[发明专利]一种提高3A21铝合金综合性能的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高3A21铝合金综合性能的工艺，属于3A21铝合金性能优化技术领域。

背景技术

3A21铝合金的电导率和抗拉强度是产品主要的质量指标。但这两项性能指标之间相互矛盾，往往难以同时满足。要保持材料高的导电性和延伸率，则其强度就会下降，而要提高材料强度却往往在很大程度上会降低其导电性能和延伸率。因此研究较高的电导率和良好的力学性能的配合的成份配方和工艺是其主要的关键技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种提高3A21铝合金综合性能的工艺，能够有效提高3A21铝合金的电学性能和力学性能，以克服现有技术的不足。

本发明的技术方案：

一种提高3A21铝合金综合性能的工艺，包括工业纯铝铝锭，将所述工业纯铝铝锭放入井式电阻炉加热熔化，待工业纯铝铝锭熔化后，在750℃左右加入稀土金属Sc和稀土金属Ce并充分搅拌，其中以质量分数计Sc和Ce的添加含量分别为0.05%～0.30%、0.10%～0.35%，余量为工业纯铝铝锭。

所述的稀土金属Sc和稀土金属Ce均以中间合金的形式加入。由于稀土元素较活泼，直接加入容易烧损，因此采用中间合金的形式添加，可减少烧损量。

本发明的有益效果：

本发明中稀土元素加入到铝中,形成的金属间化合物增加了有效核心的数量，因而达到细化晶粒的效果，且加入稀土元素后，试样的晶界形态有所改变，纯铝的晶界为网络状(α(A1)+针状物)，而加了稀土的试样这种晶界逐渐消失，代之以不连续长条相晶界分布。因此，添加适量的稀土Sc和Ce均可以提高3A21铝合金的导电率，因为稀土元素可以使Si、Fe由固溶态变为析出态，降低基体中杂质元素的固溶量，改变杂质相的形态和其分布。并且当稀土Sc、Ce的含量分别为0.05%～0.30%、0.10%～0.35%时3A21铝合金具有较好的综合性能。

附图说明：

图1为稀土元素Sc、Ce的加入量与导电率的关系曲线；

图2为稀土元素Sc、Ce的加入量与抗拉强度的关系曲线；

图3为工业纯铝的金相图；

图4为加入稀土Sc后的金相图；

图5为加入稀土Ce后的金相图；

图6为加入稀土Sc后的微观形貌及能谱分析图；

图7为加入稀土Ce后的微观形貌及能谱分析图。

具体实施方式：

实施例：

本发明原料为工业纯铝铝锭、稀土金属铈、稀土金属钪。由于稀土元素较活泼，直接加入容易烧损，所以采用中间合金的形式加入。

首先是中间合金的制备，将铝锭放入刚玉坩埚中，用井式电阻炉加热熔化，待纯铝完全熔化后，将稀土金属破碎烘干并用铝箔包好，750℃时加入铝液中，在800℃±10℃保温2h左右，其间不断搅拌，直至稀土金属碎块完全熔入，最后浇入模具备用。制备好的中间合金用Q4-130TASMAN全谱直读火花光谱仪测定其成分见，结果表明稀土元素的烧损不到1%，因而实验中的加入量可看作实际的含量。最后分别制备成质量分数w（Sc）=7.5%的Al-Sc中间合金和质量分数w（Ce）=7.5%的Al-Ce中间合金。

将一定比例经硼化后的铝锭放入刚玉坩埚中，放入井式电阻炉加热熔化，待铝锭熔化后，750℃左右加入Al—RE中间合金，并充分搅拌，待其完全熔化后静置15分钟，再次过滤杂质，最后铸成Ф17mm×200mm的铝棒。

从Ф17mm×200mm铝棒一端切取10mm作金相试样，用Olympus—BH2光学显微镜进行组织观察。剩余的Ф17mm的铝棒经过11道次的热轧和拉拔得到Ф3.02mm的3A21铝合金，从每一根热轧过的3A21铝合金上截取长500mm的圆杆三根，按照GB3048.2—83在QJ57双臂电桥上测量电阻率，并在在Instron-8501材料拉伸试验机上测量试样的抗拉强度。

图3至图5为不添加稀土元素和添加稀土元素的金相组织对比照片，从图中可以看出，加入稀土过后，铝的晶粒明显被细化，且铈的细化效果强于钪。研究认为稀土元素加入到铝中,形成的金属间化合物增加了有效核心的数量，因而达到细化晶粒的效果^［10］。且加入稀土元素后，试样的晶界形态有所改变，纯铝的晶界为网络状(α(A1)+针状物)，而加了稀土的试样这种晶界逐渐消失，代之以不连续长条相晶界分布。

从图6和图7可以看出加入稀土后晶界变厚且晶界处的针状FeAl₃消失了，晶粒内出现了球状颗粒和短柄相（如图6、7中第3点），对其进行微区成分能谱分析，其成分中含有较多的Si（1.2%）和大量的稀土元素（9.1%Sc、11.6%Ce），推断其为稀土和Si的化合物，从而表明了稀土元素的加入使固溶在铝基体中的Si从固溶态转变为了析出态，因而导电率提高。对晶界处（图6、7中第2点）进行微区成分能谱分析，其成分分别为84.53%Al、10.61%Sc、4.68%Fe、0.18%Si；87.13%Al、6.45%Ce、6.42%Fe，表明稀土加入后与Al、Fe、Si形成了复杂的相并在晶界处析出，这也使得导电率有所上升。对晶粒内部（图6、7中第1点）进行微区成分能谱分析知其主要成分为Al，并含有极少量的Si，并没有Fe元素的出现，表明仍然还有极少量的Si固溶在铝基体中。元素间交互作用的强度取决于原子的电负性和直径，因此与稀土元素电负性和原子尺寸相差大的元素，将与稀土产生强烈的交互作用形成化合物，降低其在铝基体中的固溶量。稀土与铝中的主要杂质Fe、Si的交互作用比其他元素的要大，因此，适量的稀土能与铝基体中的杂质Fe和Si形成二元或三元化合物析出，从而起到了净化基体、改变杂质相形态和分布的作用。