一种高强高韧材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高韧材料，由如下重量百分含量的成分组成：0.6～0.8％Fe，0.95～1.25％Cr，2～6％Zn，0.05～0.08％Pt，2～6％Sn，0.2～0.8％Bi，0.01～0.04％Th，0.1～0.5％Sb，0.01～0.04％Dy，0.01～0.04％P，其余为Al；融入固溶体中的溶质原子使合金固溶体的强度与硬度增加，具有良好的稳定性、实用性和力学性能。制备方法采用预冷铸型的激冷作用，促进了元素的细晶强化。铸造时采用铝锑合金进行变质反应，可有效提高α相晶型的体积分数，提高合金强度和硬度。铸造后的热挤压工艺，改善了微观组织，提高了力学性能,可广泛应用于制造领域。

A High Strength and Toughness Material and Its Preparation Method

The invention discloses a high strength and high toughness material, which is composed of the following components: 0.6-0.8% Fe, 0.95-1.25% Cr, 2-6% Zn, 0.05-0.08% Pt, 2-6% Sn, 0.2-0.8% Bi, 0.01-0.04% Th, 0.1-0.5% Sb, 0.01-0.04% Dy, 0.01-0.04% P and the rest is Al; the strength and hardness of the alloy solid solution are increased by incorporating solute atoms into the solid solution. Additionally, it has good stability, practicability and mechanical properties. The preparation method adopts chilling effect of precooling casting mould, which promotes fine grain strengthening of elements. Aluminum-antimony alloys are used for modification during casting, which can effectively increase the volume fraction of alpha phase crystalline form and increase the strength and hardness of the alloys. The hot extrusion process after casting improves the microstructure and mechanical properties, and can be widely used in manufacturing field.

【技术实现步骤摘要】
一种高强高韧材料及其制备方法
本专利技术属于铝合金材料领域，尤其涉及一种高强高韧材料及其制备方法。
技术介绍
自20世纪50年代起，高强高韧铝合金在航空航天领域得到了迅速发展，成为当代飞机轻量节能的主要结构材料之一。高强高韧铝合金指经热处理强化后，在保持所需塑性和断裂韧性同时，室温抗拉强度大于1100MPa的铝合金，一般包括富β稳定元素的α+份型、近β型和亚稳β型。Αl以置换形式存在于α相中，提高合金强度、在结晶温度和相变点，属于α稳定元素，ΑL是合金中最常用的合金元素之一，主要是由于：(1)Αl在地壳中含量较多，易于制取且价格便宜，降低原料成本；(2)Αl密度小，且1wt％的铝元素可使强度增大50MPa，从而提高合金比强度Αl可以增加原子间的键合力使晶粒细化，提高合金的弹性模量和高温强度。Fe和Cr以置换方式优先溶解于β相中，具有最好的固溶强化效果，属于慢共析型β稳定元素。含Fe和Cr的铝合金在高温条件下长时间工作时会缓慢发生共析反应，析出的化合物会导致合金脆化。另外，含Fe的铝合金在熔炼时易发生成分偏析，导致局部相变点低于基体转变温度，从而产生“β斑”，降低合金塑性。Sn和Zr在α相和β相中均有较大溶解度，起到补充强化的作用，属于中性元素。Zr与Ti属于同族元素，不会降低原子间的结合力，因此对合金塑性变形能力影响较小。Zr的添加量不宜过多，否则会加速合金氧化过程。Sn可以提高合金的高温性能，是高温铝合金的良好合金元素。在实际生产中，合金元素不仅起到固溶强化的作用，还会改变组织中相的比例关系。多元铝合金通过[Mo]eq值来考虑合金元素的综合强化效果，当[Mo]eq在10左右时，无论是退火还是固溶时效状态下，合金都具有较高的强度。当[Mo]eq在10左右时，合金中α相和β相的体积分数相当，二者相互制约，抑制晶粒长大，从而使合金的强度提高。合金的[Mo]eq较低时，快速冷却过程中β相不能完全被保留至室温，合金达不到很好的强化效果；但是[Mo]eq过高会提高合金中β相的稳定性，时效过程中析出的次生α相体积分数减少，合金的强化效果减弱，因此刘高强高韧铝合金进行成分设计时应充分考虑合金元素的添加量，不宜过多或过少，以[Mo]eq为10左右时为好。高强高韧铝合金的主要特点是加入了大量的β稳定元素，使得固溶处理后的β相通过快速冷却(水冷或空冷)就可以全部保留至室温，形成“过冷β相”。固溶处理后的材料在适当的时效温度下保温一段时间，β基体上弥散析出大量的针状次生α相，使合金强度大幅度提高[t5ol。几乎所有的高强高韧铝合金中均含有2％～5％的α稳定元素Αl，这不仅可以保证时效处理后α，相的析出量，还可以通过固溶强化的方式提高α相的强度。由于铸造铝硅合金可锻性差，目前国内几乎均采用铸造成型工艺。但是，在常规铸造条件下获得的铝硅合金的微观组织中，共晶硅相为粗大的针片状，初晶硅为粗大的多角块状，使合金丧失了必要的使用性能，同时恶化了合金的切削加工性能，更不能通过变形使其强化。因此，该类合金力学性能受到限制。在常规铸造条件下获得的共晶铝硅合金的微观组织中，出现板条状的共晶Si，甚至出现出大的多角形板状初晶Si，严重地割裂了Α1基体；在Si相的尖端和棱角处引起应力集中，合金容易沿晶粒的边界处，或者板状Si本身开裂而形成裂纹，使合金变脆，机械性能特别是伸长率显著降低，切削加工性能也不好。铸造共晶铝硅合金拉伸试样端口存在明显的孔洞缺陷，此类缺陷是由于铝液在凝固过程中体积收缩而得不到铝液的补充或由于凝固过程气体的析出而形成的，而且在铸件中是难以避免的。这类缺陷的存在，一方面减少了受力的横截面积，另一方面在孔洞处容易造成应力集中，受力过程中导致裂纹产生和扩展。采用Sb进行变质，其变质效果略低于Na的，通常采用含Sb5-8％的Αl-Sb中间合金，将Sb加到合金中，Sb有长效变质效果。加Sb变质剂的合金对铸造凝固速度敏感，如凝固冷却速度低或铸件壁厚较大时会降低变质效果。Sb可与合金中的Mg形成Mg3Sb2化合物，降低了Mg的强化作用。Sb可与Na形成化合物，因此在熔铸生产中采用Sb变质时，不能使用钠盐。中国专利CN201310581912.8公开了一种高强韧铸造用铝合金，其成分按重量百分比为：Si：6.5～7.50％、Mg：0.3～0.45％、Sr:0.1～0.2％、Cu≤0.1％、Cr:0.02％、Ti≤0.2％、Mn≤0.5％、Zn≤0.05％、Fe≤0.12％，余量为Αl。本专利技术高强韧铸造铝合金抗拉强度为250MPa,伸长率为5％，布氏硬度80HBW。上述专利中制备的铝合金的强度和硬度均无法满足特殊领域如航空，高压罐体对材料的严苛要求，且无法在铸造后进行冷热锻造，易断裂，韧性低。仅通过铸造工艺生产合金，合金内不可避免的出现偏析、疏松、气孔、夹渣、晶体粗大等缺陷导致合金的硬度和韧性下降，固溶和时效工艺简单，无法在满足韧性的条件下尽可能提高合金硬度的要求，因此，继续开发一种高强高韧的铝合金材料以满足市场和技术需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：针对目前铸造铝硅合金的缺点，本专利技术提供一种高强高韧材料，在高强度和硬度的同时满足可锻造，不易断裂的韧性需求。为解决上述技术问题，本专利技术提供以下的技术方案：一种高强高韧材料，由如下重量百分含量的成分组成：0.6～0.8％Fe，0.95～1.25％Cr，2～6％Zn，0.05～0.08％Pt，2～6％Sn，0.2～0.8％Bi，0.01～0.04％Th，0.1～0.5％Sb，0.01～0.04％Dy，0.01～0.04％P，其余为Al；所述Fe、Cr、Zn、Pt、Sn、Bi、Th、Dy、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Sb以铝锑合金形式作为制备原料，其中Sb的重量百分含量为10％，其余为铝；P以铝磷合金形式作为制备原料，其中P的重量百分含量为10％，其余为铝。一种上述高强高韧材料的制备方法，包含如下具体步骤：(1)根据配料表称取Fe、Cr、Zn、Pt、Sn、Bi、Th、Dy、Al金属单质及铝磷合金、铝锑合金作为原料；(2)将原料放入电阻坩埚炉中熔炼，熔炼温度为790～820℃，得到母合金液体，降温至浇注温度为740-760℃时浇入做好的预冷铸型，预冷铸型的型腔为圆柱形，直径为90～125毫米，长度为200-250毫米；(3)在液氮中保持5～8分钟后取出铸型和铸件，在室温条件下静置2～4小时，脱模取出铸件；(4)将铸件在箱式电阻炉中加热到变形温度，在液压机上按照最佳挤压比、应变速率进行挤压变形，一火成形，工件轮廓清晰，变形充分，然后空冷；所述最佳挤压比为合金挤压前后横截面积之比约为16：1；所述变形温度为400～450℃，所述应变速率为0.001～0.003s-1；(5)650～750℃固溶1.5～2h，水冷，450～550℃时效3～6h，空冷；(6)再置于220～240℃条件下，保温24～26小时，然后随炉冷却至室温即得。优选地，所述熔炼过程如下：(a)熔化纯Al、Cr、Fe、Pt、Sn、Bi、Th、Dy至800～820℃；(b)加入预热后的铝磷合金，用钟罩压入铝液下面，防止氧化保持10-15分钟；(c)于810℃时压入经除油、预热的纯锌锭，用氮气精炼，通氮气10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强高韧材料，其特征在于，由如下重量百分含量的成分组成：0.6～0.8％Fe，0.95～1.25％Cr，2～6％Zn，0.05～0.08％Pt，2～6％Sn，0.2～0.8％Bi，0.01～0.04％Th，0.1～0.5％Sb，0.01～0.04％Dy，0.01～0.04％P，其余为Al；所述Fe、Cr、Zn、Pt、Sn、Bi、Th、Dy、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Sb以铝锑合金形式作为制备原料，其中Sb的重量百分含量为10％，其余为铝；P以铝磷合金形式作为制备原料，其中P的重量百分含量为10％，其余为铝。

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧材料，其特征在于，由如下重量百分含量的成分组成：0.6～0.8％Fe，0.95～1.25％Cr，2～6％Zn，0.05～0.08％Pt，2～6％Sn，0.2～0.8％Bi，0.01～0.04％Th，0.1～0.5％Sb，0.01～0.04％Dy，0.01～0.04％P，其余为Al；所述Fe、Cr、Zn、Pt、Sn、Bi、Th、Dy、Al均以纯物质作为制备原料，纯度均大于99.9％；Sb以铝锑合金形式作为制备原料，其中Sb的重量百分含量为10％，其余为铝；P以铝磷合金形式作为制备原料，其中P的重量百分含量为10％，其余为铝。2.一种如权利要求1中所述高强高韧材料的制备方法，其特征在于，包含如下具体步骤：(1)根据配料表称取Fe、Cr、Zn、Pt、Sn、Bi、Th、Dy、Al金属单质及铝磷合金、铝锑合金作为原料；(2)将原料放入电阻坩埚炉中熔炼，熔炼温度为790～820℃，得到母合金液体，降温至浇注温度为740-760℃时浇入做好的预冷铸型，预冷铸型的型腔为圆柱形，直径为90～125毫米，长度为200-250毫米；(3)在液氮中保持5～8分钟后取出铸型和铸件，在室温条件下静置2～4小时，脱模取出铸件；(4)将铸件在箱式电阻炉中加热到变形温度，在液压机上按照最佳挤压比、应变速率进行挤压变形，一火成形，工件轮廓清晰，变形充分，然后空冷；所述最佳挤压比为合金挤压前后横截面积之比约为16：1；所述变形温度为400～450℃，所述应变速率为0.001～0.003s-1；(5)650～750℃固溶1.5～2h，水冷，450～550℃时效3～6h，空冷；(6)再置于220～240℃条件下，保...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵浩峰，夏俊，张椿英，郑建华，王青青，
申请(专利权)人：安徽信息工程学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34