一種含稀土元素3a21合金的雙級時效處理工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含稀土元素3A21合金的雙級時效處理工藝。
【背景技術】
[0002] 鋁合金3A21是一種廣泛應用于汽車工業(yè)的合金，例如汽車的汽缸蓋、發(fā)動機缸 體、輪輞和航空零部件。其優(yōu)點是重量輕、優(yōu)良的焊接性、耐腐蝕性、良好的機械強度、韌性、 硬度、強度、氣密性、流動性和可加工性。在汽車行業(yè)應用鋁合金3A21輪輞，有助于降低重 量，提高燃油效率，擁有更好的轉(zhuǎn)向性能，抗沖擊、耐腐蝕性。這些優(yōu)點也有助于實現(xiàn)良好的 副加作用，如減少二氧化碳排放量和石油資源的保護。
[0003] 鑄件的力學性能有很大程度的受到其大小，體積，和微觀結(jié)構(gòu)成分形態(tài)的影響，這 些都取決于成分，凝固條件和熱處理。3A21合金包含體積分數(shù)為50%的呈凝固細胞狀的粗 片狀結(jié)構(gòu)或針狀共晶硅相，這種結(jié)構(gòu)對基體的強度，塑性和斷裂韌性很不利。因此對其研究 開發(fā)仍在進行，提高共晶Si粒子的分布均勻度一直在積極探索中。為了保證合金的機械強 度和延展性，其主要的共晶結(jié)構(gòu)合金必須被修改，普片認為，IA族和IIA族元素（Na,Mg, Ca, Sr)是鋁硅共晶-有效的改性劑；只有鈉和鍶已被廣泛用于在這些合金的改性。而據(jù)報道 Na的改性作用是最強的，Sr即使在重熔狀態(tài)下也能降低蒸汽壓，該關鍵作用使其成為這種 商業(yè)合金首選的改性劑。然而由于在鍶改性階段可能形成不良的三元合金Al -Si -Sr,因 此替代其改性作用的元素的仍在積極的探索中。據(jù)文獻報告，稀土（Re)元素有改變鑄造鋁 硅合金的共晶結(jié)構(gòu)的能力。稀土是稀土金屬Ce、La、Nd和Pr的混合物，并且具備和其他元 素形成各種金屬間相的高化學親和力。熱處理周期的變化通過影響合金的晶粒大小、分布 和共晶硅相的形態(tài)，從而提高合金的力學性能，并且通過生成β ' _Mg2Si進而提高其延展 性。時效處理獲得最好的結(jié)果是析出物細小均勻分布。在正常的時效硬化處理，雖然晶粒 內(nèi)部形成所需的彌散分布和沉淀物的高密度，但晶粒邊界附近的地方（晶界空位的地方）有 無析出帶（PFZ)。而且邊界本身似乎產(chǎn)生過時效。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)會導致低劣的性能。雙級 時效包括兩個步驟：第一次時效是保持過飽和合金首先在較低的溫度下保溫一段時間，第 二次時效使保持過飽和合金在相對較高的溫度下保溫一段時間。首先在低溫時效是為了產(chǎn) 生更多的細小而均勻分布的析出物粒子作為第二次時效的形核核心。因此，雙級時效消除 晶界PFZ。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種含稀土元素3A21合金的雙級時效處理工 藝，以獲得性能優(yōu)異的3A21合金。
[0005] 本發(fā)明的技術方案是：一種含稀土元素3A21合金的雙級時效處理工藝，包含以 下步驟：LM25進行熔煉，熔化是在覆蓋劑下進行，將粉末混合稀土 RE包裹在Al片中加 入，對熔融金屬進行攪拌，將熔液倒入金屬模具，沉淀硬化處理包括溶液處理、在水中冷卻 和單/雙級時效，其中固溶處理是將試樣在550°C下保溫5小時；雙級時效的第一次時效 在45-70°C下保溫1-2小時，然后存放在冷卻介質(zhì)中直到第二次時效處理，第二次時效在 150-170°C下保溫7小時。
[0006] 最佳第一次時效溫度為50°C。
[0007] 最佳第二次時效溫度為170°C。
[0008] 本發(fā)明的有益效果： (1)3A21和添加0. 5%Re的3A21合金在進行單級時效和雙級時效后其硬度沒有多大的 差別。
[0009] (2)當對添加 0. 5%Re的3A21合金進行單級時效時，其UTS有所提高，但延展率有 所減少；然而，但對其進行雙級時效后，其延展率有大為的提高。
[0010] (3)延展率最大的不同出現(xiàn)在添加0. 5%Re的3A21合金進行雙級時效后。這是因 為添加了使GP區(qū)穩(wěn)定的微量元素。
[0011] (4)在3A21合金中添加0. 5%的稀土 Re在進行雙級時效的目的是為了獲得最佳的 機械性能。
【具體實施方式】
[0012] 約600克的LM25放在在坩堝中用電阻爐進行熔煉。熔化是市售覆蓋劑下進行。石 灰涂清潔鐵工具的使用，將約35克（0. 5重量％)的粉末混合稀土 RE包裹在Al片中加入坩 堝中，用石墨棒對熔融金屬進行攪拌，將熔液倒入20毫米直徑、200毫米長的圓柱形金屬 模具。
[0013] 沉淀硬化處理包括溶液處理、在水中冷卻（淬火）和單/雙級時效。固溶處理是將 試樣在550°C下保溫5小時；雙級時效的第一次時效在50°C下保溫1小時，然后將試樣被存 放在冷卻介質(zhì)中直到第二次時效處理，第二次時效在170°C下保溫7小時。單級時效在170 C下保溫8小時。
[0014] 雙級時效的目的是為了獲得最佳性能一致的組織。在單級時效時，晶內(nèi)可能得到 可接受的沉淀物的大小和分布，但在晶界(有效空位處)的PFZ形成將導致較低的機械性能。 在第一級時效產(chǎn)生的大量細小的析出物，將作為第二階段時效的行核核心。析出相的長大 到最佳尺寸是在第二次時效階段但是需要加高的溫度。在大多數(shù)合金有臨界溫度Tc以上 時均勻形核析出是不發(fā)生，把這個區(qū)域稱為"'GP區(qū)"。沉淀成核在除了在GP區(qū)，還在位錯、 晶粒和亞晶界處發(fā)生[19一20]。
[0015] 硬度測量是合金強度的一個很好的證明，由于強度受到晶粒的數(shù)量、大小和形狀 還有晶體析出的第二相的影響。硬度測試結(jié)果表明，時效處理使得合金在未添加和添加稀 土元素的兩種情況(未添加入稀土元素的3A21合金的布氏硬度為66ΒΗΓΤ71ΒΗΝ，稀土加入 質(zhì)量分數(shù)為〇. 5%的稀土的3A21合金的布氏硬度為68ΒΗΓΤ79ΒΗΝ)下的綜合性能都有所提 高。而且，雙級時效對提高硬度的效果遠高于單級時效時對未添加或添加稀土元素的兩種 情狀(未添加入稀土的3A21合金的布氏硬度為71ΒΗΓΤ109ΒΗΝ，添加質(zhì)量分數(shù)為0. 5%的稀 土的入3A21合金中的布氏硬度為79ΒΗΓΤ115ΒΗΝ)。
[0016] 表1表不有無添加稀土 Re和不同熱處理下的3A21合金的拉伸性能。從表1可知 鑄造狀態(tài)下的3A21合金和添加0. 5%稀土元素的3A21合金的UTS性能沒有顯著地差異，然 而，在單級時效的情況下，其UTS性能被觀測到有所不同（未添加稀土元素的3A21合金的 UTS為123-143. 5MPa，添加0. 5%的稀土元素的3A21合金UTS為130- 170MPa);在雙級時 效的情況下，與未經(jīng)過合金化的3A21合金相比，添加稀土元素對3A21合金的UTS沒有太大 的影響(未添加稀土元素的3A21合金的UTS為143. 5- 118MPa，添加0. 5%稀土元素的3A21 合金的UTS為170- 163MPa)。再雙級時效情況下，在3A21合金中添加稀土元素對其延展 性的影響時最大的（未添加稀土元素的3A21合金的延展率為2. 0%，添加0. 5%稀土元素的 3A21合金的延展率為9. 0%)。這可能是因為雙級時效時促進PFZ區(qū)的形成并且對合金的塑 性的影響是最大的。此外還有可能受到大尺寸的硬度計壓頭和痕跡的影響，做布氏硬度測 試更能反映大部分材料硬度，而不是單獨影響顯微結(jié)構(gòu)的成分。
[0017] 最近的研究表明，對各種狀態(tài)下如鑄造、單級時效和雙級時效的調(diào)查試樣，認為在 各種熱處理過程中隨著顯微結(jié)構(gòu)的不同，"質(zhì)量指數(shù)"被認為與其機械性能有關。這個觀點 源于在AL-Si-Mg合金中，考慮到UTS、延展性和屈服強度的關系。"質(zhì)量指數(shù)"與拉伸速度 和延展率的百分數(shù)有關，并且不同的顯微組分對合金的機械性能的貢獻不同。Q指數(shù)被定義 為[16]: Q=UTS+ax log (延展率） （1) 這個方程的常數(shù)"a "，對于AL-7 Si-O. 3合金其的值為150。因為質(zhì)量指數(shù)把合金的 強度和塑性連接起來，它更多的描述鑄件的拉伸性能的真實性比那些單獨要么描述合金抗 拉強度或者描述伸長率要高。不同的合金的質(zhì)量指數(shù)的最大值通常出現(xiàn)在雙級時效后的鑄 態(tài)結(jié)構(gòu)里或者是最后的單級時效時。當在鑄造條件下進行雙級時效和最后進行單級時效時 觀察，最大的區(qū)別就是UTS的不同，這就形成是鮮明的對比。在進行雙級時效后的鑄件比進 行單級時效的添加〇. 5%Re的3A21合金的Q指數(shù)有所增加，這是因為添加了對GP區(qū)有穩(wěn)定 作用的微量元素。因此合金的最有利的屬性是在相同的熱處理條件下給出的。
【主權(quán)項】
1. 一種含稀土元素3A21合金的雙級時效處理工藝，其特征在于：包含以下步驟：LM25 進行熔煉，熔化是在覆蓋劑下進行，將粉末混合稀土RE包裹在Al片中加入，對熔融金屬進 行攪拌，將熔液倒入金屬模具，沉淀硬化處理包括溶液處理、在水中冷卻和單/雙級時效， 其中固溶處理是將試樣在550°C下保溫5小時；雙級時效的第一次時效在45-70°C下保溫 1-2小時，然后存放在冷卻介質(zhì)中直到第二次時效處理，第二次時效在150-170°C下保溫7 小時。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含稀土元素3A21合金的雙級時效處理工藝，其特征在 于：最佳第一次時效溫度為50°C。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含稀土元素3A21合金的雙級時效處理工藝，其特征在 于：最佳第二次時效溫度為170°C。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含稀土元素3A21合金的雙級時效處理工藝，其特征在于：包含以下步驟：LM25進行熔煉，熔化是在覆蓋劑下進行，將粉末混合稀土RE包裹在Al片中加入，對熔融金屬進行攪拌，將熔液倒入金屬模具，沉淀硬化處理包括溶液處理、在水中冷卻和單/雙級時效，其中固溶處理是將試樣在550℃下保溫5小時；雙級時效的第一次時效在45-70℃下保溫1-2小時，然后存放在冷卻介質(zhì)中直到第二次時效處理，第二次時效在150-170℃下保溫7小時。最佳第一次時效溫度為50℃。最佳第二次時效溫度為170℃。
【IPC分類】C22F1/04
【公開號】CN105200356
【申請?zhí)枴緾N201410298110
【發(fā)明人】徐本倫
【申請人】徐本倫
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2014年6月27日