CN114672708A - 一种高强度耐热变形稀土铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强度耐热变形稀土铝合金及其制备方法，属于稀土铝合金制造领域，包括如下质量百分比的物质组成：5.0‑7.0％的Zn，2.0‑3.0％的Mg，1.0‑2.0％的Cu，0.3‑0.6％的Er和0.3‑0.9％的Cr，余量为Al和杂质。本发明提供的高强度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，故本发明具有良好的应用和推广前景，能够在电动客车、轨道交通等低成本民用领域中应用。

Description

一种高强度耐热变形稀土铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于稀土铝合金制造领域，具体地说是一种高强度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，质量轻，抗阻尼震动性强，铸造性能优越，切削加工性能好，尺寸稳定性高，电磁屏蔽能力强，回收利用率高等优点，因此铝合金广泛应用于汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业等领域。但是铝合金的开发程度还远远偏低，每年的生产量只有铝合金的1％，远没有充分发挥其潜在优势，主要是由于以下原因：铝合金的绝对强度较低，耐热性较差；大多数的铝结构件都来自于压铸一种加工方式，即铸造铝合金。由于铸造铝合金变形性差，不能承受复杂载荷以及体积相对较小，铝合金的使用更加受到限制。与铸造铝合金相比，变形铝合金具有优良的综合力学性能，更高的强度和塑性，更适合于制作大型结构件和满足结构多样化要求，因此开发新型高强耐热变形铝合金具有重要的现实需求和战略意义。
变形稀土铝合金中，铝-锌-镁系合金(Al-Zn-Mg)作为现有商用铝合金中强度最高的一种，具有良好的塑性及耐蚀性，且是目前应用最广的变形稀土铝合金之一。大量的采用7075铝合金是未来航空航天及汽车制造领域的发展趋势。但7075室温塑性较差，尤其耐热性差，热裂倾向大，而铝合金零部件在服役过程中需要承受高温、腐蚀、交变载荷等恶劣环境，久而久之，铝合金零部件便会在表面萌生疲劳裂纹源，疲劳裂纹源，继续进一步扩展为裂纹，零件便会发生疲劳破坏失效；故难以满足耐高温环境下的使用，尤其是航空航天领域的使用要求，对铝合金的发展造成了很大的限制。
发明内容
本发明提供一种高强度耐热变形稀土铝合金及其制备方法，用以解决现有技术中的缺陷。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种高强度耐热变形稀土铝合金，包括如下质量百分比的物质组成： 5.0-7.0％的Zn，2.0-3.0％的Mg，1.0-2.0％的Cu，0.3-0.6％的Er和0.3- 0.9％的Cr，余量为Al和杂质。
如上所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金，所述的杂质包括Fe、Si。
如上所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金，所述的杂质质量小于总质量的0.03％。
一种高强度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：
步骤一：熔炼：以纯铝锭、纯镁锭和Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金为原料，按所述铝合金组分的质量百分比进行计算配料，预热，开启熔炼炉，待炉膛温度达到350- 400℃时，将均预热的纯铝锭加入熔炼炉中，加热升温到690-710℃至所述纯铝锭熔化；接着升温至750-770℃后加入纯镁锭和Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金，待所述纯镁锭和Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金熔化后；最后在710-730℃下保温10-20min，再次搅拌打渣，静置降温至695-705℃后采用金属模铸造，制得铝合金铸锭；
步骤二：机加工：去除步骤一中铝合金铸锭表面的氧化皮，加工成指定尺寸；
步骤三：均匀化处理：将经步骤二处理后的铝合金铸锭进行均匀化处理；
步骤四：热挤压：将经步骤三处理后的铝合金铸锭进行热挤压；
步骤五：时效处理：将经步骤四处理后的铝合金型材，进行人工时效。
如上所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，所述的铝、镁的纯度为99.9％以上，所述的Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al- 25Er中间合金、Al-25Cr中间合金的纯度为99.5％以上。
如上所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，所述的步骤一中，铸造法为半连续铸造法。
如上所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，所述的步骤三中，所述均匀化处理工艺：温度470-490℃，保温12-24h。
如上所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，所述的步骤四中，热挤压工艺：挤压温度为430-470℃，挤压比为10-30:1，挤压速度为 2-5m/min。
如上所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，所述的步骤五中，人工时效工艺：时效温度为160-180℃，保温时间为8-12h。
本发明的优点是：
1、本发明实施例所述的高强度耐热变形稀土铝合金通过调控合金组成，并合理选择各元素含量，获得有利于合金性能提高的各合金元素间的相互作用，得到了与水等介质反应速率很快的铝合金，并且同时具有高强度和高延伸率的力学强度性能，可满足多种工业领域的应用需求；
2、Cu、Cr为混合反应促进元素，在熔炼过程中这些元素与铝形成新的晶相，这些晶相可在铝与水溶介质反应过程中破坏生成的氢氧化铝的连续性，从而减少氢氧化铝对铝与水溶介质的接触的阻碍，促进铝与水等介质的反应的进行，提高铝与水溶介质反应的速率；此外，Cu、Cr相互配合，且以上述比例加入可以最大程度的消除铝合金晶内偏析、细化晶粒进而提高延伸率， Cu、Cr相互配合以上述比例加入，可以最大程度的降低铝合金对其固溶度上限的限制，使合金成分均匀化、减少铸造缺陷，使合金作用达到最大化； Cu、Cr在后续热处理过程中还可以促进Er和Zn元素的析出强化，进一步提高合金的强度。
3、Er在熔炼过程中可与Al形成固溶体，通过固溶或时效强化作用可使获得的合金强度显著提高，且Er与Al的固溶度大，Er可以以较高的固溶度溶解到铝合金中，并且随着温度的降低，固溶度显著降低，因而可以通过固溶强化，或时效强化，大幅度提高合金的强度等性能。同时，少量Er 的加入还可以细化晶粒，提高合金的力学性能。而由于铝合金中Er的最大固溶度分别为2.6％，本发明通过适量加入上述的Er，以保证Er可与Al分别形成单一晶格结构的固溶体，从而达到铝合金的高强度和高延伸率。Er 还可以提高熔炼过程中熔体的稳定性、提高氧化膜的稳定性，减少其他元素的烧损。
4、Cr、Er元素可显著细化材料的铸锭晶粒，根据霍尔佩奇公式，细化晶粒可提高铝合金成型件的强度和塑性；此外，对铸锭晶粒的细化还可以促进Cr、Mg混合反应促进元素在合金中的分散均匀性，进一步提高铝与水溶介质的反应速率，还可促进Er在合金中的分散均匀性，使合金中Er元素分散更均匀，进一步提高铝合金的高强度和高延伸率。其中，Er的价格较昂贵，而Cr的晶粒细化作用虽不及Er，但其价格便宜，将二者以上述质量百分比的量加入原料中，可获得最佳的晶粒细化效果且大大降低材料成本。
附图说明：
图1为实施例1制备铝合金型材的金相图。
图2为实施例2制备铝合金型材的金相图。
图3为实施例3制备铝合金型材的金相图。
图4为实施例4制备铝合金型材的金相图。
图5为实施例5制备铝合金型材的金相图。
图6为实施例6制备铝合金型材的金相图。
图7为各实施例铝合金机械性能检测报告。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例
本实施例1-6的铝合金按照表1原料配比和下述方法制得。
表1组分配比表
序号 Zn(％) Mg(％) Cu(％) Er(％) Cr(％) Al(％)
实施例1 5.0 2.0 1.0 0.3 0.3 余量
实施例2 5.5 2.2 1.2 0.4 0.4 余量
实施例3 6.0 2.4 1.4 0.5 0.5 余量
实施例4 6.5 2.6 1.6 0.6 0.5 余量
实施例5 7.0 2.8 1.8 0.6 0.5 余量
实施例6 7.0 3.0 2.0 0.6 0.5 余量
如上表1所述的各实施例，采用如下制备方法，即可得到本发明提供的稀土铝合金，具体制备方法如下：
步骤一：熔炼：以纯铝锭、纯镁锭和Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金为原料，按所述铝合金组分的质量百分比进行计算配料，预热300℃，开启熔炼炉，待炉膛温度达到 350℃时，将均预热的纯铝锭加入熔炼炉中，加热升温到710℃至所述纯铝锭熔化；接着升温至760℃后加入纯镁锭和Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金，待所述纯镁锭和Al-30Zn 中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金熔化后；最后在730℃下保温20min，再次搅拌打渣，静置降温至705℃后采用金属模铸造，制得铝合金铸锭；
步骤二：机加工：去除步骤一中铝合金铸锭表面的氧化皮，加工成指定尺寸；
步骤三：均匀化处理：将经步骤二处理后的铝合金铸锭进行均匀化处理温度为490℃，保温24h；
步骤四：热挤压：将经步骤三处理后的铝合金铸锭进行热挤压，挤压温度为470℃，挤压比为20，挤压速度为3m/min；
步骤五：时效处理：将经步骤四处理后的铝合金型材，进行人工时效，时效温度为180℃，保温时间为8h。
分别对上述实施例所得铝合金进行性能检测，其中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。
性能检测
其性能对比如表2所示：
Figure BDA0003542664960000061
表2
从表2可以看出，本发明的变形稀土铝合金高强并具有良好的耐疲劳性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种高强度耐热变形稀土铝合金，其特征在于：包括如下质量百分比的物质组成：5.0-7.0％的Zn，2.0-3.0％的Mg，1.0-2.0％的Cu，0.3-0.6％的Er和0.3-0.9％的Cr，余量为Al和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金，其特征在于：所述的杂质包括Fe、Si。
3.根据权利要求1所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金，其特征在于：所述的杂质质量小于总质量的0.03％。
4.一种高强度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：
步骤一：熔炼：以纯铝锭、纯镁锭和Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金为原料，按所述铝合金组分的质量百分比进行计算配料，预热，开启熔炼炉，待炉膛温度达到350-400℃时，将均预热的纯铝锭加入熔炼炉中，加热升温到690-710℃至所述纯铝锭熔化；接着升温至750-770℃后加入纯镁锭和Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金，待所述纯镁锭和Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金熔化后；最后在710-730℃下保温10-20min，再次搅拌打渣，静置降温至695-705℃后采用金属模铸造，制得铝合金铸锭；
步骤二：机加工：去除步骤一中铝合金铸锭表面的氧化皮，加工成指定尺寸；
步骤三：均匀化处理：将经步骤二处理后的铝合金铸锭进行均匀化处理；
步骤四：热挤压：将经步骤三处理后的铝合金铸锭进行热挤压；
步骤五：时效处理：将经步骤四处理后的铝合金型材，进行人工时效。
5.根据权利要求4所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述的铝、镁的纯度为99.9％以上，所述的Al-30Zn中间合金、Al-25Cu中间合金、Al-25Er中间合金、Al-25Cr中间合金的纯度为99.5％以上。
6.根据权利要求4所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤一中，铸造法为半连续铸造法。
7.根据权利要求4所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤三中，所述均匀化处理工艺：温度470-490℃，保温12-24h。
8.根据权利要求4所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤四中，热挤压工艺：挤压温度为430-470℃，挤压比为10-30:1，挤压速度为2-5m/min。
9.根据权利要求4所述的一种高强度耐热变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤五中，人工时效工艺：时效温度为160-180℃，保温时间为8-12h。
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