一种添加Zr或Mg元素的2117铝合金及其制备工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种2117铝合金的制备工艺，特别涉及一种添加 Zr或Mg元素的2117 铝合金及其制备工艺。
【背景技术】
[0002] 铝是地壳中分布最广泛和蕴藏量较大的有色金属之一，自19世纪被发现以来， 由于具有一系列良好的综合性能而被大量使用，目前是使用量仅次于钢铁的金属。A1的 原子序数为13,原子量为26. 9815,密度为2. 7X103kg/m3 (25°C)，熔点为660. 24°C， 沸点为2467°C。纯铝是是一种具有银白色金属光泽的轻金属，较软，具有面心立方晶格 (a=0. 40486nm)结构，无同素异构转变。
[0003] 铝对光的反射性能良好，具有很好的导电性，是热的良导体，纯铝有良好的延展 性，耐蚀能力强且具有自疗性。但纯铝的强度很低，不适于做结构材料，退火的A1板， %: =80~lOOMPa。为了提高铝的力学性能，在纯铝中加入某些合金元素，形成铝合金。铝 合金仍然保持纯铝的密度小和耐蚀性能好的特点，且力学性能比纯铝高得多。根据合金的 成分及加工工艺特点，可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两类。变形铝合金塑性好， 适于加工成型；铸造铝合金塑性差，不适于塑性加工，但其流动性好，适合于铸造。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是：提供一种2117铝合金的制备工艺，以通过添加 Zr或 Mg元素来提高2117铝合金的性能。
[0005] 本发明的技术方案是：一种添加 Zr或Mg元素的2117铝合金，2117铝合金中添加 质量分数为〇. 1-0. 5%的Mg或0. 01-0. 05%的Zr。
[0006] Mg的最优添加量为0. 3%，Zr的最优添加量为0. 01-0. 02%。
[0007] -种添加 Zr或Mg元素的2117铝合金的制备工艺，将称量好的铝放入坩埚内，在 井式电阻炉中加热至熔化，用钛棒除去铝液表面的膜，待温度升至780~800°C时，加入相 应的中间合金Al-Zr或Al-Mg，并搅拌3~5mi，静置待温度回升至800°C时，浇注在400°C 左右预热的模具中，冷却后取出。
[0008] 本发明的有益效果： 1. 随着Zr、Mg元素的加入，导电率逐渐下降，且Zr元素的影响更明显。含0. 0l%Zr试样 的导电率为58. 77%，大于58%IACS，满足供电电缆要求；含0. l%Mg试样的导电率为58. 07%， 大于58%IACS，满足供电电缆要求；试样Mg含量在0. 3%时导电率下降趋势缓慢； 2. 随着Zr、Mg元素含量的增加，抗拉强度不断提高。Zr元素对室温力学性能的提升不 是特别明显；Mg元素对抗拉强度的影响特别明显，当Mg元素的含量为0. 3%时，抗拉强度值 有突变； 3. 从宏观铸态组织可以观察到，Zr、Mg元素的加入都可以细化晶粒，铸态组织从柱状 晶变成了等轴晶，且Zr元素的细化效果更明显； 4.通过能谱检测可以看出：晶界处有Zr元素存在，晶粒内部固溶Zr元素，产生固溶强 化，提高力学性能；晶粒内Zr元素含量较高，可能生成的粗大的初生A13Zr相，该相对铝合 金性能有百害而无一利。杂质元素 Si可能形成三元化合物A112Fe3Si，而杂质元素 Fe除了 与A1和Si形成三元化合物A112Fe3Si，也有可能生成AlFe相析出； 综合考虑，含〇. 3%Mg的试样综合性能最好，而Zr元素对导电率影响明显但对室温力学 性能影响不大，添加量不宜过高，应控制在〇. 01~〇. 02%。
【附图说明】
[0009] 图1为Zr加入量与试样导电率的关系曲线； 图2为Mg加入量与试样导电率的关系曲线； 图3为Zr加入量与试样抗拉强度的关系曲线； 图4为Mg加入量与试样抗拉强度的关系曲线。
【具体实施方式】
[0010] 由于Zr、Mg与铝熔点相差较大，且Zr的闪燃点较低，直接加入易烧损，所以一般以 中间合金的形式加入，为此必须配制中间合金。
[0011] 为了便于计算称量，确定制备质量分数为7. 5%的Al-Mg中间合金和5%的Al-Zr 中间合金。中间合金的熔制过程如表1.1。
[0012] 采用容量为50g的刚玉坩埚熔制合金，方便取出浇注后的剩渣，节约成本。试样浇 注的模具选用直径为11mm长为120mm的钢管，便于取出试样及试样性能的测定。合金在井 式电阻炉中熔炼，方便合金元素的添加及搅拌。
[0013] 试样具体的浇注工艺为：将称量好的铝放入坩埚内，在井式电阻炉中加热至熔化， 用钛棒除去铝液表面的膜。待温度升至780~800°C时，加入相应的中间合金，并搅拌3~ 5min。静置待温度回升至800°C时，浇注在400°C左右预热的模具中，冷却后取出。
[0014] 由于加入合金元素，铝液的粘度大，流动性有所下降，故浇注时需进行引流，避免 铝液从坩埚大量涌出或堵在浇口处造成铝液的浪费甚至浇注失败。
[0015] 试样的浇口和底部成分不均匀，而且可能有大量杂质，故取出的试样需将两端切 掉。用钢锯切割时，尽量保证截面与试样垂直，降低后续打磨的难度，由于铝太软，应用布包 裹着切割，避免夹具夹出深痕。
[0016] 将切割好的试样两端在粗砂纸上磨平，再滚动着打磨，去除试样表面的痕迹，接着 用〇~5号砂纸依次打磨成光滑的圆柱试样，用清水洗净后再用吹风机吹干，放入贴有相应 标签的试样袋中。
[0017] 测量不同Zr含量的Al-Zr试样的导电率，其结果如表1所示。可以看出，导线的 导电率随Zr含量的增加而逐渐下降；在刚加入Zr元素时导电率下降剧烈，随着Zr元素的 加入，导电率的下降趋势逐渐趋于平缓；仅Zr含量为0. 01%时导电率大于58%IACS，Zr严重 地降低导电率。这主要有以下两个方面的原因：（l)Zr溶入铝中引起A1晶体点阵畸变，增 加电子散射，降低导电率，这是溶入A1中所有溶质原子共有的特征；（2)Zr是第五周期过渡 兀素，电子结构为[Kr]4d25s2,在4d电子壳层上只有2个电子，未充满性很强，A1中自由电 子易转移到Zr原子较深的4d层电子壳层中去，这样减少了定向运动的自由电子数量，降低 导电率，这是Zr溶入A1中特有的，也是Zr溶入A1中使其导电率异常降低的主要原因。导 电率随Zr元素加入量的变化趋势如图1所示。
[0018] 测量不同的Mg含量的试样，结果如表2所示。从表中可以看出，随着Mg的加入， 导电率逐渐下降，下降的趋势较快且导电率较低；在Mg含量为0. 2~0. 3%时导电率下降的 趋势平缓；当Mg含量为0. 1%时导电率是大于58%IACS的。上述结果是与金属导电理论相 符的，即加入合金元素后产生的化合物引起的点阵静畸变和热振动点阵动畸变对电子造成 散射，从而产生电阻，导致导电性能下降。导电率随Mg元素加入量的变化趋势如图2所 /_J、1 〇
[0019] 经拉伸试验测得不同Zr元素含量的试样的抗拉强度如表3所示。从表中可以看 出：随着Zr元素含量的上升，抗拉强度逐渐上升，但上升的幅度不大。Zr与A1存在强的结 合倾向，易在熔体中生成L12型A13Zr颗粒，起非匀质形核细化晶粒作用，同时这种析出相 的尺寸很小，具有高的熔点和好的热稳定性，与a -A1点阵的共格性良好，弥散的A13Zr质 点具有钉扎位错和晶界的作用，阻碍晶内和晶间滑移，提高合金的硬度和强度。试样抗拉强 度随Zr元素含量的变化趋势如图3所示。
[0020] 通过拉伸试验测得不同Mg元素含量试样的抗拉强度下表4所示。从表中可以看 出：随着Mg元素含量的增加，试样的抗拉强度不断提高，且提高的程度很明显；在Mg元素 刚加入时，上升趋势很平缓，当Mg元素含量为0. 3%时，抗拉强度有突变，从112. 62MPa升高 到126. 38MPa。这是由于Mg溶入到铝中后，以固溶态存在基体中，形成MgA12难溶相，固溶 的结果使铝的点阵发生很大畸变，产生α固溶体硬化效果，从而提高了合金的抗拉强度。 此外，Mg也能起到部分细化晶粒作用，从而保证试样的力学性能。试样的抗拉强度随Mg元 素含量的变化趋势如图4所示。
【主权项】
1. 一种添加 Zr或Mg元素的2117铝合金，其特征在于：2117铝合金中添加质量分数为 0· 1-0. 5% 的 Mg 或 0· 01-0. 05% 的 Zr。2. 根据权利要求1所述的一种添加 Zr或Mg元素的2117铝合金，其特征在于：Mg的最 优添加量为〇. 3%，Zr的最优添加量为0. 01-0. 02%。3. 如权利要求1或2所述的一种添加 Zr或Mg元素的2117铝合金的制备工艺，其特征 在于：将称量好的铝放入坩埚内，在井式电阻炉中加热至熔化，用钛棒除去铝液表面的膜， 待温度升至780~800°C时，加入相应的中间合金Al-Zr或Al-Mg，并搅拌3~5mi，静置待 温度回升至800°C时，浇注在400°C左右预热的模具中，冷却后取出。
【专利摘要】本发明公开了一种添加Zr或Mg元素的2117铝合金，其特征在于：2117铝合金中添加质量分数为0.1-0.5%的Mg或0.01-0.05%的Zr。Mg的最优添加量为0.3%，Zr的最优添加量为0.01-0.02%。其制备工艺，其特征在于：将称量好的铝放入坩埚内，在井式电阻炉中加热至熔化，用钛棒除去铝液表面的膜，待温度升至780～800℃时，加入相应的中间合金Al-Zr或Al-Mg，并搅拌3～5mi，静置待温度回升至800℃时，浇注在400℃左右预热的模具中，冷却后取出。
【IPC分类】C22C1/03, C22C21/18
【公开号】CN105568094
【申请号】CN201410303802
【发明人】何小红
【申请人】何小红
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2014年10月8日