通过Mn微合金化提高耐热铝合金高温强度的方法
阅读说明：本技术 通过Mn微合金化提高耐热铝合金高温强度的方法 (Method for improving high-temperature strength of heat-resistant aluminum alloy through Mn microalloying ) 是由 廖恒成 李广敬 潘星惠 郑基伟 陆丽珍 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种通过Mn微合金化提高耐热铝合金高温强度的方法,将中间合金锭按所需成分比例称取,在电阻炉中熔化,静置、精炼处理后浇注在金属模具或砂型中进行成形。熔炼过程中为了减小烧损,确保合金成分的准确性,需按一定顺序加入不同中间合金锭。将成形后的Mn微合金化耐热铝合金在热处理炉中进行常规的固溶+人工时效处理,然后进行长时间的热暴露处理,即可获得一种具有优异高温力学性能的耐热铝合金。本发明的制备方法能显著提高析出强化相粒子的抗粗化能力并抑制高温过程中有害的相转变；所制备的通过Mn微合金化的耐热铝合金能显著提高合金的高温力学性能；制备的高强耐热铝合金显现出优异的高温力学性能,制备工艺简单。(The invention discloses a method for improving high-temperature strength of heat-resistant aluminum alloy through Mn microalloying. In the smelting process, different intermediate alloy ingots are added in a certain sequence in order to reduce burning loss and ensure the accuracy of alloy components. And carrying out conventional solid solution and artificial aging treatment on the formed Mn microalloyed heat-resistant aluminum alloy in a heat treatment furnace, and then carrying out long-time heat exposure treatment to obtain the heat-resistant aluminum alloy with excellent high-temperature mechanical properties. The preparation method can obviously improve the coarsening resistance of the precipitation strengthening phase particles and inhibit harmful phase transformation in the high-temperature process; the prepared heat-resistant aluminum alloy microalloyed by Mn can obviously improve the high-temperature mechanical property of the alloy; the prepared high-strength heat-resistant aluminum alloy has excellent high-temperature mechanical property and simple preparation process.)
技术领域
本发明涉及金属材料制备领域，尤其涉及一种Mn微合金化提高耐热铝合金高温强度的方法。
背景技术
铸造铝合金因具有优异的力学性能，铸造性能以及低密度，高的导热、导电率等而被广泛的运用于交通运输、航空航天等领域，尤其是在汽车工业中。随着环境问题的日益突出，能源利用率越来越受到重视，汽车轻量化是一种提高能源利用率的有效方法。在汽车工业中，以铝代钢逐渐成为一种趋势，结构件中铝合金的使用率已经极大提高，但部分零件在使用时需要承受一定的高温，如发动机缸体、缸盖和进气歧管等，这些高温环境限制了铝合金的推广运用。
Cu或Mg元素的加入并配合适当的热处理工艺，能够使铝合金基体中析出大量细小弥散的析出相使合金的力学性能显著提高。但随着使用温度的提高(一般当使用温度大于200℃时)，或者保温时间的延长，合金中的主要析出强化相(β″、β′、θ″或θ′相)会迅速粗化，或转化成强化效果较低的β和θ相致使合金力学性能迅速降低。所以，科研工作者尝试各种方法来提高合金的高温力学性能。目前的主要强化手段一是通过向合金中添加Er、Sc、Zr等，经过热处理后形成热稳定性优异的Al3Er、Al3Sc和 Al3Zr等纳米析出相来提高合金的高温力学性能，但这些合金元素在铝合金中的溶解度有限，导致析出相数密度不高，性能提升有限，且价格昂贵难以推广；二是向合金中添加大量过渡族金属元素，形成热稳定性较好的粗大的第二相组织，这些组织虽然能提高高温力学性能，但会在一定程度上损害合金的室温力学性能和塑性，并对合金的铸造性能也会造成一定的影响，导致合金的综合力学性能不太理想。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种能显著提高析出强化相粒子的抗粗化能力并抑制高温过程中有害的相转变的通过Mn微合金化提高耐热铝合金高温强度的方法。
技术方案：本发明的通过Mn微合金化提高耐热铝合金高温强度的方法，包括如下步骤：
(1)用商用中间合金锭为原料配制含Mn的耐热铝合金金属块体；
(2)将步骤(1)配制的商用中间合金锭放置于电阻炉内，加热熔化，升温后静置，然后降温进行精炼处理，温度稳定后浇注；
(3)将步骤(2)中熔炼的合金铸锭，在热处理炉中进行固溶处理，然后取出水淬至室温；
(4)将步骤(3)中固溶处理后的合金锭，在热处理炉中进行人工时效处理，然后取出空冷至室温；
(5)将步骤(4)中时效处理后的合金锭，在热处理炉中进行热暴露处理，然后取出空冷至室温即制备出Mn微合金化的高强耐热铝合金。
进一步地，步骤(1)中，所述商用中间合金锭包括Al-(10-20)wt.％Si、 Al-(10-20)wt.％Cu、Al-(10-20)wt.％Mn、工业纯铝以及其他添加元素的中间合金锭。
本申请通过Mn微合金化提高Al-Si-Cu或Al-Cu耐热铝合金中的时效析出耐热相粒子的高温抗粗化能力、抑制高温过程中的相转变；Mn的微合金化显著降低合金在热暴露过程中析出强化相粒子的粗化速率和抑制高温过程中的相转变，从而提高Al-Si-Cu 或Al-Cu耐热铝合金的高温力学性能。
进一步地，步骤(1)中，所述含Mn的耐热铝合金金属块体中成分Mn的质量百分含量为0.02-0.3％。
进一步地，步骤(2)中，加热到620～680℃熔化，升温至760～800℃静置30～60min，降温至715～725℃进行精炼处理，待温度稳定后，依次加入其他易烧损中间合金锭，温度再次稳定在720℃时进行浇注。
进一步地，步骤(2)中，所述浇注为250℃下保温3h以上的金属模具或室温状态下的砂型。
进一步地，步骤(3)中，所述固溶处理的温度设定为500℃～580℃，保温3h～15h。
进一步地，步骤(4)中，所述人工时效处理的温度设定为150℃～200℃，保温5h～15h。
进一步地，步骤(5)中，所述暴露处理的温度设定为250℃～350℃，保温50h～200h。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本申请Mn微合金化提高耐热铝合金高温强度的方法，仅需要质量百分含量0.3％以下的Mn的添加量即可显著提高Al-Si-Cu或Al-Cu耐热铝合金的热稳定性和高温力学性能；
(2)本申请所提供的制备方法能显著提高析出强化相粒子的抗粗化能力并抑制高温过程中有害的相转变；
(3)本申请所制备的通过Mn微合金化的耐热铝合金能显著提高合金的高温力学性能；
(4)本申请材料的制备方法为电阻炉熔炼，热处理工艺为固溶+人工时效+高温热暴露，制备过程简单。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
1.合金的成分设计及制备
设计含Al-Si-Cu的耐热铝合金的成分为Al-11.5wt.％Si-4wt.％Cu作为基准合金，同时向Al-11.5wt.％Si-4wt.％Cu耐热铝合金中添加0.3wt.％的Mn制备出Mn微合金化高强耐热铝合金作为对比合金。制备相同条件下的Al-11.5wt.％Si-4wt.％Cu耐热铝合金是为了体现Mn的加入对Al-Si-Cu耐热铝合金的影响，不在本发明保护范围内。
一种Mn微合金化的高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照合金设计成分中的质量百分比配制含Al、Si、Cu、Mn的中间合金块体；
(2)将步骤(1)配制的工业纯铝、Al-20wt.％Si、Al-10wt.％Mn和Al-20wt.％Cu中间合金金属块体放置于电阻炉内，打开电源，加热到720℃熔化，升温至760℃静置 30min，降温至720℃进行精炼处理，待温度稳定在720℃后，放入Al-10wt.％Sr中间合金进行变质处理。温度再次稳定在720℃时进行浇注，浇注模具为250℃下保温3h 以上的金属板状模具；
(3)将步骤(2)中熔炼的合金铸锭，在热处理炉中进行固溶处理，温度设定为510℃，保温5h，然后取出水淬至室温；
(4)将步骤(3)中固溶处理后的合金锭，在热处理炉中进行人工时效处理，温度设定为165℃，保温6h，然后取出空冷至室温；
(5)将步骤(4)中时效处理后的合金锭，在热处理炉中进行热暴露处理，温度设定为300℃，保温100h，然后取出空冷至室温，即可制备出一种Mn微合金化的高强耐热铝合金。
2.合金的室温和高温力学性能表征
室温和高温准静态拉伸性能
在板状合金铸锭远离浇道口处使用线切割切割出标距为18mm，横截面积为3*3mm2的拉伸实验样品，用砂纸将拉伸试样表面打磨平整。在CTM5105电子万能试验机(高低温)上进行室温和300℃下高温拉伸测试，加载速率为1.00mm/min。每组合金至少进行3组实验，获得合金的室温和300℃高温下的拉伸性能。实验所获得的力学性能如表1所示。
3实验结果：
按照所设计的成分熔炼出的Mn微合金化的高强耐热铝合金在经过相应的固溶、人工时效和高温热暴露处理后，合金在300℃高温下的力学性能显著提升。
表1
实施例2
1.合金的成分设计及制备
设计含Al-Cu耐热铝合金的成分为Al-4wt.％Cu作为基准合金，同时向Al-4wt.％Cu 耐热铝合金中添加0.2wt.％的Mn制备出Mn微合金化高强耐热铝合金作为对比合金。制备相同条件下的Al-4wt.％Cu耐热铝合金是为了体现Mn的加入对Al-Cu耐热铝合金的影响，不在本发明保护范围内。
一种Mn微合金化的高强耐热铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照合金设计成分中的质量百分比配制含Al、Cu、Mn的中间合金块体；
(2)将步骤(1)配制的工业纯铝、Al-20wt.％Cu和Al-20wt.％Mn中间合金金属块体放置于电阻炉内，打开电源，加热到720℃熔化，升温至760℃静置30min，降温至 720℃进行精炼处理，待温度稳定在720℃时进行浇注，浇注模具为250℃下保温3h 以上的金属板状模具；
(3)将步骤(2)中熔炼的合金铸锭，在热处理炉中进行固溶处理，温度设定为515℃，保温6h+575℃保温3h，然后取出水淬至室温；
(4)将步骤(3)中固溶处理后的合金锭，在热处理炉中进行人工时效处理，温度设定为165℃，保温5h，然后取出空冷至室温；
(5)将步骤(4)中时效处理后的合金锭，在热处理炉中进行热暴露处理，温度设定为300℃，保温100h，然后取出空冷至室温，即可制备出一种Mn微合金化的高强耐热铝合金。
2.合金的室温和高温力学性能表征
室温和高温准静态拉伸性能
在板状合金铸锭远离浇道口处使用线切割切割出标距为18mm，横截面积为3*3mm2的拉伸实验样品，用砂纸将拉伸试样表面打磨平整。在CTM5105电子万能试验机(高低温)上进行室温和300℃下高温拉伸测试，加载速率为1.00mm/min。每组合金至少进行3组实验，获得合金的室温和300℃高温下的拉伸性能。实验所获得的力学性能如表2所示。
表2
3实验结果：
按照所设计的成分熔炼出的Mn微合金化的高强耐热铝合金在经过相应的固溶、人工时效和高温热暴露处理后，合金在300℃高温下的力学性能显著提升。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种铝钢固液双金属复合铸造的方法