一种Al-Mg-Mn-Cu合金及其制备方法与流程

本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种al-mg-mn-cu合金及其制备方法。

背景技术：

铝合金的微合金化改性主要集中在对铝合金原有性能等方面的提高上，如增加铝合金的延伸率或强度，或提高导电铝合金的强度，提高合金材料的均匀化再结晶温度等，在使用微合金化提高铝合金综合性能的同时，对于提高铝合金的流动性，改变铝合金的凝固温度范围方面未见报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种al-mg-mn-cu合金及其制备方法，本发明提供的al-mg-mn-cu合金具有良好的流动性以及力学性能，综合性能好。

本发明提供了一种al-mg-mn-cu合金，成分为：

2.3～3wt％的mg；

0.1～0.5wt％的cu；

0.1～0.5wt％的ho；

0.2～1wt％的ce；

0.01～0.2wt％的ti；

0.05～0.3wt％的zr；

0.1～0.3wt％的mn；

余量为al。

在本发明中，所述ho的质量含量优选为0.2～0.4％，更优选为0.3％。

在本发明中，所述ce的质量含量优选为0.3～0.9％，更优选为0.4～0.8％，更优选为0.5～0.7％，最优选为0.6％。

在本发明中，所述ti的质量含量优选为0.03～0.16％，更优选为0.06～0.13％，更优选为0.08～0.11％，最优选为0.09～0.1％。

在本发明中，所述zr的质量含量优选为0.1～0.25％，更优选为0.15～0.2％，最优选为0.16～0.18％。

在本发明中，所述mg的质量含量优选为2.5～2.8％，更优选为2.5～2.6％，最优选为2.5％。

在本发明中，所述mn的质量含量优选为0.15～0.3％，更优选为0.2～0.3％，最优选为0.3％。

在本发明中，所述cu的质量含量优选为0.2～0.4％，更优选为0.2～0.3％，最优选为0.2％。

在本发明中，所述al-mg-mn-cu合金优选为al-2.5％mg-0.3％mn-0.2％cu合金。在本发明中，所述ho的质量含量优选为0.1～0.5％，ce的质量含量优选为0.2～1％，zr的质量含量优选为0.05～0.3％，ti的质量含量优选为0.01～0.1％。

在本发明中，为了保证al-mg-mn-cu合金的力学性能，ho、ce及ti、zr元素含量优选按照一定比例。在本发明中，所述ho和ce总的质量含量：ti的质量含量：zr的质量含量优选为(3～6)：1:2，更优选为(3.5～5.5):1:2，最优选为(4～5)：1:2。

在本发明中，所述ho和ce总的质量含量优选≥0.4％；所述ti和zr总的质量含量优选≥0.2％。在本发明中，所述mg的质量含量优选为2.5wt％，同时ho和ce总的质量含量优选≥0.5％，同时ho和ce总的质量含量：ti的质量含量：zr的质量含量优选为(3～6)：1:2。

在本发明中，所述al-mg-mn-cu合金的成分优选为：2.5wt％的mg，0.3wt％的mn，0.2wt％的cu，0.4wt％的ho，0.3wt％的ce，0.2wt％的zr，0.1wt％的ti，余量为al。

本发明采用合适的合金化元素，既能对铝合金基体起到强化作用，又能形成伪共晶过渡相使合金的流动性增加，从而提高合金的综合性能。

本发明尝试以微合金化作为诱因，使铝合金中的主要合金成分凝固析出顺序发生改变，进而引起室温下固溶度变化，从而使其性能发生变化。经过发明人的大量研究发现，在ho、ce、ti、zr的复合变质作用下，使al-mg-mn-cu合金具有优异的铸造流动性、致密性，窄的温度区间和独特的综合机械性能。本发明在ho、ce、ti、zr多种微合金化元素的共同作用下，固溶于铝合金中，有选择性的成为α相形核核心，有选择性的与主要合金元素mg、mn、cu析出物组成复杂成分的gp区并聚集在α相晶界，gp区与α相析出物组成了伪共晶以致合金的结晶温度区间变窄，流动性增强，晶粒变小，形成了细晶强化、弥散强化和过渡相强化的作用。

本发明提供了一种上述的技术方案所述的al-mg-mn-cu合金的制备方法，包括：

将al源、mg源、ho源、zr源、mn源、cu源、ce源和ti源进行熔炼，得到合金液；

将所述合金液进行压铸，得到al-mg-mn-cu合金。

在本发明中，所述al源优选为工业纯铝。

在本发明中，所述mg源优选为工业镁锭。

在本发明中，所述ho源优选为ho金属，所述ho金属的纯度优选为97～99％，更优选为98％。

在本发明中，所述zr源优选为mg-zr中间合金，所述mg-zr中间合金中zr的质量含量优选为25～35％，更优选为28～32％，最优选为30％。

在本发明中，所述mn源优选为al-mn中间合金，所述al-mn中间合金中mn的质量含量优选为15～25％，更优选为18～22％，最优选为20％。

在本发明中，所述cu源优选为al-cu中间合金，所述al-cu中间合金中cu的质量含量优选为45～55％，更优选为48～52％，最优选为50％。

在本发明中，所述ce源优选为富ce混合稀土。

在本发明中，所述ti源优选为氟钛酸盐。

在本发明中，所述al源、mg源、ho源、zr源、mn源、cu源、ce源和ti源的用量使制备得到的al-mg-mn-cu合金的成分满足上述技术方案所述的al-mg-mn-cu合金成分要求即可。

在本发明中，所述熔炼优选在中频感应炉中进行。在本发明中，所述熔炼的温度优选为830～870℃，更优选为840～860℃，最优选为850℃。

本发明需要使合金在具有良好力学性能的同时具备低的凝固温度范围、高流动性以及压铸组织的致密性，熔炼过程优选对工艺进行控制和调整，优选对合金元素的加入顺序以及加入比例进行调整。在本发明中，所述熔炼的方法优选为:

将al源、mn源和cu源加热至850℃，再加入ti源覆盖后搅拌熔化，然后再加入ho源和ce源，再加入zr源和mg源，完成合金化后精炼除渣。

本发明对所述精炼除渣的方法没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的铝合金制备过程中精炼、除渣的技术方案即可。

在本发明中，所述压铸的设备优选为压铸机，更优选为d350东芝压铸机。在本发明中，所述压铸的温度优选为660～700℃，更优选为670～690℃，最优选为680℃。在本发明中，所述压铸的速度优选为1～2m/s，更优选为1.2～1.8m/s，更优选为1.4～1.6m/s，最优选为1.5m/s。在本发明中，所述压铸的模温优选为260～300℃，更优选为270～290℃，最优选为280℃。

本发明提供的方法制备得到的合金在铸态下具有自淬火特性，自然时效7天，可实现拉伸强度及屈服强度均提高25～30％，延伸率可提高到20～30％。

在本发明中，所述压铸完成后优选将得到的压铸产品进行时效处理。在本发明中，所述时效处理的温度优选为180～220℃，更优选为190～210℃，最优选为200℃；所述时效的时间优选为6～10小时，更优选为7～9小时，最优选为8小时。在本发明中，所述时效的冷却方式优选为空冷。

本发明提供的al-mg-mn-cu合金中微合金化元素比例合适，在压铸条件下，除作为凝固成核核心的成分外，优先析出的微合金化成分与主要成分析出的mg形成连续弯曲晶界复杂相和α相共生形成伪共晶，并以固溶强化、弥散强化和微晶强化提高机械性能，如图1所示的显微组织。如果本发明中的一些微合金成分用量超出本发明的范围，可能形成割裂晶界的粗大硬相造成延伸率下降，结晶温度区间变宽，流动性下降，从而使合金的致密性和晶粒的均匀性变差，如比较例1。

本发明在al-mg-mn-cu合金中按一定比例和一定的合金化顺序添加ho、ce、ti、zr元素并配合使用相应的熔炼工艺，在ho、ce、ti、zr的复合变质作用下，使获得的铝合金具有优异的流动性和致密性，同时具有良好的力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明测试合金流动性装置的结构示意图；

图2为本发明测试合金流动性装置的浇杯结构示意图；

图3为本发明测试合金流动性装置的螺旋浇道结构示意图；

图4为本发明实施例2制备的合金的显微组织金相图片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明以下实施例制备得到的合金按照gb/t7999-2007《铝及铝合金光电直读光谱仪分析》及gb/t20975.25-2008《铝及铝合金化学分析方法第25部分：电感耦合等离子体原子发射光谱法》，采用直读光谱仪和icp(发射光谱仪)进行合金成分的检测。

本发明以下实施例制备得到的合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率力学性能按照gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，采用万能试验机进行检测。

本发明以下实施例中测试合金流动性的方法为：

将螺旋流动长度测量装置(铸铁材质)放入箱式炉内预热至200℃待用；将制备合金过程中的金属液在680℃下保温，试验时，用浇勺取合金液浇入测量装置的浇杯中，使其溢过出料口30mm，让合金液自由流动，当合金液完全凝固后将凝固金属螺旋样连同浇杯一起取出，测量螺旋长度。螺旋流动长度测量装置的结构和尺寸的示意图如图1所示，图2为浇杯的结构和尺寸示意图，图3为螺旋浇道的结构和尺寸示意图，其中螺旋浇道相邻两条螺纹之间的距离为20mm，图1～图3中的尺寸单位为毫米(mm)。

本发明以下实施例所用原料均为市售商品。

实施例1

在中频感应电炉中熔炼，将工业纯al、al-20％mn中间合金和al-50％cu中间合金按照预制合金成分配比熔化加热至850℃，按照预制合金成分配比加入氟钛酸盐覆盖后搅拌熔化，并加入纯度为98％的ho金属块和富ce混合稀土，然后加入mg-30％zr中间合金和工业mg锭，进行精炼除渣，得到合金液。

将得到的合金液在电阻炉内680℃保温，采用d350东芝压铸机压铸成20×100×2.5mm的片状试片，压铸速度为1.5m/s，模温280℃。

将压铸后得到的试片在200℃进行8小时的时效处理后空冷，得到合金件。

按照上述技术方案所述的方法，测试本发明实施例1制备得到的合金件成分。经检测，本发明实施例1制备得到的合金件成分结果为：2.51wt％的mg，0.29wt％的mn，0.18wt％的cu，0.17wt％的ho，0.2wt％的ce，0.09wt％的zr，0.08wt％的ti，余量为al。

按照上述技术方案所述的方法对本发明实施例1制备得到的合金力学性能以及流动性进行检测，检测结果如表1所示，表1为本发明实施例和比较例制备的合金的性能检测结果。

实施例2

按照实施例1所述的方法制备得到合金件，与实施例1的区别在于，制备得到的合金件的成分为：2.55wt％的mg，0.25wt％的mn，0.19wt％的cu，0.36wt％的ho，0.3wt％的ce，0.18wt％的zr，0.12wt％的ti，余量为al。

对本发明实施例2制备得到的合金件进行金相组织检测，检测结果如图4所示。

按照上述技术方案所述的方法对本发明实施例2制备得到的合金的力学性能以及流动性进行检测，检测结果如表1所示。

比较例1

按照实施例1所述的方法制备得到合金件，与实施例1的区别在于，制备得到的合金件的成分为：2.53wt％的mg，0.26wt％的mn，0.18wt％的cu，0.55wt％的ho，0.35wt％的ce，0.21wt％的zr，0.13wt％的ti，余量为al。

按照上述技术方案所述的方法对本发明比较例1制备得到的合金件的力学性能以及流动性进行检测，检测结果如表1所示。

比较例2

按照实施例1所述的方法制备得到合金件，与实施例1的区别在于，制备得到的合金件的成分为：2.5wt％的mg，0.3wt％的mn，0.2wt％的cu，0.3wt％的ce，0.15wt％的ti，余量为al。

按照上述技术方案所述的方法对本发明比较例2制备得到的合金件的力学性能以及流动性进行检测，检测结果如表1所示。

比较例3

按照实施例1所述的方法制备得到合金件，与实施例1的区别在于，制备得到的合金件的成分为：2.5wt％的mg，0.3wt％的mn，0.2wt％的cu，0.25wt％的ce，0.2wt％的zr，余量为al。

按照上述技术方案所述的方法对本发明比较例3制备得到的合金件的力学性能以及流动性进行检测，检测结果如表1所示。

比较例4

按照实施例1所述的方法制备得到合金件，与实施例1的区别在于，制备得到的合金件的成分为：2.5wt％的mg，0.3wt％的mn，0.2wt％的cu，0.4wt％的ho，余量为al。

按照上述技术方案所述的方法对本发明比较例4制备得到的合金件的力学性能以及流动性进行检测，检测结果如表1所示。

比较例5

按照实施例1所述的方法制备得到合金件，与实施例1的区别在于，制备得到的合金件的成分为：2.45wt％的mg，0.25wt％的mn，0.2wt％的cu，余量为al。

按照上述技术方案所述的方法对本发明比较例5制备得到的合金件的力学性能以及流动性进行检测，检测结果如表1所示。

比较例6

按照实施例1所述的方法制备得到合金件，与实施例1的区别在于，制备得到的合金件的成分为：4.5wt％的mg，0.25wt％的mn，0.18wt％的cu，0.35wt％的ho，0.32wt％的ce，0.2wt％的zr，0.1wt％的ti，余量为al。

按照上述技术方案所述的方法对本发明比较例6制备得到的合金件的力学性能以及流动性进行检测，检测结果如表1所示。

比较例7

外购adc12铸造al-si12合金。

按照上述技术方案所述的方法对本发明比较例7提供的合金的力学性能以及流动性进行检测，检测结果如表1所示。

表1本发明实施例和比较例制备得到的合金性能检测结果

由表1可知，本发明中的合金成分以及成分含量的合金具有较佳的流动性和力学性能的综合性能，单独添加某一种或两种微量成分，或者合金成分比例不在本发明的范围获得的合金不能在力学性能和流动性上获得有效平衡。以实施例2制备的合金性能最佳，不仅抗拉强度、屈服强度高、延伸率高，而且流动性也很好。

由以上实施例可知，本发明提供了一种al-mg-mn-cu合金，成分为：2.3～3wt％的mg；0.1～0.5wt％的cu；0.1～0.5wt％的ho；0.2～1wt％的ce；0.01～0.2wt％的ti；0.05～0.3wt％的zr；0.1～0.3wt％的mn；余量为al；所述ho和ce总的质量含量：ti的质量含量：zr的质量含量为(3～6)：1:2。本发明采用合适的合金化元素并合理控制合金元素的用量比例，既能对铝合金基体起到强化作用，又能形成伪共晶过渡相使合金的流动性增加，从而提高合金的综合性能。