高強度半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高強度半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法，包括如下步驟：（1）采用真空熔煉爐和電磁攪拌的方法制備含鉺10%的Al-Er中間合金；（2）將步驟（1）制得的鋁鉺中間合金加入到鋁合金熔體中，升高合金溫度至800℃，保溫10min，制得稀土鉺鋁合金熔體；（3）將步驟（2）制得的稀土鉺鋁合金熔體降溫至半固態(tài)溫度區(qū)間，采用機械攪拌的方法進行強烈攪拌10-15min，再將其澆入可控溫模具中進行半固態(tài)等溫處理，隨后逐漸降溫凝固成型。本發(fā)明的優(yōu)點在于，采用稀土Er優(yōu)化合金成分同時結(jié)合半固態(tài)成形新工藝，使得所制得的稀土合金材料不僅強度高、沖型性能好，而且工藝簡單，成本經(jīng)濟，應(yīng)用于汽車、航空、軍工等對材料性能要求較高的領(lǐng)域。
【專利說明】高強度半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁合金材料的制備方法，尤其涉及一種新型半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]新型鋁合金材料是通過設(shè)計、優(yōu)化鋁合金成分以及采用新型的鋁合金成形工藝和方法獲得滿足特殊性能要求的合金。1971年Willey對稀土元素優(yōu)化鋁合金成分的方法進行研究，首次將稀土 Sc應(yīng)用于鋁合金中，其中添加稀土 Sc的鋁鎂合金的強度提高近兩倍；上世紀(jì)70年代美國麻省理工學(xué)院的Flemings教授提出了一種新型的金屬成形方法，即半固態(tài)成形技術(shù)。1978年，美國Alumax公司率先應(yīng)用這一新的成形方法，使用MHD技術(shù)生產(chǎn)出供觸變成形用圓錠，并建立了世界上第一條高度自動化的觸變成形生產(chǎn)線，生產(chǎn)汽車零件。
[0003]目前，我國70 %?80 %高性能鋁合金需要進口，因此，研究和發(fā)展高性能鋁合金是刻不容緩的任務(wù)。工業(yè)鋁合金中主合金元素控制已形成標(biāo)準(zhǔn)體系，從主合金元素調(diào)整來提高合金性能的空間已經(jīng)非常有限。大量研究表明，某些元素少量甚至痕量的存在會顯著影響鋁合金的微觀組織和綜合性能，因此，微合金化是挖掘合金潛力、改善合金性能并進一步開發(fā)新型鋁合金的重要途徑。微合金化元素種類繁多，其所能起的作用和機理也不盡相同，控制微量元素的種類和數(shù)量、充分發(fā)揮微量元素的作用是發(fā)展鋁合金不懈努力的目標(biāo)，也是當(dāng)前鋁合金研究的主要方向之一。在所有微合金化元素中，現(xiàn)有研究表明:Sc微合金化效果顯著，但是，其價格非常昂貴，使得含Sc鋁合金價格大幅增加，難于在工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，因此，必須尋找與Sc有類似作用的廉價而有效的微合金化元素以生產(chǎn)低成本、高強度的鋁合金材料。
[0004]鑒于鋁合金的半固態(tài)加工，可以大幅度減少普通壓鑄方法生產(chǎn)鋁合金零部件時的氣孔、縮松等缺陷，故而眾多學(xué)者和企業(yè)對鋁合金半固態(tài)漿料的制備工藝進行大量的研究，現(xiàn)在常用的制備方式有:機械攪拌法、電磁攪拌法、應(yīng)力誘發(fā)熔體激活法(SIMA)、近液相線鑄造法、超聲振動法、半固態(tài)等溫?zé)崽幚矸ǖ?。其中半固態(tài)等溫?zé)崽幚硎墙觊_發(fā)的一種新方法，用該方法制備半固態(tài)成形用的非枝晶錠料在二次加熱中直接由長條形樹枝晶組織變成為非枝晶錠料，省略了傳統(tǒng)半固態(tài)漿料制備中專門的非枝晶錠料的制備步驟。就現(xiàn)有鋁合金半固態(tài)觸變成形工藝而言，普遍存在著稀土合金化過程中成本過高以及半固態(tài)觸變成形工藝設(shè)備復(fù)雜等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有半固態(tài)觸變成形鋁合金材料制備方法工藝較為復(fù)雜、成本過高，且所制的鋁合金材料強度、硬度和沖型性能難以滿足軍工、航空等高科技領(lǐng)域需求的不足，提供一種高強度半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法，使用該方法所制得的稀土合金材料不僅強度高、沖型性能好，而且該方法工藝簡單，成本經(jīng)濟。[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種高強度半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法，包括如下步驟:(1)采用真空熔煉爐和電磁攪拌的方法制備含鉺10%的Al-Er中間合金；(2)將步驟(I)制得的鋁鉺中間合金加入到鋁合金熔體中，升高合金溫度至800°C，保溫lOmin，制得稀土鉺鋁合金熔體；(3)將步驟(2)制得的稀土鉺鋁合金熔體降溫至半固態(tài)溫度區(qū)間，采用機械攪拌的方法進行強烈攪拌10-15min，再將其澆入可控溫模具中進行半固態(tài)等溫處理，隨后逐漸降溫凝固成型。
[0007]作為優(yōu)選，步驟(3)所述的半固態(tài)等溫處理溫度為550 V?620 V，溫差控制在±3°C之內(nèi)，保溫時間40?60min。
[0008]作為優(yōu)選，步驟(3)所述的半固態(tài)等溫處理溫度為572°C，溫差控制在±1°C之內(nèi)，保溫時間50?55min。
[0009]作為優(yōu)選，所述步驟(3)所述的可控溫模具由若干個側(cè)板模板與底板模板拼接組合而成。
[0010]對比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用稀土 Er優(yōu)化合金成分同時結(jié)合半固態(tài)成形新工藝，獲得高性能的鋁合金。元素Er在鋁合金中可形成納米級Al3Er強化相，比Al3Sc相具有更好的熱穩(wěn)定性，因此在步驟(I)中采用真空熔煉爐和電磁攪拌的方法制備含鉺10%的Al-Er中間合金，可明顯細(xì)化鋁合金的組織、提高鋁合金的再結(jié)晶溫度、促進主強化相的析出，大幅度提高鋁合金的強度或塑性，并通過形成復(fù)合強化相等多層次作用機理，有效地提高鋁合金耐熱性能、抗疲勞性能和耐腐蝕性能等綜合性能。其主要原理為，在鋁合金熔煉過程中，稀土元素Er與合金中的氧、硫、氫、氮、鹵族等元素有較強作用，合金中氫元素在稀土 Er中的溶解度遠(yuǎn)大于合金熔體，因此稀土 Er具有較好的除氫作用，稀土 Er的加入還可以改善合金熔體中雜質(zhì)形態(tài)，促進其上浮，以便有效去除雜質(zhì)，最終凈化了熔體。稀土 Er的加入可以有效的細(xì)化合金的鑄態(tài)晶粒，增加合金的熱穩(wěn)定性，在保證合金塑性不變的情況下，大幅度提高合金的強度和硬度。這主要是由于稀土 Er在合金中以A13Er粒子的形式存在，這種粒子屬于立方晶系、屬Pm3m空間群，可以與鋁基體形成共格或半共格結(jié)構(gòu)，先生成的A13Er粒子可作為合金熔體的結(jié)晶形核的非均質(zhì)核心，提高了合金的形核率，從而導(dǎo)致大量晶粒同時形核長大，產(chǎn)生相互抑制作用，阻礙了晶粒長大，從而細(xì)化了晶粒。由于細(xì)小彌散的A13Er質(zhì)點在晶界和晶內(nèi)析出強化效應(yīng)以及細(xì)晶強化效果使得合金的強度和硬度大幅度提升，有助于獲得具有優(yōu)異性能的新型鋁合金。同時本發(fā)明還利用先進的半固態(tài)觸變成形技術(shù)成形合金，將新型的稀土鉺鋁合金控溫在半固態(tài)溫度區(qū)間(即固液共存區(qū))，而后給合金熔體施加強烈的攪拌和剪切作用，合金在半固態(tài)溫度區(qū)間已經(jīng)部分結(jié)晶形核生長，此時施加強烈攪拌，可以有效的破碎先生成的枝晶或晶粒，形成大量的破碎枝晶和晶粒，這些破碎的晶體可以作為后續(xù)晶粒形核生長的核心，從而有效的細(xì)化了晶粒，進一步提高了鋁合金的強度。相關(guān)試驗表明，在純鋁中添加微量的Er元素能夠起到明顯的時效強化效果，時效峰值硬度達(dá)到410 MPa，相比純鋁的增加了 160 MPa，增加幅度達(dá)到65%。采用可控溫沖型模具，模具在加熱狀態(tài)下沖型，保證了稀土半固態(tài)鋁合金的沖型性能。此外，通過模具直接加熱成形，與傳統(tǒng)成形工藝中必須先將坯料加熱至半固態(tài)溫度區(qū)間，再將半固態(tài)漿料壓入模型的工藝方法相比，工藝更加簡便，操作更為方便。
【專利附圖】

【附圖說明】[0011]圖1為本發(fā)明實施例中可控溫模具的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I為側(cè)板，2為底板?！揪唧w實施方式】
[0012]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0013]實施例1:首先必須制備稀土 Al-Er中間合金，本發(fā)明采用真空熔煉爐和電磁攪拌的方法制備含鉺10%的Al-Er中間合金。將制備好的鋁鉺中間合金加入到鋁合金熔體中，升高合金溫度至800°C，保溫lOmin，以保證稀土元素鉺擴散均勻。之后將制備好的稀土鉺鋁合金降溫至半固態(tài)溫度區(qū)間(固液共存區(qū))，采用機械攪拌的方法進行強烈攪拌10-15min，再將其澆入可控溫模具中進行572°C的溫度下半固態(tài)等溫處理，溫差控制在±1°C之內(nèi)，保溫時間50?55min，隨后逐漸降溫凝固成型。其中，可控溫模具由若干個側(cè)板模板與底板模板拼接組合而成。
[0014]需要說明的是，本發(fā)明實施例，僅用于對本實施原理的解釋和說明，不涉及保護范圍。對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高強度半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟:(I)采用真空熔煉爐和電磁攪拌的方法制備含鉺10%的Al-Er中間合金；(2)將步驟(I)制得的鋁鉺中間合金加入到鋁合金熔體中，升高合金溫度至800°C，保溫lOmin，制得稀土鉺鋁合金熔體；(3 )將步驟(2 )制得的稀土鉺鋁合金熔體降溫至半固態(tài)溫度區(qū)間，采用機械攪拌的方法進行強烈攪拌10-15min，再將其澆入可控溫模具中進行半固態(tài)等溫處理，隨后逐漸降溫凝固成型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述的半固態(tài)等溫處理溫度為550°C?620°C，溫差控制在±3°C之內(nèi)，保溫時間40?60min。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高強度半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法，其特征在于，步驟(3)所述的半固態(tài)等溫處理溫度為572°C，溫差控制在±1°C之內(nèi)，保溫時間50?55min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度半固態(tài)觸變成形稀土鋁合金材料的制備方法，其特征在于步驟(3 )所述的可控溫模具由若干個側(cè)板模板與底板模板拼接組合而成。
【文檔編號】B22D27/04GK103785818SQ201210426481
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月31日
【發(fā)明者】黃光華, 陳榮發(fā), 劉韜 申請人:江蘇萬里活塞軸瓦有限公司