CN114807693B - 一种联合微合金化的耐高温铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种联合微合金化的耐高温铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种联合微合金化的耐高温铝合金及其制备方法，该铝合金按质量百分比包含以下成分：Sb：0.03wt.％，Mn：0.2wt.％；余量为Al‑4wt.％Cu合金。该制备方法为：(1)按质量百分比，熔炼得到含Sb和Mn的铝合金铸锭；(2)将步骤(1)的铝合金铸锭进行固溶处理；(3)将固溶处理后的铝合金锭进行人工时效处理，制得。本发明通过Sb和Mn的联合微合金化来降低时效析出强化相粒子尺寸，并提高其数密度和热稳定性来提高铝合金的高温强度，本发明可在短时高温暴露和长久高温热暴露后均拥有优异的高温力学性能，且制备工艺简单。

Description

一种联合微合金化的耐高温铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金材料及其制备方法，尤其涉及一种联合微合金化的耐高温铝合金及其制备方法。
背景技术
金属铝因储量丰富，密度低，耐腐蚀性能好等优势而受到工业界的广泛关注。但纯铝的强度和铸造性能较差，一般很难作为结构材料直接在工业中运用，所以需要对其进行适当的强化处理以及提高其铸造性能，常用的强化方法是向铝中添加Mg和Cu两种固溶元素并配合相应的热处理，来达到固溶强化和时效强化的目的，从而显著提高铝合金的硬度。通过添加Si元素能显著提高铝合金的铸造性能。两者结合能满足工业上对铝合金结构材料的大多数需求。
近几年来，随着汽车工业的不断发展尤其是汽车全铝车身的出现，以及节能减排和环境保护政策的不断出台，导致铝合金在交通运输领域的需求不断增加。同时，汽车性能的不断提升也导致工业界对铝制零件的性能要求的不断提升。比如随着汽车发动机功率密度的增加，发动机周围铝制零部件，如缸盖，进气歧管，活塞等，需要承受300℃左右的高温，这就需要铝合金具有更加优异的耐热性能。所以显著提高铝合金的耐热性能，是工业界迫切需求的，也是进一步推广铝合金的运用的一个主要研究方向。但是简单的通过添加Cu和Mg强化所能提高的力学性能仅能在200℃以下稳定工作，当温度接近300℃时，主要强化相便会发生粗化，失去强化效果，所以提高铝合金在300℃时的高温强度就显得尤为重要。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可显著提高铝合金高温力学性能的联合微合金化的耐高温铝合金；
本发明的第二个目的是提供上述联合微合金化的耐高温铝合金的制备方法。
技术方案：本发明所述的联合微合金化的耐高温铝合金，按质量百分比包含以下成分：Sb：0.01～0.05wt.％，Mn：0.1～0.3wt.％；余量为铝合金基体。
其中，所述铝合金基体为铝铜合金。
上述联合微合金化的耐高温铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量百分比，熔炼得到含Sb和Mn的铝合金铸锭；
(2)将步骤(1)的铝合金铸锭进行固溶处理；
(3)将固溶处理后的铝合金锭进行人工时效处理，制得。
其中，步骤(1)中，熔炼得到含Sb和Mn的铝合金铸锭时，向熔化的铝合金中间合金锭中先加入含Mn中间合金锭，再加入含Sb中间合金锭。
其中，步骤(1)中，熔炼得到含Sb和Mn的铝合金铸锭时，待铝合金中间合金锭的熔体精炼后，再先后加入含Mn中间合金锭、含Sb中间合金锭。
其中，步骤(1)的具体过程为：获取铝合金中间合金锭、含Sb中间合金锭、含Mn中间合金锭，将铝合金中间合金锭加热熔化，升温后静置，然后降温进行精炼处理，温度稳定后，先后加入含Mn中间合金锭、含Sb中间合金锭并升温，温度稳定后浇注，得到含Sb和Mn的铝合金铸锭。
步骤(1)更具体的过程为：将商用铝合金中间合金锭烘干并放置于石墨粘土坩埚中，随后在电阻炉内加热到650～700℃保温，待铝锭完全熔化后，调节电阻炉功率和温度，使温度升至750～800℃，静置0.5～1h，随后使温度降至710～730℃，并进行精炼处理，温度再次稳定在710～720℃时，先后加入含Mn中间合金锭、含Sb中间合金锭并升温，当温度稳定在720～725℃后进行浇注；进一步的，按烧损率大小，先后加入含Mn中间合金锭和含Sb中间合金锭。
其中，步骤(2)中，所述固溶处理是指温度设定为470℃～580℃，热处理炉温度稳定后再放入样品并保温3h～15h，然后取出淬火至室温。具体的，将热处理炉升温至470℃～580℃，并保温1～3h，然后将步骤(1)得到的铝合金铸锭放入进行固溶处理，保温3h～15h，最后取出迅速放入冷水中，水淬至室温。该固溶处理有利于Cu溶质固溶到基体中。
其中，步骤(3)中，所述人工时效处理是指温度设定为160℃～200℃，时效炉温度稳定后再放入样品并保温5h～15h，然后取出空冷至室温。具体的，将时效炉升温至160℃～200℃，并保温1～3h，然后将固溶处理后的铝合金铸锭放入时效炉中进行人工时效处理保温5h～20h，最后取出空冷至室温即制备出一种通过联合微合金化强化的高强耐热铝合金。该时效处理有利于促进含Cu耐热相强化粒子的析出和转化。
原理：微合金化元素Sb的微合金化降低了时效过程和短时高温后时效析出相粒子的尺寸并提高其数密度，同时微合金化元素Mn的微合金化使时效析出相粒子在长时间热暴露过程中的热稳定性提高，从而提高了铝合金在短时高温下和长久热暴露后的高温强度。
有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)仅需要向传统铝合金中添加微合金化元素Sb和Mn即可显著提高铝合金的高温力学性能；(2)本的制备方法能显著降低时效析出强化相粒子的尺寸，提高其数密度，并增加其在长久热暴露过程中的热稳定性；(3)能显著提高铝合金在短时高温下和长久热暴露后的高温力学性能；(4)制备过程简单，为电阻炉熔炼，热处理工艺为固溶+人工时效。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本发明提供了一种联合微合金化的耐高温铝合金，按质量百分比包含以下成分：Sb：0.03wt.％，Mn：0.2wt.％；余量为Al-4wt.％Cu合金。
上述联合微合金化的耐高温铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照合金成分中的质量百分比获取Al-20wt.％Cu铝合金中间合金锭、含Sb商用中间合金锭、含Mn商用中间合金锭；
(2)将工业纯铝和Al-20wt.％Cu铝合金中间合金锭烘干后放置于石墨粘土坩埚中，并在电阻炉内加热，加热到700℃熔化，然后升温至750℃静置1h，降温至720℃并进行精炼处理，待温度稳定在710℃后，按烧损顺序先后放入Al-10wt.％Mn、Al-10wt.％Sb铝合金中间合金进行微合金化处理。当铝液温度再次稳定在720℃时将其浇注在250℃下的金属板状模具中；
(3)将步骤(2)中熔炼的合金铸锭，在热处理炉中进行固溶处理，温度设定为515℃，待热处理炉达到设定温度并保温1.5h后，放入合金铸锭，保温6h，然后炉内升温至575℃并保温3h，最后取出水淬至室温；
(4)将步骤(3)中固溶处理后的合金锭，在时效炉中进行人工时效处理，温度设定为165℃，待时效炉达到设定温度并保温1.5h后，放入固溶后的合金锭，保温5h，然后取出空冷至室温；即可制备出通过联合微合金化提高高温力学性能的高强耐热铝合金。
实施例2
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，Sb：0.01wt.％，Mn：0.3wt.％；余量为Al-4wt.％Cu合金。
实施例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，Sb：0.05wt.％，Mn：0.1wt.％；余量为Al-4wt.％Cu合金。
实施例4
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(2)中，加热到650℃熔化，然后升温至800℃静置0.5h，降温至730℃并进行精炼处理，待温度稳定在720℃后，按烧损顺序分别放入Al-10wt.％Mn、Al-10wt.％Sb铝合金中间合金进行微合金化处理。当铝液温度再次稳定在725℃时将其浇注在250℃下的金属板状模具中；
步骤(3)中，温度设定为470℃，待热处理炉达到设定温度并保温1h后，放入合金铸锭，保温15h，然后炉内升温至580℃并保温1h，最后取出水淬至室温；
步骤(4)中，温度设定为200℃，待时效炉达到设定温度并保温1h后，放入固溶后的合金铸锭，保温20h。
实施例5
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(2)中，加热到650℃熔化，然后升温至800℃静置0.5h，降温至710℃并进行精炼处理，待温度稳定在710℃后，按烧损顺序分别放入Al-10wt.％Mn、Al-10wt.％Sb铝合金中间合金进行微合金化处理。当铝液温度再次稳定在720℃时将其浇注在250℃下的金属板状模具中；
步骤(3)中，温度设定为580℃，待时效炉达到设定温度并保温3h后，放入固溶后的合金铸锭，保温8h，然后炉内升温至580℃并保温1h，最后取出水淬至室温；
步骤(4)中，温度设定为160℃，待时效炉达到设定温度并保温2h后，放入固溶后的合金铸锭，保温10h。
对比例1
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(2)中不加入Al-10wt.％Mn、Al-10wt.％Sb。
对比例2
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(2)中仅加入Al-10wt.％Mn。
对比例3
在实施例1的基础上，与实施例1不同的是，步骤(2)中仅加入Al-10wt.％Sb。
对实施例1及对比例1、2、3得到的高强耐热铝合金进行高温力学性能表征：
高温准静态拉伸性能：在板状合金铸锭远离浇道口处使用线切割，切割出标距为18mm，横截面积为3*3mm2的拉伸实验样品，用砂纸将拉伸试样表面打磨平整。在CTM5105电子万能试验机上进行300℃下高温拉伸测试，加载速率为1.00mm/min。长久热暴露后的高温力学性能测试，需将拉伸样品在热处理炉中300℃下保温100h后取出空冷，再300℃下进行高温拉伸。实验所获得的力学性能如表1所示。
表1
Figure BDA0003592241900000051
结合表1，在相同条件下制备得到的Al-4wt.％Cu，Al-4wt.％Cu-0.03wt.％Sb和Al-4wt.％Cu-0.2wt.％Mn三种铝合金，可以看出，微合金化元素Sb和Mn联合微合金化对Al-4wt.％Cu铝合金高温力学性能的有利影响。合金在300℃高温下的瞬时高温力学性能以及热暴露后的高温力学性能均得到显著提升。

Claims (6)

1.一种联合微合金化的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按质量百分比，熔炼得到含Sb，Cu和Mn的铝合金铸锭；所述联合微合金化的耐高温铝合金按质量百分比包含以下成分：Sb：0.01~0.05wt.%，Mn：0.1~0.3wt.%；余量为铝铜合金基体；
（2）将步骤（1）的铝合金铸锭在热处理炉中进行固溶处理，温度设定为515℃，待热处理炉达到设定温度并保温1.5h后，放入合金铸锭，保温6h，然后炉内升温至575℃并保温3h，最后取出水淬至室温；
（3）将固溶处理后的铝合金锭进行人工时效处理，制得；
所述人工时效处理是指温度设定为160℃~200℃，时效炉炉温度稳定后再放入样品并保温5h~15h，然后取出空冷至室温。
2.根据权利要求1所述联合微合金化的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，熔炼得到含Sb，Cu和Mn的铝合金铸锭时，将工业纯铝和Al-20wt.%Cu铝合金中间合金锭加热熔化后，先加入含Mn中间合金锭，再加入含Sb中间合金锭。
3.根据权利要求1所述联合微合金化的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，熔炼得到含Sb，Cu和Mn的铝合金铸锭时，待工业纯铝和Al-20wt.%Cu铝合金中间合金锭的熔体精炼后，再先后加入含Mn中间合金锭、含Sb中间合金锭。
4.根据权利要求1所述联合微合金化的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，步骤（1）的具体过程为：获取Al-20wt.%Cu铝合金中间合金锭、含Sb中间合金锭、含Mn中间合金锭，将工业纯铝和Al-20wt.%Cu铝合金中间合金锭加热熔化，升温后静置，然后降温进行精炼处理，温度稳定后，先后加入含Mn中间合金锭、含Sb中间合金锭并升温，温度稳定后浇注，得到含Sb，Cu和Mn的铝合金铸锭。
5.根据权利要求4所述联合微合金化的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，加热熔化的温度为650~700℃，熔化后升温至750~800℃，静置0.5~1h。
6.根据权利要求4所述联合微合金化的耐高温铝合金的制备方法，其特征在于，温度降至710~730℃时进行精炼处理，温度再次稳定在710~720℃时先后加入含Mn中间合金锭、含Sb中间合金锭并升温，当温度稳定在720~725℃后进行浇注。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101120894A (zh) * 2006-08-08 2008-02-13 上海市机械制造工艺研究所 制造假肢膝关节中有关部件的工艺方法
CN103820680A (zh) * 2014-02-25 2014-05-28 贵州大学 一种新型高强耐热铝合金导线
CN110218885A (zh) * 2019-06-24 2019-09-10 广东工程职业技术学院 一种高强韧的挤压铸造铝合金及其制备方法

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