含稀土钐的高强变形铝合金及其制备方法与流程

本发明属于金属材料
技术领域：
，涉及含稀土钐的高强变形铝合金及其制备方法。
背景技术：
：金属铝及铝合金作为目前工业应用中轻质的金属材料，由于其具有优良的铸造性、比刚度、比强度、很好的切削加工性以及较高的阻尼系数和出色的电磁屏蔽性能，使其在汽车、航空、电子等领域应用潜力巨大，成为世界各国汽车、飞机等行业的制造商们竞相研究开发的21世纪新型绿色材料之一。然而传统铝合金的强度不高，严重限制了铝合金的应用，因此，开发高强铝合金具有重要意义。现有的耐热铝合金研究主要从限制位错运动和强化晶界入手，通过适当的合金化，通过引入热稳定性高的第二相、降低元素在铝基体中的扩散速率或者改善晶界结构状态和组织形态等手段，来实现提高铝合金高温性能的目的。目前，在所有合金元素中，稀土(re)是提高铝合金高温性能最有效的合金元素。大部分稀土元素在铝中具有较高的固溶度极限，而且随温度下降，固溶度逐渐下降，从而在随后的时效过程中析出弥散的、高熔点的稀土化合物相；稀土元素还可以细化晶粒、提高室温强度，而且分布在晶内和晶界(主要是晶界)的弥散的、高熔点稀土化合物，在高温时仍能对晶内位错运动和晶界滑移起到钉扎作用，从而提高铝合金的高温性能；同时，稀土元素在铝基体中的扩散速率较慢，这使得含稀土铝合金适于在较高温度环境下工作。作为铝和稀土资源大国，中国关于含稀土铝合金的研究近年来不断增多和深入，稀土铝合金的成功研发将有助于我们利用这一优势。目前发展较为成功的商业稀土铝合金，其存在的主要不足是稀土含量过高，导致成本过高，其应用受到严重的限制。因此，开发新型低成本高性能变形稀土铝合金在国防军工、航空航天、汽车和轨道交通等高技术产业中具有十分重要的应用价值。技术实现要素：本发明的目的是为了解决现有的铝合金力学性能差的问题，而提供含稀土钐的高强变形铝合金及其制备方法。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明首先提供一种含稀土钐的高强变形铝合金化学成分组成的质量百分比如下:mg:1.5-2.5wt.％，si:0.5-1.5wt.％，cu:0.2-1.2wt.％，sm:0.1-0.5wt.％，余量为al。本发明还提供一种含稀土钐高强变形铝合金的制备方法，包括以下步骤：(1)铝合金铸锭制备：纯al、mg、si和al-cu、al-sm中间合金配料，并铸造成铝合金铸锭；(2)挤压坯料制备：将上述铝合金铸锭在520-560℃均匀化处理6-14h，并加工成挤压坯料；(3)挤压型材制备：将上述挤压坯料和挤压模具在470-500℃电阻炉中预热0.5h，挤压机在400-500℃预热1-2h，挤压比为8:1-20:1，挤压速度为10-15m/min，经塑性变形制备成挤压型材；(4)时效处理：将上述挤压型材在180-220℃热处理10-24h，得到含稀土钐高强变形铝合金。优选的是，所述步骤(1)中铝合金铸锭制备方法，包括以下步骤：(1)将纯al、mg、si和al-30cu、al-25sm中间合金的原料，在温度为300℃，时间为1h进行烘干；(2)将纯铝锭在680-700℃下完全熔化后，得到铝熔液；(3)在720-740℃，将纯mg、si和al-cu、al-sm中间合金加入铝熔液中，得到合金熔液；(4)通入预热后的ar气进行精炼，待温度降低到700-720℃，静置20min，刮除熔体表面的浮渣，在预热后的水冷钢模具中浇铸，得到铝合金铸锭；本发明的有益效果：本发明首先提供一种含稀土钐的高强变形铝合金，该合金组分为al-mg-si-cu-sm，本发明采用稀土sm元素为重要合金部分分，sm在铝中的固溶度较大，最大固溶度为5.8wt.％，高于nd，pr，ce和la等稀土元素，具有较好的固溶强化作用和析出强化作用。sm与al形成的第二相al3sm主要分布在铸造合金的晶界上，能够有效细化晶粒，经过热挤压变形，被挤碎的细小al3sm颗粒相均匀的分布在基体中，促进合金发生动态再结晶，有效的阻碍晶粒长大，合金组织进一步被细化，可以大大提高合金强度。在合金中加入一定量的mg和si元素，可以促进细小析出mg2si相在时效处理过程中的弥散析出，能够阻碍基面位错移动，从而进一步提高合金强度。cu元素也能够有效细化晶粒，形成(cual2)相和(cumgal2)相进而提高合金强度。本发明的含稀土钐高强变形铝合金具有优异的力学性能，以al-mg-si-cu-sm合金为例，其室温屈服强度和抗拉强度分别为315mpa和423mpa。本发明还提供一种含稀土钐高强变形铝合金的制备方法，与现有技术相比，本发明所用设备均为常规通用设备，工艺简单，操作方便，成本较低，便于推广应用。此外，sm的价格相对gd，y，nd较低，且用量较低，合金成本大大降低。具体实施方式：本发明首先提供一种含稀土钐的高强变形铝合金，其组成及各组成的质量百分比如下：mg:1.5-2.5wt.％，si:0.5-1.5wt.％，cu:0.2-1.2wt.％，sm:0.1-0.5wt.％，余量为al。本发明还提供一种含稀土钐高强变形铝合金的制备方法，该铝合金是以纯al、mg、si和al-30cu、al-25sm中间合金为原料熔炼铸造、均匀化处理、热挤压及时效处理制备而成，包括以下步骤：(1)铝合金铸锭制备将纯al、mg、si和al-30cu、al-25sm中间合金的原料配料，并铸造成铝合金铸锭；(2)挤压坯料制备：将上述铝合金铸锭在520-560℃均匀化处理6-14h，并加工成挤压坯料；(3)挤压型材制备：将上述挤压坯料和挤压模具在470-500℃电阻炉中预热1-2h，挤压机在400-500℃预热1-2h，挤压比为8:1-20:1，挤压速度为10-15m/min，经塑性变形制备成挤压型材；(4)时效处理：将上述挤压型材在180-220℃热处理10-72h，得到含稀土钐高强变形铝合金。优选的是，所述步骤(1)中铝合金铸锭制备方法，包括以下步骤：(1)将纯al、mg、si和al-30cu、al-25sm中间合金的原料进行烘干；所述的烘干温度优选为300-400℃，烘干时间优选为1-2h；(2)将纯铝锭在680-700℃下完全熔化后，得到铝熔液；(3)在720-740℃，将纯mg、si和al-cu、al-sm中间合金加入铝熔液中，搅拌5-10min使之完全熔化且均匀分布，得到合金熔液；(4)通入预热后的ar气进行精炼，待温度降低到700-720℃，静置20min，刮除熔体表面的浮渣，在预热后的水冷钢模具中浇铸，得到铝合金铸锭；下面结合具体实施例对本发明作详细阐述，应说明的是以下实施例是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，本发明的保护范围不限于以下实施例。实施例1本实施例高强变形铝合金由以下质量百分比的组分组成：mg:1.5wt.％，si:0.5wt.％，cu:0.2wt.％，sm:0.1wt.％，余量为al及不可避免的杂质。本实施例高强变形铝合金的制备包括以下步骤：(1)铝合金铸锭制备：纯al、mg、si和al-30cu、al-25sm中间合金的原料，按上述质量百分比配料进行烘干；烘干温度优选为300℃，烘干时间优选为1h；将烘干好的纯al锭放入预热400-500℃坩埚中随炉升温，直至完全熔化，温度控制在710℃，得到铝熔液；将烘干好的mg、si和al-30cu、al-25sm中间合金加入到铝熔液中，温度控制在730℃，完全熔化后搅拌3分钟，得到合金熔液；通入预热后的ar气进行精炼，精炼5min，将熔体降温至710℃，静置30min，刮除熔体表面浮渣，在预热后的水冷模具中浇铸，得到铝合金铸锭。(2)挤压坯料制备：将上述铝合金铸锭在540℃均匀化处理8h，并加工成挤压坯料。(3)挤压型材制备：将上述挤压坯料和挤压模具在470℃电阻炉中预热2h，挤压机在450℃预热2h，挤压比为8:1，挤压速度为10m/min，经塑性变形制备成挤压型材。(4)时效处理：将上述挤压型材在180℃、200℃、220℃热处理10h、16h、20h、24h、36h、48h、60h、72h，得到含稀土钐的高强变形铝合金。图1为本发明实施例1铝合金挤压态微观组织扫描电镜照片，图1表明，挤压态合金的再结晶晶粒非常细小、均匀，且挤碎的小尺寸第二相分布在基体中。图2为本发明实施例1铝合金挤压态微观组织透射电镜照片(a图)及对应的选取电子衍射图(b图)。图2表明，挤压时效态合金中存在小尺寸的第二相，分析选区电子衍射，该第二相为面心立方结构的al3sm相，同时，在基体中还有纳米尺寸的析出相弥散分布，能够有效阻碍基面位错滑移，从而提高合金强度。因此，本发明所述合金的主要强化机制为细晶强化和时效强化。实施例2本实施例2与实施例1不同的是：所述合金组分质量百分含量为mg:2.0wt.％，si:1.0wt.％，cu:0.5wt.％，sm:0.2wt.％，余量为al及不可避免的杂质。实施例3本实施例3与实施例1不同的是：所述合金组分质量百分含量为mg:2.5wt.％，si:1.5wt.％，cu:0.9wt.％，sm:0.3wt.％，余量为al及不可避免的杂质。实施例4本实施例4与实施例1不同的是：所述合金组分质量百分含量为mg:2.0wt.％，si:1.0wt.％，cu:0.9wt.％，sm:0.4wt.％，余量为al及不可避免的杂质。实施例5本实施例5与实施例1不同的是：所述合金组分质量百分含量为mg:2.0wt.％，si:1.5wt.％，cu:0.9wt.％，sm:0.5wt.％，余量为al及不可避免的杂质。实施例6本实施例6与实施例1不同的是：所述合金组分质量百分含量为mg:2.5wt.％，si:1.5wt.％，cu:1.2wt.％，sm:0.5wt.％，余量为al及不可避免的杂质。取上述实施例1-6铝合金棒材进行室温拉伸性能测试，实验结果见表1。表1本发明所述含稀土钐高强变形铝合金的室温力学性能合金抗拉强度屈服强度延伸率实施例13912857.8实施例24023079.2实施例34153089.7实施例44233159.2实施例54093128.4实施例64113088.1由上表可见，本发明的合金具有较高的力学性能，最高抗拉强度达420mpa以上，可以满足铝合金在国防军工、航空航天、汽车和轨道交通等高技术产业的应用要求。当前第1页12