一种添加稀土元素的高性能铝合金及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种添加稀土元素的高性能铝合金，其特征在于，由下列各成分按质量百分比组成：硅6.5-7、镁0.2-0.25、铁0.25-0.3、硼0.01-0.012、铈0.3-0.4、锌0.1-0.2、废铝中间合金粉45-50、余量为铝；本发明通过优化合金成分，添加稀土元素铈，可以提高合金的抗拉强度，采用科学合理的热处理工艺，不仅能提高合金的力学性能，尤其是高温力学性能；而且能够提高强化相的稳定性，阻止强化相的析出和长大，细化晶粒，防止裂纹出现，内部不出现气孔，提高产品成型性以及成品率；本发明制得的铝合金具有高性能，可焊接性和成形性好等特点，可用于制作发动机气缸盖。
【专利说明】
一种添加稀土元素的高性能铝合金及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及铝合金领域，特别是一种添加稀土元素的高性能铝合金及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 铸造铝合金具有比容小、强度高、铸造成形性好和加工性能优良、膨胀系数小和流 动性好等一系列优点，被广泛应用于汽车、航空、航天以及家电等行业中。目前国内外大部 分轿车发动机缸体、缸盖已基本采用高强度铝合金生产，全铝合金的材质，减轻了车身重量 同时，还增强了发动机的散热效果，提高了发动机工作效率，而且寿命也更长。从节油的角 度看，铸铝发动机在节油方面的优势颇受人们关注。因为汽车的重量每降低，其耗油量能够 降低0.6%_1%。为了降低燃料消耗，同时也为了减少汽车尾气排放对大气环境的污染，减 轻汽车自重是一个重要的措施。因此，汽车铸件不断被轻质铝铸件取代已成为发展趋势。被 用作轿车发动机缸体缸盖的材料主要有国内的ZL101、ZL104、ZL702A合金及美国的328.0， 法国的A-S5U3,日本的A4CB铝合金等。虽然传统牌号的铝硅合金在普通使用性能上已经能 满足使用要求，但是当零件处于复杂的应力状态时，例如在高温下，材料的晶粒组织粗大， 成分偏析，使得铝合金气缸盖性能不稳定，容易产生热疲劳，出现开裂等问题，不满足增压 发动机的需要。如ZL101虽然合金成分简单，但其力学性能不高，只能用于强度要求不高的 零件;ZL104的耐热性比较差等，因此对铸造铝合金的研究和开发具有重要的应用意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种添加稀土元素的高性能铝合金及其制备方法。通过研 究制备出一种成分配比科学合理的铝合金配方，充分利用废铝肩，制造成本低，产品性能 高，质量轻的铝合金材料。
[0004] 为了实现本发明的目的，本发明通过以下方案实施：
[0005] -种添加稀土元素的高性能铝合金，由下列各成分按质量百分比组成:硅6.5-7、 镁0.2-0.25、铁0.25-0.3、硼0.01-0.012、铈 0.3-0.4、锌 0.1-0.2、废铝中间合金粉45-50、余 量为铝；
[0006] 所述废铝中间合金粉由下列重量份的原料制成:废铝肩60-65、锰15-18、铜10-12、 络6_8、错7_9、石墨粉2_3、氣化纳1.5_2、冰晶石粉1_1.5;制备方法为：（1)将废错肩先用永 久磁铁吸出其中的铁制品，然后用铁网筛筛掉其中的尘土和砂子，再用清洁剂除去表面的 油渍，最后放入烘箱烘干水分待用；（2)将表面处理后的废铝加入坩埚电阻炉中，升温至850 °C直至全部熔化，然后降温至760°C-770°C时用钟罩压入铜、锰，保温30分钟，继续调节炉温 至740°C-750°C，压入铬、锆，搅拌均匀后保温静置20分钟；（3)当炉温达到730°C时，将石墨 粉、氯化钠、冰晶石粉加入到金属液中，搅拌均匀后静置，保温静置40分钟；（4)扒去浮渣后 将金属液浇入气体雾化制粉设备中，制备成粒径在100μπι以下的粉末即得。
[0007] 本发明所述一种添加稀土元素的高性能铝合金，由以下具体步骤制备而成：
[0008] (1)将除废铝中间合金粉之外的所有成分各自制成细粉备用，将所有工具和模具 在250°C条件下进行与热处理，备用；
[0009] (2)将铝粉加入坩埚电阻炉中，升温至铝粉完全熔化后迅速升温至820°C，然后用 钟罩将硅粉分两次压入铝液并且轻轻搅拌，直至全部熔化后迅速降低炉温，在760°C-780°C 时压入废铝中间合金粉，保温40-60分钟，继续调节炉温至730°C-740°C，压入其余剩余成 分，搅拌均匀后保温静置30分钟；
[0010] (3)将占金属液质量2-3%的精炼剂用钟罩压入金属液中间高度处，缓慢作圆周并 成倾斜运动，使金属液均匀翻滚，作用时间约8-9分钟，静止4分钟后，再通过氩气进行精炼 6-8分钟，静置20分钟，再进行扒渣，扒渣后取样分析；
[0011] (4)将成分合格的合金液静置10-20分钟后，将合金液浇入已预热的模具中，冷却 后取出，采用T6热处理工艺（工艺条件为：固溶处理为500°C，5.5小时，时效处理为180°C，5 小时)进行热处理，最后得到本发明产品。
[0012] 本发明所述的一种添加稀土元素的高性能铝合金的制备方法，所述精炼剂由下列 重量份的原料制成:氟化钠13-16、硝酸钠18-22、碳粉9-11、三氧化二硼9-10、氟钛酸钾15-18、碳酸氢钠10-13、六氟铝酸钠2-4、氯化钠8-10、轻质耐火砖6-8;制备方法为：（1)将氟化 钠、硝酸钠、氯化钠、氟钛酸钾混合均匀后放入高温电炉中熔化，然后冷却凝固，再破碎成 200目混合粉末A; (2)将轻质耐火砖破碎后与除碳酸氢钠之外的其余剩余成分共同放入粉 碎机中粉碎成200目混合粉末B待用；（3)将混合粉末A与混合粉末B混合，加入碳酸氢钠后放 入挤出造粒机中造粒；（4)将颗粒在烘箱中干燥120-150分钟，温度控制在230-240°C，冷却 后取出即得。
[0013] 本发明的有益效果是:本发明采用废铝肩与锰、铜、铬等元素熔炼制成废铝中间合 金粉，替代部分新铝作为主要元素，可以提高合金的强度以及耐磨性，而且使用废铝肩成 分，降低生产成本;在热处理过程中添加本发明自制的精炼剂，多孔材质利于形成负压，能 够充分的与金属液中气体进行反应，从而达到脱气的效果，同时能够分离金属渣中材质，并 分解渣中杂质，使金属渣干性且松散，易扒除渣，防止金属液二次吸气及氧化。
[0014] 本发明通过优化合金成分，添加稀土元素铈，可以提高合金的抗拉强度，采用科学 合理的热处理工艺，不仅能提高合金的力学性能，尤其是高温力学性能;而且能够提高强化 相的稳定性，阻止强化相的析出和长大，细化晶粒，防止裂纹出现，内部不出现气孔，提高产 品成型性以及成品率;本发明制得的铝合金具有高性能，可焊接性和成形性好等特点，可用 于制作发动机气缸盖。
【具体实施方式】
[0015] 下面通过具体实例对本发明进行详细说明。
[0016] 一种添加稀土元素的高性能铝合金，由下列各成分按质量百分比组成:硅6.5、镁 0.2、铁0.25、硼0.01、铈0.3、锌0.1、废铝中间合金粉45、余量为铝；
[0017] 所述废铝中间合金粉由下列重量份(公斤）的原料制成:废铝肩60、锰15、铜10、铬 6、锆7、石墨粉2、氯化钠1.5、冰晶石粉1;制备方法为：（1)将废铝肩先用永久磁铁吸出其中 的铁制品，然后用铁网筛筛掉其中的尘土和砂子，再用清洁剂除去表面的油渍，最后放入烘 箱烘干水分待用；（2)将表面处理后的废铝加入坩埚电阻炉中，升温至850°C直至全部熔化， 然后降温至760°C-770°C时用钟罩压入铜、锰，保温30分钟，继续调节炉温至740°C-750°C， 压入铬、锆，搅拌均匀后保温静置20分钟；（3)当炉温达到730°C时，将石墨粉、氯化钠、冰晶 石粉加入到金属液中，搅拌均匀后静置，保温静置40分钟；（4)扒去浮渣后将金属液浇入气 体雾化制粉设备中，制备成粒径在100μπι以下的粉末即得。
[0018] 本发明所述一种添加稀土元素的高性能铝合金，由以下具体步骤制备而成：
[0019] (1)将除废铝中间合金粉之外的所有成分各自制成细粉备用，将所有工具和模具 在250°C条件下进行与热处理，备用；
[0020] (2)将铝粉加入坩埚电阻炉中，升温至铝粉完全熔化后迅速升温至820°C，然后用 钟罩将硅粉分两次压入铝液并且轻轻搅拌，直至全部熔化后迅速降低炉温，在760°C-780°C 时压入废铝中间合金粉，保温40分钟，继续调节炉温至730°C_740°C，压入其余剩余成分，搅 拌均匀后保温静置30分钟；
[0021] (3)将占金属液质量3%的精炼剂用钟罩压入金属液中间高度处，缓慢作圆周并成 倾斜运动，使金属液均匀翻滚，作用时间约8分钟，静止4分钟后，再通过氩气进行精炼6分 钟，静置20分钟，再进行扒渣，扒渣后取样分析；
[0022] (4)将成分合格的合金液静置10分钟后，将合金液浇入已预热的模具中，冷却后取 出，采用T6热处理工艺(工艺条件为：固溶处理为500°C，5.5小时，时效处理为180°C，5小时） 进行热处理，最后得到本发明产品。
[0023]本发明所述的一种添加稀土元素的高性能铝合金的制备方法，所述精炼剂由下列 重量份(公斤）的原料制成:氟化钠13、硝酸钠18、碳粉9、三氧化二硼9、氟钛酸钾15、碳酸氢 钠10、六氟铝酸钠2、氯化钠8、轻质耐火砖6;制备方法为：（1)将氟化钠、硝酸钠、氯化钠、氟 钛酸钾混合均匀后放入高温电炉中熔化，然后冷却凝固，再破碎成200目混合粉末A; (2)将 轻质耐火砖破碎后与除碳酸氢钠之外的其余剩余成分共同放入粉碎机中粉碎成200目混合 粉末B待用；（3)将混合粉末A与混合粉末B混合，加入碳酸氢钠后放入挤出造粒机中造粒； (4)将颗粒在烘箱中干燥120分钟，温度控制在230-240°C，冷却后取出即得。
[0024]将本发明产品加工成直径为6mm的标准拉伸试样，与ZL702A型铝合金进行比较，根 据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T4338-2006《金属材料高温拉伸试验 方法》测试室温性能和250°C下的高温性能，高温性能测试20分钟，结果如下表：
[0025]
【主权项】
1. 一种添加稀土元素的高性能铝合金，其特征在于，由下列各成分按质量百分比组成： 硅6.5-7、镁0.2-0.25、铁0.25-0.3、硼0.01-0.012、铈 0.3-0.4、锌 0.1-0.2、废铝中间合金粉 45-50、余量为铝； 所述废铝中间合金粉由下列重量份的原料制成:废铝肩60-65、锰15-18、铜10-12、铬6- 8、错7_9、石墨粉2_3、氣化纳1.5_2、冰晶石粉1_1.5;制备方法为：（1)将废错肩先用永久磁 铁吸出其中的铁制品，然后用铁网筛筛掉其中的尘土和砂子，再用清洁剂除去表面的油渍， 最后放入烘箱烘干水分待用；（2)将表面处理后的废铝加入坩埚电阻炉中，升温至850Γ直 至全部熔化，然后降温至760°C-770°C时用钟罩压入铜、锰，保温30分钟，继续调节炉温至 740 °C -750 °C，压入铬、锆，搅拌均匀后保温静置20分钟；（3)当炉温达到730 °C时，将石墨粉、 氯化钠、冰晶石粉加入到金属液中，搅拌均匀后静置，保温静置40分钟；（4)扒去浮渣后将金 属液浇入气体雾化制粉设备中，制备成粒径在100μπι以下的粉末即得。2. 根据权利要求1所述一种添加稀土元素的高性能铝合金，其特征在于，由以下具体步 骤制备而成： (1) 将除废铝中间合金粉之外的所有成分各自制成细粉备用，将所有工具和模具在250 °C条件下进行与热处理，备用； (2) 将铝粉加入坩埚电阻炉中，升温至铝粉完全熔化后迅速升温至820°C，然后用钟罩 将硅粉分两次压入铝液并且轻轻搅拌，直至全部熔化后迅速降低炉温，在760°C-78(TC时 压入废铝中间合金粉，保温40-60分钟，继续调节炉温至730°C-740°C，压入其余剩余成分， 搅拌均匀后保温静置30分钟； (3) 将占金属液质量2-3%的精炼剂用钟罩压入金属液中间高度处，缓慢作圆周并成倾 斜运动，使金属液均匀翻滚，作用时间约8-9分钟，静止4分钟后，再通过氩气进行精炼6-8分 钟，静置20分钟，再进行扒渣，扒渣后取样分析； (4) 将成分合格的合金液静置10-20分钟后，将合金液浇入已预热的模具中，冷却后取 出，采用T6热处理工艺（工艺条件为：固溶处理为500°C，5.5小时，时效处理为180°C，5小 时)进行热处理，最后得到本发明产品。3. 根据权利要求2所述的一种添加稀土元素的高性能铝合金的制备方法，其特征在于， 所述精炼剂由下列重量份的原料制成:氟化钠13-16、硝酸钠18-22、碳粉9-11、三氧化二硼 9-10、氟钛酸钾15-18、碳酸氢钠10-13、六氟铝酸钠2-4、氯化钠8-10、轻质耐火砖6-8;制备 方法为：（1)将氟化钠、硝酸钠、氯化钠、氟钛酸钾混合均匀后放入高温电炉中熔化，然后冷 却凝固，再破碎成200目混合粉末A; (2)将轻质耐火砖破碎后与除碳酸氢钠之外的其余剩余 成分共同放入粉碎机中粉碎成200目混合粉末B待用；（3)将混合粉末A与混合粉末B混合， 加入碳酸氢钠后放入挤出造粒机中造粒；（4)将颗粒在烘箱中干燥120-150分钟，温度控制 在230-240°C，冷却后取出即得。
【文档编号】C22C21/00GK105986136SQ201610077443
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年2月1日
【发明人】张新南
【申请人】安徽乾通教育制造有限公司