比例将纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm置于200℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间1h；
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化，加热至710℃时加入中间合金Mg-25Sm，保温10min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；将温度升至730℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至690℃并保温5min，得合金液；
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金；所述金属型模具的预热温度为300℃；
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为500℃，处理时间为16h，后用80℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为200℃，处理时间为18h，后空冷至室温，即得所述耐热铝合金。
经分析检测，本发明耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm，所述耐热稀土铝合金金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成；合金的平均晶粒尺寸为60～70μm。
实施例2
耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成：5.5％Zn，3.5％Mg，1.5％Cu，0.4％Sm，余量为Al和不可避免的杂质。
上述耐热铝合金的制备方法，包括下列步骤：
(1)按比例将纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm置于190℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间1.5h；
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化，加热至720℃时，加入中间合金Mg-25Sm，保温10min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；将温度升至740℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至700℃并保温10min，得合金液；
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金所述金属型模具的预热温度为250℃；
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为490℃，处理时间为18h，后用100℃的热水淬火至室温；所述时效处理的温度为150℃，处理时间为24h，后空冷至室温，即得所述耐热铝合金。
图，经分析检测，本发明耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm，所述耐热稀土铝合金金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成；合金的平均晶粒尺寸为55～65μm。
实施例3
耐热铝合金，由以下质量百分比的组分组成：6％Zn，3％Mg，2％Cu，0.5％Sm，余量为Al和不可避免的杂质。
上述耐热铝合金的制备方法，包括下列步骤：
(1)按比例将纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm置于180℃的干燥箱中进行干燥预热，预热时间2h；
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化，加热至700℃时加入中间合金Mg-25Sm，保温10min，至合金全部熔化后去除表面浮渣；将温度升至735℃后停止升温，然后搅拌均匀，再降温至695℃并保温8min，得合金液。
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至预热后的金属型模具中，得铸态合金所述金属型模具的预热温度为275℃；
(4)对步骤(3)所得铸态合金进行热处理，所述热处理是对铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，所述固溶处理的温度为480℃，处理时间8h，后用90℃的热水淬火至室温，所述时效处理的温度180℃，处理时间为16h，后空冷至室温，即得所述耐热铝合金。
图，经分析检测，本发明耐热稀土铝合金产品的合金组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm，所述耐热稀土铝合金金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成；合金的平均晶粒尺寸为50～60μm。
对上述实施例1-3所得耐热铝合金和现有的7005、7050、7075铝合金性能进行检测，结果如表1所示。
表1实施例1-3所得耐热铝合金的性能检测结果
从表1可以看出，实施例1-3所得耐热铝合金的室温抗拉强度为610～638Mp，200℃时的抗拉强度为590～602MPa，250℃时的抗拉强度为581～599MPa，300℃时的抗拉强度为552～565MPa。实验结果表明，本发明所得耐热铝合金在20℃～300℃范围内具有高的抗拉强度，耐热性能及力学性能优异。

Claims (10)

1.一种耐热铝合金，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：5～6％Zn，2～3％Mg，1～2％Cu，0.3～0.5％Sm，余量为Al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐热铝合金，其特征在于，所述杂质的质量百分比含量低于0.1％。
3.根据权利要求1所述的耐热铝合金，其特征在于，所述耐热铝合金，以纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm为原料熔炼铸造并经热处理制备而成。
4.根据权利要求1所述的耐热铝合金，其特征在于，所述耐热稀土铝合金的组分为Al-Zn-Mg-Cu-Sm，金相组织主要由α-Al基体和共晶(α-Al+β-Al2Mg3Zn3+β-Al2Cu+β-Al2Sm)组成；合金的平均晶粒尺寸为50～70μm。
5.一种权利要求1至4任意一项所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)按比例称取纯铝、纯锌、纯镁、纯铜与中间合金Mg-25Sm，并预热；
(2)将预热后的纯铝、纯锌、纯镁、纯铜熔化后，加热至700～720℃，然后加入中间合金Mg-25Sm，保温至合金全部熔化后去除表面浮渣；然后升温至730～740℃，搅拌均匀后，再降温至690～700℃并保温，得合金液；
(3)将步骤(2)所得合金液浇注至模具中，得铸态合金；
(4)对步骤(3)所得铸态合金依次进行固溶处理和时效处理，即得所述耐热铝合金。
6.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预热的温度为180～200℃，预热时间为1～2h。
7.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在690～700℃保温5～10min。
8.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述模具为金属模具；模具使用前经过预热，所述预热的温度为250～300℃。
9.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，所述固溶处理的方法为：处理温度为480～500℃，处理时间为8～18h，然后用温度为80～100℃的热水淬火至室温；并且所述固溶处理在氧化镁粉末覆盖下进行，防止氧化燃烧。
10.根据权利要求4所述的耐热铝合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理的方法为：处理温度为150～200℃，处理时间为16～24h，然后空冷至室温。
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