CN117187641A - 一种再生铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于再生铝合金制备技术领域，具体公开了一种再生2xxx系铝合金及其制备方法。本发明通过在2A14铝合金废料熔炼时添加稀土元素Er和/或施加超声处理，优化了富铁相组织(使β‑相转化为α‑相)，细化了铝基体晶粒，提高了再生2xxx系铝合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率等力学性能，延长了铝合金的使用寿命，达到了再生铝合金保级使用的目的。本发明的制备工艺简单，操作简便，添加稀土元素Er配合超声处理还能协同提高再生2xxx系铝合金的综合机械性能，与现有技术相比，本发明的方法能够使再生铝合金的力学性能大幅提升，且适于大批量产业化生产。
Description
技术领域
本发明属于再生铝合金制备技术领域，具体涉及一种再生2xxx系铝合金及其制备方法。
背景技术
2xxx系铝合金广泛应用于航空航天、船舶、汽车等交通工业领域。随着交通运输业的飞速发展，产生了大量的机加工碎屑、切余和报废的交通工具，也就产生了大量的废旧2xxx系铝铜合金。
在废铝回收中存在一个问题，即铝合金零件往往和钢铁零件配合使用，这就造成了在拆解废旧铝合金时，其中嵌入的钢铁零件难以剔除干净，再加上废铝熔炼过程中不可避免地要与铁质工具接触，这就导致再生铝的含铁量高于原生铝。并且，随着铝合金回收次数的增加，含铁量逐渐升高。
由于较高的含铁量，再生铝中容易形成大量的富铁相。这些富铁相主要分为两种：一种是呈血小板状或汉字状的α-相，另一种是呈针状的β-相。这些富铁相又脆又硬，其中α-相对再生铝合金的力学性能影响不大，但是针状的β-相容易在再生铝合金构件变形时割裂铝基体，从而使再生铝合金的力学性能降低。因此，大多数再生铝合金只能降级使用。
为了提高2xxx系铝合金的力学性能，实现再生2xxx系铝合金的保级使用，人们进行了多种研究。例如，中国专利CN110760706B(中科院过程工程研究所，波音公司)公开了一种由航空工业铝合金废料再生制备含铜铝合金的方法，针对航空铝合金废料成分特点，通过原料调控、真空熔炼、冷凝、过滤和浇铸方式的调整，实现从2xxx系和7xxx系混合合金制备出再生不同型号2系铜铝合金。此外，中国专利申请CN115976382A(南山铝业)公开了一种机加工废料再造2系航空薄板循环保级回收利用方法，其中铝合金成分如下：Si 0.12％，Fe0.20％，Cu 4.45％-4.65％，Mn 0.55％-0.75％，Mg 1.35％-1.55％，Cr 0.10％，Zn0.20％，Ti0.02％-0.06％，余量为Al。该方法通过减少铝屑烧损率和氧化率，去除废铝屑表面油污，减少Si、Fe等杂质元素含量，控制熔体中渣含量N20小于30k/kg及去除碱性金属，使最终生产的板材符合AMS-QQ-A-250/5的要求，实现了再生航空铝合金大批量产业化生产和循环保级使用。但是，现有的方法对再生铝合金中富铁相的控制、铝基体晶粒的细化上还存在诸多问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种再生2xxx系铝合金的制备方法，通过在2A14铝合金废料熔炼时添加稀土元素和/或施加超声处理，优化富铁相组织，细化铝基体晶粒，降低气孔率，提高再生2xxx系铝合金的力学性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了以下技术方案：
一种再生2xxx系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
取2A14铝合金废料，按照以下化学成分进行合金配料(以重量百分比计)：
Cu：4.2％-4.8％；
Si：0.6％-0.9％；
Mn：0.4％-0.7％；
Fe：1.0％-1.4％；
Mg：0.5％-0.7％；
Er：0-0.5％；
Zn+Ti+Ni＜0.12％；
余量为Al；
将2A14铝合金废料与其配料熔化，熔炼后于680-700℃下进行超声处理，冷却，得到再生2xxx系铝合金。
作为本发明一种优选的实施方案，所述Er的含量为0.1％-0.5％，更优选为0.2％-0.4％。
作为本发明一种优选的实施方案，所述超声处理的功率为1400-1600W，时间为2-5min。更优选的，所述超声处理时超声杆底端浸入熔体的深度为2-3cm。
作为本发明一种优选的实施方案，所述2A14铝合金废料的熔炼温度为730-750℃。
作为本发明一种优选的实施方案，所述配料为铝铜中间合金、铝铁中间合金、铝铒中间合金中的一种或多种。具体的，所述铝铜中间合金、铝铁中间合金、铝铒中间合金可分别选用Al-50Cu合金、Al-20Fe合金、Al-5Er合金，均为市售商品。
作为本发明一种优选的实施方案，所述配料的熔炼温度为710-720℃。具体的，当Er的含量不为0时，先将熔化的2A14铝合金废料降温至710-720℃，通入惰性气体，保持10-20min，再加入配料熔炼至配料完全熔化，搅拌后降温至680-700℃进行超声处理。所述搅拌采用间歇的方式，例如，每隔3-8min搅拌一次，每次持续20-40s，连续搅拌3-8次。
作为本发明一种优选的实施方案，所述冷却为将熔体空冷至室温。
一种采用上述方法制备得到的再生2xxx系铝合金，以重量百分比计，所述再生2xxx系铝合金的组成如下：
Cu：4.2％-4.8％；
Si：0.6％-0.9％；
Mn：0.4％-0.7％；
Fe：1.0％-1.4％；
Mg：0.5％-0.7％；
Er：0-0.5％；
Zn+Ti+Ni＜0.12％；
余量为Al。
作为本发明一种优选的实施方案，所述Er的含量为0.1％-0.5％，更优选为0.2％-0.4％。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种再生2xxx系铝合金及其制备方法，通过在2A14铝合金废料熔炼时添加稀土元素Er和/或施加超声处理，优化富铁相组织，细化铝基体晶粒，提高了再生2xxx系铝合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率等力学性能，延长了铝合金的使用寿命，达到了再生铝合金保级使用的目的。
本发明提供的再生2xxx系铝合金的制备工艺简单，操作简便，稀土元素Er与超声协同作用，提高了再生2xxx系铝合金的综合机械性能，与现有技术相比能够细化铝基体晶粒，改善富铁相形状(使β-相转化为α-相)，使再生铝合金的力学性能大幅提升，且适于大批量产业化生产。
附图说明
图1为本发明中再生2xxx系铝合金的制备工艺流程图；
图2为实验例中样品0.3Er/U的金相图。
为了更清楚地说明本发明的技术方案，以上对实验例中得到的附图进行简单地介绍。应当理解，上述附图仅示出了本发明的某些实验结果，不应看作是对本发明保护范围的任何限制。对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他相关的附图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例、对比例和实验例对本发明的技术方案进行清楚完整的描述。但本领域技术人员应当理解，实施例仅用于说明本发明的技术方案，而不应视为对本发明保护范围的任何限制。基于下述实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施方案，例如修改、变形或简单替换后得到的方案，均属于本发明的保护范围。
下述实施例、对比例和实验例中所使用的方法如无特殊说明，均为常规方法。所用原料、仪器等如无特殊说明，均可通过商业途径获得。其中，2A14废铝锭经测试主要成分为(以重量百分比计)：Cu 4.8％，Si 0.6％，Mn 0.7％，Fe 0.3％，Mg 0.7％，Zn 0.05％，Ti0.04％，Ni 0.07％，余量为Al。
实施例1
本实施例提供了一种再生2xxx系铝合金，制备方法包括以下步骤：
按照设计的铝合金成分配料，称取500g 2A14废铝锭，36.2gAl-20Fe，60.4gAl-5Er，6.2gAl-50Cu，放入200℃的预热炉中预热；打开电阻炉，设定温度为750℃；将石墨坩埚内壁均匀地刷上一层ZnO，待电阻炉温度上升到400℃时，将石墨坩埚放入炉子，待炉温升到750℃时，将废铝锭放入坩埚，待废铝锭完全熔化后，降低温度至710℃，提前15min通入氩气；将Al-20Fe、Al-50Cu和用铝箔包裹好的Al-5Er放入坩埚，等待完全熔化后，用钛合金棒每隔5min搅拌一次，每次持续30s，连续搅拌5次，搅拌完成后，降低温度至690℃，将超声杆底端浸入熔体3cm，打开超声发生器，调节功率为1600W，持续3min，随后将石墨坩埚提出电阻炉，空冷至室温，得到再生2xxx系铝合金，标记为样品0.5Er/U。经测试合金成分如表1所示。
实施例2
本实施例提供了一种再生2xxx系铝合金，制备方法包括以下步骤：
按照设计的铝合金成分配料，称取500g 2A14废铝锭，34.3gAl-20Fe，34.3gAl-5Er，3.7gAl-50Cu，放入200℃的预热炉中预热；打开电阻炉，设定温度为750℃；将石墨坩埚内壁均匀地刷上一层ZnO，待电阻炉温度上升到400℃时，将石墨坩埚放入炉子，待炉温升到750℃时，将废铝锭放入坩埚，待废铝锭完全熔化后，降低温度至710℃，提前15min通入氩气；将Al-20Fe、Al-50Cu和用铝箔包裹好的Al-5Er放入坩埚，等待完全熔化后，用钛合金棒每隔5min搅拌一次，每次持续30s，连续搅拌5次，搅拌完成后，降低温度至690℃，将超声杆底端浸入熔体3cm，打开超声发生器，调节功率为1600W，持续3min，随后将石墨坩埚提出电阻炉，空冷至室温，得到再生2xxx系铝合金，标记为样品0.3Er/U。经测试合金成分如表1所示。
实施例3
本实施例提供了一种再生2xxx系铝合金，制备方法包括以下步骤：
按照设计的铝合金成分配料，称取500g 2A14废铝锭，32.7gAl-20Fe，10.8gAl-5Er，1.0gAl-50Cu，放入200℃的预热炉中预热；打开电阻炉，设定温度为750℃；将石墨坩埚内壁均匀地刷上一层ZnO，待电阻炉温度上升到400℃时，将石墨坩埚放入炉子，待炉温升到750℃时，将废铝锭放入坩埚，待废铝锭完全熔化后，降低温度至710℃，提前15min通入氩气；将Al-20Fe、Al-50Cu和用铝箔包裹好的Al-5Er放入坩埚，等待完全熔化后，用钛合金棒每隔5min搅拌一次，每次持续30s，连续搅拌5次，搅拌完成后，降低温度至690℃，将超声杆底端浸入熔体3cm，打开超声发生器，调节功率为1600W，持续3min，随后将石墨坩埚提出电阻炉，空冷至室温，得到再生2xxx系铝合金，标记为样品0.1Er/U。经测试合金成分如表1所示。
对比例
本对比例提供了一种再生铝合金，制备方法包括以下步骤：
按照设计的铝合金成分配料，称取500g 2A14废铝锭，32gAl-20Fe，放入200℃的预热炉中预热；打开电阻炉，设定温度为750℃；将石墨坩埚内壁均匀地刷上一层ZnO，待电阻炉温度上升到400℃时，将石墨坩埚放入炉子，待炉温升到750℃时，将废铝锭放入坩埚，待废铝锭完全熔化后，降低温度至710℃；将Al-20Fe放入坩埚，等待完全熔化后，用钛合金棒每隔5min搅拌一次，每次持续30s，连续搅拌5次，搅拌完成后，将石墨坩埚提出电阻炉，空冷至室温，得到再生铝合金，标记为样品0。经测试合金成分如表1所示。
实施例4
本实施例提供了一种再生2xxx系铝合金，制备方法包括以下步骤：
按照设计的铝合金成分配料，称取500g 2A14废铝锭，34.3gAl-20Fe，34.3gAl-5Er，3.7gAl-50Cu，放入200℃的预热炉中预热；打开电阻炉，设定温度为750℃；将石墨坩埚内壁均匀地刷上一层ZnO，待电阻炉温度上升到400℃时，将石墨坩埚放入炉子，待炉温升到750℃时，将废铝锭放入坩埚，待废铝锭完全熔化后，降低温度至710℃，提前15min通入氩气；将Al-20Fe、Al-50Cu和用铝箔包裹好的Al-5Er放入坩埚，等待完全熔化后，用钛合金棒每隔5min搅拌一次，每次持续30s，连续搅拌5次，搅拌完成后，将石墨坩埚提出电阻炉，空冷至室温，得到再生2xxx系铝合金，标记为样品0.3Er。经测试合金成分如表1所示。
实施例5
本对比例提供了一种再生2xxx系铝合金，制备方法包括以下步骤：
按照设计的铝合金成分配料，称取500g 2A14废铝锭，32gAl-20Fe，放入200℃的预热炉中预热；打开电阻炉，设定温度为750℃；将石墨坩埚内壁均匀地刷上一层ZnO，待电阻炉温度上升到400℃时，将石墨坩埚放入炉子，待炉温升到750℃时，将废铝锭放入坩埚，待废铝锭完全熔化后，降低温度至710℃；将Al-20Fe放入坩埚，等待完全熔化后，用钛合金棒每隔5min搅拌一次，每次持续30s，连续搅拌5次，搅拌完成后，降低温度至690℃，将超声杆底端浸入熔体3cm，打开超声发生器，调节功率为1600W，持续3min，随后将石墨坩埚提出电阻炉，空冷至室温，得到再生2xxx系铝合金，标记为样品U。经测试合金成分如表1所示。
表1实施例和对比例制备的再生铝合金的成分测量值(以重量百分比计)
实验例
1、SEM测试与金相分析
对实施例和对比例制备的再生铝合金进行SEM测试，观察富铁相的形状，用OM观察金相。
由SEM图和金相图可以看出，样品0.5Er/U，0.3Er/U，0.1Er/U中的长针状的β-相远远少于样品0，大部分β-相转化成了α-相。这说明稀土元素Er与超声协同作用能够促使再生铝合金中β-相向α-相转化。
此外，样品0.3Er/U中几乎所有的β-相都转化成了α-相，而样品0.3Er和样品U中虽然大部分都是α-相，但仍可以看到少量长针状的β-相。
2、平均晶粒尺寸计算
对实施例和对比例制备的再生铝合金中铝基体晶粒平均尺寸进行计算。
计算结果表明，样品0.5Er/U，0.3Er/U，0.1Er/U和样品0的平均晶粒尺寸分别为：182.1μm，132.4μm，197.3μm，612.3μm。这说明稀土元素Er与超声协同作用能够显著细化铝基体的晶粒尺寸。
此外，样品0.3Er和样品U的平均晶粒尺寸分别为：256.5μm，208.6μm。与样品0.3Er/U和样品0进行对比可知，单独添加稀土元素Er或单独的超声处理均能够细化铝基体的晶粒尺寸，但二者协同后细化晶粒的作用更加显著。
3、拉伸性能测试
取实施例和对比例制备的再生铝合金，用万能拉伸试验机测试样品的拉伸性能。
测试结果表明，样品0.5Er/U，0.3Er/U，0.1Er/U和样品0的抗拉强度/屈服强度/延伸率分别为：187.0MPa/102.8MPa/3.2％，193.2MPa/103.0MPa/4.5％，175.3MPa/98.3MPa/2.8％，98.2MPa/67.5MPa/0.8％。这说明稀土元素Er与超声协同作用显著提高了铸态再生铝合金的抗拉强度，屈服强度和延伸率。
此外，样品0.3Er和样品U的抗拉强度/屈服强度/延伸率分别为：145.2MPa/94.1MPa/2.6％，157.4MPa/93.0MPa/2.0％。与样品0.3Er/U和样品0进行对比可知，单独添加稀土元素Er或单独的超声处理均能够提高再生铝合金的抗拉强度，屈服强度和延伸率，但二者协同后对力学性能的提升作用更加显著。
4、硬度测试
取实施例和对比例制备的再生铝合金，用维氏硬度计对样品进行硬度测试。
测试结果表明，样品0.5Er/U，0.3Er/U，0.1Er/U和样品0的硬度分别为：105.4HV，104.2HV，103.1HV，96.7HV。这说明稀土元素Er与超声协同作用能够提高铸态再生铝合金的硬度。
此外，样品0.3Er和U的硬度分别为：100.1HV，98.2HV。与样品0.3Er/U和样品0进行对比可知，单独添加稀土元素Er或单独的超声处理均能够提高再生铝合金的硬度，但二者协同后对硬度的提升作用更加显著。
综上的测试结果可以看出，在2A14铝合金废料熔炼时添加稀土元素和/或施加超声处理不仅能够优化富铁相的形状(使β-相转化为α-相)，而且还能细化铝基体晶粒，综合起到提高铸态再生铝铜合金力学性能的作用。
虽然上文中已经用一般性说明、具体实施方式与实验例对本发明的技术方案做了详尽的描述，但是需要说明的是，实施例和实验例仅用于说明本发明的技术方案和技术效果，而不应视为对本发明保护范围的任何限制。基于本发明的技术构思所做的任何简单变形、修改或改进，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种再生2xxx系铝合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
取2A14铝合金废料，按照以下化学成分进行合金配料(以重量百分比计)：
Cu：4.2％-4.8％；
Si：0.6％-0.9％；
Mn：0.4％-0.7％；
Fe：1.0％-1.4％；
Mg：0.5％-0.7％；
Er：0-0.5％；
Zn+Ti+Ni＜0.12％；
余量为Al；
将2A14铝合金废料与其配料熔化，熔炼后于680-700℃下进行超声处理，冷却，得到再生2xxx系铝合金。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述Er的含量为0.1％-0.5％，优选为0.2％-0.4％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述超声处理的功率为1400-1600W，时间为2-5min。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述超声处理时超声杆底端浸入熔体的深度为2-3cm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述2A14铝合金废料的熔炼温度为730-750℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述配料为铝铜中间合金、铝铁中间合金、铝铒中间合金中的一种或多种；
优选的，所述铝铜中间合金、铝铁中间合金、铝铒中间合金分别选用Al-50Cu合金、Al-20Fe合金、Al-5Er合金。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述配料的熔炼温度为710-720℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：当Er的含量不为0时，先将熔化的2A14铝合金废料降温至710-720℃，通入惰性气体，保持10-20min，再加入配料熔炼至配料完全熔化，搅拌后降温至680-700℃进行超声处理。
9.一种采用如权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备得到的再生2xxx系铝合金。
10.根据权利要求9所述的再生2xxx系铝合金，其特征在于：以重量百分比计，所述再生2xxx系铝合金的组成如下：
Cu：4.2％-4.8％；
Si：0.6％-0.9％；
Mn：0.4％-0.7％；
Fe：1.0％-1.4％；
Mg：0.5％-0.7％；
Er：0-0.5％；
Zn+Ti+Ni＜0.12％；
余量为Al；
优选的，所述Er的含量为0.1％-0.5％，更优选为0.2％-0.4％。
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