CN109355533A

CN109355533A - 一种耐高温铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109355533A
Application number: CN201811525654.0A
Authority: CN
Inventors: 张翠玲
Original assignee: Xuzhou Yining Aluminum Technology Co Ltd
Current assignee: Xuzhou Yining Aluminum Technology Co Ltd
Priority date: 2018-12-13
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2019-02-19

Abstract

一种耐高温铝合金及其制备方法，所述耐高温铝合金的成分以重量百分比计包括Si 1～11，Mg 1～5，Mn 0.1～0.2，Cr 0.1～0.2，Zn 0.1～0.3，Fe 0.2～0.8，稀土RE 0.2～2，其余的为铝。铝合金的制备方法如下：按照铝合金各成分的重量配比，称取原料，并将除稀土金属以外的原料装入坩埚中用电阻炉加热熔解，熔炼1～2h，保温10min，经过稀土变质处理，浇铸成型以及高压扭转塑性加工等工序，最终获得产品，相比于传统的塑性形变加工方法，利用高压扭转法制备出的铝合金材料，可以获得超细晶组织，铝晶粒尺寸为100～200nm，而且材料中还存在位错组织，所制备的铝合金具有优异的高温力学性能，可在350～450℃范围内稳定使用，仍保持很高的力学强度，材料拥有很好的应用前景。

Description

一种耐高温铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料工程领域，具体涉及一种耐高温铝合金及其制备方法。

背景技术

铝合金的用量仅次于钢铁材料，广泛应用于航空航天、汽车、航海、化工等领域，在汽车领域，汽车轻量化是未来发展的趋势，铝和铝合金是为实现这一目的首选材料，但是在车辆的运行中，很多部件都是在高温下运行的，如汽车的发动机、活塞等部件，工作温度范围为300～400℃之间，这样就需要考虑到部件在这一温度范围内的力学强度，众所周知，随着温度的提高，晶粒不断长大会降低抗拉强度，根据霍尔-彼奇(Hall-Petch)公式，即晶粒越细小，其硬度越高，抗拉强度越大，反之，晶粒越大，其硬度越低，抗拉强度越小。在铝中添加一些合金元素形成弥散相或第二相分布于铝晶界或亚晶界中，可以在高温条件下阻止铝晶粒的长大，从而改善铝合金的高温力学性能。相比于传统的塑性加工方法(轧制、挤压、锻造、拉拔、冲压等)，利用高压扭转法可以获得超细晶材料(晶粒尺寸范围为100nm<d<1μm)，高压扭转分为压缩阶段和扭转阶段，其基本原理如下：试样被固定在下冲头的凹槽内。首先，上冲头在压力作用下压缩试样，促使试样产生轴向压缩变形，完成压缩。然后上模在保压状态下下模扭转，通过摩擦在试样的横截面上产生扭矩，促使试样内部产生切向剪切变形，完成扭转。由此可以看出，高压扭转是通过模具在试样的变形区产生高压环境，由此产生摩擦力和剪切力，利用摩擦力细化晶粒获得超细晶材料。

发明内容

本发明提供了一种铝合金及其制备方法，利用高压扭转法制备超细晶铝合金材料，制备的材料在高温条件下仍具有很高的力学强度。

本发明为了克服现有技术存在的问题，采用以下技术方案：

一种铝合金，该合金的成分以重量百分比来表示，包括Si 1～11，Mg 1～5，Mn 0.1～0.2，Cr 0.1～0.2，Zn 0.1～0.3，Fe 0.2～0.8，稀土RE 0.2～2，其余的为铝。

进一步的，所述稀土RE可以选择镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种及其任意两种以上复配的混合物。

进一步的，所述铝合金的室温抗拉强度为505～550MPa，350℃下的抗拉强度为430～495MPa，450℃下的抗拉强度为415～488MPa，550℃下的抗拉强度为355～404MPa。

进一步的，一种铝合金，具体制备步骤如下：

(1)利用锯床切割所有合金原料，并将原料按照铝合金各成分的重量配比进行称量，然后将除稀土金属以外的原料全部装入石墨坩埚中；

(2)打开电阻炉和控温仪，将炉料在300～400℃下进行预热，驱除水蒸气，保温时间为30～40min；

(3)预热完毕后，将温度升至850℃，熔炼1～2h，待原料全部熔解后，保温10min，再用石墨棒搅拌5min，准备稀土变质处理；

(4)稀土金属以Al-RE中间合金的形式加入，用石墨钟罩将预热好的稀土中间合金加入到铝合金熔体中，温度为750℃，变质时间为10min，然后加入精炼剂进行除氢处理，接着捞渣浇铸，并将熔体浇铸于不锈钢模具中，待合金熔体完全凝固后，打开模具取出铝合金铸锭；

(5)接下来对铝合金进行高压扭转变形处理，将铝合金被固定在下冲头的凹槽内，利用上冲头对铝合金施加压力压缩合金试样，然后上模在保压状态下下模扭转，最终完成变形处理。

进一步的，所述Al-RE中间合金中Al与RE的重量比为5:1～9:1。

进一步的，步骤(5)中所述高压扭转变形处理的工艺参数：静水压力为1.5～3GPa，扭转圈数为10。

进一步的，所述精炼剂的配方为KF 60～70份，NaCl 50～60份，LiF 40～60份，冰晶石20～25份，AlF₃ 10～25份，CaCl₂ 10～20份，Ce(NO₃)₃40～60份。

本发明采用上述技术方案可以获得以下有益效果：

利用高压扭转法制备出的铝合金材料，可以获得超细晶组织，铝晶粒尺寸为100～200nm，晶粒呈现均匀化分布，而且材料在高温条件下拥有优异的力学性能，显示铝合金组织具有优异的力学热稳定性，能够将材料成功应用在高温条件下工作，拥有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明制备的铝合金铝基体的TEM形貌图，其中a为位错组织，b为铝晶粒。

图2是未经过高压扭转法制备的铝合金铝基体SEM形貌图。

具体实施方式

本发明实施例中采用的铝锭、镁锭、锌锭、纯铁、锰块、铬块的重量纯度≥99.9wt.％，2202#工业硅和稀土金属RE的重量纯度≥99.7wt.％。

本发明实施例中采用自行设计的电阻炉进行铝合金的熔炼。

实施例1：

一种铝合金，该合金的成分以重量百分比来表示，包括Si 1，Mg 1，Mn 0.1，Cr0.1，Zn 0.1，Fe 0.2，稀土Ce 0.5，Al 97。

一种铝合金，具体制备步骤如下：

(2)打开电阻炉和控温仪，将炉料在300～400℃下进行预热，驱除水蒸气，目的是防止熔炼过程中水蒸气引起炉子的炸裂，保温时间为30～40min；

(4)稀土金属以Al-10Ce中间合金的形式加入，用石墨钟罩将预热好的稀土中间合金加入到铝合金熔体中，温度为750℃，变质时间为10min，然后加入精炼剂进行除氢处理，接着捞渣浇铸，并将熔体浇铸于不锈钢模具中，待合金熔体完全凝固后，打开模具取出铝合金铸锭；

(5)接下来对铝合金进行高压扭转变形处理，将铝合金被固定在下冲头的凹槽内，利用上冲头对铝合金施加压力压缩合金试样，然后上模在保压状态下下模扭转，最终完成变形处理，相应的工作参数：静水压力为1.5～3GPa，扭转圈数为10。

所述精炼剂的配方为KF 60～70份，NaCl 50～60份，LiF 40～60份，冰晶石20～25份，AlF₃ 10～25份，CaCl₂ 10～20份，Ce(NO₃)₃40～60份。

所述稀土Ce可以选择镧、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种及其任意两种以上复配的混合物。

实施例2：

与实施例1的区别在于，一种铝合金，该合金的成分以重量百分比来表示，包括Si11，Mg 5，Mn 0.2，Cr 0.2，Zn 0.3，Fe 0.8，稀土Ce 0.5，稀土Pr 0.5，Al 81.5。熔炼过程中使用的稀土中间合金为Al-11Ce-5Pr。

所述稀土Ce和Pr可以替换为镧、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种。

实施例3：

与实施例1的区别在于，一种铝合金，该合金的成分以重量百分比来表示，包括Si6，Mg 3，Mn 0.15，Cr 0.15，Zn 0.2，Fe 0.5，稀土Ce 0.5，稀土Pr 0.3，稀土Nd 0.2，Al 89。熔炼过程中使用的稀土中间合金为Al-5Ce-5Pr-5Nd。

所述稀土Ce、Pr和Nd可以替换为镧、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种。

对比例1：与实施例1的区别在于，不进行高压扭转处理，而合金成分与实施例1一样；

对比例2：与实施例2的区别在于，不进行高压扭转处理，而合金成分与实施例2一样；

对比例3：与实施例3的区别在于，不进行高压扭转处理，而合金成分与实施例3一样；

性能检测

将实施例1～3和对比例1～3所制备的铝合金样品，根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验标准》，分别在室温(25℃)、350℃、450℃以及550℃条件下进行拉伸性能测试，测试的结果见表1。

表1实施例1～3和对比例1～3所制备铝合金的抗拉强度数据列表

表1显示了实施例1～3和对比例1～3所制备铝合金的抗拉强度，结果显示相比于对比例1～3，实施例1～3在不同温度下抗拉强度均有所提高，而且随着测试温度的提高，抗拉强度均有所下降，这是因为温度升高会引起晶粒长大的现象，温度越高，晶粒长大速度越快，但是我们发现在350～450℃之间抗拉强度下降缓慢，很明显在这一温度范围内铝合金的力学热稳定性非常好，晶粒增长缓慢，材料仍保持很高的抗拉强度，如果用该材料做成铝合金产品可以在这一温度区间范围内稳定地工作。另外，经过高压扭转法制备的铝合金，其组织中存在位错结构和纳米铝晶粒，晶粒尺寸为100～200nm，这显然是经过高压扭转在材料累计剪切应变导致晶粒细化的结果，见图1。根据霍尔-彼奇(Hall-Petch)公式，即晶粒越细小，其硬度越高，抗拉强度越大，而且由于铝是面心立方结构，滑移系很多，一旦受到外力，塑性形变是以位错机制展开变形的。而对比例1～3中不进行高压扭转处理，铝基体组织以等轴晶为主，晶粒尺寸的范围为50～200μm之间，因此抗拉强度较低，见图2。

本发明提供了一种铝合金及其制备方法，可以获得以下有益效果：

相比于传统的塑性形变加工方法，利用高压扭转法制备出的铝合金材料，可以获得超细晶组织，铝晶粒尺寸为100～200nm，而且材料中还存在位错组织，所制备的铝合金具有优异的高温力学性能，可在350～450℃范围内稳定使用，仍保持很高的力学强度，材料拥有很好的应用前景。

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

1.一种耐高温铝合金，其特征在于，所述耐高温铝合金的成分以重量百分比计包括Si1～11，Mg 1～5，Mn 0.1～0.2，Cr 0.1～0.2，Zn 0.1～0.3，Fe 0.2～0.8，稀土RE 0.2～2，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温铝合金，其特征在于，所述稀土RE可以选择镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种及其任意两种以上复配的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温铝合金，其特征在于，所述耐高温铝合金的室温抗拉强度为505～550MPa，350℃下的抗拉强度为430～495MPa，450℃下的抗拉强度为415～488MPa，550℃下的抗拉强度为355～404MPa。

4.权利要求1～3任意一项所述的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

5.根据权利要求4所述的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，所述Al-RE中间合金中Al与RE的重量比为5:1～9:1。

6.根据权利要求4所述的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述高压扭转变形处理的工艺参数：静水压力为1.5～3GPa，扭转圈数为10。

7.根据权利要求4所述的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的精炼剂的配方为KF 60～70份，NaCl 50～60份，LiF 40～60份，冰晶石20～25份，AlF3 10～25份，CaCl2 10～20份，Ce(NO3)340～60份。