本发明涉及一种真空泵转子用含稀土铝合金及其制备方法，属于合金材料技术领域。
背景技术：
罗茨真空泵广泛用于真空冶金中的冶炼、脱气、轧制，以及化工、食品、医药工业中的真空蒸馏、真空浓缩和真空干燥等方面。真空泵配件为用于真空泵噪声治理的，真空泵消音器。更大更先进的真空泵的研制代表着该行业的一个重要发展方向。但是，现在的真空泵转子多采用铸铁材料，密度太大(铸铁密度为7.86g/cm3)，大尺寸的铸铁转子将会因为重量过大严重阻碍真空泵的运行稳定性，同时消耗更多能源，从而严重阻碍了新型真空泵的开发。
另一方面，真空泵工作时，转子零件温度升高，从而会引起金属零件尺寸的膨胀，零件尺寸变化多少和材料的热膨胀系数有关。在20℃-300℃时，铁的热膨胀系数为12.2×10-6K-1，而铝的热膨胀系数为23.2×10-6K-1。假如真空泵转子采用普通铝合金材料，工作温度升高，转子尺寸变化太大，必将严重影响真空泵的结构和工作效率。所以，新型真空泵必须采用具有低膨胀系数的铝合金材料。
而现有的过共晶铝硅合金具有高耐磨性、轻质、高强度及低的热膨胀性等一系列优点，是制造真空泵转子较理想的材料。但是，由于硅含量越高，铝硅合金的铸造性能越差、合金抗拉强度越低。如中国专利申请(授权公告号：CN101503773B)公开了一种耐热低膨胀高硅铝合金，其合金元素组成及质量百分比为：Si：18～25；Cu：1.0～2.5；Mn：0.3～0.6；Mg：0.2～0.8；RE：0.3～1.0，其中，RE中Ce的质量百分比大于40％；P：0.006～0.04；余量为Al。其通过采用RE和P的复合变质处理，实现了过共晶铝合金初晶硅和共晶硅的同时细化，实现了过共晶铝合金和高温力学性能，但是其在整体的耐高温性能抗拉强度还有待提高；而且Ce的活性较高，在实际使用时不利于实际操作。
技术实现要素：
本发明针对以上现有技术中存在的缺陷，提供一种真空泵转子用含稀土铝合金及其制备方法，解决的问题是如何使铝合金兼具低膨胀系数和高抗拉强度的性能。
本发明的目的之一是通过以下技术方案得以实现的，一种真空泵转子用含稀土铝合金，其特征在于，该铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：23wt％～26wt％；Cu：0.8wt％～2.4wt％；Mn：0.2wt％～0.8wt％；Ag：2.0wt％～3.0wt％；Y：0.7wt％～1.5wt％；Dy：0.5wt％～1.5wt％；Ni：1.1wt％～1.4wt％；为余量Al。
本发明通过加入Cu元素能够对铝硅合金有显著的固溶强化作用；而通过加入Mn元素和Ni元素能够与体系中的Fe杂质共同生成复杂相并减少β-Fe杂质相的产生。同时，加入的Al、Si、Cu、Ni等元素在合金中能够形成化合物强化相，起到综合强化合金的作用。在本发明的铝合金中，最主要的是通过加入Ag、Dy和Y元素，使它们与合金中的元素形成协同作用，一方面使Ag、Al、Y三种元素之间能够形成金属间化合物强化相Ag0.66Al2.34Y，其晶格常数与Si晶粒比较相近，从而使有利于初晶硅的异质形核，进而达到细化初晶硅的作用；同时，加入的Ag、Al、Dy三种元素之间能够形成金属间化合物强化相Ag0.55Al3.45Dy，其晶格常数与α-Al晶粒比较相近，从而使有利于初晶α-Al晶粒的异质形核，进而达到细化α-Al晶粒的作用；而另一方面，组成合金的溶质元素及含量对合金的热膨胀的影响极为明显。具体来说，溶质元素的膨胀系数低于溶剂基体时,将减小膨胀系数；含量越高,影响越大；金属固溶体基体中加入一定组合低膨胀系数的过渡族元素，则固溶体的膨胀系数可能发生显著下降。更进一步的说，本发明加入的Ag元素在α-Al固溶体中的固溶度高于其他合金元素，并且在0-100℃时的线膨胀系数为18.7×10-6K-1，远远低于Al在0-100℃时的线膨胀系数23.8×10-6K-1；同时，Ag还能够起到显著的固溶强化作用。而加入的Dy元素的0-100℃线膨胀系数为9.0×10-6K-1，Y元素的0-100℃线膨胀系数为10.6×10-6K-1，同样均是远远低于Al在0-100℃时的线膨胀系数23.8×10-6K-1。因此，能够使固溶有过渡组元素Ag、Y、Dy和Cu的α(Al)固溶体热膨胀系数明显降低，能够起到很好的协同作用，从而使对整个合金膨胀系数大小起决定作用，达到低膨胀系数和高抗拉强度的效果。此外，稀土元素Dy和Y具有重熔性强、不腐蚀坩埚等优点。稀土元素Dy和Y对溶液中的氢元素的亲和力大，能吸附和溶解合金熔体中的氢原子，生成REmHn，从而减少铸件中的针孔,能够提高铝合金的抗拉强度性能。
在上述的真空泵转子用含稀土铝合金中，作为优选，所述Dy的质量百分数为0.6wt％～1.0t％。通过调整Dy元素的加入比例，能够更有效的使铝合金具有低膨胀系数和高抗拉强度的作用。
在上述的真空泵转子用含稀土铝合金中，作为优选，所述Y的质量百分数为0.8wt％～1.2wt％。能够起到降低膨胀系数的作用，实现具有低膨胀系数的效果。
在上述的真空泵转子用含Dy铝合金中，作为优选，所述Ag的质量百分数为2.4wt％～2.6wt％。目的是为了更好的实现兼具低膨胀系数和高抗拉强度的作用。
在上述的真空泵转子用含Dy铝合金中，作为优选，所述Y：Dy：Ag的质量比为1：0.6～0.8：2.0～2.2。能够使铝合金的金属固溶体的膨胀系数更均匀的降低，从而使整体的铝合金膨胀系数达到较好的效果。
在上述的真空泵转子用含Dy铝合金中，作为优选，所述(Dy+Y)：(Ag+Cu)的质量比为1：1.5～2.0。使能够有效的起到协同作用，形成达到高抗拉强度和低膨胀系数的效果。
本发明的目的之二是通过以下技术方案得以实现的，一种真空泵转子用含Dy铝合金的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、按照含稀土铝合金各成分组成选取原料，先将纯铝锭放入熔炼炉中进行熔融；
B、再将纯Si和纯Ni加入到上述熔体中进行熔化；然后，再将纯铜和Al-Mn中间合金加入到熔体中进行熔化；
C、将合金熔体的温度降到700℃～760℃进行精炼，去除表面浮渣；
D、再加热到800℃-850℃后，加入Al-Dy中间合金和Al-Y中间合金使熔化完全；再将纯银加入到熔体中进行熔化；
E、将熔体升温至1050℃～1100℃进行过热处理，放入模具内进行浇铸，得到相应的铸态铝合金；
F、将铸态合金在495℃～565℃进行热处理和固溶化处理后，冷却和进行时效处理，得到最终的产品。
本发明通过将熔体进行过热处理是为了改善熔融状态下金属组织的不均匀性，使具有更好的均匀性，而通过将Al-Y中间合金、Al-Dy中间合金和纯银在熔炼的最后阶段加入，目的是为了改善亚稳定Al-Y-Ag和Al-Dy-Ag原子团簇的存在状态，这种亚稳定团簇正是组织的遗传因子，它能够保存Al-Y-Ag相和Al-Dy-Ag相的组织特征，成为合金凝固过程中组织遗传性的载体。从而改善合金结晶条件，改善了凝固后铸锭铝合金的组织和性能，能够达到较好的抗拉强度性能和低膨胀系数的效果。
在上述的真空泵转子用含稀土铝合金的制备方法中，作为优选，步骤E中所述模具的内壁表面涂覆有含CeO2的涂料层。由于铝合金中形成的Al-Dy-Ag相晶格点阵常数与α-Al点阵常数接近，二者具有较好的界面共格对应关系,从而能够作为非均质形核质点而细化a-Al晶粒；另一方面，形成的Al-Y-Ag相晶格点阵常数与Si点阵常数接近，二者之间同样能够产生较好的界面共格对应关系，从而能够作为非均质形核质点而细化单晶Si；又由于CeO2是面心立方晶体结构，其与Si的晶格常数十分接近，所以铝合金中Si元素很容易以Al-Y-Ag相和CeO2为异质核心长大，使合金内单晶Si在凝固过程中改性，尺寸变小，更进一步达到细化晶粒的作用，从而实现提高合金的性能，使具有更好的抗拉强度和低膨胀系数的效果。
在上述真空泵转子用含稀土铝合金的制备方法中，作为优选，步骤E中所述模具预先预热至250℃～300℃。使在浇铸的过程中不会出现局部过冷现象，保证铝合金的性能要求。
在上述真空泵转子用含稀土铝合金的制备方法中，作为优选，步骤A中所述熔炼炉的内壁表面涂覆有含CeO2的涂料层。同样，铝合金材料中的Si很容易以CeO2为异质核心长大，使合金内单晶Si在凝固过程中达到改性，尺寸变小，更进一步的达到细化晶粒的作用，从而实现提高合金的性能，使具有更好的抗拉强度和低膨胀系数的效果。
综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本真空泵转子用含稀土铝合金，通过加入Ag元素和Y及Dy元素并结合Cu元素，使Ag、Al、Dy三种元素之间能够形成金属间化合物强化相Ag0.55Al3.45Dy的效果；同时，又能够使Ag、Al、Y三种元素之间能够形成金属间化合物强化相Ag0.66Al2.34Y的效果且能够使固溶有过渡组元素Ag、Y、Dy和Cu的α(Al)固溶体热膨胀系数明显降低，从而实现高抗拉强度和低膨胀系数的作用效果。
2.本真空泵转子用含稀土铝合金的制备方法，通过将Al-Dy中间合金、Al-Y中间合金和纯银在熔炼的最后阶段加入，能够改善亚稳定Al-Dy-Ag和Al-Y-Ag原子团簇的存在状态和保存Al-Dy-Ag相和Al-Y-Ag相的组织特征，成为合金凝固过程中组织遗传性的载体，能够达到较好的抗拉强度性能和低膨胀系数的效果。
3.本真空泵转子用含稀土铝合金的制备方法，通过在熔炼炉和模具的内壁表面涂覆有含CeO2的涂料层，能够提高合金的性能，使具有更好的抗拉强度和低膨胀系数的效果。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。
实施例1
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：23wt％；Cu：0.8wt％；Mn：0.2wt％；Ag：3.0wt％；Y：0.7wt％；Dy：1.5wt％；Ni：1.1wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法如下：
按照以下各原料的质量配比选取材料，将纯铝、纯Si、纯铜、纯银、纯Ni，Al-Dy中间合金、Al-Y中间合金、Al-Mn中间合金进行预热，预热温度为130℃～150℃，经过预热处理后，将纯硅打碎成10mm左右的小块，然后用铝箔包起来在200℃左右预热；
然后，将经过预热后的纯铝锭放入熔炼炉中，再继续进行升温，待炉温达到760℃时，进行保温至金属呈熔融态；然后，将预热后的纯Si、纯Ni再加入到熔体中，再充分搅拌至其熔化完全，再升温到950℃,并保温20-25min左右，然后，降温至850℃,再将预热后的纯铜和Al-Mn中间合金加入到熔体中，充分搅拌至其熔化完全，并保温5min左右；待合金熔体温度降到740℃时，使用0.5％-0.8％六氯乙烷(C2Cl6)进行精炼，去除表面浮渣，保温10min左右后，扒渣；然后，重新加热到850℃，加入Al-P中间合金，P元素加入量为合金总重的0.1％左右，搅拌,保温15-20min，使Al-P中间合金充分熔化完全；接着加入Al-Dy中间合金和Al-Y中间合金，搅拌10-15min，使Al-Dy中间合金和Al-Y中间合金充分熔化完全，使充分均匀分散在熔体中，将预热后的纯银加入到熔体中，搅拌，保温5min；然后，将熔体由850℃升温至1050℃，保温5分钟，然后冷却至850℃，反复三次；进行熔体过热处理，通过以上过热处理目的是为了调整合金熔体组织结构，最后保温在850℃，进行扒渣，大约保温5分钟左右浇铸，金属型模具浇注前需预热到250℃-350℃，得到相应的铸态铝合金；
再将得到的铸态铝合金在495℃-565℃的温度条件下，保温8小时进行固溶化处理，而后放入50-80℃水中冷却；再放入温度为180℃-200℃的温度条件下进行时效处理保温10小时。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为297MPa；300℃抗拉强度(σb)为195MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为15.8×10-6K-1。
实施例2
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：25wt％；Cu：1.2wt％；Mn：0.8wt％；Ag：2.5wt％；Y：1.0wt％；Dy：0.5wt％；Ni：1.4wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为295MPa；300℃抗拉强度(σb)为190MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为15.7×10-6K-1。
实施例3
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：26wt％；Cu：2.4wt％；Mn：0.5wt％；Ag：3.0wt％；Y：1.2wt％；Dy：1.0wt％；Ni：1.1wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为294MPa；300℃抗拉强度(σb)为189MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为16.1×10-6K-1。
实施例4
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：25wt％；Cu：2.0wt％；Mn：0.6wt％；Ag：2.4wt％；Y：1.3wt％；Dy：0.8wt％；Ni：1.2wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为294MPa；300℃抗拉强度(σb)为188MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为15.6×10-6K-1。
实施例5
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：24wt％；Cu：1.5wt％；Mn：0.4wt％；Ag：2.2wt％；Y：0.8wt％；Dy：0.6wt％；Ni：1.2wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为302MPa；300℃抗拉强度(σb)为198MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为15.3×10-6K-1。
实施例6
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：25wt％；Cu：0.8wt％；Mn：0.8wt％；Ag：2.0wt％；Y：1.5wt％；Dy：1.0wt％；Ni：1.3wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法如下：
按照以下各原料的质量配比选取材料，将纯铝、纯Si、纯铜、纯银、纯Ni，Al-Dy中间合金、Al-Y中间合金、Al-Mn中间合金进行预热，预热温度为130℃～150℃，经过预热处理后，将纯硅打碎成10mm左右的小块，然后用铝箔包起来在200℃左右预热；
然后，将经过预热后的纯铝锭放入熔炼炉中，其中，熔炼炉的内壁表面涂覆有含CeO2的涂料层，且涂料可以采用常规规的涂料即可，如采用石墨材料，再继续进行升温，待炉温达到700℃时，进行保温至金属铝呈熔融态；然后，将预热后的纯Si、纯Ni再加入到熔炼炉内的熔体中，再充分搅拌至其熔化完全，再升温到950℃,并保温20-25min左右，然后，降温至850℃,再将预热后的纯铜和Al-Mn中间合金加入到熔体中，充分搅拌至其熔化完全，并保温5min左右；待合金熔体温度降到740℃时，采用0.5wt％-0.8wt％六氯乙烷(C2Cl6)进行精炼，去除表面浮渣，保温10min左右后，扒渣；然后，重新加热到800℃，加入Al-P中间合金，P元素加入量为合金总重的0.1％左右，搅拌,保温15-20min，使Al-P中间合金充分熔化完全；接着加入Al-Dy中间合金和Al-Y中间合金，搅拌10-15min，使Al-Dy中间合金和Al-Y中间合金充分熔化完全，使充分均匀分散在熔体中，将预热后的纯银加入到熔体中，搅拌，保温5min；然后，将熔体由800℃升温至1100℃，保温5分钟，然后冷却至800℃，反复三次，进行熔体过热处理；通过以上过热处理目的是为了调整合金熔体组织结构，最后保温在800℃，进行扒渣，大约保温5分钟左右，放入金属型模具的型腔内进行浇铸，且模具的型腔内表面涂覆有含含CeO2的涂料层，预先将金属型模具浇注前需预热到250℃-350℃，得到相应的铸态铝合金；
再将得到的铸态铝合金在510℃的温度条件下，保温8小时进行固溶化处理，然后放入50-80℃的水中进行冷却；再放入180℃-200℃的温度条件下进行时效处理保温10小时，得到最终的铝合金。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为315MPa；300℃抗拉强度(σb)为205MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为14.8×10-6K-1。
实施例7
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：24wt％；Cu：1.5wt％；Mn：0.2wt％；Ag：2.2wt％；Y：1.0wt％；Dy：0.8wt％；Ni：1.1wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法同实施例6一致，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为305MPa；300℃抗拉强度(σb)为196MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为15.2×10-6K-1。
实施例8
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：23wt％；Cu：2.0wt％；Mn：0.4wt％；Ag：2.0wt％；Y：1.0wt％；Dy：0.6wt％；Ni：1.2wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法同实施例6一致，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为301MPa；300℃抗拉强度(σb)为192MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为15.5×10-6K-1。
实施例9
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：24wt％；Cu：1.0wt％；Mn：0.2wt％；Ag：2.0wt％；Y：0.7wt％；Dy：1.3wt％；Ni：1.3wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法同实施例6一致，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为314MPa；300℃抗拉强度(σb)为204MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为15.0×10-6K-1。
实施例10
本实施例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：24wt％；Cu：2.0wt％；Mn：0.2wt％；Ag：3.0wt％；Y：1.0wt％；Dy：1.5wt％；Ni：1.4wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法基本上同实施例6一致，区别仅在于熔炼炉和模具的内表面涂覆的含CeO2的涂料层中CeO2的质量含量为1.0wt％～1.2wt％,其它基本相同，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为310MPa；300℃抗拉强度(σb)为206MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为15.3×10-6K-1。
比较例1
为了说明本发明的铝合金中加入的Ag和Y与Dy之间能够起到很好的协同作用，通过不添加入Ag元素进行具体的比较实施例予以说明。
本比较例的真空泵转子用含稀土铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：25wt％；Cu：2.0wt％；Mn：0.6wt％；Y：1.0wt％；Dy：0.5wt％；Ni：1.2wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用含稀土铝合金的具体制备方法同实施例1一致，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为256MPa；300℃高抗拉强度(σb)为158MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为19.2×10-6K-1。
比较例2
为了说明本发明的铝合金中加入的Ag和Dy与Y之间能够起到很好的协同作用，通过不添加入Dy和Y元素进行具体的比较实施例予以说明。
本比较例的真空泵转子用铝合金包括以下成分的质量百分数：
Si：26wt％；Cu：1.5wt％；Mn：0.6wt％；Ag：2.5wt％；Ni：1.1wt％；为余量Al。
以上真空泵转子用铝合金的具体制备方法同实施例6一致，这里不再赘述。
将得到的铝合金进行性能测试，即分别测试室温T6状态的过共晶铝硅合金试棒的拉伸强度和20℃-300℃的热膨胀系数，分别得到室温抗拉强度(σb)为270MPa；300℃高抗拉强度(σb)为183MPa；20℃-300℃的热膨胀系数为18.8×10-6K-1。
从上述实施例和比较例中可以明显看出本发明加入的Ag和Dy及Y之间确实能够起到很好的协同作用，从而使铝合金能够同时达到较高的抗拉强度和低膨胀系数的效果。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。