CN110885943A - 一种高延展性高强度的稀土铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一方面，本发明提供了一种高延展性高强度的稀土铝合金材料，按照质量百分比计算，包括如下成分：2.0～3.5%的Si，3.5%～5.0%的Cu，0.5%～0.9%的Mn，0.1%～0.5%的Re，0.1%～0.2%的Ti，0.005%～0.05%的Sr以及80%～92%的Al，所述的Re为含Ce和La的混合稀土；本发明通过在铝合金中引入稀土元素，以提高铝合金的流动性，减少缩松、缩孔以及裂纹的萌生。另一方面，本发明提供一种高延展性高强度的稀土铝合金材料制备方法，采用间接挤压铸造工艺，实现了工业化规模生产，在汽车轻量化、智能机器人、航空航天等领域有巨大的发展潜力。

Description

一种高延展性高强度的稀土铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明属于金属合金技术领域，具体涉及一种高延展性高强度的稀土铝合金材料及其制备方法。

背景技术

铝合金是一类有色金属结构材料，其具有密度低、强度高、可塑性好、导电导热性能优异以及抗蚀的优点，在航空航天、汽车制造、3C产品、船舶以及化学工业中得以广泛应用。随着轻量化的发展趋势，对铝合金材料的需求日益增加；在汽车制造领域中，整体车身以及配件均采用铝合金材料是汽车轻量化的发展方向，因而对铝合金材料的力学性能和铸造性能提出了更高的要求。

高强韧的铝合金材料主要为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金通过压力加工手段减少了铸造缺陷，同时在变形过程中通过剪切应变和再结晶细化了晶粒，提高了材料的致密度，具有强度高、韧性好的优点。但是变形铝合金对设备和工装模具要求高，制备工序繁琐，具有生产周期长、生产成本高的缺点。相较于变形铝合金，铸造铝合金具有工序短、生产效率高的优点，尤其在制作结构复杂的铸件中得以体现，但铸造铝合金对合金成分控制以及合金性能要求严苛，如：铸造铝合金需具备良好的流动性能和凝固收缩率，否则铸造的产品难以成型或出现难以消除的缺陷。目前，A356铝合金是应用较为广泛的一类铸造铝合金，其缺点是：抗拉强度和延伸性能一般，应用范围有限。

因此，迫切需要研发一种新型的铝合金材料，兼具良好的延展性能和较高的强度，并且易于实现工业化生产，相较于现有铝合金材料，具有明显的竞争优势。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处，一方面提供了一种高延展性高强度的稀土铝合金材料，通过在铝合金中引入稀土元素，以提高铝合金的流动性，减少缩松、缩孔以及裂纹的萌生；另一方面，本发明提供一种高延展性高强度的稀土铝合金材料制备方法，采用间接挤压铸造工艺，实现了工业化生产。

本发明通过以下技术方案实现目的：一种具有高延展性的稀土铝合金材料，按照质量百分比计算，包括如下成分：2.0～3.5%的Si，3.5%～5.0%的Cu，0.5%～0.9%的Mn，0.1%～0.5%的Re，0.1%～0.2%的Ti，0.005%～0.05%的Sr以及80%～92%的Al，所述的Re为含Ce和La的混合稀土。

进一步的，所述的Re中，Ce所占的质量百分比为50%～60%。

进一步的，按照质量百分比计算，包括如下成分：2.4%的Si，4.6%的Cu，0.70%的Mn，0.30%的Re，0.20%的Ti、0.01%的Sr以及91.63%的Al，余量为杂质。

进一步的，所述的Re中，所述Ce与所述La的质量比为14：11。

本发明公开的稀土铝合金材料的制备方法，具体包括如下步骤：

S1、按照质量百分比配制各个原料；

S2、将配制好的Al料、Cu料和Mn料升温熔化，得到熔体A；

S3、将熔体A升温至750℃，然后添加Si料和Re料，搅拌均匀后静置得到熔体B；

S4、对熔体B除气净化，并加入精炼剂；

S5、精炼结束后进行打渣，然后加入Sr料，搅拌均匀后静置得到熔体C；

S6、将熔体C转移至挤压铸造机中，并以喂丝的方式添加Ti料至所述挤压铸造机的入料筒中，进行挤压铸造成型；

S7、切割完成挤压铸造成型的样件，然后对样件进行热处理，得到稀土铝合金材料。

进一步的，在上述步骤中，所述Cu料为Cu锭或Al-10Cu中间合金，所述Mn料为Al-10Mn中间合金，所述的Si料为Al-10Si中间合金，所述Re料为Al-20CeLa中间合金，所述Sr料为Al-20Sr中间合金，所述Ti料为Al-5Ti-B中间合金。

进一步的，在所述的步骤S5中，采用石墨转子出气机对熔液进行精炼除气，所述的精炼剂为氩气或氮气。

进一步的，在所述的步骤S7中，采用间接挤压的方式铸造成型，铸造成型温度为710～730℃。

进一步的，在所述的步骤S8中，所述的热处理工艺包括如下步骤：

S8.1、将所述样件在520℃下固溶9h；

S8.2、将固溶后的样件进行水淬，然后在180℃时效8h；

S8.3、将完成步骤S8.2的样件空冷24h。

本发明的有益效果为：

1、本发明公开了一种高延展性高强度的稀土铝合金材料，在Al-Cu中引入了Ti、Sr、Ce和La稀土元素，有效地改善了铝合金的铸造性能，减少合金的凝固区间以及枝晶间距，具备较高的强度和塑性，抗拉强度达380MPa以上，延伸率可达8%，可应用于汽车制造、智能设备、航空航天等领域中；

2、本发明的铝合金材料对成分要求较宽，毋需要高纯度的Al锭和添加昂贵的Zr、V、Y等合金，生产成本低，有很高的产业化价值，在汽车轻量化、智能机器人、航空航天等领域有巨大的发展潜力；

3、本发明的铝合金材料通过间接挤压铸造工艺成型，不良品率控制在10%以内，成型效率优于重力铸造，接近于高压铸造，解决了高强度Al-Cu合金生产效率低的难题，具有生产效率高、可实现工业化生产的优点。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

对比例

对比例为市售的A356铝合金，属于铸造铝合金，A356铝合金的抗拉强度为295MPa，延伸率为3%，硬度为80HBW。A356铝合金主要应用于制造各种外壳、航空机泵部品、航空机接头、汽车变速器、高耐热性支应力部材、机械工具部件等领域中。

对比例的A356铝合金按照质量百分比计算，包括如下成分：7.44%的Si， 0.33%的Mg，余量为Al和不可避免的杂质，杂质元素Fe的质量百分比为0.16%。

实施例一

本实施例公开了一种高延展性高强度的稀土铝合金材料及制备方法，该稀土铝合金材料是在Al-Cu中引入了Ti、Sr、Ce和La稀土元素，有效地改善了铝合金的铸造性能，减少合金的凝固区间以及枝晶间距，具备较高的强度和塑性。该稀土铝合金材料毋需要高纯度的Al锭和添加昂贵的Zr、V、Y等合金，并且对某些成分的配比控制要求不高，生产成本低，有很高的产业化价值。

本实施例的稀土铝合金材料按照质量百分比计算，包括如下成分：2.4%的Si，4.6%的Cu，0.70%的Mn，0.30%的Re，0.20%的Ti、0.01%的Sr以及91.63%的Al，余量为杂质；所述的Re中，Ce与La的质量比为14：11。

采用间接挤压铸造工艺制备本稀土铝合金材料，制备原料为：Al锭，Cu锭，Al-10Mn中间合金，Al-10Si中间合金，Al-20CeLa中间合金，Al-20Sr中间合金以及Al-5Ti-B中间合金，上述原料均为市售，并且纯度不作具体限定。

采用间接挤压铸造工艺制备本稀土铝合金材料，涉及的设备为：石墨坩埚、石墨转子除气机、挤压铸造机以及带风循环的电阻炉。

本稀土铝合金材料的制备工艺具体包括如下步骤：

S1、按照配方的质量百分比配制各个原料，并烘干；

S2、将配制好的Al锭、Cu锭和Al-10Mn中间合金置于石墨坩埚中升温熔化，得到熔体A；

S3、石墨坩埚加热以使熔体A升温至750℃，然后向熔体A中添加Al-10Si中间合金和Al-20CeLa中间合金，充分搅拌15min，混合均匀后静置，得到熔体B；

S4、采用石墨转子除气机对熔体B除气净化，并通入精炼剂Ar；

S5、精炼结束后进行打渣，然后加入Al-20Sr中间合金，搅拌5min，混合均匀后静置20min，得到熔体C；

S6、将熔体C转移至挤压铸造机中，并以喂丝的方式添加Al-5Ti-B中间合金至所述挤压铸造机的入料筒中，进行挤压铸造成型，得到样件；

S7、将样件切割成与所述电阻炉的炉膛相适配的尺寸，然后对样件进行热处理，得到高延展性高强度的稀土铝合金材料。

对上述步骤需要说明的是，各个原料依照上述添加顺序的原因是：首先，Al锭和Cu锭为基质原料，添加Mn的目的是降低熔炼过程中杂质元素Fe的含量；其次，Si和RE在750℃下添加是为了保证元素扩散和熔化效率；再次，由于Sr熔炼时极易损耗，因此，Sr需要在精炼工序之后添加；最后，因为Al-5Ti-B熔点低并且时效时间短（5～10min），所以AL-Ti-B在铸造时以喂丝方式添加，以避免出现变质而效果退化的问题。

在所述步骤S6中，采用间接挤压的方式铸造成型，铸造温度为710℃～720℃，增压压力为43MPa，保压时间为5s。本实施例的间接挤压铸造成型工艺可将不良品率控制在10%以内，成型效率优于重力铸造，接近于高压铸造。

在所述步骤S7中，热处理工艺为：首先，将稀土铝合金样件在520℃固溶9h；然后将固溶后的样件进行水淬，再在180℃时效8h；最后，空冷24小时以上。其中，淬火转移时间≤10s。

采用上述制备方法获得的稀土铝合金材料，兼具较高的强度和良好的力学性能，如表1所述，抗拉强度为382MPa，延伸率为8%，硬度为93HBW，具有强度高、可塑性好的优点，可应用于汽车制造、智能设备、航空航天等领域中。

实施例二

本实施例提供了一种稀土铝合金材料，按照质量百分比计算，包括如下成分：包括如下成分：3.1%的Si，4.1%的Cu，0.6%的Mn，0.15%的Re，0.13%的Ti，0.04%的Sr以及91.68%的Al，余量为杂质；其中，所述的Re中，Ce与La的质量比为1：1。

本稀土铝合金材料的制备原料、设备以及制备方法同实施例一，但各个原料的添加量按照本实施例的配方配制。如表1所述，本稀土铝合金材料的抗拉强度为354MPa，延伸率为11%，硬度为89HBW，具有强度较高、可塑性好的优点。

实施例三

本实施例提供了一种稀土铝合金材料，按照质量百分比计算，包括如下成分：包括如下成分：3.5%的Si，4.8%的Cu，0.9%的Mn，0.4%的Re，0.15%的Ti，0.02%的Sr以及90.03%的Al，余量为杂质；所述的Re中，Ce与La的质量比为7：5。

本稀土铝合金材料的制备原料、设备以及制备方法同实施例一，但各个原料的添加量按照本实施例的配方配制。如表1所述，本稀土铝合金材料的抗拉强度为375MPa，延伸率为9%，硬度为91HBW，具有强度高、可塑性好的优点。

实施例四

本实施例提供了一种稀土铝合金材料，按照质量百分比计算，包括如下成分：包括如下成分：3.5%的Si，5.0%的Cu，0.7%的Mn，0.5%的Re，0.17%的Ti，0.05%的Sr以及89.88%的Al，余量为杂质；所述的Re中，Ce与La的质量比为3：2。

本稀土铝合金材料的制备原料、设备以及制备方法同实施例一，但各个原料的添加量按照本实施例的配方配制。如表1所述，本稀土铝合金材料的抗拉强度为367MPa，延伸率为8.5%，硬度为89HBW，与实施例三所述的稀土铝合金材料性能相差不大。

表1为对比例和四个实施例中铝合金材料的力学性能

由上表可知：本发明的稀土铝合金材料相较于A356铝合金具有明显的竞争优势，对比例A356铝合金和四个实施例的挤压铸造良率接近，但是，相较于A356铝合金，本发明的稀土铝合金材料力学性能更为优越。实施例一的稀土铝合金材料抗拉强度是A356铝合金的1.3倍，并且延伸率是A356铝合金的2.7倍；实施例二的稀土铝合金材料抗拉强度是A356铝合金的1.2倍，并且延伸率是A356铝合金的3.7倍；实施例三和实施例四的稀土铝合金材料力学性能相差不大，并且抗拉强度和延伸率均优越于A356铝合金。因此，本发明的稀土铝合金材料具有优异的延展性和较高的强度，在汽车轻量化、智能机器人、航空航天等领域有巨大的发展潜力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高延展性高强度的稀土铝合金材料，其特征在于，按照质量百分比计算，包括如下成分：2.0～3.5%的Si，3.5%～5.0%的Cu，0.5%～0.9%的Mn，0.1%～0.5%的Re，0.1%～0.2%的Ti，0.005%～0.05%的Sr以及80%～92%的Al，所述的Re为含Ce和La的混合稀土。

2.根据权利要求1所述的高延展性高强度的稀土铝合金材料，其特征在于，所述的Re中，Ce所占的质量百分比为50%～60%。

3.根据权利要求1或2所述的高延展性高强度的稀土铝合金材料，其特征在于，按照质量百分比计算，包括如下成分：2.4%的Si，4.6%的Cu，0.70%的Mn，0.30%的Re，0.20%的Ti、0.01%的Sr以及91.63%的Al，余量为杂质。

4.根据权利要求3所述的高延展性高强度的稀土铝合金材料，其特征在于，所述的Re中，所述Ce与所述La的质量比为14：11。

5.一种高延展性高强度的稀土铝合金材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、按照质量百分比配制各个原料；

S2、将配制好的Al料、Cu料和Mn料升温熔化，得到熔体A；

S3、将熔体A升温至750℃，然后添加Si料和Re料，搅拌均匀后静置得到熔体B；

S4、对熔体B除气净化，并加入精炼剂；

S5、精炼结束后进行打渣，然后加入Sr料，搅拌均匀后静置得到熔体C；

S6、将熔体C转移至挤压铸造机中，并以喂丝的方式添加Ti料至所述挤压铸造机的入料筒中，进行挤压铸造成型；

S7、切割完成挤压铸造成型的样件，然后对样件进行热处理，得到稀土铝合金材料。

6.根据权利要求5所述的高延展性高强度的稀土铝合金材料制备方法，其特征在于，所述Cu料为Cu锭或Al-10Cu中间合金，所述Mn料为Al-10Mn中间合金，所述的Si料为Al-10Si中间合金，所述Re料为Al-20CeLa中间合金，所述Sr料为Al-20Sr中间合金，所述Ti料为Al-5Ti-B中间合金。

7.根据权利要求5所述的高延展性高强度的稀土铝合金材料制备方法，其特征在于，在所述的步骤S5中，采用石墨转子出气机对熔液进行精炼除气，所述的精炼剂为氩气或氮气。

8.根据权利要求5所述的高延展性高强度的稀土铝合金材料制备方法，其特征在于，在所述的步骤S7中，采用间接挤压的方式铸造成型，铸造成型温度为710～730℃。

9.根据权利要求5－8任一项中所述的高延展性高强度的稀土铝合金材料制备方法，其特征在于，在所述的步骤S8中，所述的热处理工艺包括如下步骤：

S8.1、将所述样件在520℃下固溶9h；

S8.2、将固溶后的样件进行水淬，然后在180℃时效8h；

S8.3、将完成步骤S8.2的样件空冷24h。