[發明專利]一種提高3A21鋁合金綜合性能的工藝

在審

• 申請號: 201410273691.2
• 申請日: 2014-10-08
• 公開（公告）號: CN105483407A
• 公開（公告）日: 2016-04-13
• 發明（設計）人: 羅偉
• 申請（專利權）人: 羅偉
• 主分類號: C22C1/03
• 分類號: C22C1/03;C22C21/00
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 吳無懼

技術領域

本發明涉及一種提高3A21鋁合金綜合性能的工藝，屬于3A21鋁合金性能優化技術領域。

背景技術

3A21鋁合金的電導率和抗拉強度是產品主要的質量指標。但這兩項性能指標之間相互矛盾，往往難以同時滿足。要保持材料高的導電性和延伸率，則其強度就會下降，而要提高材料強度卻往往在很大程度上會降低其導電性能和延伸率。因此研究較高的電導率和良好的力學性能的配合的成份配方和工藝是其主要的關鍵技術。

發明內容

本發明要解決的技術問題：提供一種提高3A21鋁合金綜合性能的工藝，能夠有效提高3A21鋁合金的電學性能和力學性能，以克服現有技術的不足。

本發明的技術方案：

一種提高3A21鋁合金綜合性能的工藝，包括工業純鋁鋁錠，將所述工業純鋁鋁錠放入井式電阻爐加熱熔化，待工業純鋁鋁錠熔化后，在750℃左右加入稀土金屬Sc和稀土金屬Ce并充分攪拌，其中以質量分數計Sc和Ce的添加含量分別為0.05%～0.30%、0.10%～0.35%，余量為工業純鋁鋁錠。

所述的稀土金屬Sc和稀土金屬Ce均以中間合金的形式加入。由于稀土元素較活潑，直接加入容易燒損，因此采用中間合金的形式添加，可減少燒損量。

本發明的有益效果：

本發明中稀土元素加入到鋁中,形成的金屬間化合物增加了有效核心的數量，因而達到細化晶粒的效果，且加入稀土元素后，試樣的晶界形態有所改變，純鋁的晶界為網絡狀(α(A1)+針狀物)，而加了稀土的試樣這種晶界逐漸消失，代之以不連續長條相晶界分布。因此，添加適量的稀土Sc和Ce均可以提高3A21鋁合金的導電率，因為稀土元素可以使Si、Fe由固溶態變為析出態，降低基體中雜質元素的固溶量，改變雜質相的形態和其分布。并且當稀土Sc、Ce的含量分別為0.05%～0.30%、0.10%～0.35%時3A21鋁合金具有較好的綜合性能。

附圖說明：

圖1為稀土元素Sc、Ce的加入量與導電率的關系曲線；

圖2為稀土元素Sc、Ce的加入量與抗拉強度的關系曲線；

圖3為工業純鋁的金相圖；

圖4為加入稀土Sc后的金相圖；

圖5為加入稀土Ce后的金相圖；

圖6為加入稀土Sc后的微觀形貌及能譜分析圖；

圖7為加入稀土Ce后的微觀形貌及能譜分析圖。

具體實施方式：

實施例：

本發明原料為工業純鋁鋁錠、稀土金屬鈰、稀土金屬鈧。由于稀土元素較活潑，直接加入容易燒損，所以采用中間合金的形式加入。

首先是中間合金的制備，將鋁錠放入剛玉坩堝中，用井式電阻爐加熱熔化，待純鋁完全熔化后，將稀土金屬破碎烘干并用鋁箔包好，750℃時加入鋁液中，在800℃±10℃保溫2h左右，其間不斷攪拌，直至稀土金屬碎塊完全熔入，最后澆入模具備用。制備好的中間合金用Q4-130TASMAN全譜直讀火花光譜儀測定其成分見，結果表明稀土元素的燒損不到1%，因而實驗中的加入量可看作實際的含量。最后分別制備成質量分數w（Sc）=7.5%的Al-Sc中間合金和質量分數w（Ce）=7.5%的Al-Ce中間合金。

將一定比例經硼化后的鋁錠放入剛玉坩堝中，放入井式電阻爐加熱熔化，待鋁錠熔化后，750℃左右加入Al—RE中間合金，并充分攪拌，待其完全熔化后靜置15分鐘，再次過濾雜質，最后鑄成Ф17mm×200mm的鋁棒。

從Ф17mm×200mm鋁棒一端切取10mm作金相試樣，用Olympus—BH2光學顯微鏡進行組織觀察。剩余的Ф17mm的鋁棒經過11道次的熱軋和拉拔得到Ф3.02mm的3A21鋁合金，從每一根熱軋過的3A21鋁合金上截取長500mm的圓桿三根，按照GB3048.2—83在QJ57雙臂電橋上測量電阻率，并在在Instron-8501材料拉伸試驗機上測量試樣的抗拉強度。

圖3至圖5為不添加稀土元素和添加稀土元素的金相組織對比照片，從圖中可以看出，加入稀土過后，鋁的晶粒明顯被細化，且鈰的細化效果強于鈧。研究認為稀土元素加入到鋁中,形成的金屬間化合物增加了有效核心的數量，因而達到細化晶粒的效果^［10］。且加入稀土元素后，試樣的晶界形態有所改變，純鋁的晶界為網絡狀(α(A1)+針狀物)，而加了稀土的試樣這種晶界逐漸消失，代之以不連續長條相晶界分布。

從圖6和圖7可以看出加入稀土后晶界變厚且晶界處的針狀FeAl₃消失了，晶粒內出現了球狀顆粒和短柄相（如圖6、7中第3點），對其進行微區成分能譜分析，其成分中含有較多的Si（1.2%）和大量的稀土元素（9.1%Sc、11.6%Ce），推斷其為稀土和Si的化合物，從而表明了稀土元素的加入使固溶在鋁基體中的Si從固溶態轉變為了析出態，因而導電率提高。對晶界處（圖6、7中第2點）進行微區成分能譜分析，其成分分別為84.53%Al、10.61%Sc、4.68%Fe、0.18%Si；87.13%Al、6.45%Ce、6.42%Fe，表明稀土加入后與Al、Fe、Si形成了復雜的相并在晶界處析出，這也使得導電率有所上升。對晶粒內部（圖6、7中第1點）進行微區成分能譜分析知其主要成分為Al，并含有極少量的Si，并沒有Fe元素的出現，表明仍然還有極少量的Si固溶在鋁基體中。元素間交互作用的強度取決于原子的電負性和直徑，因此與稀土元素電負性和原子尺寸相差大的元素，將與稀土產生強烈的交互作用形成化合物，降低其在鋁基體中的固溶量。稀土與鋁中的主要雜質Fe、Si的交互作用比其他元素的要大，因此，適量的稀土能與鋁基體中的雜質Fe和Si形成二元或三元化合物析出，從而起到了凈化基體、改變雜質相形態和分布的作用。