一種添加稀土元素的高性能鋁合金及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種添加稀土元素的高性能鋁合金，其特征在于，由下列各成分按質量百分比組成：硅6.5-7、鎂0.2-0.25、鐵0.25-0.3、硼0.01-0.012、鈰0.3-0.4、鋅0.1-0.2、廢鋁中間合金粉45-50、余量為鋁；本發明通過優化合金成分，添加稀土元素鈰，可以提高合金的抗拉強度，采用科學合理的熱處理工藝，不僅能提高合金的力學性能，尤其是高溫力學性能；而且能夠提高強化相的穩定性，阻止強化相的析出和長大，細化晶粒，防止裂紋出現，內部不出現氣孔，提高產品成型性以及成品率；本發明制得的鋁合金具有高性能，可焊接性和成形性好等特點，可用于制作發動機氣缸蓋。
【專利說明】
一種添加稀土元素的高性能鋁合金及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及鋁合金領域，特別是一種添加稀土元素的高性能鋁合金及其制備方 法。
【背景技術】
[0002] 鑄造鋁合金具有比容小、強度高、鑄造成形性好和加工性能優良、膨脹系數小和流 動性好等一系列優點，被廣泛應用于汽車、航空、航天以及家電等行業中。目前國內外大部 分轎車發動機缸體、缸蓋已基本采用高強度鋁合金生產，全鋁合金的材質，減輕了車身重量 同時，還增強了發動機的散熱效果，提高了發動機工作效率，而且壽命也更長。從節油的角 度看，鑄鋁發動機在節油方面的優勢頗受人們關注。因為汽車的重量每降低，其耗油量能夠 降低0.6%_1%。為了降低燃料消耗，同時也為了減少汽車尾氣排放對大氣環境的污染，減 輕汽車自重是一個重要的措施。因此，汽車鑄件不斷被輕質鋁鑄件取代已成為發展趨勢。被 用作轎車發動機缸體缸蓋的材料主要有國內的ZL101、ZL104、ZL702A合金及美國的328.0， 法國的A-S5U3,日本的A4CB鋁合金等。雖然傳統牌號的鋁硅合金在普通使用性能上已經能 滿足使用要求，但是當零件處于復雜的應力狀態時，例如在高溫下，材料的晶粒組織粗大， 成分偏析，使得鋁合金氣缸蓋性能不穩定，容易產生熱疲勞，出現開裂等問題，不滿足增壓 發動機的需要。如ZL101雖然合金成分簡單，但其力學性能不高，只能用于強度要求不高的 零件;ZL104的耐熱性比較差等，因此對鑄造鋁合金的研究和開發具有重要的應用意義。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種添加稀土元素的高性能鋁合金及其制備方法。通過研 究制備出一種成分配比科學合理的鋁合金配方，充分利用廢鋁肩，制造成本低，產品性能 高，質量輕的鋁合金材料。
[0004] 為了實現本發明的目的，本發明通過以下方案實施：
[0005] -種添加稀土元素的高性能鋁合金，由下列各成分按質量百分比組成:硅6.5-7、 鎂0.2-0.25、鐵0.25-0.3、硼0.01-0.012、鈰 0.3-0.4、鋅 0.1-0.2、廢鋁中間合金粉45-50、余 量為鋁；
[0006] 所述廢鋁中間合金粉由下列重量份的原料制成:廢鋁肩60-65、錳15-18、銅10-12、 絡6_8、錯7_9、石墨粉2_3、氣化納1.5_2、冰晶石粉1_1.5;制備方法為：（1)將廢錯肩先用永 久磁鐵吸出其中的鐵制品，然后用鐵網篩篩掉其中的塵土和砂子，再用清潔劑除去表面的 油漬，最后放入烘箱烘干水分待用；（2)將表面處理后的廢鋁加入坩堝電阻爐中，升溫至850 °C直至全部熔化，然后降溫至760°C-770°C時用鐘罩壓入銅、錳，保溫30分鐘，繼續調節爐溫 至740°C-750°C，壓入鉻、鋯，攪拌均勻后保溫靜置20分鐘；（3)當爐溫達到730°C時，將石墨 粉、氯化鈉、冰晶石粉加入到金屬液中，攪拌均勻后靜置，保溫靜置40分鐘；（4)扒去浮渣后 將金屬液澆入氣體霧化制粉設備中，制備成粒徑在100μπι以下的粉末即得。
[0007] 本發明所述一種添加稀土元素的高性能鋁合金，由以下具體步驟制備而成：
[0008] (1)將除廢鋁中間合金粉之外的所有成分各自制成細粉備用，將所有工具和模具 在250°C條件下進行與熱處理，備用；
[0009] (2)將鋁粉加入坩堝電阻爐中，升溫至鋁粉完全熔化后迅速升溫至820°C，然后用 鐘罩將硅粉分兩次壓入鋁液并且輕輕攪拌，直至全部熔化后迅速降低爐溫，在760°C-780°C 時壓入廢鋁中間合金粉，保溫40-60分鐘，繼續調節爐溫至730°C-740°C，壓入其余剩余成 分，攪拌均勻后保溫靜置30分鐘；
[0010] (3)將占金屬液質量2-3%的精煉劑用鐘罩壓入金屬液中間高度處，緩慢作圓周并 成傾斜運動，使金屬液均勻翻滾，作用時間約8-9分鐘，靜止4分鐘后，再通過氬氣進行精煉 6-8分鐘，靜置20分鐘，再進行扒渣，扒渣后取樣分析；
[0011] (4)將成分合格的合金液靜置10-20分鐘后，將合金液澆入已預熱的模具中，冷卻 后取出，采用T6熱處理工藝（工藝條件為：固溶處理為500°C，5.5小時，時效處理為180°C，5 小時)進行熱處理，最后得到本發明產品。
[0012] 本發明所述的一種添加稀土元素的高性能鋁合金的制備方法，所述精煉劑由下列 重量份的原料制成:氟化鈉13-16、硝酸鈉18-22、碳粉9-11、三氧化二硼9-10、氟鈦酸鉀15-18、碳酸氫鈉10-13、六氟鋁酸鈉2-4、氯化鈉8-10、輕質耐火磚6-8;制備方法為：（1)將氟化 鈉、硝酸鈉、氯化鈉、氟鈦酸鉀混合均勻后放入高溫電爐中熔化，然后冷卻凝固，再破碎成 200目混合粉末A; (2)將輕質耐火磚破碎后與除碳酸氫鈉之外的其余剩余成分共同放入粉 碎機中粉碎成200目混合粉末B待用；（3)將混合粉末A與混合粉末B混合，加入碳酸氫鈉后放 入擠出造粒機中造粒；（4)將顆粒在烘箱中干燥120-150分鐘，溫度控制在230-240°C，冷卻 后取出即得。
[0013] 本發明的有益效果是:本發明采用廢鋁肩與錳、銅、鉻等元素熔煉制成廢鋁中間合 金粉，替代部分新鋁作為主要元素，可以提高合金的強度以及耐磨性，而且使用廢鋁肩成 分，降低生產成本;在熱處理過程中添加本發明自制的精煉劑，多孔材質利于形成負壓，能 夠充分的與金屬液中氣體進行反應，從而達到脫氣的效果，同時能夠分離金屬渣中材質，并 分解渣中雜質，使金屬渣干性且松散，易扒除渣，防止金屬液二次吸氣及氧化。
[0014] 本發明通過優化合金成分，添加稀土元素鈰，可以提高合金的抗拉強度，采用科學 合理的熱處理工藝，不僅能提高合金的力學性能，尤其是高溫力學性能;而且能夠提高強化 相的穩定性，阻止強化相的析出和長大，細化晶粒，防止裂紋出現，內部不出現氣孔，提高產 品成型性以及成品率;本發明制得的鋁合金具有高性能，可焊接性和成形性好等特點，可用 于制作發動機氣缸蓋。
【具體實施方式】
[0015] 下面通過具體實例對本發明進行詳細說明。
[0016] 一種添加稀土元素的高性能鋁合金，由下列各成分按質量百分比組成:硅6.5、鎂 0.2、鐵0.25、硼0.01、鈰0.3、鋅0.1、廢鋁中間合金粉45、余量為鋁；
[0017] 所述廢鋁中間合金粉由下列重量份(公斤）的原料制成:廢鋁肩60、錳15、銅10、鉻 6、鋯7、石墨粉2、氯化鈉1.5、冰晶石粉1;制備方法為：（1)將廢鋁肩先用永久磁鐵吸出其中 的鐵制品，然后用鐵網篩篩掉其中的塵土和砂子，再用清潔劑除去表面的油漬，最后放入烘 箱烘干水分待用；（2)將表面處理后的廢鋁加入坩堝電阻爐中，升溫至850°C直至全部熔化， 然后降溫至760°C-770°C時用鐘罩壓入銅、錳，保溫30分鐘，繼續調節爐溫至740°C-750°C， 壓入鉻、鋯，攪拌均勻后保溫靜置20分鐘；（3)當爐溫達到730°C時，將石墨粉、氯化鈉、冰晶 石粉加入到金屬液中，攪拌均勻后靜置，保溫靜置40分鐘；（4)扒去浮渣后將金屬液澆入氣 體霧化制粉設備中，制備成粒徑在100μπι以下的粉末即得。
[0018] 本發明所述一種添加稀土元素的高性能鋁合金，由以下具體步驟制備而成：
[0019] (1)將除廢鋁中間合金粉之外的所有成分各自制成細粉備用，將所有工具和模具 在250°C條件下進行與熱處理，備用；
[0020] (2)將鋁粉加入坩堝電阻爐中，升溫至鋁粉完全熔化后迅速升溫至820°C，然后用 鐘罩將硅粉分兩次壓入鋁液并且輕輕攪拌，直至全部熔化后迅速降低爐溫，在760°C-780°C 時壓入廢鋁中間合金粉，保溫40分鐘，繼續調節爐溫至730°C_740°C，壓入其余剩余成分，攪 拌均勻后保溫靜置30分鐘；
[0021] (3)將占金屬液質量3%的精煉劑用鐘罩壓入金屬液中間高度處，緩慢作圓周并成 傾斜運動，使金屬液均勻翻滾，作用時間約8分鐘，靜止4分鐘后，再通過氬氣進行精煉6分 鐘，靜置20分鐘，再進行扒渣，扒渣后取樣分析；
[0022] (4)將成分合格的合金液靜置10分鐘后，將合金液澆入已預熱的模具中，冷卻后取 出，采用T6熱處理工藝(工藝條件為：固溶處理為500°C，5.5小時，時效處理為180°C，5小時） 進行熱處理，最后得到本發明產品。
[0023]本發明所述的一種添加稀土元素的高性能鋁合金的制備方法，所述精煉劑由下列 重量份(公斤）的原料制成:氟化鈉13、硝酸鈉18、碳粉9、三氧化二硼9、氟鈦酸鉀15、碳酸氫 鈉10、六氟鋁酸鈉2、氯化鈉8、輕質耐火磚6;制備方法為：（1)將氟化鈉、硝酸鈉、氯化鈉、氟 鈦酸鉀混合均勻后放入高溫電爐中熔化，然后冷卻凝固，再破碎成200目混合粉末A; (2)將 輕質耐火磚破碎后與除碳酸氫鈉之外的其余剩余成分共同放入粉碎機中粉碎成200目混合 粉末B待用；（3)將混合粉末A與混合粉末B混合，加入碳酸氫鈉后放入擠出造粒機中造粒； (4)將顆粒在烘箱中干燥120分鐘，溫度控制在230-240°C，冷卻后取出即得。
[0024]將本發明產品加工成直徑為6mm的標準拉伸試樣，與ZL702A型鋁合金進行比較，根 據GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T4338-2006《金屬材料高溫拉伸試驗 方法》測試室溫性能和250°C下的高溫性能，高溫性能測試20分鐘，結果如下表：
[0025]
【主權項】
1. 一種添加稀土元素的高性能鋁合金，其特征在于，由下列各成分按質量百分比組成： 硅6.5-7、鎂0.2-0.25、鐵0.25-0.3、硼0.01-0.012、鈰 0.3-0.4、鋅 0.1-0.2、廢鋁中間合金粉 45-50、余量為鋁； 所述廢鋁中間合金粉由下列重量份的原料制成:廢鋁肩60-65、錳15-18、銅10-12、鉻6- 8、錯7_9、石墨粉2_3、氣化納1.5_2、冰晶石粉1_1.5;制備方法為：（1)將廢錯肩先用永久磁 鐵吸出其中的鐵制品，然后用鐵網篩篩掉其中的塵土和砂子，再用清潔劑除去表面的油漬， 最后放入烘箱烘干水分待用；（2)將表面處理后的廢鋁加入坩堝電阻爐中，升溫至850Γ直 至全部熔化，然后降溫至760°C-770°C時用鐘罩壓入銅、錳，保溫30分鐘，繼續調節爐溫至 740 °C -750 °C，壓入鉻、鋯，攪拌均勻后保溫靜置20分鐘；（3)當爐溫達到730 °C時，將石墨粉、 氯化鈉、冰晶石粉加入到金屬液中，攪拌均勻后靜置，保溫靜置40分鐘；（4)扒去浮渣后將金 屬液澆入氣體霧化制粉設備中，制備成粒徑在100μπι以下的粉末即得。2. 根據權利要求1所述一種添加稀土元素的高性能鋁合金，其特征在于，由以下具體步 驟制備而成： (1) 將除廢鋁中間合金粉之外的所有成分各自制成細粉備用，將所有工具和模具在250 °C條件下進行與熱處理，備用； (2) 將鋁粉加入坩堝電阻爐中，升溫至鋁粉完全熔化后迅速升溫至820°C，然后用鐘罩 將硅粉分兩次壓入鋁液并且輕輕攪拌，直至全部熔化后迅速降低爐溫，在760°C-78(TC時 壓入廢鋁中間合金粉，保溫40-60分鐘，繼續調節爐溫至730°C-740°C，壓入其余剩余成分， 攪拌均勻后保溫靜置30分鐘； (3) 將占金屬液質量2-3%的精煉劑用鐘罩壓入金屬液中間高度處，緩慢作圓周并成傾 斜運動，使金屬液均勻翻滾，作用時間約8-9分鐘，靜止4分鐘后，再通過氬氣進行精煉6-8分 鐘，靜置20分鐘，再進行扒渣，扒渣后取樣分析； (4) 將成分合格的合金液靜置10-20分鐘后，將合金液澆入已預熱的模具中，冷卻后取 出，采用T6熱處理工藝（工藝條件為：固溶處理為500°C，5.5小時，時效處理為180°C，5小 時)進行熱處理，最后得到本發明產品。3. 根據權利要求2所述的一種添加稀土元素的高性能鋁合金的制備方法，其特征在于， 所述精煉劑由下列重量份的原料制成:氟化鈉13-16、硝酸鈉18-22、碳粉9-11、三氧化二硼 9-10、氟鈦酸鉀15-18、碳酸氫鈉10-13、六氟鋁酸鈉2-4、氯化鈉8-10、輕質耐火磚6-8;制備 方法為：（1)將氟化鈉、硝酸鈉、氯化鈉、氟鈦酸鉀混合均勻后放入高溫電爐中熔化，然后冷 卻凝固，再破碎成200目混合粉末A; (2)將輕質耐火磚破碎后與除碳酸氫鈉之外的其余剩余 成分共同放入粉碎機中粉碎成200目混合粉末B待用；（3)將混合粉末A與混合粉末B混合， 加入碳酸氫鈉后放入擠出造粒機中造粒；（4)將顆粒在烘箱中干燥120-150分鐘，溫度控制 在230-240°C，冷卻后取出即得。
【文檔編號】C22C21/00GK105986136SQ201610077443
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年2月1日
【發明人】張新南
【申請人】安徽乾通教育制造有限公司