[发明专利]Al-Er-Zr合金及其时效强化工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种经过微合金化的铝合金材料及其热处理工艺，属于金属合金技术领域。

技术背景

近年来，国内外大量学者对稀土元素在铝合金中的作用做了大量的研究。这些研究主要集中在La、Ce、Y、Sc、Zr和混合稀土对铝合金的的影响，其中对稀土元素Sc研究最为深入，在Al-Si系、Al-Zn-Mg系及Al-Mg系等铝合金中添加Sc均取得了令人满意的研究结果。然而，添加Sc大大增加了铝合金的生产成本，使含Sc铝合金在工业中的应用受到了限制。将Er加入到铝合金中，能生成与Al₃Sc作用相同的Ll₂结构的Al₃Er相，可以提高铝合金的再结晶温度，更能有效的起到细晶强化和弥散强化等积极作用，提高铝合金的综合使用性能。而且Er的价格比较便宜，在铝合金中添加少量的Er元素不会大幅度提高生产成本，能够广泛应用于工业生产中。然而，在常规铸锭冶金的凝固过程中Er在铝合金中的固溶度有限，限制了其作用的进一步提高。通过复合添加其它能够生成Ll₂结构析出相的合金元素有可能提高析出密度，从而进一步发挥合金化的作用。除了Sc以外，Zr是一种能够生成亚稳L1₂结构析出相的合金元素，但是Zr本身的析出过程非常缓慢，尤其是成份较低的情况下需要几千个小时才能充分析出。和Er复合微合金化后，在Al3Er相的诱导下有可能使得其析出过程提前。因此Er，Zr复合有可能充分发挥各自的作用，起到良好的合金化效果。本发明正是在基于以上考虑的情况下，设计了Al-Er-Zr合金，寻找其合适的成份范围和相应的热处理工艺。

发明内容

本发明的目的在于通过复合微合金化的方法，寻找一种和Er协同发挥强化作用的微合金化元素，对铝或者铝合金基体起到强化作用，从而提高铝合金的性能。

本发明所提供的Al-Er-Zr合金，其特征在于铝基体中加入了0.09～0.3％(重量百分比)的Er，0.08～0.3％(重量百分比)的Zr，其最大成份均为该元素的最大固溶度，这样才能通过铸锭冶金的方法和常规的固溶时效工艺来获得合金并改善其性能。

以上所述的合金元素的最佳成份范围为：0.2～0.3％(重量百分比)的Er，0.25～0.3％(重量百分比)的Zr。

该合金的制备方法是在熔炼铝的过程中加入AlEr和AlZr中间合金实现的，熔炼温度为780±10℃。到达熔炼温度后保温30分钟，然后用铁模浇铸。铸锭随后进行固溶时效热处理，其工艺包括以下步骤：首先在640±10℃固溶20～30小时，随后水淬到室温，然后在200～575℃之间进行等时时效(具体过程为每隔25℃保温3h后取样，例如200℃/3h取第一个样，200℃/3h+225℃/3h取第二个样，200℃/3h+225℃/3h+250/3h取第三个样，依次类推直到575℃结束)；或者在300～450℃之间等温时效(即在特定温度下保温不同的时间，从10分钟到600小时)，最佳的等温时效温度为350℃和400℃之间。

本发明由于采用了Er和Zr复合微合金化，具有非常显著的时效强化效果，如附图2所示，Al-0.25Er-0.28Zr(S5号样)的最大硬度达到了56HV，相对Al-Er合金提高了时效强化效果和热稳定性，相对Al-Zr合金则使得时效析出的过程明显加速。

附图说明

图1：200～575℃之间每隔25℃等时3小时时效曲线；

图2：350℃等温时效曲线；

图3：400℃等温时效曲线；

图4：S5号样品不同温度等温时效曲线。

具体实施方式

实例1：采用石墨坩埚熔炼和铁模铸造制备合金铸锭，所用原料为纯铝和Al-6Er和Al-4Zr中间合金，熔炼温度为780±10℃。到达熔炼温度后保温30分钟，然后用铁模浇铸。制备了5种不同成份的合金，通过XRF测试了其实际成分，如下表1所示。其中S1和S2样品分别为Al-Er和Al-Zr二元合金，用作对比。

表1实验合金成份