CN111041300B - 一种颗粒增强铝合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用原位自生法制备的颗粒增强铝合金材料,涉及铝合金加工技术领域,以Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金为基体,在基体中添加二硼化钛颗粒,经挤压铸造加工而成。本发明利用原位自生法从基体中原位生成的而具有热稳定性好、增强体表面洁净无污染且与基体界面相容性好,以及界面结合强度高、分布均匀的颗粒增强相,增强相颗粒具有细小的尺寸,可以达到0.1‑3.0μm,能够在保持材料轻量化的同时使得材料在强度、耐磨性能、耐腐蚀性能等方面得到大幅度提升。
Description
技术领域:
本发明涉及铝合金加工技术领域,具体涉及一种利用原位自生法制备的颗粒增强铝合金材料。
背景技术:
Al-Zn-Mg-Cu铝合金属于时效强化型合金,具有密度小、比强度高、韧性好、易于成型和加工、成本较低等优点,广泛用于航天、航空、交通运输领域及其他要求轻量化、高强度和良好耐蚀性等高应力结构部件。
随着汽车工业的快速发展,对Al-Zn-Mg-Cu铝合金的综合性能有了更高的要求,传统的Al-Zn-Mg-Cu铝合金的强度很高,属于超硬铝,其屈服强度接近于抗拉强度,屈强比高,抗拉强度也很高,但塑性较低。为了改善Al-Zn-Mg-Cu 铝合金的力学性能,可以调整已有金属元素的含量或者添加其他金属元素,也可以改变铝合金的加工工艺。
专利CN201810354097.4公开了一种硬质纳米颗粒增强铝合金板的制备方法,用钻头在Al-Zn-Mg-Cu铝合金板上开设盲孔,将硬质纳米颗粒与酒精溶液混合得到混合物,用注射器将混合物注入预设盲孔中,放入干燥箱使液体挥发,在盲孔上搅拌摩擦加工处理,同时进行极冷处理。该专利取得了使抗拉强度从453.2MPa提高到546.7MPa、延伸率从12.6%提高到20.0%的技术效果,但由于需要采用-180~-200℃的极冷处理,因此处理成本高。
发明内容:
本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用原位自生法制备的颗粒增强铝合金材料,在简化操作、降低成本的基础上,显著提高了Al-Zn-Mg-Cu 铝合金的力学性能。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现:
一种利用原位自生法制备的颗粒增强铝合金材料,以Al-Zn-Mg-Cu铝合金为基体,在基体中添加二硼化钛颗粒,经挤压铸造加工而成。
上述颗粒增强铝合金材料的制备方法包括以下步骤:
(1)配料:准备Al-Zn-Mg-Cu铝合金和纳米二硼化钛颗粒;
(2)熔炼:将熔炼炉升温至330-350℃,加入Al-Zn-Mg-Cu铝合金,继续升温至760-780℃后保温熔炼,待完全形成熔体后加入纳米二硼化钛颗粒,搅拌,扒渣,除气,得到合金液;
(3)挤压铸造:将模具预热,利用挤压铸造机冲头向模具型腔平稳推送合金液,快速增压凝固结晶,控制挤压铸造工艺参数,铸造完成后开模,取出铸件;
(4)热处理:将铸件置于热处理炉中,在520-550℃下固溶处理,冷水淬火,最后在130-160℃下时效处理。
所述纳米二硼化钛颗粒的粒径为60nm,纯度>99%,比表面积24m2/g。
所述Al-Zn-Mg-Cu铝合金和纳米二硼化钛颗粒的质量比为100:0.1-0.5。
所述挤压铸造的模具预热温度为300-400℃。
所述挤压铸造工艺参数为:合金液浇注温度700-720℃,挤压压力100-110 MPa,保压时间30-60s,充型速度0.6-0.8m/s,充型时间3-5s。
为了在上述技术方案的基础上进一步优化所制铝合金材料的使用性能,本发明还在熔炼时加入了晶粒细化剂,将上述技术方案中的步骤(2)替换为“将熔炼炉升温至330-350℃,加入Al-Zn-Mg-Cu铝合金,继续升温至760-780℃后保温熔炼,待完全形成熔体后加入纳米二硼化钛颗粒,搅拌,再加入晶粒细化剂,继续搅拌,扒渣,除气,得到合金液”。
所述晶粒细化剂的用量为每100kg Al-Zn-Mg-Cu铝合金铝合金添加0.5-1 kg晶粒细化剂。
所述晶粒细化剂为Al-Te-Be合金,各成分的质量百分比分别为:Te 1-5%, Be0.5-2%,余量为铝。
通过加入Al-Te-Be细化剂生成BeTe,BeTe与Al的晶格常数接近,能够作为Al的结晶核心而发挥异质形核作用。
另外,同样为了在上述技术方案的基础上进一步优化所制铝合金材料的使用性能,本发明在冷水淬火时采用的冷水中添加有淬火剂,将上述技术方案中的步骤(4)替换为“将铸件置于热处理炉中,在500-550℃下固溶处理,采用溶有淬火剂的冷水淬火,最后在155-160℃下时效处理”。
所述淬火剂为γ-聚谷氨酸,γ-聚谷氨酸与冷水的用量比为10-30:70-90。
本领域通常采用PAG淬火液,主要成分是聚烷撑二醇,但PAG淬火液在高温条件下很容易变质。本发明采用γ-聚谷氨酸作为淬火剂溶于水形成淬火液,可以紧紧吸附在铝合金的表面形成隔热薄膜,降低铝合金表面的冷却速率,随着隔热薄膜溶解于水中从而获得均匀的淬火冷却效果,进而改善铝合金的力学性能。
本发明的有益效果是:本发明利用原位自生法从基体中原位生成的而具有热稳定性好、增强体表面洁净无污染且与基体界面相容性好,以及界面结合强度高、分布均匀的颗粒增强相,增强相颗粒具有细小的尺寸,可以达到 0.1-3.0μm,能够在保持材料轻量化的同时使得材料在强度、耐磨性能、耐腐蚀性能等方面得到大幅度提升。
具体实施方式:
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。
实施例1
(1)配料:准备100kg Al-Zn-Mg-Cu铝合金和0.25kg纳米二硼化钛颗粒,纳米二硼化钛颗粒的粒径为60nm,纯度为99.8%,比表面积24m2/g;
(2)熔炼:将熔炼炉升温至340℃,加入Al-Zn-Mg-Cu铝合金,继续升温至 770℃后保温熔炼4h,待完全形成熔体后加入纳米二硼化钛颗粒,搅拌30min,扒渣,除气,得到合金液;
(3)挤压铸造:将模具预热至350℃,利用挤压铸造机冲头向模具型腔平稳推送合金液,快速增压凝固结晶,控制挤压铸造工艺参数,合金液浇注温度710℃,挤压压力110MPa,保压时间40s,充型速度0.7m/s,充型时间5s,铸造完成后开模,取出铸件;
(4)热处理:将铸件置于热处理炉中,在530℃下固溶处理3h,25℃冷水淬火3s,最后在150℃下时效处理4h。
实施例2
将实施例1中的纳米二硼化钛颗粒用量调整为0.3kg,其余同实施例1。
实施例3
将实施例1中的步骤(2)替换为“将熔炼炉升温至340℃,加入Al-Zn-Mg-Cu 铝合金,继续升温至770℃后保温熔炼4h,待完全形成熔体后加入纳米二硼化钛颗粒,搅拌30min,再加入1kg晶粒细化剂,继续搅拌30min,扒渣,除气,得到合金液”,晶粒细化剂为Al-Te-Be合金,各成分的质量百分比分别为:Te 2.3%,Be 1.5%,余量为铝,其余同实施例1。
实施例4
将实施例1中的步骤(4)替换为“将铸件置于热处理炉中,在530℃下固溶处理3h,采用25℃溶有淬火剂的冷水淬火3s,最后在150℃下时效处理4h”,淬火剂为γ-聚谷氨酸,γ-聚谷氨酸与冷水的用量比为12:88,其余同实施例1。
对比例
将实施例1中的添加纳米二硼化钛颗粒删除,其余同实施例1。
以上实施例1和对比例中所采用的原料Al-Zn-Mg-Cu铝合金的各成分质量百分比为:Zn 5.5%,Mg 2.7%,Cu 1.8%,Mn 0.4%,Fe 0.05%,Si 0.005%,余量为铝。并采用万能力学试验机根据ISO6892-1-2009标准对最终所制颗粒增强铝合金材料进行拉伸试验,测定屈服强度和延伸率,平行测试三次,取平均值。
表1颗粒增强铝合金材料的屈服强度和延伸率
组别 | 屈服强度/MPa | 延伸率/% |
实施例1 | 635 | 10.1 |
实施例2 | 641 | 10.6 |
实施例3 | 667 | 12.4 |
实施例4 | 652 | 11.5 |
对比例 | 524 | 8.0 |
由表1可知,本发明通过纳米二硼化钛颗粒的添加、晶粒细化剂的添加、淬火剂的使用均能相应取得不同程度地提高所制铝合金材料的屈服强度和延伸率的技术效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种颗粒增强铝合金材料,其特征在于:以Al-Zn-Mg-Cu铝合金为基体,在基体中添加二硼化钛颗粒,经挤压铸造加工而成;
其制备方法包括以下步骤:
(1) 配料:准备Al-Zn-Mg-Cu铝合金和纳米二硼化钛颗粒;
(2) 熔炼:将熔炼炉升温至330-350℃,加入Al-Zn-Mg-Cu铝合金,继续升温至760-780℃后保温熔炼,待完全形成熔体后加入纳米二硼化钛颗粒,搅拌,再加入晶粒细化剂,继续搅拌,扒渣,除气,得到合金液;
所述晶粒细化剂的用量为每100 kg Al-Zn-Mg-Cu铝合金铝合金添加0.5-1 kg晶粒细化剂;
所述晶粒细化剂为Al-Te-Be合金,各成分的质量百分比分别为:Te 1-5%,Be 0.5-2%,余量为铝;
(3) 挤压铸造:将模具预热,利用挤压铸造机冲头向模具型腔平稳推送合金液,快速增压凝固结晶,控制挤压铸造工艺参数,铸造完成后开模,取出铸件;
(4) 热处理:将铸件置于热处理炉中,在520-550℃下固溶处理,冷水淬火,最后在130-160℃下时效处理;
所述Al-Zn-Mg-Cu铝合金和纳米二硼化钛颗粒的质量比为100 : 0.1-0.5。
2.根据权利要求1所述的颗粒增强铝合金材料,其特征在于:所述纳米二硼化钛颗粒的粒径为60nm,纯度>99%,比表面积24m2/g。
3.根据权利要求1所述的颗粒增强铝合金材料,其特征在于:所述挤压铸造的模具预热温度为300-400℃。
4.根据权利要求1所述的颗粒增强铝合金材料,其特征在于:所述挤压铸造工艺参数为:合金液浇注温度700-720℃,挤压压力100-110 MPa,保压时间30-60 s,充型速度0.6-0.8 m/s,充型时间3-5 s。
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