专利名称：一种含Be高强度耐热铝合金材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及高性能、高温结构金属材料技术领域，尤其涉及一种微合金化元素及稀土元素的招合金材料。
背景技术：
纯铝的密度小(P = 2. 7g/cm3)，大约是铁的1/3，熔点低(660°C )，铝是面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。铝的抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的铝合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，Qb值分别可达24 60kgf/mm2。这样使得铝合金“比强度”(强度与比重的比值ob/P)胜过很多合金钢，成为理想的结构材 料，铝合金因其具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在工业上被广泛使用，成为工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类变形铝合金指通过冲压、弯曲、轧、挤压等工艺使其组织、形状发生变化的铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金两大类。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。铸造铝合金指可用金属铸造成形工艺直接获得零件的铝合金，铸造铝合金的合金元素含量一般多于相应的变形铝合金的含量，以使合金有相当的流动性，易填充铸造时铸件的收缩缝。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金，铝铜合金，铝镁合金，铝锌合金和铝稀土合金。铝合金的抗拉强度大多数在250Mpa 350Mpa之间，高于400Mpa的只有铝铜合金系列的很少几种牌号，这些合金虽然强度高，但不耐热，只能在100 200°C范围内具有较好的耐热性能和高比强度，且添加的是贵重金属，成本高，如已公开报道的在Al-Cu合金中添加微量的Ag而形成的Al-Cu-Ag合金其抗拉强度为520Mpa，在180°C时抗拉强度为375Mpa，但仍然不能满足其在高温下的抗拉强度的需求。高强度耐热铝合金指其抗拉强度大于480Mpa，又有很好耐热性能的铝合金，高强度耐热高强合金适于在400°C以下的热环境中长期承受较大的工作负荷，这种铝合金在航空航天、重工机械等领域得到了越来越多的应用。目前用于高温零部件铸造的铝合金材料包括铝铜锰系合金及铝稀土系合金，铝铜锰系合金多数以高纯铝锭为合金的原材料，成本较高，而铝稀土系合金则在室温下理学性能相对较差，目前公开报道的高强度耐热铝合金普遍存在高强度和耐久性不足，硬度满足不了实际应用的需求，且在铸造铝合金处理工艺中存在熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差、高温强度低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对目前高强度铝合金领域存在的熔体处理工艺粗放、质量差、热裂倾向大、铸造性能差等技术难题，以优质熔体、固熔体和相图理论为指导，通过优选合金元素Cu、Mn及稀土元素配方，降低合金准固相温度范围，解决铸造时热裂倾向大、制品高温强度低的带有普遍性的问题；优选低成本多元微合金化元素配方，为固熔体中高温相和强化相的培育和细晶化作用创造物质基础条件；以及优化熔炼、热处理工艺技术，实现固熔体中高温相和强化相的足量培育和细晶化作用的充分发挥。最终研制出一种稀土多元微合金化的Cu-Al新型高强耐热(铸造性和变形性)铝合金材料。本发明采用如下技术方案一种含Be高强度耐热铝合金材料，其合金成分主要由Cu、Mn、Cd、Zr、Be、Ti、B、稀土元素、Al组成,各组分的质量百分比为Cu :1· 5 4%，Mn :0. I O. 4%,Cd 0. 03 O. 2%,Zr 0. 05 O. 4%,Be 0. 02 O. 06%, Ti 0. I O. 3%，B 0. 03 O. 05%，稀土元素0· 5 2%，余量为 Al。
所述的稀土元素为单一稀土元素或两种以上的混合稀土元素。所述的稀土元素包括Eu、Ce、Pr、Nd、Er、La、Y。优选的，所述的合金各组分的质量百分比为Cu:2 3%，Mn :0. 2 0.4%，Cd:O. 03 O. l%,Zr 0. 05 O. 3%,Be 0. 02 O. 05%,Ti 0. I O. 2%,B 0. 03 O. 04%,稀土元素0. 5 I. 5%,余量为Al。优选的，所述的合金各组分的质量百分比为Cu :2 2. 5%,Mn :0. 2 O. 3%,Cd O. 06 O. l%,Zr 0. I O. 3%,Be 0. 04 O. 05%, Ti 0. I O. 2%,B 0. 03 O. 04%,
稀土元素1 I. 5%,余量为Al。Al的熔点只有660. 4°C，Cu、Mn、Cd、Zr、Be、Ti的熔点都在1200°C以上，其中Cd元素的熔点是3440°C，加入上述金属元素，在高温处理中能提高铝合金材料的熔点，改善其铸造性能。合金的平面内各向异性主要受材料的变形特点和组织结构控制，而与材料的晶粒结构关系不大。在合金里添加Mn元素改变铝合金的再结晶行为，控制合金中的组织结构组份和强度，是减小材料各向异性的重要手段。Cu的含量是影响合金塑性的重要因素，提高Cu含量往往可以提高铝合金的强度，因此Cu元素在合金中的重量百分比的控制能极大的影响铝合金的强度。添加了钛元素的合金可在600°C或更高的温度下长期使用，能在-196_253°C低温下保持较好的延性及韧性，避免了金属冷脆性，而且能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，但是会降低合金的塑性和韧性。在钢材中添加锰元素，制成的高锰钢变得既坚硬又富有韧性，在铝合金中加入锰，也能增强铝合金的强度和韧度。锆是冶金工业的“维生素”，它在合金冶炼中能发挥脱氧、除氮、去硫的作用，而且锆具有很强的延展性，铝合金里加入锆，硬度和强度就会惊人地提高。铼的熔点最高，与铝和其他元素形成合金，能增强合金的延展性能、硬度、抗磨性和抗腐蚀性。稀土元素是非常活泼的元素，极易与金属和非金属作用，生成相应的稳定化合物，稀土元素加入到铝合金中可起到微合金化的作用。在铝液中熔入稀土元素，易填补合金相得表明缺陷，降低两相界面上的表面张力，使合金的组织细化，改变合金的结晶条件，稀土元素能与铜、锰等形成稳定的难熔金属化合物，能提高铝合金的室温强度、耐热强度和熔体流动性，稀土元素对铝合金具有良好的变质效果。稀土元素的加入能改善铝合金的铸造性能，铁是铝合金中非常有害的杂质，少量的Fe就能形成Al+FeAl3的共晶硅，大多数含铁相的结晶组织都十分粗大，直接影响合金的机械性能，降低合金的流动性，增加组织不均匀性，添加稀土可以改变铁相的存在形态，提闻招合金的铸造性能。稀土元素的脱氧能力相当强，稀土元素在金属液中与氧发生反应生成氧化物，稀土元素还能与低熔点的金属元素化合，上述生成的稀土化合物都具有熔点高、比重轻的特点，当它们的熔点高于金属冶炼温度时，能上浮一部分成渣，而留在固态金属内的部分则能降低其危害性。稀土对氢的吸附力特别大，能大量吸附和溶解氢，稀土与氢的化合物熔点较高，并且弥散分布于铝液中，以化合物形成的氢不会聚集形成气泡，大大降低铝的含氢量和针孔率。使用稀土元素作为基础铝合金的元素，能充分发挥稀土元素在合金中的除气、除渣、净化作用，细化晶粒和变质作用，提高合金的力学性能以及耐腐蚀性。在高温下，合金的晶界是薄弱环节，加入微量的硼、锆和稀土元素可改善晶界强度。这是因为稀土元素能净化晶界，硼、锆原子能填充晶界空位，降低蠕变过程中晶界扩散速率，提高塑性和强度。在铝合金里添加稀土元素，能细化合金的晶粒，新生成的杆状相在晶界上分布抑制了晶界上的位错运动，穿晶分布的杆状相可以在两个晶粒间起到桥接作用，不仅阻止了晶界的滑移，还阻碍了相邻晶粒的相对运动，增强了合金的抗拉强度，强化合金的结构。本发明的有益效果具有高强度和高硬度，增强了合金的抗拉强度和延展性，使铝合金在220°C时的强度在500Mpa以上，在280°C时的强度在350Mpa以上，在320°C时的强度在250Mpa以上；本发明使用普铝作为铝合金的基体，在熔铸过程中能屏蔽铁和硅对铝合金的有害性，降低了生产成本；本发明的合金具有铸造铝合金和变形铝合金的双重特性，既可以直接用于铸造各类轻强功能件和结构件，也可以先铸成棒材再进行热挤压，成为各种断面的型材。
具体实施例方式本发明实施例所用Al均为普铝，其中可能含有O. 01-0. 4%左右的Si、Fe等杂质，不影响本发明实施例的实现。实施例I :
权利要求
1.一种含Be高强度耐热铝合金材料，其合金成分主要由Cu、Mn、Cd、Zr、Be、Ti、B、稀土元素、Al组成，各组分的质量百分比为Cu : I. 5 4 %，Mn :0. I O. 4 %，Cd :0. 03 O. 2 %，Zr :0. 05 O. 4 %，Be :0. 02 O. 06%, Ti 0. I O. 3%，B 0. 03 O. 05%，稀土元素0· 5 2%，余量为 Al。
2.根据权利要求I所述的一种高强度耐热铜铝合金材料，其特征在于，所述的稀土元素为单一稀土元素或两种以上的混合稀土元素。
3.根据权利要求I所述的一种含Be高强度耐热铝合金材料，其特征在于，所述的稀土元素包括 Eu、Ce、Pr、Nd、Er、La、Y。
4.根据权利要求I所述的一种含Be高强度耐热铝合金材料，其特征在于，所述的合金各组分的质量百分比为Cu :2 3%，Mn :0· 2 O. 4%，Cd 0. 03 O. 1%，Zr 0. 05 O.3%, Be 0. 02 O. 05%, Ti 0. I O. 2%，B 0. 03 O. 04%，稀土元素0· 5 I. 5%，余量为Al。
5.根据权利要求I所述的一种含Be高强度耐热铝合金材料，其特征在于，所述的合金各组分的质量百分比为Cu :2 2. 5%，Mn :0. 2 O. 3%，Cd 0. 06 O. I %，Zr :0· I O.3%, Be 0. 04 O. 05%, Ti 0. I O. 2%, B 0. 03 O. 04%，稀土元素1 I. 5%，余量为Al。
全文摘要
本发明涉及高性能、高温结构金属材料技术领域，尤其涉及一种微合金化元素及稀土元素的铝合金材料。采用本发明制备的铝合金材料，增强了合金的抗拉强度和延展性，制成的铝合金具有高强度和高硬度的优良性能。本发明一种含Be高强度耐热铝合金材料，其合金成分主要由Cu、Mn、Cd、Zr、Be、Ti、B、稀土元素、Al组成，各组分的质量百分比为Cu1.5～4％，Mn0.1～0.4％，Cd0.03～0.2％，Zr0.05～0.4％，Be0.02～0.06％，Ti0.1～0.3％，B0.03～0.05％，稀土元素0.5～2％，余量为Al。
文档编号C22C21/12GK102828083SQ201110159410
公开日2012年12月19日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者李瑞师 申请人:湖南晟通科技集团有限公司