CN114774724A - 一种高强度变形稀土铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度变形稀土铝合金及其制备方法，属于变形铝合金制造领域，包括如下质量百分比的物质组成：5.5‑6.5％的Zn，2.0‑3.0％的Mg，0.5‑1.0％的Cu，0.7‑1.0％的Y和0.4‑0.8％的Zr，余量为Al和杂质。本发明通过加入少量的钇和锆合金元素，促进了第二相的形成及析出，改善了合金的机械性能；同时高密度第二相的析出也能够有效的提高机械性能；另外，结合细晶强化和析出强化等多种强化作用，使本合金在具有优秀的提高机械性能；本发明所涉及的工艺设备为通用设备，成本较低，容易操作，工业上易于实现。
Description
技术领域
本发明属于变形铝合金制造领域，具体地说是一种高强度变形稀土铝合金及其制备方法。
背景技术
节能减排是目前世界发展的重要主题，轻量化是实现汽车节能减排的重要途径，也是当今世界汽车创新工程的技术发展方向。汽车所有能耗的60％来自于自重，重量每减少10％，能耗可降低10％-15％，燃油汽车燃油效率可提升6％-8％，电动汽车电量可节省4％-5％。相比于传统钢铁材料，铝合金具有密度小(约为钢的1/3)、质量轻、成形加工性能优良、耐腐蚀性能好、易于回收再利用、在发生碰撞时会比钢铁材料吸收更多的碰撞能量等优点，在汽车上使用铝合金来替代钢铁材料，成为实现汽车轻量化的有效途径。但是我们在进行铝合金的研究中，发现铝合金在强度和塑性方面还存在一定的不足，还无法满足汽车领域对新型轻质高强度高延展性材料的应用需要。
稀土铝合金的Al-Zn-Mg-RE合金系经历了从Al-Zn-Mg-Sc系、Al-Zn-Mg-Th系、Al-Zn-Mg-Er系过渡到目前的Al-Zn-Mg-Y合金系的发展历程，先后开发了多种以RE为主要添加元素的新型铝合金。就目前铝合金行业的现状来说，对于Sc元素在铝合金中的应用日益成熟，而对于Y，Tb，Dy等元素的研究还不是很成熟。在共晶点温度，Y在Al中的极限固溶度是4.53at.％，且该数值随温度的降低呈指数级下降，这意味着Al-Zn-Mg-Y合金是典型可以通过热处理进行析出强化的铝合金。但加入过多重稀土元素大大地升高了制造成本，不利于大规模应用。因此，如何开发出低成本低稀土的高强铝合金是本领域技术人员有待解决的问题。
发明内容
本发明提供一种高强度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：
一种高强度变形稀土铝合金，包括如下质量百分比的物质组成：5.5-6.5％的Zn，2.0-3.0％的Mg，0.5-1.0％的Cu，0.7-1.0％的Y和0.4-0.8％的Zr，余量为Al和杂质。
如上所述的一种高强度变形稀土铝合金，所述的杂质为Fe和Si。
如上所述的一种高强度变形稀土铝合金，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：按比例称取并将纯铝、纯镁、纯锌与中间合金Al-20Cu、中间合金Al-20Y、中间合金Al-20Zr，预热至150-250℃；
步骤二：将纯铝放在刚玉坩埚中随炉预热至200-250℃，保温1-2h；将感应炉升温，加热熔炼；待纯铝块熔化后，将铝熔液温度重新升至720-740℃，向铝熔液中加入提前预热和烘干的中间合金Al-20Cu与中间合金Al-20Y，加入时应使中间合金块迅速进去入液面以下，融化后搅拌均匀；待温度升至690-720℃时，按所述合金成分配比量加入纯锌和纯镁，加入时迅速压入液面以下，将铝熔液温度升至740-760℃，加入中间合金Al-20Zr，待熔化后打捞熔体表面浮渣，搅拌2-5min，使成分均匀；在730-750℃静置30-60min，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到690-710℃时，在氩气保护下，在模具内进行浇铸；
步骤三：对步骤二制得的铸态铝合金在热处理炉中进行高温均匀化处理，升温速度15-20℃/min，加热到460-480℃，保温12-24h，完成后将铸锭空冷至室温；
步骤四：将步骤三得到的铝合金铸锭锯切、车皮至合适尺寸，得到直径Ф95mm的铸棒备用；
步骤五：将步骤四得到的铸棒进行热挤压变形，对铸锭进行热挤压。
步骤六：对步骤五得到的铝合金在热处理炉中进行时效处理，时效温度为160-180℃，保温时间为8-12h。
如上所述的一种高强度变形稀土铝合金的制备方法，所述的铝、镁、锌的纯度为99.9％以上，所述的中间合金Al-20Cu、中间合金Al-20Y、中间合金Al-20Zr的纯度为99.5％以上。
如上所述的一种高强度变形稀土铝合金的制备方法，所述的步骤二中，将模具预热至300-350℃，进行浇铸，并在空气中冷却至常温。
如上所述的一种高强度变形稀土铝合金的制备方法，所述的步骤五中，挤压温度440℃-460℃，挤压比25:1，挤压速度2mm/s。
本发明的优点是：
1、本发明是对含稀土钇的铝合金铸锭均匀化后进行热挤压，晶粒得到显著细化，同时钇与合金中的铝、镁、锌等元素形成第二相，这些第二相在热挤压过程中会重新破碎分布成为细小弥散的强化相，能有效阻碍热变形过程中再结晶晶粒的长大并强化基体，可获得较好的力学性能，热挤压之后进行低温时效处理，可进一步提升强度，时效后抗拉强度超过600MPa，高于目前多数商用铝合金，该合金成本较低，采用常规的熔炼热挤压工艺，具有较好的可操作性和实用性，便于推广应用。
2、本发明含钇的高强度变形稀土铝合金中，通过添加微量的稀土Y，细化了组织和晶粒，与Al、Mg、Zn结合，形成高熔点的Al-Zn-Y三元相，在热挤压变形过程中，这些相破碎成十分细小的颗粒，均匀弥散的分布于镁基体中，强化基体，弱化了挤压丝织构，同时能有效的促进动态再结晶，阻碍再结晶晶粒的长大，从而得到细小的再结晶晶粒。经热挤压之后，抗拉强度最高可达602MPa，延伸率可达10.5％，明显高于传统商用变形铝合金的强度，时效后，抗拉强度最高可达438MPa，同时保证了一定的延伸率，这充分证明了铝合金的在结构材料上的使用潜力。
3、本发明工艺简单，容易操作和调控，所采用的如熔炼炉、热挤压机等均为常规通用设备，具有可移植性强、易于工业化应用的特点。
附图说明：
图1为实施例1中制备的铝合金的光学显微组织图；
图2为实施例2中制备的铝合金的光学显微组织图；
图3为实施例3中制备的铝合金的光学显微组织图；
图4为实施例4中制备的铝合金的光学显微组织图；
图5为本申请各实施例中铝合金的性能检测报告。
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1
步骤一：按照5.5％的Zn，2.0％的Mg，0.5％的Cu，0.7％的Y和0.4％的Zr，余量为Al的质量百分比称取并将纯铝、纯镁、纯锌与中间合金Al-20Cu、中间合金Al-20Y、中间合金Al-20Zr，预热至250℃；
步骤二：将纯铝放在刚玉坩埚中随炉预热至250℃，保温2h；将感应炉升温，加热熔炼；待纯铝块熔化后，将铝熔液温度重新升至720℃，向铝熔液中加入提前预热和烘干的中间合金Al-20Cu与中间合金Al-20Y，加入时应使中间合金块迅速进去入液面以下，融化后搅拌均匀；待温度升至720℃时，按所述合金成分配比量加入纯锌和纯镁，加入时迅速压入液面以下，将铝熔液温度升至740℃，加入中间合金Al-20Zr，待熔化后打捞熔体表面浮渣，搅拌5min，使成分均匀；在750℃静置30min，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到710℃时，在氩气保护下，在模具内进行浇铸；
步骤三：对步骤二制得的铸态铝合金在热处理炉中进行高温均匀化处理，升温速度15℃/min，加热到480℃，保温24h，完成后将铸锭空冷至室温；
步骤四：将步骤三得到的铝合金铸锭锯切、车皮至合适尺寸，得到直径Ф95mm的铸棒备用；
步骤五：将步骤四得到的铸棒进行热挤压变形，对铸锭进行热挤压。
步骤六：对步骤五得到的铝合金在热处理炉中进行时效处理，时效温度为180℃，保温时间为12h。
实施例2
步骤一：按照6.5％的Zn，2.5％的Mg，0.8％的Cu，1.0％的Y和0.7％的Zr，余量为Al的质量百分比称取并将纯铝、纯镁、纯锌与中间合金Al-20Cu、中间合金Al-20Y、中间合金Al-20Zr，预热至250℃；
其它工艺步骤同实施例1。
实施例3
步骤一：按照6.0％的Zn，2.5％的Mg，0.7％的Cu，0.8％的Y和0.5％的Zr，余量为Al的质量百分比称取并将纯铝、纯镁、纯锌与中间合金Al-20Cu、中间合金Al-20Y、中间合金Al-20Zr，预热至250℃；
其它工艺步骤同实施例1。
实施例4
步骤一：按照6.5％的Zn，3.0％的Mg，1.0％的Cu，1.0％的Y和0.8％的Zr，余量为Al的质量百分比称取并将纯铝、纯镁、纯锌与中间合金Al-20Cu、中间合金Al-20Y、中间合金Al-20Zr，预热至250℃；
其它工艺步骤同实施例1。
取上述实施例1、2、3和4铝合金挤压棒材时效后进行室温拉伸测试实验，测出的性能见表1。为了便于比较，表1中同时给出了普通商用7075挤压T5棒材的力学性能数据：
表1
由表1可见，本发明的合金(实施例1、2、3和4)比未添加稀土元素的变形铝合金7075(时效态)具有更高的强度，尤其是屈服强度，显著高于7075铝合金。最大抗拉强度535MPa，最大屈服强度458MPa，已能满足大多数工业领域对铝合金承载能力的要求。
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 (7)
1.一种高强度变形稀土铝合金，其特征在于：包括如下质量百分比的物质组成：5.5-6.5％的Zn，2.0-3.0％的Mg，0.5-1.0％的Cu，0.7-1.0％的Y和0.4-0.8％的Zr，余量为Al和杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强度变形稀土铝合金，其特征在于：所述的杂质为Fe和Si。
3.根据权利要求1所述的一种高强度变形稀土铝合金，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：按比例称取并将纯铝、纯镁、纯锌与中间合金Al-20Cu、中间合金Al-20Y、中间合金Al-20Zr，预热至150-250℃；
步骤二：将纯铝放在刚玉坩埚中随炉预热至200-250℃，保温1-2h；将感应炉升温，加热熔炼；待纯铝块熔化后，将铝熔液温度重新升至720-740℃，向铝熔液中加入提前预热和烘干的中间合金Al-20Cu与中间合金Al-20Y，加入时应使中间合金块迅速进去入液面以下，融化后搅拌均匀；待温度升至690-720℃时，按所述合金成分配比量加入纯锌和纯镁，加入时迅速压入液面以下，将铝熔液温度升至740-760℃，加入中间合金Al-20Zr，待熔化后打捞熔体表面浮渣，搅拌2-5min，使成分均匀；在730-750℃静置30-60min，静置完毕后，打捞熔体表面浮渣，待温度降到690-710℃时，在氩气保护下，在模具内进行浇铸；
步骤三：对步骤二制得的铸态铝合金在热处理炉中进行高温均匀化处理，升温速度15-20℃/min，加热到460-480℃，保温12-24h，完成后将铸锭空冷至室温；
步骤四：将步骤三得到的铝合金铸锭锯切、车皮至合适尺寸，得到直径Ф95mm的铸棒备用；
步骤五：将步骤四得到的铸棒进行热挤压变形，对铸锭进行热挤压。
步骤六：对步骤五得到的铝合金在热处理炉中进行时效处理，时效温度为160-180℃，保温时间为8-12h。
5.根据权利要求4所述的一种高强度变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述的铝、镁、锌的纯度为99.9％以上，所述的中间合金Al-20Cu、中间合金Al-20Y、中间合金Al-20Zr的纯度为99.5％以上。
6.根据权利要求4所述的一种高强度变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤二中，将模具预热至300-350℃，进行浇铸，并在空气中冷却至常温。
7.根据权利要求4所述的一种高强度变形稀土铝合金的制备方法，其特征在于：所述的步骤五中，挤压温度440℃-460℃，挤压比25:1，挤压速度2mm/s。
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