CN112442611A - 一种含有多种球状相的铝合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，属于铝合金材料技术领域；方法：1）将铝‑硅‑镁合金熔化至液相线以上80‑160℃，得到铝‑硅‑镁合金熔体；2）在铝‑硅‑镁合金熔体加入铈元素，含量约0.05wt.%至约5wt.%。保温20分钟；3）向熔体加入纳米级的碳氮化钛粉末，粒度约40nm至约150nm，含量约0.05vol.%至约5vol.%。对熔体进行超声处理，来实现成分的均匀化；4）把合金熔体浇入模具中，冷却后得到的合金具有多种球状相，可以有效提高铝合金的强度和塑性。

Description

一种含有多种球状相的铝合金的制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，涉及一种含有多种球状相的铝合金的制备方法。
背景技术
铝-硅-镁系铝合金由于其优异的铸造性能和适中的力学性能，被广泛应用于航空航天、汽车等领域。然而铝-硅-镁系铝合金在铸造过程中极易引入铁杂质降低铝合金的延伸率，而目前消除铁元素的工艺都比较复杂，会提高生产成本。传统上铝-硅-镁系铝合金的延伸率一般低于7%。
目前有很多研究把陶瓷粉末加入到铝-硅-镁系铝合金中，比如加入SiC粉末，但是会导致在铝液中形成Al4C3脆性相，降低合金的力学性能。而单独加入碳氮化钛粉末容易引起碳氮化钛粉末的团聚，降低生产效率。
综上所述，开发了一种新的方法，可以使得铝-硅-镁系铝合金中的铁元素被富集在球状相里来消除铁元素对铝基体的有害影响，同时多种球状相又可以作为第二相起到提高铝合金力学性能的作用。
发明内容
提供了一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，本发明通过向铝合金中同时加入铈元素和纳米碳氮化钛粉末的方法，得到了含有多种球状相的铝合金，形成的球状相中富集有铁元素。本发明消除了铝合金中铁元素对合金力学性能的有害影响，并通过形成多种球状相来提高铝合金的力学性能。
本发明采用如下技术方案。
一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：将铝-硅-镁合金熔化至液相线温度以上80-160℃，得到铝-硅-镁合金熔体，所述铝-硅-镁合金为含量为约6wt.％至约8wt.％的硅；约0.3wt.％至约0.5wt.％的镁；小于约0.2wt.％的铁；以及余量的铝。
步骤2：在所述铝-硅-镁合金熔体加入铈元素，含量约0.05wt.%至约5wt.%。保温20分钟，所述铈元素的添加方式为铝-铈中间合金，含铈量为10wt.%。
步骤3：向熔体加入纳米级的碳氮化钛粉末，粒度约40nm至约150nm，含量约0.05vol.%至约5vol.%。对熔体进行超声处理，来实现成分的均匀化。
步骤4：把合金熔体浇入模具中，冷却后得到的合金具有多种球状相。
上述一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，其中所述步骤3中，超声处理的功率为2KW，超声时间为约20至约60分钟。
本发明一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，与现有技术相比较，具有以下显著特点。
（1）本发明适用的铝合金不局限于铝-硅-镁合金，而适用于多种铝合金，向铝合金熔体中同时加入铈元素和纳米碳氮化钛粉末可以得到含有多种球状相的铝合金。
（2）铝合金中的铁元素来源没有限制，可以是原材料中含有的铁，也可以是熔炼过程中带入的铁，铁元素在形成球状相时会被富集。
（3）本发明可以在铝合金中产生多种球状相，在铝合金中多种球状相的存在可以充当第二相阻碍位错的运动，进而提高铝合金的力学性能。
（4）本发明为消除铝合金中铁元素的有害影响提供了一种新方法，同时还能提高铝合金的力学性能。铸态下具有多种球状相的铝-硅-镁系铝合金的抗拉强度约190MPa至约230MPa，断后延伸率约为8%至约12%。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一制备的含有0.3wt.%的铈元素和1.5vol.%的碳氮化钛的铝合金的SEM组织照片。
图2为本发明实施例一制备的含有0.3wt.%的铈元素和1.5vol.%的碳氮化钛的铝合金中球状相的EDS面扫描元素分布图。
图3为本发明实施例二制备的含有0.5wt.%的铈元素和1.5vol.%的碳氮化钛的铝合金的SEM组织照片。
图4为本发明实施例二制备的含有0.5wt.%的铈元素和1.5vol.%的碳氮化钛的铝合金中球状相的EDS面扫描元素分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，具体包括以下步骤。
步骤1：将铝-硅-镁合金熔化至740℃，得到铝-硅-镁合金熔体，所述铝-硅-镁合金为Al-7Si-0.3Mg (wt.%)合金。
步骤2：在合金熔体加入Al-10Ce（wt.%）中间合金，使得熔体中铈含量达到0.3wt.%，保温20分钟。
步骤3：向熔体加入纳米级的碳氮化钛粉末，含量约1.5vol.%。平均粒度约40nm，对熔体进行超声处理，超声功率为2KW，超声时间20分钟，来实现成分的均匀化。
步骤4：把合金熔体浇入模具中，模具的温度约300℃。冷却后得到的合金具有多种球状相。
如图1所示为添加0.3wt.%的铈元素和1.5vol.%的碳氮化钛粉末制备的合金的SEM组织照片，可以看到在合金中出现了两种不同的球状相，分别如图1a和图1b所示。图2是图1a的EDS面扫描图，从图2d的铁元素分布图中可以看出球状相可以富集铁元素，进而消除铁元素在铝合金的有害作用。
本实施例制备的铝合金内部含有多种球状相，且球状相可以富集铁元素，本实施例制备的合金的抗拉强度为192.3MPa，伸长率为8.2%，而一般的铸态Al-7Si-0.3Mg(wt.%)铝合金的抗拉强度为174MPa，伸长率为6%，相比较而言，本发明制备的含有多种球状相的铝合金的强度和塑性均有显著提高。
实施例2
一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，具体包括以下步骤。
步骤1：将铝-硅-镁合金熔化至740℃，得到铝-硅-镁合金熔体，所述铝-硅-镁合金为Al-7Si-0.3Mg (wt.%)合金。
步骤2：在合金熔体加入Al-10Ce（wt.%）中间合金，使得熔体中铈含量达到0.5wt.%，保温20分钟。
步骤3：向熔体加入纳米级的碳氮化钛粉末，用铝箔包裹加入，含量约1.5vol.%。平均粒度约40nm，对熔体进行超声处理，超声功率为2KW，超声时间20分钟，来实现成分的均匀化。
步骤4：把合金熔体浇入模具中，模具的温度约300℃。冷却后得到的合金具有多种球状相。
如图3所示为添加0.5wt.%的铈元素和1.5vol.%的碳氮化钛粉末制备的合金的SEM组织照片，可以看到在合金中出现了3种不同的球状相，分别如图3a和图3b所示，其中图3b显示了合金中出现了具有蛋黄结构的球状相。图4是图3b的EDS面扫描图，从图4中可以清晰的看出蛋黄结构的球状相由内部的“蛋黄”和外部的“蛋清”组成，而且它们的成分有显著差别。从图4d的铁元素分布图中可以清晰看出在球状相的内部存在着大量的铁元素，球状相对铁元素的富集可以消除铁元素在铝合金的有害作用。
本实施例制备的铝合金内部含有多种球状相，其中包含具有“蛋黄结构”的球状相，这种特殊结构的球状相可以显著富集铁元素，本实施例制备的合金的抗拉强度为206.9MPa，伸长率为11.8%，而一般的铸态Al-7Si-0.3Mg(wt.%)铝合金的抗拉强度为174MPa，伸长率为6%，相比较而言，本发明制备的含有多种球状相的铝合金的强度和塑性均有显著提高。

Claims (3)

1.一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将铝-硅-镁合金熔化至液相线温度以上80-160℃，得到铝-硅-镁合金熔体，所述铝-硅-镁合金为含量约6wt.%至约8wt.%的硅；约0.3wt.%至约0.5wt.%的镁；小于约0.2wt.%的铁；以及余量的铝；
步骤2：在合金熔体加入适量的铈元素，保温20分钟；所述铈元素的添加方式为铝-铈中间合金，含铈量为10wt.%；
步骤3：向熔体加入一定量的纳米级的碳氮化钛粉末，粒度约40nm至约150nm，对熔体进行超声处理，超声处理的功率为2KW，超声时间为约20至约60分钟；
步骤4：把合金熔体浇入模具中，冷却后得到的合金具有多种球状相。
2.根据权利要求1所述的一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，其特征在于，向合金中加入铈元素和纳米碳氮化钛粉末的含量，铈元素含量为约0.05wt.%至约5wt.%，纳米级的碳氮化钛粉末含量约0.05vol.%至约5vol.%。
3.根据权利要求1所述的一种含有多种球状相的铝合金的制备方法，其特征在于，能够得到多种球状相，得到的球状相能够富集铝合金熔体中的铁元素。
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