一種添加Zr或Mg元素的2117鋁合金及其制備工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種2117鋁合金的制備工藝，特別涉及一種添加 Zr或Mg元素的2117 鋁合金及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁是地殼中分布最廣泛和蘊(yùn)藏量較大的有色金屬之一，自19世紀(jì)被發(fā)現(xiàn)以來， 由于具有一系列良好的綜合性能而被大量使用，目前是使用量僅次于鋼鐵的金屬。A1的 原子序數(shù)為13,原子量為26. 9815,密度為2. 7X103kg/m3 (25°C)，熔點(diǎn)為660. 24°C， 沸點(diǎn)為2467°C。純鋁是是一種具有銀白色金屬光澤的輕金屬，較軟，具有面心立方晶格 (a=0. 40486nm)結(jié)構(gòu)，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。
[0003] 鋁對光的反射性能良好，具有很好的導(dǎo)電性，是熱的良導(dǎo)體，純鋁有良好的延展 性，耐蝕能力強(qiáng)且具有自療性。但純鋁的強(qiáng)度很低，不適于做結(jié)構(gòu)材料，退火的A1板， %: =80~lOOMPa。為了提高鋁的力學(xué)性能，在純鋁中加入某些合金元素，形成鋁合金。鋁 合金仍然保持純鋁的密度小和耐蝕性能好的特點(diǎn)，且力學(xué)性能比純鋁高得多。根據(jù)合金的 成分及加工工藝特點(diǎn)，可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩類。變形鋁合金塑性好， 適于加工成型；鑄造鋁合金塑性差，不適于塑性加工，但其流動性好，適合于鑄造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種2117鋁合金的制備工藝，以通過添加 Zr或 Mg元素來提高2117鋁合金的性能。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種添加 Zr或Mg元素的2117鋁合金，2117鋁合金中添加 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為〇. 1-0. 5%的Mg或0. 01-0. 05%的Zr。
[0006] Mg的最優(yōu)添加量為0. 3%，Zr的最優(yōu)添加量為0. 01-0. 02%。
[0007] -種添加 Zr或Mg元素的2117鋁合金的制備工藝，將稱量好的鋁放入坩堝內(nèi)，在 井式電阻爐中加熱至熔化，用鈦棒除去鋁液表面的膜，待溫度升至780~800°C時，加入相 應(yīng)的中間合金Al-Zr或Al-Mg，并攪拌3~5mi，靜置待溫度回升至800°C時，澆注在400°C 左右預(yù)熱的模具中，冷卻后取出。
[0008] 本發(fā)明的有益效果： 1. 隨著Zr、Mg元素的加入，導(dǎo)電率逐漸下降，且Zr元素的影響更明顯。含0. 0l%Zr試樣 的導(dǎo)電率為58. 77%，大于58%IACS，滿足供電電纜要求；含0. l%Mg試樣的導(dǎo)電率為58. 07%， 大于58%IACS，滿足供電電纜要求；試樣Mg含量在0. 3%時導(dǎo)電率下降趨勢緩慢； 2. 隨著Zr、Mg元素含量的增加，抗拉強(qiáng)度不斷提高。Zr元素對室溫力學(xué)性能的提升不 是特別明顯；Mg元素對抗拉強(qiáng)度的影響特別明顯，當(dāng)Mg元素的含量為0. 3%時，抗拉強(qiáng)度值 有突變； 3. 從宏觀鑄態(tài)組織可以觀察到，Zr、Mg元素的加入都可以細(xì)化晶粒，鑄態(tài)組織從柱狀 晶變成了等軸晶，且Zr元素的細(xì)化效果更明顯； 4.通過能譜檢測可以看出：晶界處有Zr元素存在，晶粒內(nèi)部固溶Zr元素，產(chǎn)生固溶強(qiáng) 化，提高力學(xué)性能；晶粒內(nèi)Zr元素含量較高，可能生成的粗大的初生A13Zr相，該相對鋁合 金性能有百害而無一利。雜質(zhì)元素 Si可能形成三元化合物A112Fe3Si，而雜質(zhì)元素 Fe除了 與A1和Si形成三元化合物A112Fe3Si，也有可能生成AlFe相析出； 綜合考慮，含〇. 3%Mg的試樣綜合性能最好，而Zr元素對導(dǎo)電率影響明顯但對室溫力學(xué) 性能影響不大，添加量不宜過高，應(yīng)控制在〇. 01~〇. 02%。
【附圖說明】
[0009] 圖1為Zr加入量與試樣導(dǎo)電率的關(guān)系曲線； 圖2為Mg加入量與試樣導(dǎo)電率的關(guān)系曲線； 圖3為Zr加入量與試樣抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線； 圖4為Mg加入量與試樣抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 由于Zr、Mg與鋁熔點(diǎn)相差較大，且Zr的閃燃點(diǎn)較低，直接加入易燒損，所以一般以 中間合金的形式加入，為此必須配制中間合金。
[0011] 為了便于計算稱量，確定制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7. 5%的Al-Mg中間合金和5%的Al-Zr 中間合金。中間合金的熔制過程如表1.1。
[0012] 采用容量為50g的剛玉坩堝熔制合金，方便取出澆注后的剩渣，節(jié)約成本。試樣澆 注的模具選用直徑為11mm長為120mm的鋼管，便于取出試樣及試樣性能的測定。合金在井 式電阻爐中熔煉，方便合金元素的添加及攪拌。
[0013] 試樣具體的澆注工藝為：將稱量好的鋁放入坩堝內(nèi)，在井式電阻爐中加熱至熔化， 用鈦棒除去鋁液表面的膜。待溫度升至780~800°C時，加入相應(yīng)的中間合金，并攪拌3~ 5min。靜置待溫度回升至800°C時，澆注在400°C左右預(yù)熱的模具中，冷卻后取出。
[0014] 由于加入合金元素，鋁液的粘度大，流動性有所下降，故澆注時需進(jìn)行引流，避免 鋁液從坩堝大量涌出或堵在澆口處造成鋁液的浪費(fèi)甚至澆注失敗。
[0015] 試樣的澆口和底部成分不均勻，而且可能有大量雜質(zhì)，故取出的試樣需將兩端切 掉。用鋼鋸切割時，盡量保證截面與試樣垂直，降低后續(xù)打磨的難度，由于鋁太軟，應(yīng)用布包 裹著切割，避免夾具夾出深痕。
[0016] 將切割好的試樣兩端在粗砂紙上磨平，再滾動著打磨，去除試樣表面的痕跡，接著 用〇~5號砂紙依次打磨成光滑的圓柱試樣，用清水洗凈后再用吹風(fēng)機(jī)吹干，放入貼有相應(yīng) 標(biāo)簽的試樣袋中。
[0017] 測量不同Zr含量的Al-Zr試樣的導(dǎo)電率，其結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，導(dǎo)線的 導(dǎo)電率隨Zr含量的增加而逐漸下降；在剛加入Zr元素時導(dǎo)電率下降劇烈，隨著Zr元素的 加入，導(dǎo)電率的下降趨勢逐漸趨于平緩；僅Zr含量為0. 01%時導(dǎo)電率大于58%IACS，Zr嚴(yán)重 地降低導(dǎo)電率。這主要有以下兩個方面的原因：（l)Zr溶入鋁中引起A1晶體點(diǎn)陣畸變，增 加電子散射，降低導(dǎo)電率，這是溶入A1中所有溶質(zhì)原子共有的特征；（2)Zr是第五周期過渡 兀素，電子結(jié)構(gòu)為[Kr]4d25s2,在4d電子殼層上只有2個電子，未充滿性很強(qiáng)，A1中自由電 子易轉(zhuǎn)移到Zr原子較深的4d層電子殼層中去，這樣減少了定向運(yùn)動的自由電子數(shù)量，降低 導(dǎo)電率，這是Zr溶入A1中特有的，也是Zr溶入A1中使其導(dǎo)電率異常降低的主要原因。導(dǎo) 電率隨Zr元素加入量的變化趨勢如圖1所示。
[0018] 測量不同的Mg含量的試樣，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，隨著Mg的加入， 導(dǎo)電率逐漸下降，下降的趨勢較快且導(dǎo)電率較低；在Mg含量為0. 2~0. 3%時導(dǎo)電率下降的 趨勢平緩；當(dāng)Mg含量為0. 1%時導(dǎo)電率是大于58%IACS的。上述結(jié)果是與金屬導(dǎo)電理論相 符的，即加入合金元素后產(chǎn)生的化合物引起的點(diǎn)陣靜畸變和熱振動點(diǎn)陣動畸變對電子造成 散射，從而產(chǎn)生電阻，導(dǎo)致導(dǎo)電性能下降。導(dǎo)電率隨Mg元素加入量的變化趨勢如圖2所 /_J、1 〇
[0019] 經(jīng)拉伸試驗(yàn)測得不同Zr元素含量的試樣的抗拉強(qiáng)度如表3所示。從表中可以看 出：隨著Zr元素含量的上升，抗拉強(qiáng)度逐漸上升，但上升的幅度不大。Zr與A1存在強(qiáng)的結(jié) 合傾向，易在熔體中生成L12型A13Zr顆粒，起非勻質(zhì)形核細(xì)化晶粒作用，同時這種析出相 的尺寸很小，具有高的熔點(diǎn)和好的熱穩(wěn)定性，與a -A1點(diǎn)陣的共格性良好，彌散的A13Zr質(zhì) 點(diǎn)具有釘扎位錯和晶界的作用，阻礙晶內(nèi)和晶間滑移，提高合金的硬度和強(qiáng)度。試樣抗拉強(qiáng) 度隨Zr元素含量的變化趨勢如圖3所示。
[0020] 通過拉伸試驗(yàn)測得不同Mg元素含量試樣的抗拉強(qiáng)度下表4所示。從表中可以看 出：隨著Mg元素含量的增加，試樣的抗拉強(qiáng)度不斷提高，且提高的程度很明顯；在Mg元素 剛加入時，上升趨勢很平緩，當(dāng)Mg元素含量為0. 3%時，抗拉強(qiáng)度有突變，從112. 62MPa升高 到126. 38MPa。這是由于Mg溶入到鋁中后，以固溶態(tài)存在基體中，形成MgA12難溶相，固溶 的結(jié)果使鋁的點(diǎn)陣發(fā)生很大畸變，產(chǎn)生α固溶體硬化效果，從而提高了合金的抗拉強(qiáng)度。 此外，Mg也能起到部分細(xì)化晶粒作用，從而保證試樣的力學(xué)性能。試樣的抗拉強(qiáng)度隨Mg元 素含量的變化趨勢如圖4所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種添加 Zr或Mg元素的2117鋁合金，其特征在于：2117鋁合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0· 1-0. 5% 的 Mg 或 0· 01-0. 05% 的 Zr。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種添加 Zr或Mg元素的2117鋁合金，其特征在于：Mg的最 優(yōu)添加量為〇. 3%，Zr的最優(yōu)添加量為0. 01-0. 02%。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種添加 Zr或Mg元素的2117鋁合金的制備工藝，其特征 在于：將稱量好的鋁放入坩堝內(nèi)，在井式電阻爐中加熱至熔化，用鈦棒除去鋁液表面的膜， 待溫度升至780~800°C時，加入相應(yīng)的中間合金Al-Zr或Al-Mg，并攪拌3~5mi，靜置待 溫度回升至800°C時，澆注在400°C左右預(yù)熱的模具中，冷卻后取出。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種添加Zr或Mg元素的2117鋁合金，其特征在于：2117鋁合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1-0.5%的Mg或0.01-0.05%的Zr。Mg的最優(yōu)添加量為0.3%，Zr的最優(yōu)添加量為0.01-0.02%。其制備工藝，其特征在于：將稱量好的鋁放入坩堝內(nèi)，在井式電阻爐中加熱至熔化，用鈦棒除去鋁液表面的膜，待溫度升至780～800℃時，加入相應(yīng)的中間合金Al-Zr或Al-Mg，并攪拌3～5mi，靜置待溫度回升至800℃時，澆注在400℃左右預(yù)熱的模具中，冷卻后取出。
【IPC分類】C22C1/03, C22C21/18
【公開號】CN105568094
【申請?zhí)枴緾N201410303802
【發(fā)明人】何小紅
【申請人】何小紅
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2014年10月8日