CN115029571A - 一种改善铝合金中强化相组织和形貌的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，属于铝合金技术领域。该铝合金化学成分组成的质量百分比如下：Mg:1.5‑2.5wt.％，Si:0.5‑1.5wt.％，Cu:0.2‑1.2wt.％，Ce:0.1‑0.5wt.％，Sb:0.1‑0.3wt.％，余量为Al。通过在铝合金中添加合金元素(Mg、Si、Cu、Ce)配合铸造工艺来实现。具体工艺：通过工业纯Al、工业纯Mg和Al‑20％Si中间合金加热熔化；升高温度，分别加入Sb颗粒和Al‑10Ce中间合金，保温一段时间；降温进行机械搅拌使溶质均匀分布；静置一段时间后浇铸进预热的模具中，得到颗粒尺寸细小、分布均匀的铝合金。通过调控加入复合变质元素Sb和Ce的含量，可得到不同尺寸的增强颗粒。制备得到的铝合金力学性能明显提高，尤其塑性提升显著，扩大了铝合金的应用范围，并且细化工艺简单，成本低廉，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料制备技术领域，涉及一种改善铝合金中强化相组织和形貌的方法。
背景技术
Al合金在现代工业中应用广泛，但是，依旧存在很多不足，由于Al是面心立方结构，限制了其塑性变形能力；其强度较低，不能单独作为航空或者汽车领域的结构性材料；Al-Mg合金铸态金相组织由α-Al相和β-Mg2Al3相组成，然而β-Mg2Al3相熔点低，使得Al-Mg合金高温强度低，抗蠕变性能差，因此不能长时间在高于120℃的环境中工作，即高温性能差，不能作为高温发动机等。进一步限制了铝合金的广泛应用。相比之下，颗粒增强铝合金因具有增强相成本低、微观结构均匀、材料性能各向同性和可采用传统的金属制备工艺进行制备等优点而倍受人们关注。
近年来，将Si元素加入Al-Mg合金中制备新的合金引起人们的注意，Al-Mg-Si合金成为第一个为汽车动力系统量身打造的耐热铝合金。但是加入Si元素后，会生成大量汉字状的共晶；随着Si含量进一步提高，多面体状、树突状的初生形成。若进一步提高Si含量，多面体状的初生会集结成长条状。5086合金由α-Al相和β-Mg2Al3相组成，拉伸时，主要沿Mg2Al3相断裂；在合金中加入Si元素，拉伸时，其断口出现了汉字状的共晶，割裂基体，使塑性下降；继续增加Si含量，其断口开始出现多面体状的初生；进一步增加Si含量，其断口出现了不规则片状的初生。以上结果表明，原位生成的相的尖角和棱角处容易引起应力集中，导致沿晶开裂，从而形成裂纹源，进而割裂基体，降低合金的力学性能，通过适当的合金化，通过引入热稳定性高的第二相、降低元素在铝基体中的扩散速率或者改善晶界结构状态和组织形态等手段，来实现提高铝合金性能的目的。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，该方法细化工艺简单，成本低，适合工业化生产；经该方法制备得到的铝合金力学性能明显提高，尤其塑性提升显著，扩大了铝合金的应用范围。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，该铝合金化学成分组成的质量百分比如下：Mg:1.5-2.5wt.％，Si:0.5-1.5wt.％，Cu:0.2-1.2wt.％，Ce:0.1-0.5wt.％，Sb:0.1-0.3wt.％，余量为Al。通过在铝合金中添加合金元素(Mg、Si、Cu、Ce)配合热挤压和热处理工艺来实现。具体工艺：包括以下步骤：
1)将工业纯Al、纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金和工业纯Sb烘干，备用；
2)在720～740℃下将铝块加热熔化，然后加入经步骤1)干燥处理的工业纯Al、工业纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金和工业纯Sb，升温处理20～40分钟后，对熔融合金进行搅拌处理，搅拌处理时间为5～25分钟，然后静置5～30分钟，再经去渣浇铸处理完成对铝合金强化相的细化和形貌的改善。
优选地，步骤1)中，烘干时间为0.5-1小时，烘干温度为100-200℃。
优选地，步骤2)中，铝块熔化是在坩埚中进行，坩埚底部撒有精炼剂，加入铝块后在铝块表面撒有精炼剂，然后通入保护气体，加热熔化时，将坩埚置于加热炉中进行加热熔化处理。
优选地，搅拌采用机械搅拌，机械搅拌时温度为650-750℃，转速200-500r/min。
优选地，去渣浇铸是将经过搅拌、静置处理的熔融合金置于经过预热处理的模具中进行铸造。
进一步优选地，采用预热炉对模具进行预热处理，预热温度为500～520℃。
进一步优选地，铸造采用金属型铸造或者砂型铸造。
优选地，改善处理后的铝合金中的Sb含量控制在0.25％～1.0％之间，Ce含量控制在0.2％～0.8％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中的方法，通过利用工业纯Al、工业纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金，制备含有增强相的合金，以改善原合金的强度和高温力学性能。采用xSb+yCe复合变质的方法，来探讨最优成分组合，细化和改善增强相形貌的效果最好。其优势主要体现在：
1、结晶时Ce和Sb易吸附并富集于的晶界表面或边缘，从而有效降低晶体长大时的表面能和临界形核功，晶核急剧增多并结晶，使细化的晶粒呈弥散状均匀分布。
2、在相生长后期，合金析出的Al11Ce3和Mg3Sb2相堆积于相生长界面前沿，阻碍相的长大。
3、当Sb与Ce含量均较高时，易于形成大量的CeSb金属间化合物，并且与CeSb的晶格常数相差较小(晶格错配度3.3％＜5％)，CeSb可作为相的异质形核核心，从而细化相。
4、铝合金中的Sb含量可控制在0.25％-1.0％之间，同时在每一种Sb含量下，设置不同的Ce含量(0.2％，0.4％，0.6％，0.8％)。
5、以工业纯Sb的方式加入，可方便控制其含量。
6、铝合金中增强相显著细化，且形貌明显改善，无论哪种成分配比下，都可以观察到颗粒细化，均匀分布，汉字状的共晶相基本消失，粗大多面体状的初生相转变成细小的团絮状、短杆状、蠕虫状，趋向等轴状、规则分布。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例1所述铝合金材料的显微组织照片。
图2为本发明实施例2所述铝合金材料的显微组织照片。
图3为本发明实施例3所述铝合金材料的显微组织照片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
以工业纯Al、纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金和纯Sb为原材料，制备原位自生合金。将坩埚放入电阻炉，升温至720℃；同时把模具放入预热炉，温度升至350℃。在坩埚底部撒入少许精炼剂，加入Al锭，在其表面撒少许精炼剂。保温一小时，使Al锭充分融化。加入Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金和Sb块，保温15分钟后，搅拌5分钟，保温20分钟，用撇渣勺捞出渣，保温15分钟后，向模具底部喷入少许硫粉，浇铸成型。精炼剂为本领域常规使用的精炼剂，目的是为了：隔绝空气，同时在加入熔体以后搅拌，净化熔体。
实施例1
合金成分重量百分比为：Mg:1.5wt.％，Si:0.5wt.％，Cu:0.2wt.％，Ce:0.1wt.％，Sb:0.1wt.％，余量为Al。
步骤一：工业纯Al、工业纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金、工业纯Sb在真空烘干箱中烘干，烘干时间为1小时，烘干温度为200℃。
步骤二，将坩埚、撇渣勺、搅拌棒等刷上均匀的涂料，打开加热炉，温度设定为730℃，将坩埚放入加热炉。打开预热炉，对模具开始预热，温度为350℃。
步骤三：等坩埚完全干燥后，在其底部撒上精炼剂，加入铝块，在其表面撒上少许精炼剂，通入氩气保护。
步骤四：40分钟后，铝块完全熔化。将电阻炉温度升至730℃，依次加入纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金、工业纯锑。大约30分钟后，在熔融合金中通入保护气体的前提下充分搅拌，搅拌时间为5分钟，转速为200r/min。静置10分钟，去渣浇铸。
结果如图2所示，添加0.25％的Sb，随Ce含量增加，初生的平均颗粒尺寸先减小后增大，0.25％的Sb+0.6％的Ce时，初生的颗粒最细小，约为30μm，分布较均匀。
实施例2
铝合金化学成分组成的质量百分比如下：Mg:2.0wt.％，Si:1.0wt.％，Cu:0.6wt.％，Ce:0.3wt.％，Sb:0.2wt.％，余量为Al。
步骤一：工业纯Al、工业纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金、工业纯Sb在真空烘干箱中烘干，烘干时间为1.5小时，烘干温度为180℃。
步骤二，将坩埚、撇渣勺、搅拌棒等刷上均匀的涂料，打开加热炉，温度设定为720℃，将坩埚放入加热炉。打开预热炉，对模具开始预热，温度为330℃。
步骤三：等坩埚完全干燥后，在其底部撒上精炼剂，加入铝块，在其表面撒上少许精炼剂。
步骤四：45分钟后，铝块完全融化。此时对电阻炉升温，当温度升至750℃，依次加入纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金、工业纯Zn、工业纯锑。大约40分钟后，同时将电阻炉温度降为700℃，机械搅拌5分钟，转速为300r/min。静置15分钟，去渣浇铸。浇铸过程中用硫粉保护。
结果显示：0.5％Sb+xCe复合变质时，初生颗粒细化效果最佳，平均尺寸为25～29μm。0.5％Sb+0.6％的Ce时，颗粒平均尺寸约为25m，且颗粒趋于多边形、规则、等轴状，分布更加均匀。
实施例3
铝合金化学成分组成的质量百分比如下：Mg:2.5wt.％，Si:1.5wt.％，Cu:0.8wt.％，Ce:0.5wt.％，Sb:0.3wt.％，余量为Al。
步骤一：工业纯Al、工业纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金、工业纯Sb在真空烘干箱中烘干，烘干时间为2小时，烘干温度为150℃。
步骤二，将坩埚、撇渣勺、搅拌棒等刷上均匀的涂料，打开加热炉，温度设定为740℃，将坩埚放入加热炉。打开预热炉，对模具开始预热，温度为300℃。
步骤三：等坩埚完全干燥后，在其底部撒上精炼剂，加入铝块，在其表面撒上少许精炼剂，通入氩气保护。
步骤四：45分钟后，铝块完全熔化。将电阻炉温度升至740℃，依次加入纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金、工业纯锑。大约40分钟后，在熔融合金中通入氩气保护，将电阻炉温度降低为680℃，机械搅拌7分钟，转速为500r/min，静置10分钟，去渣浇铸。浇铸过程中用硫粉保护。
结果显示：1.0％的Sb+xCe复合变质，显著细化了初生相，平均尺寸为31～42μm。
综上所述，未加入Sb+xCe复合变质剂，初生的平均颗粒尺寸约为81μm。因而，结合以上结果可知，无论哪种成分组合，都可以观察到颗粒细化，均匀分布，汉字状的共晶相基本消失，粗大多面体状的初生相转变成细小的短杆状、蠕虫状，趋向等轴状、规则分布。
本发明具有实质性特点，对生产实际应用具有很高的借鉴意义。所加的合金元素价廉易得，铸造合金的显微组织明显细化，铝合金中增强相显著细化，且形貌明显改善。无论哪种成分配比下，增强相尺寸明显减小，分布较均匀，汉字状的共晶相基本消失，变成团絮状、蠕虫状和颗粒状，颗粒非常圆整、细小。屈服强度、抗拉强度、延展性、冲击韧性均有提升。在提高铝合金强度的基础上，使其塑性大幅提高，极大的拓展了铝合金的应用范围。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，该铝合金化学成分组成的质量百分比如下：Mg:1.5-2.5wt.％，Si:0.5-1.5wt.％，Cu:0.2-1.2wt.％，Ce:0.1-0.5wt.％，Sb:0.1-0.3wt.％，余量为Al。通过在铝合金中添加合金元素(Mg、Si、Cu、Ce)配合热挤压和热处理工艺来实现。其特征在于，包括以下步骤：
1)将工业纯Al、纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金和工业纯Sb烘干，备用；
2)在720～740℃下将铝块加热熔化，然后加入经步骤1)干燥处理的纯Al、纯Mg、Al-20％Si中间合金、Al-10Ce中间合金和工业纯Sb，升温处理20～40分钟后，对熔融合金进行搅拌处理，搅拌处理时间为5～25分钟，然后静置5～30分钟，再经去渣浇铸处理完成对铝合金强化相的细化和形貌的改善。
2.根据权利要求1所述的改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，其特征在于，步骤1)中，烘干时间为0.5-1小时，烘干温度为100-200℃。
3.根据权利要求1所述的改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，其特征在于，步骤2)中，铝块熔化是在坩埚中进行，坩埚底部撒有精炼剂，加入铝块后在铝块表面撒有精炼剂，然后通入保护气体，加热熔化时，将坩埚置于加热炉中进行加热熔化处理。
4.根据权利要求1所述的改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，其特征在于，搅拌采用机械搅拌，机械搅拌时温度为650-750℃，转速200-500r/min。
5.根据权利要求1所述的改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，其特征在于，去渣浇铸是将经过搅拌、静置处理的熔融合金置于经过预热处理的模具中进行铸造。
6.根据权利要求6所述的改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，其特征在于，采用预热炉对模具进行预热处理，预热温度为300～350℃。
7.根据权利要求6所述的改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，其特征在于，铸造采用金属型铸造或者砂型铸造。
8.根据权利要求1所述的改善铝合金中强化相组织和形貌的方法，其特征在于，改善处理后的铝合金中的Sb含量控制在0.25％～1.0％之间，Ce含量控制在0.2％～0.8％。
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| CN202210640085.4A Pending CN115029571A (zh) | 2022-06-08 | 2022-06-08 | 一种改善铝合金中强化相组织和形貌的方法 |
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| CN (1) | CN115029571A (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104364409A (zh) * | 2012-06-15 | 2015-02-18 | 美铝公司 | 改进的铝合金及其生产方法 |
| GB201718791D0 (en) * | 2017-11-14 | 2017-12-27 | Jaguar Land Rover Ltd | Aluminium alloy for high presure die casting |
| CN110157929A (zh) * | 2019-04-30 | 2019-08-23 | 西安交通大学 | 一种改善镁合金中Mg2Si强化相组织和形貌的方法 |
-
2022
- 2022-06-08 CN CN202210640085.4A patent/CN115029571A/zh active Pending
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| CN104364409A (zh) * | 2012-06-15 | 2015-02-18 | 美铝公司 | 改进的铝合金及其生产方法 |
| GB201718791D0 (en) * | 2017-11-14 | 2017-12-27 | Jaguar Land Rover Ltd | Aluminium alloy for high presure die casting |
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