CN111286649B - 一种高强耐热无铅易切削铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强耐热的无铅易切削铝合金及其制备方法，铝合金由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.65‑0.75%，Bi 0.15‑0.25%，Cu 1.6‑1.9%，Mg 2.1‑2.4%，Zn3.7‑4.3%，Zr 0.15‑0.2%，V 0.1‑0.15%，Nd 0.1‑0.2%，Yb 0.05‑0.15%，Fe 0.12‑0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素。本发明通过复合添加Sn和Bi，使其均匀弥散分布在铝基体上，提高铝合金的切削加工性能。通过多元微合金处理，消除了粗大针状富Fe相对铝合金力学性能的危害，解决了易切削铝合金的高温脆化问题。本发明铝合金具有强度高、塑性好以及优良的切削加工性能和耐高温性能，且不含重金属元素铅，符合环保要求。

Description

一种高强耐热无铅易切削铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体是涉及一种高强耐热的无铅易切削铝合金及其制备方法。
背景技术
以7050、7075、7085为代表的Al-Zn-Mg-Cu系高强度铝合金广泛应用于汽车、高铁、飞机、机械、武器装备等领域，用于制造各种高强度的铝合金零部件。这些铝合金零部件在生产制造过程中通常需要经历车、铣、钻孔、攻丝等切削加工，这要求铝合金具有优良的切削加工性能，以提高切削加工的生产效率。
传统改善铝合金切削加工性能的方法是在铝合金中添加低熔点金属元素铅，在高速切削过程中，铝合金与刀具之间的摩擦使机械能转变成热能，与刀具接触点附近的铝合金温度升高，当与刀具接触点附件的铝合金温度接近或达到低熔点金属元素铅的熔点时，这些金属铅及其组成物发生软化或熔化，铝合金的切屑发生断裂，使切屑不粘刀、不缠刀和排屑方便。具有优异切削加工性能的铝合金可以采用更高的切削速度或者更大的进刀量进行加工，因而可以提高铝合金零部件切削加工的生产效率，也有利于获得表面更光洁、尺寸精度更高的铝合金精密零部件。
随着经济社会的发展，现有易切削铝合金在生产和使用过程中仍然存在以下问题：
（1）虽然铅元素可以改善铝合金的切削加工性能，但铅是有毒性的重金属元素，铅及其化合物进入人体后将对神经、造血、消化、肾脏、心血管和内分泌等多个系统造成危害，铅及其化合物不仅会危害人体健康，还会污染土壤、水体和植被，造成严重的生态环境污染。随着人们对身体健康和环境保护意识的增强，人们也越来越关注到含铅易切削铝合金在生产制造及使用过程中所带来的对人体健康和生态环境的危害，含铅易切削铝合金逐渐遭到禁止生产和使用，因此迫切需要开发无铅的易切削铝合金。
（2）现有易切削铝合金普遍还存在强度偏低、耐热性能不足、高温脆性大等问题，难以满足汽车、高铁、飞机、机械、武器装备等轻量化发展对高强度铝合金零部件的需要，迫切需要开发更高强度的易切削铝合金。
（3）随着数控车床、数控铣床、数控钻床等高速数控机床的普及应用，现有易切削铝合金的切削性能也越来越难以满足数控机床的高速切削加工要求，迫切需要开发切削性能更优异的铝合金。因此，现有易切削铝合金及其制备方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种高强耐热的无铅易切削铝合金及其制备方法，在Al-Zn-Mg-Cu合金基础上，以锡、铋替代铅，通过科学设计合金的成分组成和制备工艺，提高铝合金强度、耐热性能和切削加工性能。
本发明是通过如下技术方案得以实现的：
本发明第一方面提供了一种高强耐热无铅易切削铝合金，包括Al、Sn、Bi，所述Sn质量百分比为0.65-0.75%，所述Bi质量百分比为0.15-0.25%。
Sn、Bi的作用是提高铝合金的切削加工性能。Sn和Bi均属于无毒性的低熔点金属元素，不会对人体健康和生态环境带来危害。Sn元素的熔点为231.9 ℃，Bi元素的熔点为271.3 ℃，而SnBi共生相的熔点最低可为139 ℃。对铝合金进行切削加工时，铝合金与刀具之间的高速摩擦，机械能转变成热能，使铝合金的温度升高，当与刀具接触点附近的铝合金切屑温度达到或接近低熔点金属元素Sn、Bi及其共生相的熔点时，这些低熔点组元发生软化甚至熔化，从而使铝合金切屑发生断裂，达到切屑不粘刀、不缠刀、排屑方便的效果。具有优异切削加工性能的铝合金，可以采用更高的速度或者更大的进刀量进行加工，从而显著提高切削加工的生产效率，获得表面光洁、尺寸精度高的精密铝合金零部件。
发明人通过大量的探索实验研究发现，Sn、Bi的含量对铝合金的切屑加工性能有着重要的影响，当添加0.65-0.75%的Sn和0.15-0.25%的Bi时，铝合金可以获得优良的切屑加工性能，铝合金在高速车削加工过程中不会出现车屑粘刀、缠刀现象，高速车削的车屑易断、尺寸细小。
进一步地，所述高强耐热无铅易切削铝合金中还包含Zn、Mg、Cu，所述Zn质量百分比不低于3.7%，所述Mg质量百分比不低于2.1%，所述Cu质量百分比不低于1.6%。
作为优选地，所述Zn质量百分比为3.7-4.3%，所述Mg质量百分比为2.1-2.4%，所述Cu质量百分比为1.6-1.9%。
Zn、Mg、Cu是铝合金的主要强化元素，主要作用是通过固溶强化和析出相强化提高铝合金的强度。Mg与Zn可形成Mg2Zn强化相，Cu与Al可形成Al2Cu强化相，显著增强铝合金的强度。Zn、Mg、Cu的含量越高，铝合金的强度也越高，但铝合金的塑形也会逐渐下降。发明人通过大量实验探索研究发现，Zn含量低于3.7%，或者Mg含量低于2.1%，或者Cu含量低于1.6%时，铝合金的强度会不足，抗拉强度无法达到650 MPa。但Zn、Mg、Cu的含量也不宜太高，否则会导致铝合金的塑形严重下降。经过大量实验探索研究后发现，Zn含量选择为3.7-4.3%，Mg含量选择为2.1-2.4%，Cu含量选择为1.6-1.9%时，铝合金的抗拉强度大于650 MPa，同时具有良好塑形。
进一步地，所述高强耐热无铅易切削铝合金中还包含Zr和V，所述Zr的质量百分比为0.15-0.2%，所述V质量百分比为0.1-0.15%。
Zr、V的作用主要是提高铝合金的耐高温性能。Zr、V在铝合金中可分别形成与铝基体共格的Al3Zr和Al3V，增大基体内位错运动的阻力，阻碍晶界的滑移和位错的运动，提高铝合金的强度以及耐高温性能。发明人通过大量实验研究后发现，同时复合添加0.15-0.2%的Zr，0.1-0.15%的V时，可显著提高铝合金的强度和耐高温性能，比单独添加Zr或V的效果更明显。
进一步地，所述高强耐热无铅易切削铝合金中还包含Nd和Yb，所述Nd质量百分比为0.1-0.2%，所述Yb质量百分比为0.05-0.15%。
Nd、Yb在铝合金中的作用主要是细化变质粗大针状富Fe相。Fe是铝合金中不可避免的杂质元素，通常以粗大针状的FeAl3、FeSiAl3等富Fe相形式存在于铝合金中，这些粗大针状富Fe相为硬脆相，会严重割裂铝合金基体，成为铝合金发生断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，恶化铝合金的强度和塑性。
发明人通过大量实验探索研究发现，虽然Nd和Yb对铝合金中的粗大针状富Fe相都有细化变质作用，但其效果都不如同时复合添加Nd和Yb的效果，实验研究还发现，同时复合添加0.1-0.2%的Nd和0.05-0.15的Yb，可完全细化变质粗大针状富Fe相，使粗大针状富Fe相转变为细小颗粒状弥散分布在铝合金基体上，不仅可以消除粗大针状富Fe相对强度和塑形的危害，反而还能进一步提高铝合金的强度和耐热性能。
进一步地，所述高强耐热无铅易切削铝合金中还含有不可避免的杂质元素，所述杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
作为优选地，所述无铅环保易切削铝合金包含如下成分：Sn 0.65-0.75%，Bi0.15-0.25%，Cu 1.6-1.9%，Mg 2.1-2.4%，Zn3.7-4.3%，Zr 0.15-0.2%，V 0.1-0.15%，Nd0.1-0.2%，Yb 0.05-0.15%，Fe 0.12-0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%
作为优选地，所述无铅环保易切削铝合金包含如下成分：Sn 0.69%，Bi 0.21%，Cu1.75%，Mg 2.31%，Zn3.95%，Zr 0.18%，V 0.13%，Nd 0.16%，Yb 0.12%，Fe 0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
本发明第二份方面提供了一种高强耐热无铅易切削铝合金的制备方法，包括如下步骤：
（1）按照铝合金的成分组成及质量百分比，选择原材料进行配料；
（2）将铝锭加热熔化，然后加入其他原材料，搅拌熔化，得到铝合金液；
（3）采用高纯氩气和铝合金精炼剂对铝合金液进行喷粉精炼，扒去铝合金液表面的浮渣，再静置处理。
（4）将铝合金液雾化成铝合金粉；
（5）将铝合金粉热压成铝合金粉坯；
（6）将铝合金粉坯装入纯铜管内抽真空脱气，然后将纯铜管密封；
（7）对密封的不锈钢管进行加热处理，然后取出铝合金粉坯挤压成铝合金；
（8）将铝合金固溶处理，淬水后，再进行效处理，随炉冷却后得到所述高强耐热无铅易切削铝合金。
作为优选地，步骤（1）中所述原材料包含锡锭、铋锭、铝锭、镁锭、锌锭、铝铜合金、铝锆合金、铝钒合金、铝钕合金和铝镱合金。所述锡锭是锡含量99.9%的锡锭，铋锭是铋含量99.9%的铋锭，铝锭是铝含量99.7%的铝锭，镁锭是镁含量99.9%的镁锭，锌锭是锌含量99.9%的锌锭，铝铜合金是AlCu50合金，铝锆合金是AlZr5合金，铝钒合金是AlV5合金，铝钕合金是AlNd10合金，铝镱合金是AlYb5合金。
作为优选地，步骤（2）中铝合金的熔化温度为780-790℃。
铝合金液的温度越低，铝合金液越粘稠，气孔和夹杂物难以溢出和沉淀，会严重影响后续除气除杂的效率和效果。为了保证除气除杂的效果，必须提高铝合金的熔炼温度，优选的，铝合金的熔炼温度为780-790℃。为了防止铝合金在熔化过程中产生元素的偏析，必须在熔化过程加强搅拌。
作为优选地，步骤（3）中所述高纯氩气为纯度99.9%的氩气，所述铝合金精炼剂为六氯乙烷，铝合金精炼剂的用量占原材料总重量的0.3%。
为了消除气孔、金属和非金属夹杂物对铝合金切削加工性能和力学性能的危害，必须对铝合金液进行精炼除气除杂，所述高纯氩气是指纯度99.9%的氩气，所述铝合金精炼剂是指六氯乙烷，铝合金精炼剂的用量占原材料总重量的0.3%。
作为优选地，步骤（3）中喷粉精炼时间为10-15分钟，静置处理时间为30-50分钟。
作为优选地，步骤（4）中所述雾化条件为：雾化介质为氩气、雾化温度770-780℃、氩气压力0.3-0.4 MPa。
雾化是将除气除杂后得到的铝合金液转移到雾化制粉机内，在惰性气体的高压喷射作用下，将铝合金液雾化成粉，雾化制粉机的使用以及雾化制粉的原理有大量文献资料可查，在此不再赘述。
但需要特别注意的是，由于本发明铝合金的元素含量较高，铝合金液比较粘稠，铝合金液容易堵塞雾化制粉机的导流管，必须合理控制铝合金液的雾化温度和气体压力，才能有效防止铝合金液堵塞化制粉机的导流管，使雾化制粉过程顺利进行，同时获得粒径细小均匀的铝合金粉。发明人通过大量实验的探索研究发现，在雾化介质为氩气、雾化温度为770-780℃、氩气压力为0.3-0.4 MPa条件下，可以顺利将铝合金液雾化成粒径细小均匀的铝合金粉，大部分的铝合金粉的粒径小于200微米，否者容易导致铝合金液堵塞化制粉机的导流管，或者导致铝合金粉的粒径太大和大小不均匀。
作为优选地，步骤（5）中铝合金粉的热压条件为：温度100-120℃、压力60-80 MPa、保压时间3-5分钟。
热压是将铝合金粉装入热压机的模具内，在一定的温度和压力下，将铝合金粉压制成圆形铝合金粉坯。为了获得一定致密度和强度的铝合金粉坯，合理选择压制的温度、压力和保压时间是非常关键的，温度和压力太低或者保压时间不够，都无法获得致密度和强度较高的粉坯，粉坯容易溃散，而温度和压力太高或者保压时间太长，又会使操作困难，生产效率降低，增加生产成本。
发明人通过大量实验的探索研究发现，在温度100-120℃、压力60-80 MPa、保压时间3-5分钟条件下，对铝合金粉进行热压，铝合金粉坯的致密度可达到98%以上，具有较高的强度，不会发生溃散，同时操作容易，又有利于提高生产效率，降低生产成本。
作为优选地，步骤（6）中所述纯铜管壁厚度为2mm，真空度为10-4 Pa，脱气时间为5-6分钟。
为了防止铝合金粉坯在加热过程中发生氧化而影响铝合金的质量，加热前必须将铝合金粉坯装入铜管内抽真空脱气，然后将铜管通过焊接或者其它方法进行密封。发明人通过大量实验的探索研究发现，为了加快加热过程的导热以及便于焊接密封，优选为壁厚2毫米的纯铜管。为了保证不会发生氧化而影响铝合金的质量，优选的，真空脱气的真空度为10-4Pa，脱气时间为5-6分钟。
作为优选地，步骤（7）中所述加热温度为380-390℃，加热时间为1-2小时；所述热挤压条件为：模具温度310-320℃、挤压比4-6、挤压杆速度0.3-0.5米/分钟。
由于本发明铝合金含有Sn、Bi低熔点金属元素，因此，加热温度不能太高，否者容易发生铝合金粉坯溃散或者挤压困难等现象，另外，加热时间也不能太短，否者无法将铝合金粉坯热透热均匀。
发明人通过大量实验的探索研究发现，在380-390℃加热1-2小时，可以确保铝合金粉坯不会溃散，同时又满足挤压需要。为了确保铝合金粉坯的温度不会下降，应该将铝合金粉坯从纯铜管中取出后立即送入挤压机料筒内进行挤压。模具温度、挤压比、挤压杆速度是顺利实施挤压的关键参数，模具温度太低、挤压比太大或者挤压速度太高，容易导致闷机而无法顺利挤压出铝合金或者导致铝合金产生裂纹等表面质量问题。模具温度太高或者挤压比太小，也容易出现铝合金质量问题，如组织致密度不够、表面不够光滑等，而挤压速度太低，则不利于提高生产效率和降低生产成本。
发明人通过大量的实验研究后发现，铝合金粉坯合理的挤压条件为模具温度310-320℃、挤压比4-6、挤压杆速度0.3-0.5米/分钟，在该条件下可顺利将铝合金粉坯热挤压成铝合金，得到切削加工性能和力学性能都十分优异的无铅环保易切削铝合金。将铝合金粉坯挤压成铝合金，铝合金的形状可以是棒材、管材、型材、板坯或者线材等形式，这主要取决于采用的挤压模具和实际生产需要。
作为优选地，步骤（8）中所述固溶处理温度为510-520℃，固溶处理时间为1-2小时；时效处理温度为210-220℃，时效处理时间为7-8小时。
对铝合金进行固溶和时效处理，是进一步提高铝合金力学性能的有效措施。发明人对本发明铝合金的固溶时效工艺进行大量实验研究后发现，将铝合金在510-520℃固溶处理1-2小时，淬水后，再在210-220℃时效处理7-8小时，随炉冷却后可以得到所述高强耐热的无铅易切削铝合金。否者，固溶温度或时效温度太低，或者时间太短，铝合金往往会出现固溶不充分或欠时效，铝合金的力学性能则不足。固溶温度或时效温度太高，或者时间太长，铝合金往往会出现过烧或过时效，反而会恶化铝合金的力学性能，同样达不到所需要的力学性能。
传统易切削铝合金的制备方法是先将铝合金铸造成铝合金锭，然后再将铝合金锭加热挤压成铝合金。由于锡、铋的原子序数大，密度大，其中锡的密度为7.28 g/cm³，铋的密度为9.8 g/cm³，而铝的密度密度2.7 g/cm³，锡、铋的密度与铝的密度相差较大，并且锡、铋与铝之间互不溶解，因此，采用传统熔炼铸造的制备方法来生产含锡、铋的铝合金时，容易导致锡、铋产生比重偏析，使锡、铋难以均匀分布在铝合金基体上，降低了低熔点金属元素锡、铋在断屑方面的作用，无法充分发挥低熔点金属元素锡、铋的作用，最终导致铝合金的切削加工性能不足。
本发明先将铝合金液先雾化成粉，然后再热挤压成铝合金，由于雾化制粉是一种快速凝固工艺，铝合金液在高压氩气的喷射作用下先雾化成细小的微液滴，微液滴在飞行过程中冷却速度非常快，通常高于1000 ℃/秒，快速的冷却速度可以抑制微液滴内锡、铋元素的偏析，使锡、铋元素首先均匀分布在细小的铝合金粉内，再将铝合金粉挤压成铝合金后，最终使锡、铋元素首先均匀分布在铝合金上，充分发挥低熔点金属元素锡、铋在断屑方面的作用，进一步提高铝合金的切屑加工性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明提供的易切削铝合金不含重金属元素铅，不会对人体健康和生态环境带来危害，属于无铅环保的易切削铝合金，通过科学设计低熔点金属元素Sn、Bi的含量组成，使铝合金获得优异的切削加工性能。
（2）本发明通过科学设计主合金元素Zn、Mg、Cu的含量组成以及添加微量的Zr、V、Nd、Yb，细化变质粗大针状富Fe相，提高铝合金的强度、塑性和耐热性能，使铝合金具有优异的力学性能和耐高温性能。
（3）本发明将铝合金液先雾化成铝合金粉，然后再将铝合金粉挤压成铝合金，利用铝合金液雾化过程中的快速凝固，细化铝合金的晶粒组织，抑制Sn、Bi元素的偏析，使Sn、Bi均匀弥散分布在铝基体上，进一步提高铝合金的切屑加工性能和力学性能。
（4）本发明提供的高强耐热无铅易切削铝合金具有优异的切削加工性能，在高速切削加工过程中，切屑易断、细小、不粘刀、不缠刀。铝合金的室温抗拉强度大于650MPa，断后伸长率大于16%，250℃高温下的抗拉强度大于600MPa，断后伸长率大于18%，具有强度高、塑性好和优异的耐高温性能。
附图说明
图1为实施例1铝合金的高速切屑形貌。
图2为实施例2铝合金的高速切屑形貌。
图3为实施例3铝合金的高速切屑形貌。
图4为对比例3铝合金的高速切屑形貌。
图5为实施例1铝合金的金相显微组织。
图6为实施例2铝合金的金相显微组织。
图7为实施例3铝合金的金相显微组织。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种高强耐热无铅易切削铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.69%，Bi0.21%，Cu 1.75%，Mg 2.31%，Zn3.95%，Zr 0.18%，V 0.13%，Nd 0.16%，Yb 0.12%，Fe 0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
所述高强耐热无铅易切削铝合金制备方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用锡含量99.9%的锡锭、铋含量99.9%的铋锭、铝含量99.7%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金、AlNd10合金和AlYb5合金为原材料进行配料；
（2）将铝锭在785℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、镁锭、锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金、AlNd10合金和AlYb5合金，搅拌熔化成铝合金液；
（3）采用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.3%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液进行喷粉精炼12分钟，扒去铝合金液表面的浮渣，再静置40分钟。
（4）在雾化介质为氩气、雾化温度775℃、氩气压力0.35MPa条件下，将铝合金液雾化成铝合金粉；
（5）在温度110℃、压力70 MPa、保压时间4分钟条件下，将铝合金粉热压成铝合金粉坯；
（6）将铝合金粉坯装入壁厚2毫米的纯铜管内抽真空脱气，真空度为10-4 Pa，脱气时间为5.5分钟，然后将纯铜管密封；
（7）对密封的纯铜管在385℃加热1.5小时，然后取出铝合金粉坯，在模具温度315℃、挤压比5、挤压杆速度0.4米/分钟条件下，将铝合金粉坯挤压成铝合金；
（8）将铝合金在515℃固溶处理1.5小时，淬水后，再在215℃时效处理7.5小时，随炉冷却后得到所述高强耐热的无铅易切削铝合金。
实施例2
一种高强耐热无铅易切削铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.75%，Bi0.15%，Cu 1.6%，Mg 2.4%，Zn4.3%，Zr 0.15%，V 0.15%，Nd 0.2%，Yb 0.05%，Fe 0.12%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
所述高强耐热无铅易切削铝合金制备方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用锡含量99.9%的锡锭、铋含量99.9%的铋锭、铝含量99.7%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金、AlNd10合金和AlYb5合金为原材料进行配料；
（2）将铝锭在780℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、镁锭、锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金、AlNd10合金和AlYb5合金，搅拌熔化成铝合金液；
（3）采用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.3%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液进行喷粉精炼15分钟，扒去铝合金液表面的浮渣，再静置30分钟。
（4）在雾化介质为氩气、雾化温度780℃、氩气压力0.3 MPa条件下，将铝合金液雾化成铝合金粉；
（5）在温度100℃、压力80 MPa、保压时间5分钟条件下，将铝合金粉热压成铝合金粉坯；
（6）将铝合金粉坯装入壁厚2毫米的纯铜管内抽真空脱气，真空度为10-4 Pa，脱气时间为6分钟，然后将纯铜管密封；
（7）对密封的纯铜管在380℃加热2小时，然后取出铝合金粉坯，在模具温度320℃、挤压比6、挤压杆速度0.3米/分钟条件下，将铝合金粉坯挤压成铝合金；
（8）将铝合金在520℃固溶处理1小时，淬水后，再在220℃时效处理7小时，随炉冷却后得到所述高强耐热的无铅易切削铝合金。
实施例3
一种高强耐热无铅易切削铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.65%，Bi0.25%，Cu 1.9%，Mg 2.1%，Zn3.7%，Zr 0.2%，V 0.1%，Nd 0.1%，Yb 0.15%，Fe 0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
所述高强耐热无铅易切削铝合金制备方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用锡含量99.9%的锡锭、铋含量99.9%的铋锭、铝含量99.7%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金、AlNd10合金和AlYb5合金为原材料进行配料；
（2）将铝锭在790℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、镁锭、锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金、AlNd10合金和AlYb5合金，搅拌熔化成铝合金液；
（3）采用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.3%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液进行喷粉精炼10分钟，扒去铝合金液表面的浮渣，再静置50分钟。
（4）在雾化介质为氩气、雾化温度770℃、氩气压力0.4 MPa条件下，将铝合金液雾化成铝合金粉；
（5）在温度120℃、压力60 MPa、保压时间3分钟条件下，将铝合金粉热压成铝合金粉坯；
（6）将铝合金粉坯装入壁厚2毫米的纯铜管内抽真空脱气，真空度为10-4 Pa，脱气时间为5分钟，然后将纯铜管密封；
（7）对密封的纯铜管在390℃加热1小时，然后取出铝合金粉坯，在模具温度310℃、挤压比4、挤压杆速度0.5米/分钟条件下，将铝合金粉坯挤压成铝合金；
（8）将铝合金在510℃固溶处理2小时，淬水后，再在210℃时效处理8小时，随炉冷却后得到所述高强耐热的无铅易切削铝合金。
对比例1
一种无铅铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.45%，Bi 0.21%，Cu 1.75%，Mg 2.31%，Zn3.95%，Zr 0.18%，V 0.13%，Nd 0.16%，Yb 0.12%，Fe 0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
所述无铅铝合金制备方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用锡含量99.9%的锡锭、铋含量99.9%的铋锭、铝含量99.7%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金、AlNd10合金和AlYb5合金为原材料进行配料；
（2）将铝锭在785℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、镁锭、锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金、AlNd10合金和AlYb5合金，搅拌熔化成铝合金液；
（3）采用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.3%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液进行喷粉精炼12分钟，扒去铝合金液表面的浮渣，再静置40分钟。
（4）在雾化介质为氩气、雾化温度775℃、氩气压力0.35MPa条件下，将铝合金液雾化成铝合金粉；
（5）在温度110℃、压力70 MPa、保压时间4分钟条件下，将铝合金粉热压成铝合金粉坯；
（6）将铝合金粉坯装入壁厚2毫米的纯铜管内抽真空脱气，真空度为10-4 Pa，脱气时间为5.5分钟，然后将纯铜管密封；
（7）对密封的纯铜管在385℃加热1.5小时，然后取出铝合金粉坯，在模具温度315℃、挤压比5、挤压杆速度0.4米/分钟条件下，将铝合金粉坯挤压成铝合金；
（8）将铝合金在515℃固溶处理1.5小时，淬水后，再在215℃时效处理7.5小时，随炉冷却后得到无铅铝合金。
对比例2
一种无铅铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.75%，Bi 0.15%，Cu 1.6%，Mg 2.4%，Zn4.3%，Zr 0.15%，Nd 0.2%，Yb 0.05%，Fe 0.12%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
所述无铅铝合金制备方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用锡含量99.9%的锡锭、铋含量99.9%的铋锭、铝含量99.7%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlNd10合金和AlYb5合金为原材料进行配料；
（2）将铝锭在780℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、镁锭、锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlNd10合金和AlYb5合金，搅拌熔化成铝合金液；
（3）采用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.3%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液进行喷粉精炼15分钟，扒去铝合金液表面的浮渣，再静置30分钟。
（4）在雾化介质为氩气、雾化温度780℃、氩气压力0.3 MPa条件下，将铝合金液雾化成铝合金粉；
（5）在温度100℃、压力80 MPa、保压时间5分钟条件下，将铝合金粉热压成铝合金粉坯；
（6）将铝合金粉坯装入壁厚2毫米的纯铜管内抽真空脱气，真空度为10-4 Pa，脱气时间为6分钟，然后将纯铜管密封；
（7）对密封的纯铜管在380℃加热2小时，然后取出铝合金粉坯，在模具温度320℃、挤压比6、挤压杆速度0.3米/分钟条件下，将铝合金粉坯挤压成铝合金；
（8）将铝合金在520℃固溶处理1小时，淬水后，再在220℃时效处理7小时，随炉冷却后得到无铅铝合金。
对比例3
一种无铅铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.65%，Bi 0.25%，Cu 1.9%，Mg 2.1%，Zn3.7%，Zr 0.2%，V 0.1%，Yb 0.15%，Fe 0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
所述无铅铝合金制备方法包括如下步骤：
（1）按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用锡含量99.9%的锡锭、铋含量99.9%的铋锭、铝含量99.7%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金和AlYb5合金为原材料进行配料；
（2）将铝锭在790℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、镁锭、锌锭、AlCu50合金、AlZr5合金、AlV5合金和AlYb5合金，搅拌熔化成铝合金液；
（3）采用纯度99.9%的氩气和占原材料总重量0.3%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液进行喷粉精炼10分钟，扒去铝合金液表面的浮渣，再静置50分钟。
（4）在雾化介质为氩气、雾化温度770℃、氩气压力0.4 MPa条件下，将铝合金液雾化成铝合金粉；
（5）在温度120℃、压力60 MPa、保压时间3分钟条件下，将铝合金粉热压成铝合金粉坯；
（6）将铝合金粉坯装入壁厚2毫米的纯铜管内抽真空脱气，真空度为10-4 Pa，脱气时间为5分钟，然后将纯铜管密封；
（7）对密封的纯铜管在390℃加热1小时，然后取出铝合金粉坯，在模具温度310℃、挤压比4、挤压杆速度0.5米/分钟条件下，将铝合金粉坯挤压成铝合金；
（8）将铝合金在510℃固溶处理2小时，淬水后，再在210℃时效处理8小时，随炉冷却后得到无铅铝合金。
验证例1
为了检验本发明无铅环保易切削铝合金的切削加工性能，在CTN3500型车床上对实施例1-3和对比例1的铝合金进行高速切削试验，刀具材料为GGY350硬质合金，刀具进刀量为1毫米，转速为2000转/分钟，通过观察切屑的形貌来评价铝合金的切削加工性能，图1-4分别为实施例1-3和对比例1铝合金高速切削的切屑形貌。从图1-3可看到，实施例1-3铝合金高速切削的切屑细小，未见有长条连续的切屑，高速切削过程中可看到切屑易断，未见有切屑粘刀、缠刀现象，表明本发明铝合金具有优异的切削加工性能。从图4可看到，由于对比例1的铝合金添加的Sn含量低于0.65%元素，导致对比例1的铝合金高速切削的车屑较长，高速切削过程中可看到切屑不易断和切屑粘刀、缠刀现象，表明对比例1的铝合金的切屑加工性能较差。
验证例2
在实施例1-3的铝合金上取试样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在LEICA2500型金相显微镜上进行组织观察，图5-7分别为实施例1-3铝合金放大200倍后的金相显微组织。由于本发明先将铝合金液先雾化成粉，然后再热挤压成铝合金，由于雾化制粉过程的快速冷却凝固首先可以抑制微液滴内锡、铋元素的偏析，使锡、铋元素首先均匀分布在细小的铝合金粉内，再将铝合金粉挤压成铝合金后，最终使锡、铋元素首先均匀弥散分布在铝合金上，从图5-7可看到，铝合金显微组织中的锡、铋元素以及Mg2Zn、Al2Cu强化相等化合物均匀弥散分布在铝合金基体上。
验证例3
按国家标准GB/T16865-2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》，将实施例1-3和对比例1-3的铝合金加工成标准拉伸试样，在CTM1000型电子拉伸试验机上进行25℃室温和250℃高温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，检测铝合金的室温和高温抗拉强度和断后伸长率，检测结果分别如表1和表2所示。
表1 实施例和对比例铝合金25℃室温拉伸力学性能
抗拉强度/MPa 伸长率/%
实施例1 676.9 16.3
实施例2 652.3 17.9
实施例3 664.7 17.2
对比例1 661.5 15.9
对比例2 625.4 14.5
对比例3 608.7 12.9
表2 实施例和对比例铝合金250℃高温拉伸力学性能
抗拉强度/MPa 伸长率/%
实施例1 624.5 18.8
实施例2 603.5 19.9
实施例3 611.7 18.4
对比例1 606.3 15.9
对比例2 564.2 15.9
对比例3 581.6 13.5
从表1和表2可看到，实施例1-3铝合金的室温抗拉强度大于650MPa，断后伸长率大于16%，250℃高温下铝合金的抗拉强度大于600MPa，伸长率大于18%，具有强度高、塑性好和优异的耐高温性能。对比例2的铝合金由于未添加V元素，对比例3的铝合金由于未添加Nd元素，导致铝合金的室温力学性能和高温力学性能都较差。
通过上述实施例和对比例铝合金的比较可以看到，本发明通过科学设计合金的成分组成和制备方法，显著提高了本发明无铅环保易切削铝合金的强度、塑形和耐高温性能，在高速切削加工过程中，切屑易断、不粘刀、不缠刀，切屑细小。本发明无铅环保易切削铝合金具有优异的力学性能和切削加工性能，可广泛应用于汽车、高铁、飞机、机械、武器装备等领域制造各种高强度的铝合金零部件，显著提高铝合金零部件的生产效率，获得表面更光洁、尺寸精度更高的铝合金精密零部件。
以上具体实施方式部分对本发明所涉及的分析方法进行了具体的介绍。应当注意的是，上述介绍仅是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明的方法及思路，而不是对相关内容的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可以对本发明进行适当的调整或修改，上述调整和修改也应当属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高强耐热无铅易切削铝合金，其特征在于：该铝合金由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.65-0.75%，Bi 0.15-0.25%，Cu 1.6-1.9%，Mg 2.1-2.4%，Zn3.7-4.3%，Zr 0.15-0.2%，V 0.1-0.15%，Nd 0.1-0.2%，Yb 0.05-0.15%，Fe 0.12-0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
2.根据权利要求1所述的高强耐热无铅易切削铝合金，其特征在于：该铝合金由以下质量百分比的成分组成：Sn 0.69%，Bi 0.21%，Cu 1.75%，Mg 2.31%，Zn3.95%，Zr 0.18%，V0.13%，Nd 0.16%，Yb 0.12%，Fe 0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
3.根据权利要求1-2任一项所述高强耐热无铅易切削铝合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用锡锭、铋锭、铝锭、镁锭、锌锭、铝铜合金、铝锆合金、铝钒合金、铝钕合金和铝镱合金为原材料进行配料；
（2）将铝锭在780-790℃加热熔化，然后加入锡锭、铋锭、镁锭、锌锭、铝铜合金、铝锆合金、铝钒合金、铝钕合金和铝镱合金，搅拌熔化成铝合金液；
（3）采用高纯氩气和铝合金精炼剂对铝合金液进行喷粉精炼10-15分钟，扒去铝合金液表面的浮渣，再静置30-50分钟；
（4）在雾化介质为氩气、雾化温度770-780℃、氩气压力0.3-0.4 MPa条件下，将铝合金液雾化成铝合金粉；
（5）在温度100-120℃、压力60-80 MPa、保压时间3-5分钟条件下，将铝合金粉热压成铝合金粉坯；
（6）将铝合金粉坯装入壁厚2毫米的纯铜管内抽真空脱气，真空度为10-4 Pa，脱气时间为5-6分钟，然后将纯铜管密封；
（7）对密封的纯铜管在380-390℃加热1-2小时，然后取出铝合金粉坯，在模具温度310-320℃、挤压比4-6、挤压杆速度0.3-0.5米/分钟条件下，将铝合金粉坯挤压成铝合金；
（8）将铝合金在510-520℃固溶处理1-2小时，淬水后，再在210-220℃时效处理7-8小时，随炉冷却后得到所述高强耐热的无铅易切削铝合金。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述锡锭是锡含量99.9%的锡锭，铋锭是铋含量99.9%的铋锭，铝锭是铝含量99.7%的铝锭，镁锭是镁含量99.9%的镁锭，锌锭是锌含量99.9%的锌锭，铝铜合金是AlCu50合金，铝锆合金是AlZr5合金，铝钒合金是AlV5合金，铝钕合金是AlNd10合金，铝镱合金是AlYb5合金。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述高纯氩气为纯度99.9%的氩气，所述铝合金精炼剂为六氯乙烷，所述铝合金精炼剂的用量占原材料总重量的0.3%。
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