一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于包括如下质量百分比的原料：锌5.7～6.7wt%、镁1.9～2.6wt%、铜2.0～2.6wt%，钪0.18～0.2wt%，锆0.1～0.12wt%，铝含量为平衡余量；先将各种配料、覆盖剂、模具预热，然后设定熔炼炉目标温度后开始加热，将预热好的纯铝配料放入炉膛中，依次加入纯铜、铝锆中间合金、铝钪中间合金、纯镁、纯锌配料以及六氯乙烷精炼剂，所有材料均用铝箔纸包裹，经搅拌、掏渣、浇铸成型。本发明专利技术通过460℃～465℃，保温24小时和480℃～485℃，保温24小时的双级均匀化处理后，其维氏硬度HV≥180，其抗拉强度σ

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法
本专利技术涉及铝合金制备技术，具体说是一种低成本、高硬度细晶的稀土铝合金以及通过合金化和热处理的材料制备方法。本专利技术不仅适用于金属型和砂型铸造，同样适用于压力铸造、挤压铸造等工艺。
技术介绍
超高强度铝合金结构材料，具有比强度，比刚度高，焊接加工性能好等优良特性，常被用于机械制造、航天航空、化工等领域。近年来，人们发现在Al-Zn-Mg-Cu合金中加入微量稀土元素及少量钪可使合金中锌含量在采用传统熔铸技术的条件下突破7%的上限，提高到12%，从而大幅度提高合金的强度，Sc在其中的优化作用与Al3Sc粒子紧密相关。在合金凝固过程中会形成初生Al3Sc粒子与α（Al）基体相具有相类似的晶体结构（αAl=0.4050nm，αAl3Sc=0.4106nm）和一致的晶体取向，初生Al3Sc粒子在晶粒内和晶界处能够有效地抑制有害扩散并在α-Al基体中为异质形核提供核心，起到细化晶粒的作用。但是，铸态下的组织通常包含α（Al）和网状非平衡共晶相，还有少量杂质相（Al7CuFe），这类组织比较脆，导致在加工变形时析出与基体界面容易产生裂纹而使合金开裂，这不仅对材料的塑性加工不利，还影响材料的使用性能，如断裂韧性、疲劳性能等。通过双级均匀化的热处理方法可以使得合金组织发生演变，使内部化合物种类、数量、尺寸得到改善，从而影响合金的使用性能。因此，专利技术一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法来解决上述问题很有必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法，通过合理选择合金化元素以及采用合适的热处理方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：通过加入稀土元素钪、锆并控制和锌、镁的含量比，得到一种高硬度细晶稀土铝合金材料，其特征在于如下质量百分比的原料：锌（Zn)5.7～6.7wt%、镁（Mg）1.9～2.6wt%、铜（Cu）2.0～2.6wt%，钪（Sc）0.18～0.2wt%，锆（Zr）0.1～0.12wt%，铝含量为平衡余量，其中Zn、Mg比参考Al-Zn-Mg合金相图（附图10），Sc、Zr比为1.5～2:1；其他不可避免的微量杂质铁（Fe）≤0.15%，硅（Si）≤0.12%、锰（Mn）≤0.10%、铬（Cr）≤0.04%。本专利技术的强化机理为：本专利技术硬度高，合金元素Zn和Mg是主要强化元素，他们共同存在使会形成η（MgZn2）和T（Al2Mg3Zn3）强化相，提高合金的硬度，晶粒得到细化，稀土Sc和Zr元素在其中会形成Al3（Sc，Zr）相，在熔炼过程中起到细化晶粒的作用，同时会与杂质元素结合形成稀土化合物，净化了晶界，消除杂质元素的有害作用，且与合金中的合金元素相互作用形成了合金化合物，改变了合金中的相组成，均匀化处理后呈弥散分布的稀土相可以起到异质形核的作用，细化晶粒；疲劳性能好，合金凝固时稀土Sc与Al原子结合析出初生Al3Sc第二相粒子，Al3Sc粒子细化铸态α（Al）晶粒，在合金均匀化退火时析出次生的Al3Sc第二相粒子弥散分布，提高铝合金强韧性和抑制合金变形组织再结晶，同时也改善了合金的疲劳性能；优选的，包括以下步骤：1）将工业用铝（99.7wt%纯度）装入熔炼炉炉膛，加热炉体至720℃～750℃，保温30min使物料加热至充分熔化2）将炉体升温加热至750℃～760℃，用干燥的铝箔紧密包裹金属Cu，从炉体边缘缓慢放入，开启电磁搅拌器进行搅拌10min；3）在步骤2的炉体温度下，加入用干燥的铝箔紧密包裹的Al-Zr（5wt%Zr，95wt%Al）中间合金、Al-Sc（2wt%Sc，98wt%Al）中间合金均匀混合并充分熔化，并在熔体表面均匀撒上一层占配料总重量0.3～2％的石墨覆盖剂，保温15min；4）将步骤3得到的合金化铝合金熔体降温至670℃～690℃，加入用干燥的铝箔紧密包裹的金属Mg块，通过压勺将包裹的金属Mg块压入金属熔液中，待完全熔化后在熔液表面均匀撒上占配料总重量0.3～2％的石墨覆盖剂，保温10min；5）在步骤4的炉温下加入金属Zn块，保温5min后使用电磁搅拌器，在经过5min的搅拌后得到综合合金化铝合金熔体；6）在720℃～750℃保温10min后，加入占配料总量2%的六氯乙烷精炼剂进行精炼5min，精炼结束后进行扒渣，得到精炼后铝合金熔体；7）将步骤6所得的精炼后的铝合金熔体在700℃～720℃保温静置5min后，缓慢倒入模具型腔中，空冷后得到合金铸锭；8）将步骤7所得到的铝合金铸锭放入热处理炉中进行均匀化处理，保温温度460℃～465℃，保温时间24h；紧接着将热处理炉升温至480℃～485℃保温24h，置于空气中使之自然冷却，得到均匀化铸锭；9）将步骤8所得的均匀化铸锭进行表面切削处理，去除铸锭表面缺陷，得到表面光滑的铸锭，得到成品。优选的，所述Zn原子与Mg原子质量比例为：2.2～3.5：1。优选的，所述Sc原子与Zr原子质量比例为：Sc：Zr原子比为1.5～2:1。优选的，所述浇铸成型采用金属型或砂型铸造，或者采用压力铸造或挤压铸造工艺。本专利技术的技术效果和优点：1、本专利技术制备的铝合金，兼具晶粒细小和硬度高的特性，适用于轻质，高硬的用材；其维氏硬度HV≥180，其抗拉强度σb≥200MPa，平均晶粒尺寸为35～40μm。2、本专利技术性价比高。原材料充足易得，生产成本低廉。3、本专利技术冶炼工艺稳定。专利技术中采用的合金元素，不与铁质坩埚壁或覆盖剂发生明显副反应，生产工艺易于控制，易于生产。4、本专利技术适用工艺范围广。本专利技术不仅适用于金属型和砂型铸造，同样适用于压力铸造或挤压铸造，不存在热裂和热脆倾向，具有非常广阔的生产应用前景。附图说明图1为本专利技术的晶界处存在的Al3（Sc，Zr）相。图2为本专利技术的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金铸态组织形貌。图3为传统Al-Zn-Mg-Cu合金铸态组织形貌。图4为本专利技术的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金铸态组织形貌。图5为本专利技术的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金均匀化后的组织形貌。图6为本专利技术的铸态与均匀化后的维氏硬度。图7是本专利技术所用的平板状拉伸试样示意图，其厚度δ=2.2mm。图8是图7中平板状拉伸试样尺寸图。图9为本专利技术合金的力学性能。图10为Al-Zn-Mg相图，其中本实验所要求的Zn、Mg比如图（等温截面）。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供了如图所示的一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于包括如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于包括如下质量百分比的原料：Zn5.7～6.7wt%、Mg1.9～2.6wt%、Cu2.0～2.6wt%，Sc0.18～0.2wt%，Zr0.1～0.12wt%，铝含量为平衡余量。/n

【技术特征摘要】
1.一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于包括如下质量百分比的原料：Zn5.7～6.7wt%、Mg1.9～2.6wt%、Cu2.0～2.6wt%，Sc0.18～0.2wt%，Zr0.1～0.12wt%，铝含量为平衡余量。


2.根据权利要求1所述的一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述Zn原子与Mg原子质量比例为：2.2～3.5：1。


3.根据权利要求1所述的一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述Sc原子与Zr原子质量比例为：Sc：Zr原子比为1.5～2:1。


4.根据权利要求1所述的一种高硬度细晶稀土铝合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将工业用铝（99.7wt%纯度）装入熔炼炉炉膛，加热炉体至720℃～750℃，保温30min使物料加热至充分熔化；
2）将炉体升温加热至750℃～760℃，用干燥的铝箔紧密包裹金属Cu，从炉体边缘缓慢放入，开启电磁搅拌器进行搅拌10min；
3）在步骤2的炉体温度下，加入用干燥的铝箔紧密包裹的Al-Zr（5wt%Zr，95wt%Al）中间合金、Al-Sc（2wt%Sc，98wt%Al）中间合金均匀混合并充分熔化，并在熔体表面均匀撒上一层占配料总重量0.3～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亨，唐锴，王荣辉，王卫国，李明，吴玉程，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34