專利名稱：一種Cu-Mn-Zr高強(qiáng)度耐熱鋁合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能、高溫結(jié)構(gòu)金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及ー種微合金化元素及稀土元素的招銅合金材料。
背景技術(shù)：
純鋁的密度小(P = 2. 7g/cm3)，大約是鐵的1/3，熔點(diǎn)低(660°C )，鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各種型材、板材。鋁的抗腐蝕性能好；但是純鋁的強(qiáng)度很低，不宣作結(jié)構(gòu)材料。通過長期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，人們逐漸以加入合金元素及運(yùn)用熱處理等方法來強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。添加一定元素形成的鋁合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度，。，值分別可達(dá)24 60kgf/mm2。這樣使得鋁合金“比強(qiáng)度”(強(qiáng)度與比重的比值。ノ P)勝過很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，鋁合金因其具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，在エ業(yè)上被廣泛使用，成為エ業(yè)中應(yīng) 用最廣泛的ー類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)カ機(jī)械及航空エ業(yè)等方面。鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類變形鋁合金指通過沖壓、彎曲、軋、擠壓等エ藝使其組織、形狀發(fā)生變化的鋁合金。變形鋁合金又分為不可熱處理強(qiáng)化型鋁合金和可熱處理強(qiáng)化型鋁合金兩大類。不可熱處理強(qiáng)化型不能通過熱處理來提高機(jī)械性能，只能通過冷加工變形來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，它主要包括高純鋁、エ業(yè)高純鋁、エ業(yè)純鋁以及防銹鋁等。可熱處理強(qiáng)化型鋁合金可以通過淬火和時(shí)效等熱處理手段來提高機(jī)械性能，物理性能和抗腐蝕性能。它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等。鑄造鋁合金指可用金屬鋳造成形エ藝直接獲得零件的鋁合金，鑄造鋁合金的合金元素含量一般多于相應(yīng)的變形鋁合金的含量，以使合金有相當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，易填充鑄造時(shí)鑄件的收縮縫。鑄造鋁合金按化學(xué)成分可分為鋁硅合金，鋁銅合金，鋁鎂合金，鋁鋅合金和鋁稀土合金。鋁合金的抗拉強(qiáng)度大多數(shù)在250Mpa 350Mpa之間，高于400Mpa的只有鋁銅合金系列的很少幾種牌號，這些合金雖然強(qiáng)度高，但不耐熱，只能在100 200°C范圍內(nèi)具有較好的耐熱性能和高比強(qiáng)度，且添加的是貴重金屬，成本高，如已公開報(bào)道的在Al-Cu合金中添加微量的Ag而形成的Al-Cu-Ag合金其抗拉強(qiáng)度為520Mpa，在180°C時(shí)抗拉強(qiáng)度為375Mpa，但仍然不能滿足其在高溫下的抗拉強(qiáng)度的需求。高強(qiáng)度耐熱鋁合金指其抗拉強(qiáng)度大于480Mpa，又有很好耐熱性能的鋁合金，高強(qiáng)度耐熱高強(qiáng)合金適于在400°C以下的熱環(huán)境中長期承受較大的工作負(fù)荷，這種鋁合金在航空航天、重工機(jī)械等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。目前用于高溫零部件鋳造的鋁合金材料包括鋁銅錳系合金及鋁稀土系合金，鋁銅錳系合金多數(shù)以高純鋁錠為合金的原材料，成本較高，而鋁稀土系合金則在室溫下理學(xué)性能相對較差，目前公開報(bào)道的高強(qiáng)度耐熱鋁合金普遍存在高強(qiáng)度和耐久性不足，硬度滿足不了實(shí)際應(yīng)用的需求，且在鑄造鋁合金處理工藝中存在熔體處理工藝粗放、質(zhì)量差、熱裂傾向大、鑄造性能差、高溫強(qiáng)度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對目前高強(qiáng)度鋁合金領(lǐng)域存在的熔體處理工藝粗放、質(zhì)量差、熱裂傾向大、鋳造性能差等技術(shù)難題，以優(yōu)質(zhì)熔體、固熔體和相圖理論為指導(dǎo)，通過優(yōu)選合金元素Cu、Mn及稀土元素配方，降低合金準(zhǔn)固相溫度范圍，解決鑄造時(shí)熱裂傾向大、制品高溫強(qiáng)度低的帶有普遍性的問題；優(yōu)選低成本多元微合金化元素配方，為固熔體中高溫相和強(qiáng)化相的培育和細(xì)晶化作用創(chuàng)造物質(zhì)基礎(chǔ)條件；以及優(yōu)化熔煉、熱處理工藝技木，實(shí)現(xiàn)固熔體中高溫相和強(qiáng)化相的足量培育和細(xì)晶化作用的充分發(fā)揮。最終研制出一種稀土多元微合金化的Al-Cu新型高強(qiáng)耐熱(鋳造性和變形性)鋁合金材料。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案ー種Cu-Mn-Zr高強(qiáng)度耐熱鋁合金材料，其合金成分主要由Al、Cu、Mn、Cd、Zr、Ni、Co、Ti、B、稀土元素組成，各組分的質(zhì)量百分比為Cu 6. 6 6. 9%，Mn 0. 9—1. 4%, Cd 0. 31 O. 39%, Zr 0. 85 O. 99%, Ni
O. 81 O. 95%,Co 0. 85 O. 95%,Ti 0. 45 O. 49%，B 0. 16 0.2%，稀土元素3· 8 4.8%，余量為Al。所述的稀土元素為單ー稀土元素或兩種以上的混合稀土元素。所述的稀土元素包括Eu、Ce、Pr、Nd、Er、La、Y。優(yōu)選的，所述的合金各組分的質(zhì)量百分比為Cu :6. 7 6.8%，Mn :1. O 1.3%，Cd :0. 33 O. 37%,Zr :0. 87 O. 95%,Ni :0. 84 O. 91%,Co :0. 89 O. 94%,Ti :0. 46 O. 48%, B 0. 17 O. 19%，稀土元素:4. O 4. 5%，余量為 Al。優(yōu)選的，所述的合金各組分的質(zhì)量百分比為Cu 6. 7 6. 8%, Mn :1. 2 I. 3%,Cd :0. 34 O. 36%, Zr :0. 9 O. 93%, Ni :0. 86 O. 9%，Co :0. 9 O. 93%, Ti :0. 46 O. 48%, B 0. 175 O. 18%，稀土元素:4. 2 4. 4%，余量為 Al。Al的熔點(diǎn)只有660. 4°C，Cu、Mn、Cd、Zr、Ti的熔點(diǎn)都在1200°C以上，其中Cd元素的熔點(diǎn)是3440°C，加入上述金屬元素，在高溫處理中能提高鋁合金材料的熔點(diǎn)，改善其鋳造性能。合金的平面內(nèi)各向異性主要受材料的變形特點(diǎn)和組織結(jié)構(gòu)控制，而與材料的晶粒結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。在合金里添加Mn元素改變鋁合金的再結(jié)晶行為，控制合金中的組織結(jié)構(gòu)組份和強(qiáng)度，是減小材料各向異性的重要手段。Cu的含量是影響合金塑性的重要因素，提高Cu含量往往可以提高鋁合金的強(qiáng)度，因此Cu元素在合金中的重量百分比的控制能極大的影響鋁合金的強(qiáng)度。添加了鈦元素的合金可在600°C或更高的溫度下長期使用，能在-196_253°C低溫下保持較好的延性及韌性，避免了金屬冷脆性，而且能顯著提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但是會降低合金的塑性和韌性。在鋼材中添加錳元素，制成的高錳鋼變得既堅(jiān)硬又富有韌性，在鋁合金中加入錳，也能增強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)度和韌度。鋯是冶金エ業(yè)的“維生素”，它在合金冶煉中能發(fā)揮脫氧、除氮、去硫的作用，而且鋯具有很強(qiáng)的延展性，鋁合金里加入鋯，硬度和強(qiáng)度就會驚人地提高。錸的熔點(diǎn)最高，與鋁和其他元素形成合金，能增強(qiáng)合金的延展性能、硬度、抗磨性和抗腐蝕性。稀土元素是非?；顫姷脑兀瑯O易與金屬和非金屬作用，生成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物，稀土元素加入到鋁合金中可起到微合金化的作用。在鋁液中熔入稀土元素，易填補(bǔ)合金相得表明缺陷，降低兩相界面上的表面張力，使合金的組織細(xì)化，改變合金的結(jié)晶條件，稀土元素能與銅、錳等形成穩(wěn)定的難熔金屬化合物，能提高鋁合金的室溫強(qiáng)度、耐熱強(qiáng)度和熔體流動(dòng)性，稀土元素對鋁合金具有良好的變質(zhì)效果。稀土元素的加入能改善鋁合金的鋳造性能，鐵是鋁合金中非常有害的雜質(zhì)，少量的Fe就能形成Al+FeAl3的共晶硅，大多數(shù)含鐵相的結(jié)晶組織都十分粗大，直接影響合金的機(jī)械性能，降低合金的流動(dòng)性，増加組織不均勻性，添加稀土可以改變鐵相的存在形態(tài)，提聞?wù)泻辖鸬蔫T造性能。稀土元素的脫氧能力相當(dāng)強(qiáng)，稀土元素在金屬液中與氧發(fā)生反應(yīng)生成氧化物，稀土元素還能與低熔點(diǎn)的金屬元素化合，上述生成的稀土化合物都具有熔點(diǎn)高、比重輕的特點(diǎn)，當(dāng)它們的熔點(diǎn)高于金屬冶煉溫度時(shí)，能上浮一部分成渣，而留在固態(tài)金屬內(nèi)的部分則能降低其危害性。稀土對氫的吸附カ特別大，能大量吸附和溶解氫，稀土與氫的化合物熔點(diǎn)較高，并且彌散分布于鋁液中，以化合物形成的氫不會聚集形成氣泡，大大降低鋁的含氫量和針孔 率。使用稀土元素作為基礎(chǔ)鋁合金的元素，能充分發(fā)揮稀土元素在合金中的除氣、除渣、浄化作用，細(xì)化晶粒和變質(zhì)作用，提高合金的力學(xué)性能以及耐腐蝕性。在高溫下，合金的晶界是薄弱環(huán)節(jié)，加入微量的硼、鋯和稀土元素可改善晶界強(qiáng)度。這是因?yàn)橄⊥猎啬軟坊Ы?，硼、鋯原子能填充晶界空位，降低蠕變過程中晶界擴(kuò)散速率，提高塑性和強(qiáng)度。在鋁合金里添加稀土元素，能細(xì)化合金的晶粒，新生成的桿狀相在晶界上分布抑制了晶界上的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，穿晶分布的桿狀相可以在兩個(gè)晶粒間起到橋接作用，不僅阻止了晶界的滑移，還阻礙了相鄰晶粒的相對運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了合金的抗拉強(qiáng)度，強(qiáng)化合金的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果具有高強(qiáng)度和高硬度，增強(qiáng)了合金的抗拉強(qiáng)度和延展性，使鋁合金在220°C時(shí)的強(qiáng)度在500Mpa以上，在280°C時(shí)的強(qiáng)度在350Mpa以上，在320°C時(shí)的強(qiáng)度在250Mpa以上；本發(fā)明使用普鋁作為鋁合金的基體，在熔鑄過程中能屏蔽鐵和硅對鋁合金的有害性，降低了生產(chǎn)成本；本發(fā)明的合金具有鑄造鋁合金和變形鋁合金的雙重特性，既可以直接用于鑄造各類輕強(qiáng)功能件和結(jié)構(gòu)件，也可以先鑄成棒材再進(jìn)行熱擠壓成為各種斷面的型材。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例所用Al均為普鋁，其中可能含有O. 01-0. 4%左右的Si、Fe等雜質(zhì)，不影響本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例I :
權(quán)利要求
1.ー種Cu-Mn-Zr高強(qiáng)度耐熱鋁合金材料，其合金成分主要由Al、Cu、Mn、Cd、Zr、Ni、Co、Ti、B、稀土元素組成，各組分的質(zhì)量百分比為Cu :6. 6 6. 9%，Mn :0. 9 I. 4%,Cd :0. 31 O. 39%,Zr :0. 85 O. 99%,Ni :0. 81 O.95%,Co 0. 85 O. 95%,Ti 0. 45 O. 49%,B 0. 16 O. 2%，稀土元素3· 8 4. 8%,余量為Al。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種Cu-Mn-Zr高強(qiáng)度耐熱鋁合金材料，其特征在于，所述的稀土元素為單ー稀土元素或兩種以上的混合稀土元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種Cu-Mn-Zr高強(qiáng)度耐熱鋁合金材料，其特征在于，所述的稀土元素包括 Eu、Ce、Pr、Nd、Er、La、Y。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種Cu-Mn-Zr高強(qiáng)度耐熱鋁合金材料，其特征在于，所述的合金各組分的質(zhì)量百分比為Cu :6· 7 6. 8%，Mn :1· O I. 3%，Cd 0. 33 O. 37%，Zr :O.87 O. 95 %，Ni :0. 84 O. 91 %，Co :0. 89 O. 94 %，Ti :0. 46 O. 48 %，B :0. 17 O.19%,稀土元素-A. O 4. 5%,余量為Al。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種Cu-Mn-Zr高強(qiáng)度耐熱鋁合金材料，其特征在于，所述的合金各組分的質(zhì)量百分比為Cu 6. 7 6. 8%，Mn :1. 2 I. 3%，Cd :0. 34 O. 36%,Zr 0. 9 O. 93%, Ni 0. 86 O. 9%，Co 0. 9 O. 93%, Ti 0. 46 O. 48%, B 0. 175 O.18%,稀土元素4· 2 4. 4%,余量為Al。
全文摘要
本發(fā)明涉及高性能、高溫結(jié)構(gòu)金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微合金化元素及稀土元素的鋁合金材料。采用本發(fā)明制備的鋁合金材料，增強(qiáng)了合金的抗拉強(qiáng)度和延展性，制成的鋁合金具有高強(qiáng)度和高硬度的優(yōu)良性能。本發(fā)明一種Cu Mn-Zr高強(qiáng)度耐熱鋁合金材料，其合金成分主要由Al、Cu、Mn、Cd、Zr、Ni、Co、Ti、B、稀土元素組成，各組分的質(zhì)量百分比為Cu6.6～6.9％，Mn0.9～1.4％，Cd0.31～0.39％，Zr0.85～0.99％，Ni0.81～0.95％，Co0.85～0.95％，Ti0.45～0.49％，B0.16～0.2％，稀土元素3.8～4.8％，余量為Al。
文檔編號C22C21/12GK102828089SQ20111015981
公開日2012年12月19日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月14日
發(fā)明者李瑞師 申請人:湖南晟通科技集團(tuán)有限公司