CN109022966A - 一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，按重量百分比包括如下组分：Zn为30～35％，Zr为0.3～0.5％，Cr为0.1～0.2％，Ti为0.1～0.18％，Er为0.15～0.25％，Ce为0.05～0.15％，余量为Al。其合金密度小、强度高、韧性好且阻尼性能优异。同时提供该合金的制备方法，包括称取原料、预热、熔炼、精炼、稀土变质处理和浇铸，制备过程简单，易操作。

Description

一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝锌合金，具体涉及一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金及其制备方法。
背景技术
现代机械设备正向大型化、大功率化和高速度化发展，要求材料具有质量轻、强度高、成本低等优点。除此之外，大型结构的振动也会使部件产生噪声、疲劳等不良后果，则进一步要求材料要有优异的阻尼性以满足实际生产。
一般减少振动有三种方法：①增加重量以减少振幅，②设计合理的结构避免产生共振，③绝缘主机的振源，第三种属于材料领域研究范畴，可用阻尼合金解决该问题。现在研究较多的高阻尼合金有Al-Zn系和Al-Mg系合金，两者都属于复合型减振材料，其内耗不受磁场的影响，在微小的摆动中能保持较高的阻尼性能，因其质量轻、比刚度和比强度高，制造成本低廉、易于加工成型等优点，被广泛地应用于航空航天、石油化工、机械制造等各个行业。Zn含量对Al-Zn系合金阻尼性能影响很大，合金的阻尼性随着Zn含量的增加而提高，但同时密度增大，材料达不到轻量化的要求。Al-Mg系合金中，随着Mg含量的加大，可以满足轻量化要求且拥有高阻尼性能，但其力学和耐蚀性能达不到应用的要求。
相对于Al-Mg系合金，Al-Zn系合金具有更大的高强度和高阻尼潜力，有研究发现，通过添加合金元素，可以保证Al-Zn合金轻度的同时增加其阻尼性，对此，Al-Zn系阻尼合金被大量研究。
CN103981405A公开了一种低密度高阻尼铝基减振合金及其制备方法，合金的成分为：70％～80％的Al，5～％10％的Mg，3％～5％的Si，1％～6％的Cu。该合金的热处理工艺为：在380℃～450℃温度下保温4h后水冷到室温，随后在120℃～220℃温度下保温20小时并水冷到室温。其以铝基为基础，通过合金化和热处理工艺，控制各元素的含量、分布，得到的低密度高阻尼合金其阻尼性能SDC在15％左右，能够达到武器和交通领域对轻量化要求。但由于Si元素含量较高，存在潜在脆性，在实际的应用中有一定的风险性。
CN106399755A公开了一种环保型阻尼合金及其制备方法，组成该合金各组元重量百分含量为：15％～27％的Cu，0.01％～0.1％的Ti，0.1％～0.2％的稀土，0.2％～0.62％的Cu，0.01％～0.5％的Mg，余量为Zn。该合金的热处理工艺为：在330～360℃保温36～72h进行固溶，随后在0～10℃冰水混合物冷却至室温并时效三天。其提供的合金不含Si和Pb，切削加工性优良，环保无污染，在60℃时，其阻尼因子tanδ可达到5.413×10-2具有很好的减振阻尼性能。所述产品虽通过不含Si的合金元素进行合金化，降低材料脆化的风险，但合金以Zn为基，密度大大增加，达不到轻量化的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，其合金密度小、强度高、韧性好且阻尼性能优异，同时提供该合金的制备方法，制备过程简单，易操作。
本发明所述的含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，按重量百分比包括如下组分：Zn为30～35％，Zr为0.3～0.5％，Cr为0.1～0.2％，Ti为0.1～0.18％，Er为0.15～0.25％，Ce为0.05～0.15％，余量为Al。
进一步，所述的含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金按重量百分比包括如下组分：Zn为32％，Zr为0.4％，Cr为0.15％，Ti为0.18％，Er为0.20％，Ce为0.15％，余量为Al。
本发明中，合金元素的加入细化了晶粒，增加了α-Al和β-Zn蠕变相的面积，提高了合金的阻尼性。特定比例的Zr、Cr和Ti元素的复合加入，一部分固溶于基体，起固溶强化作用，另一部分以单质或者第二相的形式存在，促进异质晶形核，阻碍晶粒长大，起弥散强化和第二相强化作用。稀土Er和Ce元素的加入，起除气、净化的作用，还能够通过固溶和变质提高合金材料的阻尼性能，但稀土Er和Ce元素的加入量需要特殊考虑，若Er和Ce元素的含量较低，则阻尼性能提升效果不明显，若Er和Ce元素的含量较高，增加了合金的成本，同时还会使得晶粒粗大，降低合金强度和阻尼性能，因此，需要限定Er的含量为0.15～0.25％，Ce的含量为0.05～0.15％。
一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，称取原料，按照权利要求1或2所述的含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金的重量百分比称取以下原料：纯锌、Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金、Al-9.73wt.％Er中间合金、Al-10.05wt.％Ce中间合金和纯铝；
步骤二，预热，对称取的原料进行预热，去除原料中的水分；
步骤三，熔炼，将预热后的纯铝放入坩埚中，升温熔化纯铝后加入预热后的Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金，调节温度至600℃加入预热后的纯锌，保温至纯锌熔化后搅拌合金液，再升温至720℃，保温5～10min；
步骤四，精炼，加入干燥C2Cl6进行精炼处理；
步骤五，稀土变质处理，加入预热后的Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金，搅拌；
步骤六，浇铸，稀土合金熔化后静置10min，然后搅拌、扒渣、浇铸。
进一步，所述步骤二中纯铝、纯锌、Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金的预热温度为200℃，Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金和Al-4.55wt.％Ti中间合金的预热温度为400℃。
进一步，所述步骤四中C2Cl6的重量为炉料总重量的0.4％。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、合金元素Zr、Cr和Ti和稀土元素Er和Ce的复合加入细化了晶粒，增加了合金中α-Al和β-Zn蠕变相的面积，提高了合金的阻尼性，并且以Al基为基础，使得合金密度较小，在保证合金阻尼性的同时，满足了轻量化需求。
2、本发明的制备方法制备过程简单，操作便捷。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作详细说明。
实施例一，一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，按重量百分比包括如下组分：Zn为32％，Zr为0.32％，Cr为0.13％，Ti为0.12％，Er为0.15％，Ce为0.1％，余量为Al。
该合金的制备方法包括如下步骤：
步骤一，称取原料，按照所述合金组分称取以下原料：纯锌、Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金、Al-9.73wt.％Er中间合金、Al-10.05wt.％Ce中间合金和纯铝，纯铝的纯度＞99.83％，纯锌的纯度＞99.99％；
步骤二，预热，对称取的原料进行预热，去除原料中的水分，其中纯铝、纯锌、Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金的预热温度为200℃，Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金和Al-4.55wt.％Ti中间合金的预热温度为400℃；
步骤三，熔炼，首先将坩埚于温度200℃的条件下预热，将预热后的纯铝放入坩埚中，升温至720℃，纯铝完全熔化后加入预热后的Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金，调节温度至600℃加入预热后的纯锌，保温至纯锌熔化后搅拌合金液，再升温至720℃，保温5min，使得合金液中元素均匀化；
步骤四，精炼，加入干燥C2Cl6进行精炼处理，C2Cl6的重量为炉料总重量的0.4％，将干燥C2Cl6分2次采用钟罩压入合金液内进行精炼，精炼时间为10min；
步骤五，稀土变质处理，加入预热后的Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金，搅拌；
步骤六，浇铸，稀土合金熔化后静置10min，然后搅拌、扒渣、浇铸，得到含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，其抗拉强度σ为337MPa，延伸率δ为8.2％，阻尼因子Q-1为6.3×10-2。
实施例二，一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，按重量百分比包括如下组分：Zn为32％，Zr为0.35％，Cr为0.15％，Ti为0.12％，Er为0.15％，Ce为0.15％，余量为Al。
该合金的制备方法包括如下步骤：
步骤一，称取原料，按照所述合金组分称取以下原料：纯锌、Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金、Al-9.73wt.％Er中间合金、Al-10.05wt.％Ce中间合金和纯铝，纯铝的纯度＞99.83％，纯锌的纯度＞99.99％；
步骤二，预热，对称取的原料进行预热，去除原料中的水分，其中纯铝、纯锌、Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金的预热温度为200℃，Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金和Al-4.55wt.％Ti中间合金的预热温度为400℃；
步骤三，熔炼，首先将坩埚于温度200℃的条件下预热，将预热后的纯铝放入坩埚中，升温至720℃，纯铝完全熔化后加入预热后的Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金，调节温度至600℃加入预热后的纯锌，保温至纯锌熔化后搅拌合金液，再升温至720℃，保温10min，使得合金液中元素均匀化；
步骤四，精炼，加入干燥C2Cl6进行精炼处理，C2Cl6的重量为炉料总重量的0.4％，将干燥C2Cl6分2次采用钟罩压入合金液内进行精炼，精炼时间为11min；
步骤五，稀土变质处理，加入预热后的Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金，搅拌；
步骤六，浇铸，稀土合金熔化后静置10min，然后搅拌、扒渣、浇铸，得到含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，其抗拉强度σ为345MPa，延伸率δ为8.5％，阻尼因子Q-1为6.7×10-2。
实施例三，一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，按重量百分比包括如下组分：Zn为32％，Zr为0.40％，Cr为0.15％，Ti为0.18％，Er为0.20％，Ce为0.15％，余量为Al。
该合金的制备方法包括如下步骤：
步骤一，称取原料，按照所述合金组分称取以下原料：纯锌、Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金、Al-9.73wt.％Er中间合金、Al-10.05wt.％Ce中间合金和纯铝，纯铝的纯度＞99.83％，纯锌的纯度＞99.99％；
步骤二，预热，对称取的原料进行预热，去除原料中的水分，其中纯铝、纯锌、Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金的预热温度为200℃，Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金和Al-4.55wt.％Ti中间合金的预热温度为400℃；
步骤三，熔炼，首先将坩埚于温度200℃的条件下预热，将预热后的纯铝放入坩埚中，升温至720℃，纯铝完全熔化后加入预热后的Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金，调节温度至600℃加入预热后的纯锌，保温至纯锌熔化后搅拌合金液，再升温至720℃，保温8min，使得合金液中元素均匀化；
步骤四，精炼，加入干燥C2Cl6进行精炼处理，C2Cl6的重量为炉料总重量的0.4％，将干燥C2Cl6分2次采用钟罩压入合金液内进行精炼，精炼时间为12min；
步骤五，稀土变质处理，加入预热后的Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金，搅拌；
步骤六，浇铸，稀土合金熔化后静置10min，然后搅拌、扒渣、浇铸，得到含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，其抗拉强度σ为358MPa，延伸率δ为8.6％，阻尼因子Q-1为7.2×10-2。
实施例四，以不含稀土Er和Ce元素的Al-Zn-Zr-Cr-Ti阻尼合金作为对比例，所述合金按重量百分比包括如下组分：Zn为32％，Zr为0.32％，Cr为0.13％，Ti为0.12％，测定其抗拉强度σ为249MPa，延伸率δ为6.3％，阻尼因子Q-1为6.2×10-2。
以下以实施例一、实施例二和实施例三的稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金为试验例，对比例和试验例的性能参数如表1所示，
表1对比例、实施例一、实施例二和实施例三的阻尼合金的力学性能和阻尼性能参数
试样编号 抗拉强度σ(MPa) 延伸率δ(％) 阻尼因子Q-1(×10-2)
对比例 249 6.3 2.6
实施例一 337 8.2 6.3
实施例二 345 8.5 6.7
实施例三 358 8.6 7.2
可见，稀土Er和Ce元素的加入提高了合金的抗拉强度和延伸率，使得合金具有较高的强度和较好的韧性，同时阻尼因子也大幅提高，阻尼性能优异。以Al基为基础，使得合金密度较小，在保证合金阻尼性的同时，满足了轻量化需求。
实施例五，一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，按重量百分比包括如下组分：Zn为30％，Zr为0.3％，Cr为0.1％，Ti为0.1％，Er为0.25％，Ce为0.05％，余量为Al。
实施例六，一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，按重量百分比包括如下组分：Zn为35％，Zr为0.5％，Cr为0.2％，Ti为0.15％，Er为0.20％，Ce为0.1％，余量为Al。
实施例七，一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，按重量百分比包括如下组分：Zn为34％，Zr为0.4％，Cr为0.16％，Ti为0.13％，Er为0.18％，Ce为0.12％，余量为Al。
实施例八，一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，按重量百分比包括如下组分：Zn为35％，Zr为0.42％，Cr为0.14％，Ti为0.15％，Er为0.2％，Ce为0.15％，余量为Al。

Claims (6)

1.一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，其特征在于：按重量百分比包括如下组分：Zn为30～35％，Zr为0.3～0.5％，Cr为0.1～0.2％，Ti为0.1～0.18％，Er为0.15～0.25％，Ce为0.05～0.15％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，其特征在于：Zn为32％。
3.根据权利要求1所述的含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金，其特征在于：按重量百分比包括如下组分：Zn为32％，Zr为0.4％，Cr为0.15％，Ti为0.18％，Er为0.20％，Ce为0.15％，余量为Al。
4.一种含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，称取原料，按照权利要求1或2所述的含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金的重量百分比称取以下原料：纯锌、Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金、Al-9.73wt.％Er中间合金、Al-10.05wt.％Ce中间合金和纯铝；
步骤二，预热，对称取的原料进行预热，去除原料中的水分；
步骤三，熔炼，将预热后的纯铝放入坩埚中，升温熔化纯铝后加入预热后的Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金、Al-4.55wt.％Ti中间合金，调节温度至600℃加入预热后的纯锌，保温至纯锌熔化后搅拌合金液，再升温至720℃，保温5～10min；
步骤四，精炼，加入干燥C2Cl6进行精炼处理；
步骤五，稀土变质处理，加入预热后的Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金，搅拌；
步骤六，浇铸，稀土合金熔化后静置10min，然后搅拌、扒渣、浇铸，得到含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金。
5.根据权利要求4所述的含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金的制备方法，其特征在于：所述步骤二中纯铝、纯锌、Al-9.73wt.％Er中间合金和Al-10.05wt.％Ce中间合金的预热温度为200℃，Al-5.68wt.％Zr中间合金、Al-9.88wt.％Cr中间合金和Al-4.55wt.％Ti中间合金的预热温度为400℃。
6.根据权利要求4所述的含稀土Er和Ce元素的阻尼铝锌合金的制备方法，其特征在于：所述步骤四中C2Cl6的重量为炉料总重量的0.4％。
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