一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Al‑Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，按照质量百分比计算，铸造铝合金的组成包括以下组分：Mg：4.5‑10.0％，Ca：0.5‑4.0％，Sc：0.20‑0.55％，Zr：0.10‑0.25％，Mn：0.40‑0.60％，其余为Al和不可避免引入的杂质元素；其中，添加的Ca、Sc、Zr通过熔炼凝固在Al‑Mg合金中形成网状或半网状的Al

【技术实现步骤摘要】
一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法
本专利技术属于铝合金铸造
，涉及一种Al-Mg系铸造铝合金，尤其涉及一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法。
技术介绍
铸造铝合金作为轻质金属结构材料，具有密度小，比强度、比刚度高，切削加工性好，铸造性能优良和易于回收等优点，符合当前社会对材料轻量化和绿色环保的要求。铸造耐热铝合金以其优良的抗高温性能和成形性能，在发动机的活塞、缸套、连杆、箱体、缸盖等苛刻服役环境下的关键零部件领域起着至关重要的作用。随着科技技术的发展，对铸造耐热铝合金的耐高温性能要求越来越高。目前对Al-Si、Al-Cu系铸造耐热合金的开发和改进较多，比如通过优化合金成分、热处理工艺，调控合金基体组织的晶粒度以及形成纳米尺度热稳定析出相；将稀土元素或过渡族金属元素作为主体元素加入到铸造铝合金中等等。如申请号为201811512875.4的专利技术公开了一种高Fe含量的Al-Si-Cu-Mn耐热铝合，经过合理的固溶和时效处理后具有高温强度高和高温持久性能好的优势。申请号为201711465442.3的专利技术公开在Al-Si-Mg铸造合金中添加Zr、Y、Ti、B元素，获得合金经过280℃～550℃热处理，最大抗拉强度可以达到330MPa，合金在280℃下加热1小时后，强度不降反升，在400℃加热1小时后，强度保持不变，展现了优良的耐热性能。申请号为201810160568.8的专利技术公开通过添加Ag、Mn、V、Ti，控制Cu/Mg比，以及铁的含量，可以制备大规格耐热性能、室温力学性能和切削加工性能良好铸的件。Al-Mg系铸造合金主要是常温、以及低于200℃较高温环境用铝合金，目前对Al-Mg系合金的研究主要在Al-Mg变形合金及通过稀土元素改善合金室温性能及耐蚀性，对提高Al-Mg系铸造合金高温性能的研究还比少。比如申请号为专利号201710866809.6的专利技术公开通过在Al-Mg系合金中添加2～3％的合金元素Ag，合金经熔炼、铸造、均匀化、轧制后，可以通过时效强化的方式在合金中析出均匀细小的Mg32(Ag,Al)49纳米强化相，使得合金的室温抗拉强度最大可达550MPa以上，屈服强度大于390MPa，且合金的延伸率大于10％。
技术实现思路
本专利技术提供一种通过添加合金化元素Ca形成网状/半网状新型高耐热Al4Ca增强相，协同Sc、Zr形成纳米颗粒增强相，在Al-Mg铸造合金中形成多相跨尺度增强相以提高合金抗高温性能的方法，以克服现有技术的缺陷。为实现上述目的，本专利技术提供一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，具有这样的特征：按照质量百分比计算，铸造铝合金的组成包括以下组分：Mg：4.5-10.0％，Ca：0.5-4.0％，Sc：0.20-0.55％，Zr：0.10-0.25％，Mn：0.40-0.60％，其余为Al和不可避免引入的杂质元素；其中，添加的Ca、Sc、Zr通过熔炼凝固在Al-Mg合金中形成网状或半网状的Al4Ca增强相，再经过热处理析出Al3(Sc,Zr)纳米颗粒增强相；制备方法包括以下具体步骤：步骤一、将铸造铝合金的原料经熔炼炉熔炼，再金属型模具浇铸；熔炼温度为730-760℃；其中，铸造铝合金的原料是指含有上述元素及相应含量的原料。步骤二、铸件在热处理炉中经过250-400℃保温2-16h热处理，然后空冷，获得Al-Mg系铸造铝合金。进一步，本专利技术提供一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，全部熔化后静置保温5min，撇去表面浮渣，再浇注到预热至180-200℃的模具中。进一步，本专利技术提供一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，所述铸造铝合金的原料包括纯铝锭、纯镁粒、纯钙粒、Al-Sc中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金。进一步，本专利技术提供一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，纯铝锭为99.99wt％纯铝锭，纯镁粒为99.99wt％纯镁粒，纯钙粒为99.99wt％纯钙粒，Al-Sc中间合金采用Al-2wt％Sc中间合金，Al-Zr中间合金采用Al-10wt％Zr中间合金，Al-Mn中间合金Al-10wt％Mn中间合金。进一步，本专利技术提供一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，所述纯铝锭及中间合金在放入熔炼炉前均去除氧化层。进一步，本专利技术提供一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，熔炼过程采用真空感应中频熔炼炉，原料一次性全部加入炉内。进一步，本专利技术提供一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，铸件先经铣面、清洗后，再进行热处理。进一步，本专利技术提供一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，在KSL-1200X型马弗炉中进行热处理；空冷转移时间不超过10s。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，利用熔炼铸造技术，添加合金化元素Ca、Sc、Zr，通过熔炼凝固过程在合金中形成网状/半网状Al4Ca增强相，经过时效热处理，析出Al3(Sc,Zr)纳米颗粒增强相，网状/半网状Al4Ca相和纳米Al3(Sc,Zr)颗粒均为高温支撑强化相，是两种尺度不同形态的增强相，协同增强Al-Mg合金的高温性能。同时，Ca的添加，还有助于提高合金的比强度，能同时实现合金的高比强和高耐热。本专利技术突破常规的铸造耐热铝合金合金化元素的添加思路，提供了新的耐热合金元素Ca，在合金中形成网状/半网状结构耐热相，在高温条件能有效强化晶界，提高合金的抗高温能力。同时，添加过渡金属Sc、Zr元素，在热处理过程中析出增强合金高温性能的Al3(Sc,Zr)纳米相，实现了多相跨尺度增强合金耐热性能。在本专利技术所述的合金组分中，除Al外，Ca不与合金中其他元素发生化合。与在传统Al合金中添加Ca改善Al-Si合金中β-Fe相形态、细化初晶硅、实现变质等现有技术不同，本专利技术通过Ca的添加形成具有高温稳定性的网状/半网状Al4Ca相，从而提高合金耐热性能，具体的：在现有技术中，Ca在铝合金中的作用具有两面性，一方面表现出抑制P变质、降低流动性、增加氧化物夹杂等有害作用，另一方面体现出改善Al-Si合金中β-Fe相形态、细化初晶硅、变质共晶硅等有益影响。其中，在Al-Si中，添加微量(7.4×10-5)Ca元素，显微组织可得到明显改善，共晶硅形貌转变成细小的纤维状，细化β-Fe相；但当Ca含量增加(达到1×10-4时)，则形成Al-Ca-Si三元化合物，成为有害元素。在Al-Cu合金中，添加Ca也会形成Al-Cu-Ca三元相，会降低Cu元素的增强作用。而本申请在Al-Mg合金中添加Ca，Ca在铸造凝固过程中以Al4Ca的形式在晶界上偏析，呈层片状，随着Ca含量的增加层片状Al4Ca相连接形成网状/半网状结构，从而提高合金耐热性能。通过添加Ca开发新的耐热铝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，其特征在于：/n按照质量百分比计算，铸造铝合金的组成包括以下组分：Mg：4.5-10.0％，C a：0.5-4.0％，Sc：0.20-0.55％，Zr：0.10-0.25％，Mn：0.40-0.60％，其余为Al和不可避免引入的杂质元素；/n其中，添加的Ca、Sc、Zr通过熔炼凝固在Al-Mg合金中形成网状或半网状的Al

【技术特征摘要】
1.一种Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，其特征在于：
按照质量百分比计算，铸造铝合金的组成包括以下组分：Mg：4.5-10.0％，Ca：0.5-4.0％，Sc：0.20-0.55％，Zr：0.10-0.25％，Mn：0.40-0.60％，其余为Al和不可避免引入的杂质元素；
其中，添加的Ca、Sc、Zr通过熔炼凝固在Al-Mg合金中形成网状或半网状的Al4Ca增强相，再经过热处理析出Al3(Sc,Zr)纳米颗粒增强相；
制备方法包括以下具体步骤：
步骤一、将铸造铝合金的原料经熔炼炉熔炼，再金属型模具浇铸；
熔炼温度为730-760℃；
步骤二、铸件在热处理炉中经过250-400℃保温2-16h热处理，然后空冷，获得Al-Mg系铸造铝合金。


2.根据权利要求1所述的Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，其特征在于：
其中，步骤一中，全部熔化后静置保温5min，撇去表面浮渣，再浇注到预热至180-200℃的模具中。


3.根据权利要求1所述的Al-Mg系铸造耐热铝合金的制备方法，其特征在于：
其中，所述铸造铝合金的原料包括纯铝锭、纯镁粒、纯钙粒、Al-Sc中间合金、Al-Zr中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张莎莎，杜海泉，张冰怡，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32