CN113430429A

CN113430429A - 一种多元耐热变形稀土铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN113430429A
Application number: CN202110608074.3A
Authority: CN
Inventors: 孙杰; 房洪杰; 肖富来; 李永兵; 朱鹏程; 曲世永; 丁丽娟
Original assignee: Yantai Nanshan University
Current assignee: Yantai Nanshan University
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2021-09-24

Abstract

本发明专利公开了一种多元耐热变形稀土铝合金及其制备方法，具体涉及金属材料的技术领域。一种多元耐热变形稀土铝合金，选用如下元素：Zn 5.5％～7.0％；Mg 2.5％～3.5％；Sn 0.5～1.0％，Sc 0.3％～0.6％；Mn 0.2％～0.5％；不可避免杂质≤0.15％，剩余为铝的含量。一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，包括：S1、合金熔炼；S2、均匀化处理；S3、机加工；S4、挤压成形；S5、时效处理。本发明提供的多元耐热变形稀土铝合金，添加了可使得晶粒显著细化合金的稀土元素，使铝合金的力学性能大大提高，尤其是耐热性能。本发明的铝合金成本低，工艺简单，具有良好的应用和推广前景。

Description

一种多元耐热变形稀土铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料的技术领域，特别涉及一种多元耐热变形稀土铝合金及其制备方法。

背景技术

铝合金具有密度低、来源广、比强度和比刚度高等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”。在铸造铝合金中，铝镁系合金由于成本低、易于铸造和加工、以及良好的综合性能等优点，是目前应用最广的铸造铝合金体系之一，最具有代表性的有6061、6063和7005等。其中，6063是目前使用比较广的商用铝合金，因其良好的机械和成形性能在汽车及3C领域有着广泛的应用前景。目前限制铝合金的一大难题在于强度偏低，不能满足工程应用的要求。因此，开发新型高强度铝合金具有非常重要的价值。

按成形工艺分，铝合金可分为铸造铝合金和变形铝合金，二者在组织和性能方面差距较大。与铸造铝合金相比，变形铝合金组织更细小、致密，因而强度和延伸率也更高。然而，由于铝合金是面心立方晶体结构，室温下，基面滑移系少，无法满足mises理论协调变形需要的5个独立滑移系准则，因而变形困难，一般延伸率低于20％，其塑性相对体心立方和面心立方金属较差。现有技术中，一般通过高合金化、低温变形或大塑性变形获得高延伸率铝合金，由于需要用到含量较多价格昂贵的其他元素形成合金，或需要通过较复杂的生产工艺，生产成本高，工业化应用前景较差。

发明内容

本发明意在提供一种多元耐热变形稀土铝合金及其制备方法，解决了现有的铝合金生产成本高或生产工艺复杂的问题。

为了达到上述目的，本发明的一种技术方案如下：一种多元耐热变形稀土铝合金及其制备方法，选用如下质量百分数的元素：Zn 5.5％～7.0％；Mg 2.5％～3.5％；Sn 0.5～1.0％，Sc 0.3％～0.6％；Mn 0.2％～0.5％；不可避免杂质≤0.15％，剩余为铝的含量。

本发明的另一种技术方案，一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、合金熔炼：按权利要求1所述选用的重量百分数选取纯铝锭、纯镁锭、纯锌粒、Al-Sn中间合金、Al-Mn中间合金和Al-Sc中间合金作为原料并预热；将上述原料熔化后铸造成铝合金铸锭；

S2、均匀化处理：将S1处理后的合金铸锭进行均匀化处理；

S3、机加工：将S2中处理后的合金铸锭用机械加工成挤压坯料；

S4、挤压成形：将S3的挤压坯料预热至挤压温度，并采用热挤压工艺一次挤压成铝合金型材；

S5、时效处理：将S4制得的铝合金型材，放入时效炉中人工时效。

进一步的，S1步骤中采用半连续铸造法制备铝合金铸锭。

进一步的，在铸造前将模具预热至300-350℃，将熔化后的原料温度控制在710-720℃进行浇铸，并在空气中冷却至常温。

进一步的，步骤S1的操作方法包括如下步骤：首先将原料预热至250℃，同时将反应釜加热至700℃并加入纯铝锭，至纯铝锭完全熔化后，加入纯镁锭至完全熔化，将温度继续升高达到720℃时，将纯锌粒、Al-Sn中间合金、Al-Mn中间合金和Al-Sc中间合金加入到熔体中至完全熔化，继续将反应釜温度升至780℃至完全熔化。

进一步的，所述Al-Sn中间合金采用Al-20Sn中间合金，所述Al-Mn中间合金采用Al-25Mn中间合金，所述Al-Sc中间合金采用Al-20Sc中间合金。

进一步的，步骤S2的所述铝合金铸锭采用双级均匀化处理，包括如下步骤：将S1的铝合金铸锭置于加热炉内，在320℃～340℃的温度下保温2h～4h,然后升温至450℃～470℃，保温8h～12h，得到均匀化处理后的铝合金。

进一步的，将步骤S3的挤压坯料表面的氧化皮去除，并将挤压坯料加工至90mm的直径。

进一步的，在步骤S4挤压前，将S3的挤压坯料加热至450-500℃，同时将模具预热至430-460℃，以10:1-30:1的挤压比、1.5-3.5m/min的挤压速率挤压成形。

进一步的，步骤S5的人工时效方法是：将S4的铝合金型材在120-150℃下保温1-2h，再在160-180℃下保温8-12h。

与现有技术相比，本方案的有益效果：

1、本方案制备的变形铝合金是一类新型的非稀土的强韧兼备的变形铝合金，通过在Al-Zn-Mg合金的基础上添加Sn、Sc、Mn，可以强烈细化热变形后的合金组织，Al₃Sc相、MnAl₆相和Al-Mn相在基体或晶界上的弥散分布，保证了合金的强度和韧性；添加合金元素Al，可以固溶的形式提高强度；添加合金元素Zn可以固溶的形式提高强度；添加合金元素Mn可以强烈促进再结晶，进一步的降低合金的晶粒尺寸；

2、本方案通过熔炼、均匀化处理及后续挤压(反向挤压)工艺制备出了强韧兼备的新型变形铝合金，其强度和韧性得到增强，有较好的力学性能。

附图说明

图1是实施例1中铝合金型材的金相图；

图2是实施例2中铝合金型材的金相图；

图3是实施例3中铝合金型材的金相图；

图4是实施例4中铝合金型材的金相图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

一种多元耐热变形稀土铝合金，选用如下质量百分数的元素：Zn 5.5％～7.0％；Mg2.5％～3.5％；Sn 0.5～1.0％，Sc 0.3％～0.6％；Mn 0.2％～0.5％；不可避免杂质≤0.15％，剩余为铝的含量。本方案采用四个实施例，实施例1-4仅原料组分的占比不同(如下表1)，实施例1-4是对原料质量百分数进行的说明：

表1：

实例	Zn/％	Mg/％	Sn/％	Sc/％	Mn/％	Al
							实施例1	5.5	2.5	0.5	0.3	0.2	余量
实施例2	6.0	2.8	0.6	0.4	0.3	余量
							实施例3	6.5	3.0	0.8	0.5	0.4	余量
实施例4	7.0	3.5	1.0	0.6	0.5	余量

实施例1

如附图1所示，一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、合金熔炼：选用如表1中实施例1的质量百分数的纯铝锭、纯镁锭、纯锌粒、Al-20Sn中间合金、Al-25Mn中间合金和0Al-20Sc中间合金为原料，其中Al-Sn中间合金采用Al-20Sn中间合金，Al-Mn中间合金采用Al-25Mn中间合金，Al-Sc中间合金采用Al-20Sc中间合金。将上述原料预热250℃，同时将反应釜加热至700℃并加入纯铝锭，至纯铝锭完全熔化后加入纯镁锭至完全熔化，将温度继续升高达到720℃时，将纯锌粒、Al-20Sn中间合金、Al-20Mn中间合金和Al-20Sc中间合金加入到熔体中至完全熔化，继续将反应釜温度升至780℃至完全熔化形成铝合金液。然后采用半连续铸造法来制备铝合金铸锭，首先将模具预热至300-350℃，将铝合金液温度控制在710-720℃进行浇铸，并在空气中冷却至常温。

S2、均匀化处理：将步骤S1中制得的铝合金铸锭采用双级均匀化处理，其操作包括如下步骤：将S1中制得的铝合金铸锭置于加热炉内，在320℃～340℃的温度下保温2h～4h，然后升温至450℃～470℃的温度调节下保温8h～12h，得到均匀化处理后的铝合金。

S3、机加工：将S2中均匀化处理后的合金用机械加工成挤压坯料，并加挤压坯料表面的氧化皮去除，直至加工成直径为90mm的铝合金棒。

S4、挤压成形：将S3制得的铝合金棒预热至450-500℃，同时将模具预热至430-460℃，采用热挤压工艺一次挤压成形，挤压时采用10:1-30:1的挤压比、1.5-3.5m/min的挤压速率挤压成铝合金型材。

S5、时效处理：将S4中制得的铝合金型材，放入时效炉中人工时效。人工时效工艺：将S4中制备的铝合金型材在120-150℃下保温1-2h，然后在160-180℃下保温8-12h。

如附图2-4所示，实施例2-4的制备方法与实施例1的制备方法相同。

分别对实施例1-4中制得的铝合金型材进行拉伸强度检测，拉伸强度试验的方法:经固溶时效处理后的试样，按照国家标准GB6397-86《金属拉伸实验试样》加工成5倍标准拉伸试样；在日本岛津AG-I250kN精密万能实验机上进行拉伸试验，拉伸速率为1mm/min；高温拉伸时，要保温10分钟，再进行拉伸，最终得到如下表2的力学性能表。

表2：

从上表2可知，利用本方案制备的铝合金型材相较于普通的铝合金在抗拉强度上得到了明显的增强，且其抗拉强度远远超过普通的铝合金。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种多元耐热变形稀土铝合金，其特征在于：选用如下质量百分数的元素：Zn 5.5％～7.0％；Mg 2.5％～3.5％；Sn 0.5～1.0％，Sc 0.3％～0.6％；Mn 0.2％～0.5％；不可避免杂质≤0.15％，剩余为铝的含量。

2.根据权利要求1所述的一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S2、均匀化处理：将S1处理后的合金铸锭进行均匀化处理；

3.根据权利要求2所述的一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：S1步骤中采用半连续铸造法制备铝合金铸锭。

4.根据权利要求3所述的一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：在铸造前将模具预热至300-350℃，将熔化后的原料温度控制在710-720℃进行浇铸，并在空气中冷却至常温。

5.根据权利要求3所述的一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S1的操作方法包括如下步骤：首先将原料预热至250℃，同时将反应釜加热至700℃并加入纯铝锭，至纯铝锭完全熔化后，加入纯镁锭至完全熔化，将温度继续升高达到720℃时，将纯锌粒、Al-Sn中间合金、Al-Mn中间合金和Al-Sc中间合金加入到熔体中至完全熔化，继续将反应釜温度升至780℃至完全熔化。

6.根据权利要求4所述的一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述Al-Sn中间合金采用Al-20Sn中间合金，所述Al-Mn中间合金采用Al-25Mn中间合金，所述Al-Sc中间合金采用Al-20Sc中间合金。

7.根据权利要求2所述的一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S2的所述铝合金铸锭采用双级均匀化处理，包括如下步骤：将S1的铝合金铸锭置于加热炉内，在320℃～340℃的温度下保温2h～4h,然后升温至450℃～470℃，保温8h～12h，得到均匀化处理后的铝合金。

8.根据权利要求2所述的一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：将步骤S3的挤压坯料表面的氧化皮去除，并将挤压坯料加工至90mm的直径。

9.根据权利要求2所述的一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：在步骤S4挤压前，将S3的挤压坯料加热至450-500℃，同时将模具预热至430-460℃，以10:1-30:1的挤压比、1.5-3.5m/min的挤压速率挤压成形。

10.根据权利要求2所述的一种多元耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：步骤S5的人工时效方法是：将S4的铝合金型材在120-150℃下保温1-2h，再在160-180℃下保温8-12h。