CN114525436A - 一种高延伸率变形稀土铝合金及制造方法 - Google Patents

一种高延伸率变形稀土铝合金及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高延伸率变形稀土铝合金及制造方法，主要涉及铝合金领域。其组分按重量百分比计包括：5‑7％Zn；2‑3％Mg；1‑2％Cu；0.3‑0.6％Y；不可避免杂质≤0.15％；余量为铝。本发明的有益效果在于：它制备出不含稀土的强韧兼备的变形铝合金。

Description

一种高延伸率变形稀土铝合金及制造方法
技术领域
本发明涉及铝合金领域，具体是一种高延伸率变形铝合金及制造方法。
背景技术
新能源车选用铝合金作为原材料并通过挤出工艺解决复杂型面零件的一次成型，同时达到轻量化的效果。另一方面，通过选择不同铝合金牌号挤压成复杂截面的型材在整车上承担着承载和碰撞时型变吸收能量的效果。
铝合金作为全世界蕴藏量第二大的金属给主机厂达成轻量化设计指标提供了很好的解决思路。众所周知，铝合金密度2.7kg/m3，仅为铁的1/3，铝是面心立方结构，故有很好的塑性，易于成型和加工，具有良好的抗腐蚀性能，所以，铝合金是满足轻质高强的最好选择之一。
Al-Zn-Mg-Cu-Y铝合金中的元素Cu(铜)，在合金化的过程中，一部分充当溶质元素，扩散到熔体中，在凝固过程中，固/液界面前沿形成过冷区，由于Cu的扩散速度较慢从而限制了晶粒生长。另一部分Cu元素与基体反应生成Al2Cu，分散在液态基体中的Al2Cu充当了形核质点，在异质形核的过程中，可作为液态金属的固相质点，使表面能降低，加快形核速率，从而起到了细化晶粒的作用。但在铝合金中加入单质铜(Cu)成本较高。提高铝合金强度的方法已经被大量研究，向铝基体中添加适当的合金元素，在热处理变形过程中通过强烈的析出强化以及细晶强化等效应，可显著提高铝合金强度。如最近开发的重稀土Gd或Y含量0.3wt.％以上的超高强变形Al-Zn-Mg-Gd-Zr合金，经变形及时效处理后合金的抗拉强度高600MPa。可是，加入高含量的稀土元素增添了合金的成本。并且加入稀土元素增加了合金的密度，限制了合金的应用。因此，需要其他合适的元素取代稀土元素，来开发低成本高强变形铝合金。
近几年来有很多关于变形铝合金和Mg、Al、Zn、Mn、Y等元素在铝合金中的作用的研究被广泛关注。本专利通过添加合金元素铝、钙、锌、锰、铈等以充分利用细晶强化和第二相强化，以期开发出新型的成本低廉、高力学性能的变形铝合金。所以如果想要铝合金能够成为铝合金或钢的替代品，那么在强度和延展性上还需要进一步的改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高延伸率变形铝合金及制造方法，它制备出不含稀土的强韧兼备的变形铝合金。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种高延伸率变形铝合金，其组分按重量百分比计包括：5-7％Zn；2-3％Mg；1-2％Cu；0.3-0.6％Y；不可避免杂质≤0.15％；余量为铝。
优选的，通过以下方法制造：
步骤1)熔炼，将纯Al、纯Mg、Al-20 Cu中间合金、Al-30Y中间合金和纯Zn置于密闭的熔炼炉中，对熔炼炉抽真空并通氩气并预热，后用熔炼炉加热原料至原料全部熔化，得到熔化的液体合金；
步骤2)铸锭，静置液体合金后，打渣并浇铸成型，空冷得铸锭；
步骤3)机加工：将铸锭锯切、车皮至直径为70mm，高为60mm的锭子备用；
步骤4)均匀化处理，将锭子在480℃下保温8h，再空冷；
步骤5)挤压，得到铝合金型材。
优选的，所述铝铜中间合金铜的质量百分比为20％，铝钇中间合金钇的质量百分比为30％。
优选的，步骤5)的挤压工艺包括：将挤压模具及经步骤4)处理的铸锭在460-480℃下预热1-2h后，在挤压温度为420-460℃，挤压速度为1.5-2.5m·min-1，挤压比为10-20:1条件下进行挤压。
上述高延伸率变形铝合金的制造方法，作为发明的另一个方面。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
通过向铝合金中加入Y元素并同时控制两种元素的含量，保证最终制备的铝合金微观组织均匀且晶粒尺寸较小，基面织构转化为稀土织构，促进非基面滑移开启，表现出高塑性，使铝合金的延伸率高达12％，并且塑性的提升并没有牺牲强度，反而提高了合金的抗拉强度。
本发明高强高塑性Al-Zn-Mg-Cu-Y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Cu、Y，可以强烈细化热变形后的合金组织，Al3Y相、Al2Cu相和Al-Cu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Cu可以强烈促进再结晶，进一步的降低合金的晶粒尺寸；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
附图1是对比实施例中制备的铝合金型材的光学显微组织图；。
附图2是实施例1中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材的光学显微组织图；
附图3是实施例2中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材的光学显微组织图；
附图4是实施例3中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材的光学显微组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
对比实施例：
一种含稀土钇的室温高塑性铝合金，按质量百分比计，该铝合金由如下组分组成：6％Zn；2.5％Mg；1.5％Cu；0.4％Y；不可避免杂质≤0.15％；余量为铝。
该含稀土钇的室温高塑性铝合金的制备方法如下：
(1)熔炼：将纯镁锭加热到670℃，待所述纯铝全部熔化后打渣，然后升温至710℃，加入纯锌、镁和铝铜中间合金、铝钇中间合金，充分搅拌熔炼，于710℃下保温20min后得到铝合金熔液，其中铝铜中间合金的铜质量百分比为25％，铝钇中间合金中钇的质量百分比为30％；
(2)铸造：将步骤(1)中得到的铝合金熔液打渣后浇注成型，空冷后得铸锭；
(3)机加工：将步骤(2)中得到的铸锭锯切、车皮至直径为70mm，高为60mm的锭子备用；
(4)均匀化处理：将经步骤(3)处理后的铸锭在480℃下保温8h。
(5)挤压：将挤压模具及经步骤(4)处理的铸锭在480℃下预热1h后，在挤压温度为460℃，挤压速度为1.5m·min-1，挤压比为13:1条件下进行挤压，制得铝合金板材。
实施例1
一种含稀土钇的室温高塑性铝合金，按质量百分比计，该铝合金由如下组分组成：6.5％Zn；3％Mg；2％Cu；0.4％Y；不可避免杂质≤0.15％；余量为铝。
该含稀土钇的室温高塑性铝合金的制备方法如下：
(1)熔炼：将纯镁锭加热到670℃，待所述纯铝全部熔化后打渣，然后升温至710℃，加入纯锌、镁和铝铜中间合金、铝钇中间合金，充分搅拌熔炼，于710℃下保温20min后得到铝合金熔液，其中铝铜中间合金的铜质量百分比为25％，铝钇中间合金中钇的质量百分比为30％；
(2)铸造：将步骤(1)中得到的铝合金熔液打渣后浇注成型，空冷后得铸锭；
(3)机加工：将步骤(2)中得到的铸锭锯切、车皮至直径为70mm，高为60mm的锭子备用；
(4)均匀化处理：将经步骤(3)处理后的铸锭在480℃下保温8h。
(5)挤压：将挤压模具及经步骤(4)处理的铸锭在480℃下预热1h后，在挤压温度为460℃，挤压速度为1.5m·min-1，挤压比为13:1条件下进行挤压，制得铝合金板材。
实施例2
一种含稀土钇的室温高塑性铝合金，按质量百分比计，该铝合金由如下组分组成：7％Zn；3％Mg；2％Cu；0.5％Y；不可避免杂质≤0.15％；余量为铝。
该含稀土钇的室温高塑性铝合金的制备方法如下：
(1)熔炼：将纯镁锭加热到670℃，待所述纯铝全部熔化后打渣，然后升温至710℃，加入纯锌、镁和铝铜中间合金、铝钇中间合金，充分搅拌熔炼，于710℃下保温20min后得到铝合金熔液，其中铝铜中间合金的铜质量百分比为25％，铝钇中间合金中钇的质量百分比为30％；
(2)铸造：将步骤(1)中得到的铝合金熔液打渣后浇注成型，空冷后得铸锭；
(3)机加工：将步骤(2)中得到的铸锭锯切、车皮至直径为70mm，高为60mm的锭子备用；
(4)均匀化处理：将经步骤(3)处理后的铸锭在480℃下保温8h。
(5)挤压：将挤压模具及经步骤(4)处理的铸锭在480℃下预热1h后，在挤压温度为470℃，挤压速度为1.5m·min-1，挤压比为15:1条件下进行挤压，制得铝合金板材。
实施例3
一种含稀土钇的室温高塑性铝合金，按质量百分比计，该铝合金由如下组分组成：7％Zn；3％Mg；1.5％Cu；0.5％Y；不可避免杂质≤0.15％；余量为铝。
该含稀土钇的室温高塑性铝合金的制备方法如下：
(1)熔炼：将纯镁锭加热到670℃，待所述纯铝全部熔化后打渣，然后升温至710℃，加入纯锌、镁和铝铜中间合金、铝钇中间合金，充分搅拌熔炼，于710℃下保温20min后得到铝合金熔液，其中铝铜中间合金的铜质量百分比为25％，铝钇中间合金中钇的质量百分比为30％；
(2)铸造：将步骤(1)中得到的铝合金熔液打渣后浇注成型，空冷后得铸锭；
(3)机加工：将步骤(2)中得到的铸锭锯切、车皮至直径为70mm，高为60mm的锭子备用；
(4)均匀化处理：将经步骤(3)处理后的铸锭在480℃下保温8h。
(5)挤压：将挤压模具及经步骤(4)处理的铸锭在480℃下预热1h后，在挤压温度为460℃，挤压速度为2m·min-1，挤压比为20:1条件下进行挤压，制得铝合金板材。
验证试验及结论：
采用蔡司Axiovert40MAT金相光学显微镜对对比实施例中制备的铝合金板材和实施例1、2及3中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材进行分析，结果如图1所示，对比实施例中制备的铝合金板材和实施例1、2及3中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材的光学显微组织图，由图1可知，随着Y含量的增加，晶粒尺寸越来越小，平均晶粒尺寸从12.84μm下降到8.26μm，由于基体中均匀弥散分布的细小第二相颗粒有效促进动态再结晶的形成，同时钉扎在晶界，阻碍再结晶晶粒长大。同时，第二相和晶界还可以阻碍位错运动，位错被阻滞的地方越来越多，合金的强度就越高越来越高，并且因为晶粒越细，单位体积内晶粒越多，形变时同样的形变量可分散到更多的晶粒中，产生较均匀的形变而不会造成局部应力过度集中，从而使其塑性得以提高。
采用TESCAN VEGA II扫描电子显微镜对对比实施例中制备的铝合金板材和实施例1、2及3中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材进行分析，对比实施例中制备的铝合金板材不同倍数下的扫描显微组织图；实施例1中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材不同倍数下的扫描显微组织图；实施例2中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材不同倍数下的扫描显微组织图；实施例3中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材不同倍数下的扫描显微组织图；对比实施例中由于Y元素含量比较少，其第二相呈细小颗粒状，且沿着挤压方向呈流线分布，而实施例1，2及3中的铝合金，随着Y含量增加，开始出现矩形状的第二相，且第二相体积分数更大，分布更加均匀，同时第二相钉扎晶界，细化晶粒，对合金起到了弥散强化和细晶强化的作用，提高合金的综合性能。
实施例中制备的铝合金板材和实施例1、2及3中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材由α-Al基体和Al3Y三元相组成，随着Y含量的增加，实施例1、2和3中的铝合金中出现Al3Y第二相。其中Al3Y在合金凝固过程中优先形成，消耗稀土元素，抑制其它稀土相的形成且拥有优良的热稳定性，在均匀化和固溶过程中不溶入基体从而对合金起到强化作用。
采用CMT5105-300kN微机控制电子万能试验机对对比实施例中制备的铝合金板材和实施例1、2及3中制备的含稀土钇的室温高塑性铝合金板材进行拉伸试验，测试结果见表1。
表1各样品力学性能测试结果
合金 抗拉强度 屈服强度 延伸率
对比例 606 492 10.3
实施例1 601 485 9.8
实施例2 615 522 9.2
实施例3 619 548 9.3

Claims (8)

1.一种高延伸率变形稀土铝合金，其特征在于，其组分按重量百分比计包括：5-7％Zn；2-3％Mg；1-2％Cu；0.3-0.6％Y；不可避免杂质≤0.15％；余量为铝。
2.根据权利要求1所述一种高延伸率变形铝合金，其特征在于，通过以下方法制造：
步骤1)熔炼，将纯Al、纯Mg、Al-20 Cu中间合金、Al-30Y中间合金和纯Zn置于密闭的熔炼炉中，对熔炼炉抽真空并通氩气并预热，后用熔炼炉加热原料至原料全部熔化，得到熔化的液体合金；
步骤2)铸锭，静置液体合金5-10min后，打渣并浇铸成型，空冷得铸锭；
步骤3)机加工：将铸锭锯切、车皮至直径为70mm，高为60mm的锭子备用；
步骤4)均匀化处理，将锭子在480℃下保温8h，再空冷；
步骤5)挤压，得到铝合金型材。
3.根据权利要求2所述一种高延伸率变形铝合金，其特征在于，所述铝铜中间合金铜的质量百分比为20％，铝钇中间合金钇的质量百分比为30％。
4.根据权利要求1所述一种高延伸率变形铝合金，其特征在于，步骤5)的挤压工艺包括：将挤压模具及经步骤4)处理的铸锭在460-480℃下预热1-2h后，在挤压温度为420-460℃，挤压速度为1.5-2.5m·min-1，挤压比为10-20:1条件下进行挤压。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种高延伸率变形铝合金的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)熔炼，将纯Al、纯Mg、Al-20 Cu中间合金、Al-30Y中间合金和纯Zn置于密闭的熔炼炉中，对熔炼炉抽真空并通氩气并预热，后用熔炼炉加热原料至原料全部熔化，得到熔化的液体合金；
步骤2)铸锭，静置液体合金5-10min后，打渣并浇铸成型，空冷得铸锭；
步骤3)机加工：将铸锭锯切、车皮至直径为70mm，高为60mm的锭子备用；
步骤4)均匀化处理，将锭子在480℃下保温8h，再空冷；
步骤5)挤压，得到铝合金型材。
6.根据权利要求5所述一种高延伸率变形铝合金的制造方法，其特征在于，所述铝铜中间合金铜的质量百分比为20％，铝钇中间合金钇的质量百分比为30％。
7.根据权利要求5所述一种高延伸率变形铝合金的制造方法，其特征在于，步骤5)的挤压工艺包括：
8.根据权利要求5所述一种高延伸率变形铝合金的制造方法，其特征在于，将挤压模具及经步骤4)处理的铸锭在460-480℃下预热1-2h后，在挤压温度为420-460℃，挤压速度为1.5-2.5m·min-1，挤压比为10-20:1条件下进行挤压。
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