CN112011699A - 一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺，其特征在于包括如下质量百分比的原料：镁1.0～1.5wt%、铜0.45～0.7wt%，钪0.12～0.25wt%，锆0.1～0.25wt%，铝含量为平衡余量；设定熔炼炉目标温度后开始加热并不断通入氮气使空气排出持续10min，接着将纯铝和配料放入炉膛中，依次加入铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锆中间合金、铝钪中间合金、铝镁中间合金配料以及六氯乙烷精炼剂，所有材料均用铝箔纸包裹，整个过程在氮气氛围下进行，经搅拌、掏渣、浇铸成型。本发明通过添加稀土元素Sc、Zr，使合金在铸态下平均晶粒尺寸达到65～70μm；经过75%变形量的低温轧制后，其抗拉强度σb达到420～440MPa，屈服强度σ0.2≥410MPa，均匀延伸率δ≥6.4%，平均晶粒尺寸为1.2～1.5μm。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属成形加工领域，特别涉及一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺。
背景技术
铝合金作为现代工业中应用广泛的有色金属合金结构材料，在航空、航天、汽车工业、建筑行业、电气行业、机械制造以及船舶等领域已大量应用。然而随着工业的飞速发展，对于一些特殊领域铝合金的强度韧性往往达不到要求，因此，为使铝合金的应用范围更加广泛，提高铝合金的强度和韧性成为目前亟待解决的问题，并且我国Sc资源丰富，铝钪合金作为一种战略材料，其相关研究将推动铝合金的材料科学的发展以及扩展其应用领域，并为高性能铝合金的开发贡献重要力量。本发明通过复合添加Sc、Zr元素，并采用的低温轧制方法引入细晶强化和沉淀强化作用，使合金在具有较高强度的同时仍具有良好的韧性达到增强增韧的目的。
因此，发明一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺来解决上述问题很有必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：通过加入稀土元素钪、锆得到一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺，其特征在于如下质量百分比的原料：钪（Sc）0.12～0.25wt%、镁（Mg）1.0～1.5wt%、硅（Si）0.5～1.0wt%、铜（Cu）0.45～0.7wt%、锆（Zr）0.1～0.25wt%，Al含量为平衡余量；其中钪、锆原子质量比为1.5～2.5:1；其他不可避免的微量杂质铁（Fe）≤0.05%、镍（Ni）≤0.02%、铬（Cr）≤0.04%。
本发明的增强增韧机理如下：低温轧制合金中位错密度高且低温轧制织构对力学性能的影响程度大于传统室温轧制；如图5，同样的热轧过程中产生的Mg2Si相在室温轧制时脱落、球化，最终全部回溶至基体中，使室温轧制后合金中二次相以Al3(Sc,Zr)相为主，而低温轧制后的合金内部可以同时含有Al3(Sc,Zr)和Mg2Si相，第二相种类多，含量高，在晶界处的钉扎作用强，变形时通过阻碍位错的滑移，增加位错密度，宏观性能上低温轧制合金优于室温轧制合金；
本发明一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺，具体步骤如下：
1）将工业纯Al、Al-Mg中间合金、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Zr中间合金在NaOH溶液中清洗干净，去除表层氧化皮；
2）450℃下在熔炼炉中放入纯Al、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金预热并开始使用氮气对熔炼炉中的空气进行排气，保温10min后加热至760℃熔炼至全部金属为液态，保温15min。将温度降低至720℃后加入Al-Sc、Al-Mg中间合金直至所有金属为液态，保温10min。将液态金属搅拌均匀，在720℃加入占配料总量2%的六氯乙烷精炼剂，进行第一次除气扒渣，保温10min后进行第二次除气扒渣，以达到去除氧化皮的效果；
3）将涂抹均匀了脱模剂的模具在电阻炉上加热至150℃，充分除去水分后，将静置后的熔液缓慢匀速的浇铸至模具中；
4）将铸锭在箱式电阻炉中550℃保温13h，而后随炉冷却至室温；
5）将退火处理后的铸锭表层粗大组织部分以及凝固缩孔部分铣去，并进行热轧处理，得到铝板；
6）将得到的铝合金板材经低温轧制，轧制要求合金温度低于-90℃，环境温度在0℃以下，最终轧制变形量为75%。
优选的，所述浇铸成型采用金属型或砂型铸造，或者采用压力铸造或挤压铸造工艺。
本发明的技术效果和优点：
1、晶粒得到细化；如图1、2所示，通过添加稀土元素Sc、Zr，在合金铸态下平均晶粒尺寸可达到65～70μm，相比传统的Al-Mg-Si合金的晶粒平均尺寸110～130μm，减小了46%。如图3，低温轧制后，晶粒尺寸变得更小，平均晶粒尺寸在1μm左右，约占72%。
2、合金力学性能提升；如图4所示，当轧制变形量达到75%时，低温轧制合金的抗拉强度平均值、屈服强度平均值和平均伸长率为440MPa、410MPa和6.4%；较传统室温轧制的抗拉强度平均值提高42%，屈服强度平均值提高41%，平均伸长率提高25%。
附图说明
图1为本发明的Al-Mg-Si合金铸态组织形貌。
图2为传统Al-Mg-Si-Sc-Zr合金铸态组织形貌。
图3为本发明的合金的晶界及晶粒尺寸分布图(a)低温轧制之前、(b)液低温轧制后。
图4为本发明的合金的拉伸性能。
图5为本发明的室温与低温轧制合金TEM明场像(a、b、c)室温轧制、(d、e、f)低温轧制。
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。
本发明提供了如图所示的一种高强高韧含钪铝合金制备及其加工方法，其特征在于，按重量百分比计，用于合金化的主要元素组成如下：Al含量为平衡余量，Sc含量为0.12～0.25%、Mg含量为1.0～1.5%、Si含量为0.5～1.0%、Cu含量为0.45～0.7%、Zr含量为0.1～0.25%；具体步骤如下：
1）将工业纯Al（纯度99.9%）、Al-44.5%Mg中间合金、Al-20%Si中间合金、Al-30%Cu中间合金、Al-2%Sc中间合金、Al-5%Zr中间合金在NaOH溶液中清洗干净，去除表层氧化皮；
2）将石墨坩埚加热至150℃，涂上脱模剂，涂抹均匀后，将石墨坩埚放入熔炼炉中加热至350℃干燥，以充分去除水分。同时，在金属模具表面也需要将脱模剂涂均匀并在电阻炉上将其烘干，以便于后期熔液浇铸；
3）450℃下在石墨坩埚中放入纯Al、Al-20%Si中间合金、Al-30%Cu中间合金、Al-5%Zr中间合金预热并开始使用氮气对熔炼炉中的空气进行排气，持续10min后加热至760℃熔炼至全部金属为液态，保温15min。将温度降低至720℃后加入Al-2%Sc中间合金直至所有金属为液态，保温10min。将液态金属搅拌均匀，在720℃加入六氯乙烷精炼剂，进行第一次除气扒渣，保温10min后进行第二次除气扒渣，以达到去除氧化皮的效果；
4）将涂抹均匀了脱模剂的模具在电阻炉上加热至150℃，充分除去水分后，将静置后的熔液缓慢匀速的浇铸至模具中；
5）将铸锭在箱式电阻炉中550℃保温13h，而后随炉冷却至室温；
6）将退火处理后的铸锭表层粗大组织部分以及凝固缩孔部分铣去，并进行热轧处理，得到铝板；
7）将得到的铝合金板材进行液氮控温轧制，首次轧制将铝板在液氮中浸泡1.5h使温度降低到-90℃以下，进行第一次轧制；之后每次轧制之前需在液氮中浸泡15min，轧制时从液氮中尽快拿出，以免温度过快上升，最终使轧制变形量达到75%，得到成品。
进一步的，在上述技术方案中，所述浇铸成型采用金属型或砂型铸造，或者采用压力铸造或挤压铸造工艺。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺，其特征在于，按质量百分比计，用于合金化的主要元素组成如下：Sc0.12～0.25wt%、Mg 1.0～1.5wt%、Si0.5～1.0wt%、Cu 0.45～0.7wt%、Zr0.1～0.25wt%；Al含量为平衡余量。
2.按照权利要求1所述高强高韧铝合金，其特征在于：用合金化的稀土元素为钪、锆，其钪、锆原子质量比为1.5～2.5:1。
3.按照权利要求1所述高强高韧铝合金的制备工艺，其特征在于具体步骤如下：
1）将工业纯Al（纯度99.9%）、Al-Mg中间合金、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Zr中间合金在NaOH溶液中清洗干净，去除表层氧化皮；
2）450℃下在熔炼炉中放入纯Al、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金预热，保温10min后加热至760℃熔炼至全部金属为液态，保温15min。将温度降低至720℃后加入Al-Sc、Al-Mg中间合金直至所有金属为液态，保温10min。将液态金属搅拌均匀，在720℃加入精炼剂，进行第一次除气扒渣，保温10min后进行第二次除气扒渣，以达到去除氧化皮的效果；
3）将涂抹均匀了脱模剂的模具在电阻炉上加热至150℃，充分除去水分后，将静置后的熔液缓慢匀速的浇铸至模具中；
4）将铸锭在箱式电阻炉中550℃保温13h，而后随炉冷却至室温；
5）将退火处理后的铸锭表层粗大组织部分以及凝固缩孔部分铣去，并进行热轧处理，得到铝板；
6）将得到的铝合金板材经低温轧制，轧制要求合金温度低于-90℃，环境温度在0℃以下，最终轧制变形量为75%。
4.根据权利要求3所述的一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺，其特征在于：整个熔炼过程在氮气保护下进行，注意氮气要求干燥。
5.根据权利要求1所述的一种特定稀土含量的高强韧铝合金制备工艺，其特征在于：制备时所述的浇铸成型采用金属型或砂型铸造，或者采用压力铸造或挤压铸造工艺。
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