CN118345266A - 一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，属于铝合金材料技术领域。该方法采用钪微合金化，分别在7系铝合金熔炼与铸造过程中加入钪元素。首先在铝合金熔炼时添加铝钪中间合金，制备含Sc铝合金铸棒，铸棒经挤压变形后制备成7系含Sc细杆，该细杆中含Sc相的尺寸小于20μm，作为第二次熔铸的含钪细化剂。其次以7系合金为基础，在熔炼时加入铝钪中间合金，该中间合金中含Sc相的尺寸小于200μm，在铸造时加入含Sc相的尺寸小于20μm含Sc细化剂。本发明提供的添加钪元素方法可以充分发挥钪元素对于铝合金的改性作用，满足在工业领域对铝合金组织及性能提出的更高要求。

Description

一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法

技术领域

本发明涉及一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，属于铝合金材料技术领域。

背景技术

铝是地壳中含量最高的金属元素，密度2.7g/cm³，铝合金具有强度高，耐腐蚀等优良性能，并且密度约为钢铁材料的三分之一，是目前应用最广泛的轻量化材料之一，其广泛应用于航空航天、新能源汽车制造业等。随着铝合金的不断发展，以及其在高新技术领域的应用不断扩大，对铝合金组织和性能也提出了更高的要求。

铝合金的性能与其微观组织存在着密切的关系，细晶强化也是铝合金四大强化方式之一，一般情况下铝合金晶粒越细小机械性能就越好。在熔铸过程中，影响铝合金晶粒大小的关键因素有冷却速率和合金成分。冷却速率主要与铸造设备和铸棒直径有关，所以调整冷却速率的空间有限。钪（Sc）的密度低，在铝及铝合金中同时具有过渡族金属和稀土金属这两类金属的作用，钪不仅可以显著细化铝合金晶粒，还可以提高7系铝合金的强度、韧性、耐腐蚀性能及焊接性能等。

在以往的研究和试验中发现，微合金化可对铝合金晶粒组织和机械性能产生有利影响，在Al-Zn-Mg-Cu系合金中添加微量Sc元素，可以抑制合金中析出相的生长，使得基体中的析出相细化并且分布均匀，加速了合金的时效强化，提高合金力学性能。只在熔体中添加铝钪中间合金，对铝合金晶粒确有一定的细化作用，但并未完全发挥钪元素的作用。

发明内容

针对以上工艺的局限性，本发明设计一种新的钪微合金化方式，先用含钪7系铝合金来制备细化剂，在铝合金铸造过程中，再次将钪元素引入铝合金熔体中，这种方法可以在金属铸造凝固的过程中提供更多的Sc原子，引导熔体中原有的Sc原子偏聚，提供更多的异相界面，在单位时间、单位体积内生成更多的含Sc固相核心数量，进而可以在晶体长大的过程中控制含Sc相的尺寸，增加含Sc相的数量，在晶体长大的过程中控制含Sc相的尺寸，增加含Sc相的数量。该方法可以有效细化合金的铸态晶粒，从而获得性能更为优异的铝合金，满足在工业领域对铝合金组织及性能提出的更高要求。

本发明的目的在于发明一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，通过一种二次添加钪微合金的方法，在7系合金熔体中添加总质量百分数为0.05%~0.35%的钪元素，且Zr的质量百分数与Sc的质量百分数之和为0.15-0.45%，Zr的质量百分数与Sc的质量百分数比值大于1.5。在铸造过程中使钪元素充分析出富含Sc、Zr的析出相，起到细化晶粒的作用，从而制备出具有优良综合性能的铝合金。

一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，分别两次向铝合金熔体中加入总质量百分数为0.05%~0.35%的钪元素，第一次添加钪元素的形式为铝钪中间合金，该中间合金中含Sc相的尺寸为100-200μm，添加量为钪元素总质量的95%-99.5%；第二次添加钪元素的形式为含钪细化剂，含Sc相细化剂的尺寸为5-20μm，添加量为钪元素总质量的0.5%-5%。

本发明所提供的铝合金细化方法，所述铝钪中间合金的钪元素含量为2%，所述含钪细化剂中Zn的质量百分数为5.7-6.7%，Mg的质量百分数为1.9-2.6%，Cu的质量百分数为1.0-2.6%，Zr的质量百分数为0.08-0.15%，Sc的质量百分数为0.05-0.35%，Ti的质量百分数为0.02-0.06%，余量为Al，其中Zr的质量百分数与Sc的质量百分数之和为0.15-0.45%，Zr的质量百分数与Sc的质量百分数比值大于1.5。

本发明所述的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法通过以下技术方案实现：步骤（1）制备含钪细化剂；步骤（2）熔铸钪微合金化7系铝合金。

步骤（1）制备含钪细化剂，包括以下步骤：

S1：熔铸：按照Zn的质量百分数为5.7-6.7%，Mg的质量百分数为1.9-2.6%，Cu的质量百分数为1.0-2.6%，Zr的质量百分数为0.08-0.15%，Sc的质量百分数为0.05-0.35%，Ti的质量百分数为0.02-0.06%，余量为Al，其中Zr的质量百分数与Sc的质量百分数之和为0.15-0.45%，Zr的质量百分数与Sc的质量百分数比值大于1.5，计算并准备原材料，先将原材料放入坩埚炉中，设置温度780±5℃，在合金完全融化后，取样分析调补成分，待成分达到设计成分标准后，使用氩气精炼10min，扒渣后在750±5℃静置保温。随后使用铁模浇铸得到铝合金铸锭。

S2：均匀化：将S1所述的铝合金铸锭进行425*5h+465*24h均匀化处理。

S3：将S2所述均匀化处理后的铝合金铸锭通过热挤压制成直径5-15mm的棒材，作为细化剂以备后续使用。

步骤（2）熔铸钪微合金化7系铝合金，包括以下步骤：

S4：熔炼：按照Zn的质量百分数为5.7-6.7%，Mg的质量百分数为1.9-2.6%，Cu的质量百分数为1.0-2.6%，Zr的质量百分数为0.08-0.15%，Sc的质量百分数为0.05-0.35%，Ti的质量百分数为0.02-0.06%，余量为Al，其中Zr的质量百分数与Sc的质量百分数之和为0.15-0.45%，Zr的质量百分数与Sc的质量百分数比值大于1.5，计算并准备原材料，先将原材料放入坩埚炉中，设置温度780±5℃，在合金完全融化后，取样分析调补成分，待成分达到设计成分标准后，使用氩气精炼10-15min，扒渣后在750±5℃静置保温。

S5：按照单个铸锭的重量，以钪元素计，确定所需含钪细化剂的重量，添加量为钪元素总质量的0.5%-5%。将步骤S4制备的750±5℃铝合金熔体盛出至浇铸桶中，向浇铸桶的熔体中加入含钪细化剂，同时以相同的频率搅拌，待熔体温度降至700±5℃时浇铸到铁模。

本发明有益效果

本发明通过制备含钪细化剂，先后两次分别以铝钪中间合金和含钪细化剂的方式将微量钪元素加入铝合金熔体，可以有效细化合金的铸态晶粒，从而获得性能更为优异的铝合金，满足在工业领域对铝合金组织及性能提出的更高要求。

附图说明

图1：实施例1中铸锭1的铸态金相图片；

图2：实施例2中铸锭2的铸态金相图片；

图3：对比例1中铸锭3的铸态金相图片；

图4：对比例2中铸锭4的铸态金相图片。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

本发明涉及一种钪微合金化细化铝合金晶粒的方法，包括以下原材料：工业铝锭、镁锭、锌锭、工业纯铜、Al-2%Sc中间合金、Al-5%Zr中间合金、Al-5%Ti中间合金。

实施例1

一种钪微合金化细化铝合金晶粒的方法，具体实施步骤如下：

A、采用200Kg坩埚炉熔炼7系合金，并在7系合金中添加0.08%Sc元素，以制备含钪细化剂。按照6.0%Zn-2.2%Mg-2.2%Cu-0.12%Zr-0.04%Ti-0.08%Sc成分设计并计算出所需的实验原材料质量。将工业铝锭放入坩埚炉中，在780±5℃中将铝锭熔化，待铝锭完全熔化后加入工业纯铜、Al-5%Zr中间合金、Al-5%Ti中间合金，搅拌熔化后，将熔体温度降至750±5℃后加入镁锭、锌锭、Al-2%Sc中间合金（该中间合金中含Sc相的尺寸为100-200μm），充分搅拌待其充分熔化后使用氩气精炼10min，扒渣后750±5℃静置保温。随后使用5英寸铁模浇铸，空冷后得到铝合金铸锭。

B、将步骤A得到的铝合金铸锭置于热处理炉中随炉升温至425℃保温5小时，随后将炉温升温至465℃保温24小时，取出空冷。

C、将步骤B得到的均匀化后的铝合金铸锭在310℃下保温4h后，通过热挤压制成直径为8mm的棒材，挤压温度320±5℃。此时，该细杆中含Sc相的尺寸为5-20μm。将挤压的棒材作为含钪细化剂。

D、采用200Kg坩埚炉熔炼7系合金，并在合金中添加0.08%Sc元素，此时的Sc元素添加量为最终合金中钪元素总质量的99%；按照6.0%Zn-2.2%Mg-2.2%Cu-0.12%Zr-0.04%Ti-0.08%Sc成分设计并计算出所需的实验原材料质量。将工业铝锭放入坩埚炉中，在780±5℃中将铝锭熔化，待铝锭完全熔化后加入工业纯铜、Al-5%Zr中间合金、Al-5%Ti中间合金，搅拌熔化后，将熔体温度降至750±5℃后加入镁锭、锌锭、Al-2%Sc中间合金充分搅拌待其充分熔化后使用氩气精炼10min，扒渣后750±5℃静置保温。

E、按照单个铸锭的重量，以钪元素计，确定所需含钪细化剂的重量，添加量为钪元素总质量的1%。将步骤D制备的750±5℃铝合金熔体盛出至浇铸桶中，向浇铸桶的熔体中加入含钪细化剂，同时以相同的频率搅拌，待熔体温度降至700±5℃时浇铸到5英寸铁模，空冷后得到铝合金铸锭1。

F、将步骤E得到的铸锭1切片取样做铸态金相组织分析，其中铸锭1的平均晶粒尺寸58.3μm（附图1）。

实施例2

一种钪微合金化细化铝合金晶粒的方法，具体实施步骤如下：

A、采用200Kg坩埚炉熔炼7系合金，并在合金中添加0.10%Sc元素，以制备含钪细化剂。按照6.0%Zn-2.2%Mg-2.2%Cu-0.15%Zr-0.04%Ti-0.10%Sc成分设计并计算出所需的实验原材料质量。将工业铝锭放入坩埚炉中，在780±5℃中将铝锭熔化，待铝锭完全熔化后加入工业纯铜、Al-5%Zr中间合金、Al-5%Ti中间合金，搅拌熔化后，将熔体温度降至750±5℃后加入镁锭、锌锭、Al-2%Sc中间合金（该中间合金中含Sc相的尺寸为100-200μm），充分搅拌待其充分熔化后使用氩气精炼10min，扒渣后750±5℃静置保温。随后使用5英寸铁模浇铸，空冷后得到铝合金铸锭。

B、将步骤A得到的铝合金铸锭置于热处理炉中随炉升温至425℃保温5小时，随后将炉温升温至465℃保温24小时，取出空冷。

C、将步骤B得到的均匀化后的铝合金铸锭在310℃下保温4h后，通过热挤压制成直径为8mm的棒材，挤压温度320±5℃。此时，该细杆中含Sc相的尺寸为5-20μm。将挤压的棒材作为含钪细化剂。

D、采用200Kg坩埚炉熔炼7系合金，并在合金中添加0.10%Sc元素，此时的Sc元素添加量为最终合金中钪元素总质量的99%；按照6.0%Zn-2.2%Mg-2.2%Cu-0.15%Zr-0.04%Ti-0.10%Sc成分设计并计算出所需的实验原材料质量。将工业铝锭放入坩埚炉中，在780±5℃中将铝锭熔化，待铝锭完全熔化后加入工业纯铜、Al-5%Zr中间合金、Al-5%Ti中间合金，搅拌熔化后，将熔体温度降至750±5℃后加入镁锭、锌锭、Al-2%Sc中间合金充分搅拌待其充分熔化后使用氩气精炼10min，扒渣后750±5℃静置保温。

E、按照单个铸锭的重量，以钪元素计，确定所需含钪细化剂的重量，添加量为钪元素总质量的1%。将步骤D制备的750±5℃铝合金熔体盛出至浇铸桶中，向浇铸桶的熔体中加入含钪细化剂，同时以相同的频率搅拌，待熔体温度降至700±5℃时浇铸到5英寸铁模，空冷后得到铝合金铸锭2。

F、将步骤E得到的铸锭2切片取样做铸态金相组织分析，其中铸锭2的平均晶粒尺寸53.4μm（附图2）。

对比例1

一种钪细化铝合金晶粒的方法，具体实施步骤如下：

A、采用200Kg坩埚炉熔炼7系合金，并在合金中添加0.10%Sc元素，按照6.0%Zn-2.2%Mg-2.2%Cu-0.15%Zr-0.04%Ti-0.10%Sc成分设计并计算出所需的实验原材料质量。将工业铝锭放入坩埚炉中，在780±5℃中将铝锭熔化，待铝锭完全熔化后加入工业纯铜、Al-5%Zr中间合金、Al-5%Ti中间合金，搅拌熔化后，将熔体温度降至750±5℃后加入镁锭、锌锭、Al-2%Sc中间合金充分搅拌待其充分熔化后使用氩气精炼10min，扒渣后750±5℃静置保温。

B、将步骤A制备的750±5℃铝合金熔体盛出至浇铸桶中，待熔体温度降至700±5℃时浇铸到5英寸铁模，空冷后得到铝合金铸锭3。

C、将步骤B得到的铸锭3切片取样做铸态金相组织分析，其中铸锭3的平均晶粒尺寸74.4μm（附图3）。

对比例2

一种制备铝合金的方法，具体实施步骤如下：

A、采用200Kg坩埚炉熔炼7系合金，按照6.0%Zn-2.2%Mg-2.2%Cu-0.15%Zr-0.04%Ti成分设计并计算出所需的实验原材料质量。将工业铝锭放入坩埚炉中，在780±5℃中将铝锭熔化，待铝锭完全熔化后加入工业纯铜、Al-5%Zr中间合金、Al-5%Ti中间合金，搅拌熔化后，将熔体温度降至750±5℃后加入镁锭、锌锭充分搅拌待其充分熔化后使用氩气精炼10min，扒渣后750±5℃静置保温。

B、将步骤A制备的750±5℃铝合金熔体盛出至浇铸桶中，待熔体温度降至700±5℃时浇铸到5英寸铁模，空冷后得到铝合金铸锭4。

C、将步骤B得到的铸锭4切片取样做铸态金相组织分析，其中铸锭4的平均晶粒尺寸105.6μm（附图4）。

由实施例与对比例可得，采用本发明公布的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法制备的6.0%Zn-2.2%Mg-2.2%Cu-0.12%Zr-0.04%Ti-0.08%Sc合金（铸锭1）平均晶粒尺寸58.3μm，相较于对比例1铸锭平均晶粒尺寸降低了21.64%；相较于对比例2铸锭平均晶粒尺寸降低了44.79%。采用本发明公布的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法制备的6.0%Zn-2.2%Mg-2.2%Cu-0.15%Zr-0.04%Ti-0.10%Sc（铸锭2）平均晶粒尺寸53.4μm，相较于对比例1铸锭平均晶粒尺寸降低了28.23%；相较于对比例2铸锭平均晶粒尺寸降低了49.43%。由此，通过本发明提供的钪微合金化细化铝合金晶粒的方法处理后，充分发挥了钪元素细化晶粒的作用。

Claims (9)

1.一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，其特征在于，在7系铝合金熔铸过程中，分别两次向合金熔体中添加钪元素，第一次在铝合金熔体熔炼时添加，添加量为钪元素总质量的95%-99.5%；第二次在铝合金铸造时添加，添加量为钪元素总质量的0.5%-5%，钪元素在最终合金中的质量百分比为0.05%~0.35%。

2.按照权利要求1所述的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，其特征在于，第一次添加钪元素的形式为铝钪中间合金，铝钪中间合金中含Sc相尺寸为100-200μm；第二次添加钪元素的形式为含钪细化剂，含钪细化剂中含Sc相尺寸为5-20μm。

3.按照权利要求1所述的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，其特征在于，铝钪中间合金为Al-2%Sc中间合金。

4.按照权利要求2所述的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，其特征在于，所述含钪细化剂中Zn的质量百分数为5.7-6.7%，Mg的质量百分数为1.9-2.6%，Cu的质量百分数为1.0-2.6%，Zr的质量百分数为0.08-0.15%，Sc的质量百分数为0.05-0.35%，Ti的质量百分数为0.02-0.06%，余量为Al。

5.按照权利要求4所述的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，其特征在于，所述含钪细化剂中Zr的质量百分数与Sc的质量百分数之和为0.15-0.45%，且Zr的质量百分数与Sc的质量百分数比值大于1.5。

6.按照权利要求4所述的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，其特征在于，制备含钪细化剂时，将符合成分要求的铸棒在均匀化后通过热挤压方式制备成直径为5-15mm的棒材，在铸造过程中作含钪细化剂使用。

7.按照权利要求1-6任一项所述的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，其特征在于，具体的制备方法为：步骤（1）制备含钪细化剂；步骤（2）熔铸钪微合金化7系铝合金。

8.根据权利要求7所述的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，其特征在于，步骤（1）制备含钪细化剂包括以下步骤：

S1：熔铸：按照Zn的质量百分数为5.7-6.7%，Mg的质量百分数为1.9-2.6%，Cu的质量百分数为1.0-2.6%，Zr的质量百分数为0.08-0.15%，Sc的质量百分数为0.05-0.35%，Ti的质量百分数为0.02-0.06%，余量为Al，其中Zr的质量百分数与Sc的质量百分数之和为0.15-0.45%，Zr的质量百分数与Sc的质量百分数比值大于1.5，计算并准备原材料，先将原材料放入坩埚炉中，设置温度780±5℃，在合金完全融化后，取样分析调补成分，待成分达到设计成分标准后，使用氩气精炼10min，扒渣后在750±5℃静置保温；随后使用铁模浇铸得到铝合金铸锭；

S2：均匀化：将S1所述的铝合金铸锭进行425*5h+465*24h均匀化处理；

S3：将S2所述均匀化处理后的铝合金铸锭通过热挤压制成直径5-15mm的棒材，作为含钪细化剂以备后续使用。

9.根据权利要求8所述的一种钪微合金化细化7系铝合金晶粒的方法，其特征在于，步骤（2）熔铸钪微合金化7系铝合金包括以下步骤：

S4：熔炼：按照Zn的质量百分数为5.7-6.7%，Mg的质量百分数为1.9-2.6%，Cu的质量百分数为1.0-2.6%，Zr的质量百分数为0.08-0.15%，Sc的质量百分数为0.05-0.35%，Ti的质量百分数为0.02-0.06%，余量为Al，其中Zr的质量百分数与Sc的质量百分数之和为0.15-0.45%，Zr的质量百分数与Sc的质量百分数比值大于1.5，计算并准备原材料，先将原材料放入坩埚炉中，设置温度780±5℃，在合金完全融化后，取样分析调补成分，待成分达到设计成分标准后，使用氩气精炼10-15min，扒渣后在750±5℃静置保温；

S5：按照单个铸锭的重量，以钪元素计，含钪细化剂的添加量为钪元素总质量的0.5%-5%，将步骤S4制备的铝合金熔体盛出至浇铸桶中，向浇铸桶的熔体中加入含钪细化剂，搅拌，待熔体温度降至700±5℃时浇铸到铁模得到7系铝合金。