[發明專利]一種高強度鋁鐵合金材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202110404785.9
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113088766A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 梁亞紅;李國偉;史志銘;韓永全;張瑞英;趙鴿
• 申請（專利權）人: 內蒙古工業大學
• 主分類號: C22C21/00
• 分類號: C22C21/00;C22C1/03;C22F1/04
• 代理公司: 北京冠榆知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11666
• 代理人: 朱亞琦

本發明公開一種高強度鋁鐵合金材料及其制備方法，所述鋁鐵合金材料由鋁、中間合金和變質劑組成；所述中間合金為Al?Fe合金，變質劑為Al?Er合金。其制備方法為：將鋁和中間合金在820℃下熔化40min；向鋁和中間合金的熔融體中加入變質劑，保溫20min，出爐；攪拌、扒渣后，將上述合金熔液澆注到預熱200℃、尺寸為100×30×100mm³的鋼模中，得到鑄態鋁鐵合金；將鑄態鋁鐵合金在480℃下均勻退火24h，即得到高強度鋁鐵合金材料。本發明利用Er對鋁鐵合金熔體進行了變質處理，得到一種耐磨性高、耐熱性好且機械強度大的鋁鐵合金材料，大大擴大了鋁鐵合金材料的應用范圍。

技術領域

本發明涉及金屬合金材料技術領域。具體地說是一種高強度鋁鐵合金材料及其制備方法。

背景技術

鋁鐵合金是一種輕質結構材料，具有優異的耐熱性、耐蝕性、抗氧化性和耐磨性。然而，合金組織中粗大的針狀或片狀Al₃Fe相會使基體開裂，嚴重影響鋁鐵合金的力學性能，尤其是塑性變形能力。近年來，對鋁鐵合金進行微合金化被認為是生產大型鑄件并滿足當前應用要求的有效手段。稀土元素作為鋁合金的微合金化元素被廣泛應用于改善鋁合金的顯微組織和力學性能。目前，已有相關人員將La、Ce、Y以及混合稀土用于改善Al-Fe合金的組織及力學性能，且對Al-Fe合金中富鐵相的形貌/尺度起到了一定的改善作用，然而，這些稀土元素在不同成分的Al-Fe合金中所產生的變質作用存在不均勻及不穩定的缺陷。

研究人員發現Sc對Al-Fe合金組織結構具有明顯的細化及變質作用。在Al-0.7Fe中添加0.2wt％的Sc，可以使α-Al的平均晶粒尺寸由50μm減小到15μm，在α-Al晶界上有Al₃Fe和少量的Al₃Sc同時存在，而在α-Al 晶內也有少量細小的Al₃Fe，且還有少量的Sc均勻的分布在晶內。經520℃保溫15h均勻化退火后晶界上的Al₃Sc相基本都溶入基體中，同時在晶內析出更多均勻分布的Al₃Sc顆粒，這種特殊的組織可以使合金的抗蠕變性能增加；當把Sc和Zr加入過共晶Al-5wt％Fe合金中，合金的初生Al₃Fe相轉變為細小的針狀、粒狀和花朵狀，Sc和Zr在合金中的分布并不均勻，主要在花朵狀和顆粒狀Al₃Fe相周圍富集，而Al₃Fe晶粒內部并沒有發現Sc和Zr。當Sc、Zr加入量分別為0.3wt％和0.1wt％時，合金的抗拉強度可以達到266.8MPa，比無稀土添加合金提高了119.8％，而硬度達到了57.5HB，比無稀土合金提高了86.7％。但拉伸斷口形貌顯示其仍為脆性斷裂，伸長率僅2％；在Al-4％Fe合金中添加了復合Sc和Zr，不僅能細化α-Al晶粒，還可以使初生Al₃Fe形貌發生很大變化。隨著Sc和Zr添加量的增加，粗大的針片狀 Al₃Fe開始呈放射狀生長，細針狀、星狀和花朵狀相的數量增多并逐漸取代針片狀Al₃Fe。這是由于Sc和Zr在Al₃Fe相周圍富集而阻礙了Fe原子的擴散，抑制了初生Al₃Fe相的生長。當加入0.3％Sc和0.2％Zr時，合金組織的細化效果相對較好，且具有較好的力學性能，此時抗拉強度為126.6MPa，延伸率為6.5％，分別比無添加合金時提高了25％和300％，在Al-5Fe及Al-6Fe 添加一定量的Sc和Zr后，合金抗拉強度均能提高30％以上。這說明，稀土 Sc不僅能夠顯著細化α-Al晶粒而且對初生Al₃Fe相的改善效果較好，但由于Sc的儲量小、價格貴，導致鋁鐵合金的生產成本過高。因此，探索更廉價、更有效的Sc替代品對鋁合金的廣泛應用至關重要。