一种含稀土元素3a21合金的双级时效处理工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含稀土元素3A21合金的双级时效处理工艺。
【背景技术】
[0002] 铝合金3A21是一种广泛应用于汽车工业的合金，例如汽车的汽缸盖、发动机缸 体、轮辋和航空零部件。其优点是重量轻、优良的焊接性、耐腐蚀性、良好的机械强度、韧性、 硬度、强度、气密性、流动性和可加工性。在汽车行业应用铝合金3A21轮辋，有助于降低重 量，提高燃油效率，拥有更好的转向性能，抗冲击、耐腐蚀性。这些优点也有助于实现良好的 副加作用，如减少二氧化碳排放量和石油资源的保护。
[0003] 铸件的力学性能有很大程度的受到其大小，体积，和微观结构成分形态的影响，这 些都取决于成分，凝固条件和热处理。3A21合金包含体积分数为50%的呈凝固细胞状的粗 片状结构或针状共晶硅相，这种结构对基体的强度，塑性和断裂韧性很不利。因此对其研究 开发仍在进行，提高共晶Si粒子的分布均匀度一直在积极探索中。为了保证合金的机械强 度和延展性，其主要的共晶结构合金必须被修改，普片认为，IA族和IIA族元素（Na,Mg, Ca, Sr)是铝硅共晶-有效的改性剂；只有钠和锶已被广泛用于在这些合金的改性。而据报道 Na的改性作用是最强的，Sr即使在重熔状态下也能降低蒸汽压，该关键作用使其成为这种 商业合金首选的改性剂。然而由于在锶改性阶段可能形成不良的三元合金Al -Si -Sr,因 此替代其改性作用的元素的仍在积极的探索中。据文献报告，稀土（Re)元素有改变铸造铝 硅合金的共晶结构的能力。稀土是稀土金属Ce、La、Nd和Pr的混合物，并且具备和其他元 素形成各种金属间相的高化学亲和力。热处理周期的变化通过影响合金的晶粒大小、分布 和共晶硅相的形态，从而提高合金的力学性能，并且通过生成β ' _Mg2Si进而提高其延展 性。时效处理获得最好的结果是析出物细小均匀分布。在正常的时效硬化处理，虽然晶粒 内部形成所需的弥散分布和沉淀物的高密度，但晶粒边界附近的地方（晶界空位的地方）有 无析出带（PFZ)。而且边界本身似乎产生过时效。这种异质结构会导致低劣的性能。双级 时效包括两个步骤：第一次时效是保持过饱和合金首先在较低的温度下保温一段时间，第 二次时效使保持过饱和合金在相对较高的温度下保温一段时间。首先在低温时效是为了产 生更多的细小而均匀分布的析出物粒子作为第二次时效的形核核心。因此，双级时效消除 晶界PFZ。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种含稀土元素3A21合金的双级时效处理工 艺，以获得性能优异的3A21合金。
[0005] 本发明的技术方案是：一种含稀土元素3A21合金的双级时效处理工艺，包含以 下步骤：LM25进行熔炼，熔化是在覆盖剂下进行，将粉末混合稀土 RE包裹在Al片中加 入，对熔融金属进行搅拌，将熔液倒入金属模具，沉淀硬化处理包括溶液处理、在水中冷却 和单/双级时效，其中固溶处理是将试样在550°C下保温5小时；双级时效的第一次时效 在45-70°C下保温1-2小时，然后存放在冷却介质中直到第二次时效处理，第二次时效在 150-170°C下保温7小时。
[0006] 最佳第一次时效温度为50°C。
[0007] 最佳第二次时效温度为170°C。
[0008] 本发明的有益效果： (1)3A21和添加0. 5%Re的3A21合金在进行单级时效和双级时效后其硬度没有多大的 差别。
[0009] (2)当对添加 0. 5%Re的3A21合金进行单级时效时，其UTS有所提高，但延展率有 所减少；然而，但对其进行双级时效后，其延展率有大为的提高。
[0010] (3)延展率最大的不同出现在添加0. 5%Re的3A21合金进行双级时效后。这是因 为添加了使GP区稳定的微量元素。
[0011] (4)在3A21合金中添加0. 5%的稀土 Re在进行双级时效的目的是为了获得最佳的 机械性能。
【具体实施方式】
[0012] 约600克的LM25放在在坩埚中用电阻炉进行熔炼。熔化是市售覆盖剂下进行。石 灰涂清洁铁工具的使用，将约35克（0. 5重量％)的粉末混合稀土 RE包裹在Al片中加入坩 埚中，用石墨棒对熔融金属进行搅拌，将熔液倒入20毫米直径、200毫米长的圆柱形金属 模具。
[0013] 沉淀硬化处理包括溶液处理、在水中冷却（淬火）和单/双级时效。固溶处理是将 试样在550°C下保温5小时；双级时效的第一次时效在50°C下保温1小时，然后将试样被存 放在冷却介质中直到第二次时效处理，第二次时效在170°C下保温7小时。单级时效在170 C下保温8小时。
[0014] 双级时效的目的是为了获得最佳性能一致的组织。在单级时效时，晶内可能得到 可接受的沉淀物的大小和分布，但在晶界(有效空位处)的PFZ形成将导致较低的机械性能。 在第一级时效产生的大量细小的析出物，将作为第二阶段时效的行核核心。析出相的长大 到最佳尺寸是在第二次时效阶段但是需要加高的温度。在大多数合金有临界温度Tc以上 时均匀形核析出是不发生，把这个区域称为"'GP区"。沉淀成核在除了在GP区，还在位错、 晶粒和亚晶界处发生[19一20]。
[0015] 硬度测量是合金强度的一个很好的证明，由于强度受到晶粒的数量、大小和形状 还有晶体析出的第二相的影响。硬度测试结果表明，时效处理使得合金在未添加和添加稀 土元素的两种情况(未添加入稀土元素的3A21合金的布氏硬度为66ΒΗΓΤ71ΒΗΝ，稀土加入 质量分数为〇. 5%的稀土的3A21合金的布氏硬度为68ΒΗΓΤ79ΒΗΝ)下的综合性能都有所提 高。而且，双级时效对提高硬度的效果远高于单级时效时对未添加或添加稀土元素的两种 情状(未添加入稀土的3A21合金的布氏硬度为71ΒΗΓΤ109ΒΗΝ，添加质量分数为0. 5%的稀 土的入3A21合金中的布氏硬度为79ΒΗΓΤ115ΒΗΝ)。
[0016] 表1表不有无添加稀土 Re和不同热处理下的3A21合金的拉伸性能。从表1可知 铸造状态下的3A21合金和添加0. 5%稀土元素的3A21合金的UTS性能没有显著地差异，然 而，在单级时效的情况下，其UTS性能被观测到有所不同（未添加稀土元素的3A21合金的 UTS为123-143. 5MPa，添加0. 5%的稀土元素的3A21合金UTS为130- 170MPa);在双级时 效的情况下，与未经过合金化的3A21合金相比，添加稀土元素对3A21合金的UTS没有太大 的影响(未添加稀土元素的3A21合金的UTS为143. 5- 118MPa，添加0. 5%稀土元素的3A21 合金的UTS为170- 163MPa)。再双级时效情况下，在3A21合金中添加稀土元素对其延展 性的影响时最大的（未添加稀土元素的3A21合金的延展率为2. 0%，添加0. 5%稀土元素的 3A21合金的延展率为9. 0%)。这可能是因为双级时效时促进PFZ区的形成并且对合金的塑 性的影响是最大的。此外还有可能受到大尺寸的硬度计压头和痕迹的影响，做布氏硬度测 试更能反映大部分材料硬度，而不是单独影响显微结构的成分。
[0017] 最近的研究表明，对各种状态下如铸造、单级时效和双级时效的调查试样，认为在 各种热处理过程中随着显微结构的不同，"质量指数"被认为与其机械性能有关。这个观点 源于在AL-Si-Mg合金中，考虑到UTS、延展性和屈服强度的关系。"质量指数"与拉伸速度 和延展率的百分数有关，并且不同的显微组分对合金的机械性能的贡献不同。Q指数被定义 为[16]: Q=UTS+ax log (延展率） （1) 这个方程的常数"a "，对于AL-7 Si-O. 3合金其的值为150。因为质量指数把合金的 强度和塑性连接起来，它更多的描述铸件的拉伸性能的真实性比那些单独要么描述合金抗 拉强度或者描述伸长率要高。不同的合金的质量指数的最大值通常出现在双级时效后的铸 态结构里或者是最后的单级时效时。当在铸造条件下进行双级时效和最后进行单级时效时 观察，最大的区别就是UTS的不同，这就形成是鲜明的对比。在进行双级时效后的铸件比进 行单级时效的添加〇. 5%Re的3A21合金的Q指数有所增加，这是因为添加了对GP区有稳定 作用的微量元素。因此合金的最有利的属性是在相同的热处理条件下给出的。
【主权项】
1. 一种含稀土元素3A21合金的双级时效处理工艺，其特征在于：包含以下步骤：LM25 进行熔炼，熔化是在覆盖剂下进行，将粉末混合稀土RE包裹在Al片中加入，对熔融金属进 行搅拌，将熔液倒入金属模具，沉淀硬化处理包括溶液处理、在水中冷却和单/双级时效， 其中固溶处理是将试样在550°C下保温5小时；双级时效的第一次时效在45-70°C下保温 1-2小时，然后存放在冷却介质中直到第二次时效处理，第二次时效在150-170°C下保温7 小时。2. 根据权利要求1所述的一种含稀土元素3A21合金的双级时效处理工艺，其特征在 于：最佳第一次时效温度为50°C。3. 根据权利要求1所述的一种含稀土元素3A21合金的双级时效处理工艺，其特征在 于：最佳第二次时效温度为170°C。
【专利摘要】本发明公开了一种含稀土元素3A21合金的双级时效处理工艺，其特征在于：包含以下步骤：LM25进行熔炼，熔化是在覆盖剂下进行，将粉末混合稀土RE包裹在Al片中加入，对熔融金属进行搅拌，将熔液倒入金属模具，沉淀硬化处理包括溶液处理、在水中冷却和单/双级时效，其中固溶处理是将试样在550℃下保温5小时；双级时效的第一次时效在45-70℃下保温1-2小时，然后存放在冷却介质中直到第二次时效处理，第二次时效在150-170℃下保温7小时。最佳第一次时效温度为50℃。最佳第二次时效温度为170℃。
【IPC分类】C22F1/04
【公开号】CN105200356
【申请号】CN201410298110
【发明人】徐本伦
【申请人】徐本伦
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2014年6月27日