CN110029251B - 一种耐高温铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温铝合金材料及其制备方法，包括如下质量比的原料：Al为80％‑83％，Si为8％‑10％，Mg为4％‑5％，Fe为1％‑2％，B为0.5％‑1％，过渡元素为0.5％‑1％，稀土元素为0.5％‑1％。本发明的一种耐高温铝合金材料的制备方法包括如下步骤：1)、配料；2)除杂；3)预热；4)、一次精炼，5)二次精炼，6)冷却；7)热挤压。本发明的耐高温铝合金及其制备方法，能有效强化晶界，提高其耐高温性能。

Description

一种耐高温铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体为一种耐高温铝合金材料及其制备方法。

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-佩奇(Hall-Betch)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；在铝合金的制造过程中，普通的铝合金的耐高温性能较差，同时强度也不高，因此我们提出了一种耐高温铝合金及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温铝合金材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的在铝合金的制造过程中，普通的铝合金的耐高温性能较差，同时强度也不高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种耐高温铝合金材料，包括如下质量比的原料：Al为80％-83％，Si为8％-10％，Mg为4％-5％，Fe为1％-2％，B为0.5％-1％，过渡元素为0.5％-1％，稀土元素为0.5％-1％。

优选的，Al为81％，Si为10％，Mg为4.5％，Fe为1.5％，B为1％。

优选的，所述过渡元素选自Ti、V、Co、Mo、Zr、Fe、Ni和Mn中的任意一种。

优选的，所述过渡元素为Ni。

优选的，所述稀土元素选自La、Ce、Sc和Nd中的一种或者几种。

优选的，所述稀土元素为Sc和/或Ce。

另一方面，本发明提供如下技术方案：一种耐高温铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：

1)、配料，通过称重装置将铝合金材料按照比例进行称重；

2)、除杂，将称重好的各原料放置在料框内部，然后通过超声波清洗装置进行除杂，除去表面的灰尘；

3)、预热，通过余热回收装置对步骤2)的原料进行预热；

4)、一次精炼，把步骤3)预热后的Al、Si、Mg和Fe一起投入到熔炉内部进行精炼，至原料均为熔融液时，向炉内投入除杂物，继续高温精炼6-7个小时，然后对熔炉内部的物料进行搅拌，并把漂浮在熔融液上部的残渣清除，然后静置冷却10-11个小时；

5)二次精炼，再次以步骤4)精炼的温度对步骤4)冷却后的原料进行高温精炼，并把漂浮在熔融液上部的残渣清除，清除完毕后，继续高温加热，同时向炉内添加步骤3)预热后的B，加热2-3个小时后，再次添加步骤3)预热后的过渡元素和稀土元素，加热搅拌2-3个小时；

6)冷却：把步骤5)的熔融液浇铸在模具内，并快速冷却至300℃，冷却后在300-400℃下保温7-8个小时得到铝合金铸锭；

7)热挤压：将步骤6)冷却的铝合金铸锭送入挤压机，升温后进行热挤压，并退火冷却。

优选的，步骤4)中的精炼温度范围为900-1000℃。

优选的，步骤4)的除杂物的添加量为Al、Si、Mg和Fe总质量的2％。

优选的，所述步骤4)中除杂物为NaCl和KCl的混合物，当除杂物进入熔融液后便熔化,熔化后形成的熔剂与夹杂物接触时,在它们的接触面上降低表面能，并产生润湿与吸附，夹杂物进入熔剂后便较处理前有更大的上升(或下沉)能力,从而将夹杂物从熔体中分离出来。

优选的，所述除杂物中NaCl和KCl质量比为1：1。

优选的，所述步骤1)中的铝合金材料为粉碎后的材料。

优选的，所述原料进行除杂时，对其进行搅拌。

优选的，在步骤7)，所述热挤压的温度为350℃，挤压比为86.2，挤压变形量为85％。

优选的，在步骤7)，热挤压后的铝合金板材在300-400℃的环境下保温7-8个小时得到铝合金铸锭退火，然后通入1-3℃的冷空气冷却。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过添加B原料、稀土原料和过渡元素原料，能够有效的改变铝合金的强度和耐高温性能，且B的原子半径略大于碳，能组成间隙固溶体的趋势，B在合金中的作用主要是在晶界偏聚造成局部合金化，显著地改变了晶界状态，降低了元素在晶界上的扩散过程而强化了晶界。过渡元素不仅可以细化晶粒,还可以形成弥散的Al₃M型强化相，这些相本身比较稳定,与基体错配度低，可与基体保持共格关系，能有效钉扎位错，稳定亚结构，阻止晶界滑移，同时抑制基体再结晶，提高基体再结晶温度，此外，稀土元素化学活性较强，能形成热稳定性良好的的稀土化合物,在晶界处呈放射状分布，能有效强化晶界，提高合金的耐高温性能。稀土元素包裹铝，经两次精炼，使合金获得极细的晶粒组织，制得的铝合金不仅具有耐高温性，且抗拉强度、屈服强度和拉伸率也得到了提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种耐高温铝合金材料的加工工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一、

本发明提供一种耐高温铝合金材料，包括如下质量比：Al为81％，Si为9％，Mg为5％，Fe为2％，B为1％，Ti为1％，Ce为1％。

实施例一的一种耐高温铝合金材料的制备方法，请参阅图1，包括如下步骤：

1)、首先进行配料，通过称重装置将原料按照各个比例进行称重配比，并粉碎；

2)、将称重好的各原料放置在料框内部，然后分别通过超声波清洗装置进行除杂，除去表面的灰尘；

3)、除杂完成后，通过余热回收装置对步骤2)的原料进行预热；

4)、步骤3)完成后，再把预热后的Al、Si、Mg和Fe一起投入到熔炉内部，通过900-1000℃的高温进行精炼，至原料均为熔融液时，向炉内投入除杂物，除杂物为NaCl和KCl质量百分比1:1的混合物，其添加量为Al、Si、Mg和Fe总量的2％，继续高温精炼6-7个小时后，对熔炉内部的物料进行搅拌，并把漂浮在熔融液上部的残渣清除，然后静置冷却10-11个小时；

需要说明的是，当除杂物进入熔融液后便熔化,熔化后形成的熔剂与夹杂物接触时,在它们的接触面上能降低表面能，并产生润湿与吸附，使得夹杂物进入熔剂后较处理前有更大的上升(或下沉)能力,从而将夹杂物从熔体中分离出来。

5)冷却后，再次以步骤4)的精炼温度对步骤4)冷却后原料进行高温精炼，并且把漂浮在熔融液上部的残渣清除，清除完毕后，继续高温加热，同时向炉内添加步骤3)预热后的B，加热2-3个小时后，再次添加步骤3)预热后的过渡元素和稀土元素，加热搅拌2-3个小时。

需要说明的是，B是高温合金常用的晶界强化元素，B的原子半径略大于碳，能组成间隙固溶体的趋势。B在合金中的作用主要是在晶界偏聚造成局部合金化，显著地改变了晶界状态，降低了元素在晶界上的扩散过程而强化了晶界。B还能影响合金中碳化物或一些金属问化合物的析出，改善晶界上碳化物的密集不均匀状态.因而对合金的热强性有利。但过量的B能形成低熔点共晶产物，其不利作用类似易于形成低熔点共晶的杂质，因此B的适量加入能有效提高材料的耐高温性能。

过渡元素具有具有熔点高、沸点高、硬度高、密度大等特性，且过渡元素的d电子在发生化学反应时都参与化学键的形成，可以表现出多种的氧化态。过渡元素在形成低氧化态的化合物时，一般形成离子键，而且容易生成水合物，在形成高氧化态的化合物时，形成的是共价键。过渡元素具有能用于成键的空d轨道以及较高的电荷/半径比，都很容易与各种配位体形成稳定的配位化合物。此外，过渡元素不仅可以细化晶粒，还可以形成弥散的Al₃M型强化相，这些相本身比较稳定,与基体错配度低,可与基体保持共格关系,能有效钉扎位错，稳定亚结构，阻止晶界滑移，同时抑制基体再结晶，提高基体再结晶温度。

而稀土元素化学活性较强，能形成热稳定性良好的的稀土化合物,在晶界处呈放射状分布，能有效强化晶界，提高合金的高温性能。稀土元素包裹铝，经两次精炼，使合金获得极细的晶粒组织，制得的铝合金不仅具有耐高温性，且抗拉强度、屈服强度和拉伸率也得到了提高。

6)冷却：把步骤5)的熔融液浇铸在模具内，并快速冷却至300℃，冷却后在300-400℃下保温7-8个小时得到铝合金铸锭；

7)热挤压：将步骤6)冷却的铝合金铸锭送入挤压机，升温后在350-420℃进行挤压延展，使得原材料形成铝合金板材，挤压温度为350摄氏度，挤压比为86.2，挤压变形量为85％，挤压后的铝合金板材在300-400摄氏度的环境下保温7-8个小时即可成型。

实施例二、

一种耐高温铝合金材料，包括如下质量比：Al为81％，Si为9％，Mg为5％，Fe为2％，B为1％，Zr为1％，Sc为1％。

实施例二的一种耐高温铝合金材料的制备方法，请参阅图1，包括如下步骤：

1)、首先进行配料，通过称重装置将原料按照各个比例进行称重配比；

2)、将称重好的各原料放置在料框内部，然后分别通过超声波清洗装置除杂以除去表面的灰尘，原料进行除杂时，需对其进行搅拌；

3)、除杂完成后，通过余热回收装置对步骤2)的原料进行预热；

4)、步骤3)完成后，再把预热后的Al、Si、Mg和Fe一起投入到熔炉内部，通过900-1000℃的高温进行精炼，至原料均为熔融液时，向炉内投入除杂物，除杂物为NaCl和KCl质量百分比1:1的混合物，其添加量为Al、Si、Mg和Fe总量的2％，继续在900-1000℃高温精炼6-7个小时后，然后对熔炉内部的物料进行搅拌，并且把漂浮在熔融液上部的残渣清除，然后静置冷却10-11个小时；

5)冷却后，再次以步骤4)的精炼温度对炉内的原料进行高温精炼，并把漂浮在熔融液上部的残渣清除，清除完毕后，继续高温加热，同时向炉内添加步骤3)预热后的B，加热2-3个小时后，再次添加步骤3)预热后的过渡元素和稀土元素，加热搅拌2-3个小时。

6)冷却：把步骤5)的熔融液浇铸在模具内，并快速冷却至300℃，冷却后在300-400℃下保温7-8个小时得到铝合金铸锭；

7)热挤压：将步骤6)冷却的铝合金铸锭送入挤压机进行挤压延展，使得原材料形成铝合金板材，挤压温度为350摄氏度，挤压比为86.2，挤压变形量为85％，挤压后的铝合金板材在300-400摄氏度的环境下保温7-8个小时即可成型。

实施例三、

一种耐高温铝合金材料，包括如下质量比：Al为81％，Si为10％，Mg为4.5％，Fe为1.5％，B为1％，Ni为1％，Sc和Ce各为1％。

实施例三的一种耐高温铝合金材料的制备方法，请参阅图1，包括如下步骤：

1)、首先进行配料，通过称重装置将原料按照各个比例进行称重配比；

2)、将称重好的各原料放置在料框内部，然后分别通过超声波清洗装置进行除杂，除去其表面的灰尘；

3)、除杂完成后，通过余热回收装置对步骤2的原料进行预热；

4)、步骤3)完成后，再把预热后的Al、Si、Mg和Fe一起投入到熔炉内部，通过900-1000℃的高温进行精炼，至原料均为熔融液时，向炉内投入除杂物，除杂物为NaCl和KCl质量百分比1:1的混合物，其添加量为Al、Si、Mg和Fe总量的2％，继续高温精炼6-7个小时后，然后对熔炉内部的物料进行搅拌，并且把漂浮在熔融液上部的残渣清除，然后静置冷却10-11个小时；

5)冷却后，再次以步骤4)精炼的温度对炉内的原料进行高温精炼，并且把漂浮在熔融液上部的残渣清除，清除完毕后，继续高温加热，同时向炉内添加步骤3)预热后的B，加热2-3个小时后，再次添加步骤3)预热后的过渡元素和稀土元素，加热搅拌2-3个小时。

6)冷却：把步骤5)的熔融液浇铸在模具内，并快速冷却至300℃，冷却后在300-400℃下保温7-8个小时得到铝合金铸锭；

7)热挤压：将步骤6)冷却的铝合金铸锭送入挤压机进行挤压延展，使得原材料形成铝合金板材，挤压温度为350摄氏度，挤压比为86.2，挤压变形量为85％，挤压后的铝合金板材在300-400摄氏度的环境下保温7-8个小时即可成型。

对比例、

对比例为普通耐高温铝合金，其中铝合金各原料组分的含量为Si为10％，Mg为4.5％，Fe为1.5％，其余为Al。

取实施例一、实施例二、实施例三和对比例的铝合金成品按照GB/T3880-2006的要求制备试样，在400摄氏度的环境下按照GB/T 4338-2006的要求在400℃的环境下通过拉伸机进行材料的拉伸试验，试验结果如下：

	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率/％
				实施例一	557.24	549.11	0.000127
实施例二	560.45	550.13	0.000093
				实施例三	576.27	569.68	0.000084
对比例	496.26	483.27	0.000190

取实施例一、实施例二和实施例三的铝合金成品按照GB/T3880-2006的要求制备试样，在450℃的环境下按照GB/T 4338-2006的要求通过拉伸机进行材料的拉伸试验，试验结果如下：

	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率/％
				实施例一	558.12	548.20	0.000135
实施例二	559.34	549.24	0.000098
				实施例三	567.24	559.37	0.000086
对比例	489.24	475.23	0.000203

取实施例一、实施例二、实施例三和对比例的铝合金成品按照GB/T3880-2006的要求制备试样成品，在500℃的环境下按照GB/T 4338-2006的要求通过拉伸机进行材料的拉伸试验，试验结果如下：

	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率/％
				实施例一	556.23	547.27	0.000148
实施例二	557.18	546.34	0.000104
				实施例三	564.29	556.28	0.000097
对比例	481.23	470.24	0.000267

取实施例一、实施例二、实施例三和对比例的铝合金成品按照GB/T3880-2006的要求制备试样，在加温室内分别进行500、550和600℃的耐高温程度实验，试验结果如下。

	500℃	550℃	600℃
				实施例一	表面正常	容易变形	表面损坏
实施例二	表面正常	容易变形	表面损坏
				实施例三	表面正常	表面正常	容易变形
对比例	表面损坏	表面损坏	表面损坏

经过上述对比例和三种实施例材料的实验结果，能够明显的得出对比例的铝合金抗拉强度最差，耐高温程度实验的表现也最差，而实施例三的铝合金抗拉强度更强，材料的伸长率也较小，能够大大的提升普通铝合金的强度，并且其耐高温程度(550℃)也相对较高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种耐高温铝合金材料，其特征在于，其原料及其质量比为：Al为80％-83％，Si为8％-10％，Mg为4％-5％，Fe为1％-2％，B为0.5％-1％，过渡元素为0.5％-1％，稀土元素为0.5％-1％，所述过渡元素选自Zr和/或Ni，所述稀土元素选自Ce和/或Sc。

2.一种制备如权利要求1所述的耐高温铝合金材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、配料：通过称重装置将各原料称重；

2)、除杂：将称重好的各原料分别放置在料框内部，然后通过超声波清洗装置分别进行除杂，除去材料表面的灰尘；

3)、预热：通过余热回收装置对步骤2)的材料进行预热；

4)、一次精炼：把步骤3)预热后的Al、Si、Mg和Fe一起投入到熔炉内部进行精炼，至各原料均为熔融液时，向炉内投入除杂物，继续高温精炼6-7个小时后，然后对熔炉内部的物料进行搅拌，并且把漂浮在熔融液上部的残渣清除，然后静置冷却10-11个小时；

5)二次精炼：再以步骤4)精炼的温度对步骤4)冷却后的原料进行高温精炼，并把漂浮在熔融液上部的残渣清除，清除完毕后向炉内添加步骤3)预热后的B，加热搅拌2-3个小时，再次添加步骤3)预热后的过渡元素和稀土元素，加热搅拌2-3个小时；

6)冷却：把步骤5)的熔融液浇铸在模具内，并快速冷却至300℃，冷却后在300-400℃下保温7-8个小时得到铝合金铸锭；

7)热挤压：将步骤6)冷却的铝合金铸锭送入挤压机，升温后进行热挤压，并退火冷却。

3.如权利要求2所述的一种耐高温铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤4)的精炼温度范围为900-1000℃。

4.如权利要求2所述的一种耐高温铝合金材料的制备方法，其特征在于：步骤4)的除杂物的添加量为Al、Si、Mg和Fe总质量的2％。

5.如权利要求2所述的一种耐高温铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4)的除杂物为NaCl和KCl的混合物。

6.如权利要求5所述的一种耐高温铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述除杂物中NaCl和KCl质量比为1：1。

7.如权利要求2所述的一种耐高温铝合金材料的制备方法，其特征在于：在步骤7)，所述热挤压的温度为350℃，挤压比为86.2，挤压变形量为85％。

8.如权利要求2所述的一种耐高温铝合金材料的制备方法，其特征在于：在步骤7)，热挤压后的铝合金板材在300-400℃的环境下保温7-8个小时得到铝合金铸锭退火，然后通入1-3℃的冷空气冷却。

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