[发明专利]一种高强度铝铁合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种高强度铝铁合金材料及其制备方法，所述铝铁合金材料由铝、中间合金和变质剂组成；所述中间合金为Al‑Fe合金，变质剂为Al‑Er合金。其制备方法为：将铝和中间合金在820℃下熔化40min；向铝和中间合金的熔融体中加入变质剂，保温20min，出炉；搅拌、扒渣后，将上述合金熔液浇注到预热200℃、尺寸为100×30×100mm³的钢模中，得到铸态铝铁合金；将铸态铝铁合金在480℃下均匀退火24h，即得到高强度铝铁合金材料。本发明利用Er对铝铁合金熔体进行了变质处理，得到一种耐磨性高、耐热性好且机械强度大的铝铁合金材料，大大扩大了铝铁合金材料的应用范围。

技术领域

本发明涉及金属合金材料技术领域。具体地说是一种高强度铝铁合金材料及其制备方法。

背景技术

铝铁合金是一种轻质结构材料，具有优异的耐热性、耐蚀性、抗氧化性和耐磨性。然而，合金组织中粗大的针状或片状Al₃Fe相会使基体开裂，严重影响铝铁合金的力学性能，尤其是塑性变形能力。近年来，对铝铁合金进行微合金化被认为是生产大型铸件并满足当前应用要求的有效手段。稀土元素作为铝合金的微合金化元素被广泛应用于改善铝合金的显微组织和力学性能。目前，已有相关人员将La、Ce、Y以及混合稀土用于改善Al-Fe合金的组织及力学性能，且对Al-Fe合金中富铁相的形貌/尺度起到了一定的改善作用，然而，这些稀土元素在不同成分的Al-Fe合金中所产生的变质作用存在不均匀及不稳定的缺陷。

研究人员发现Sc对Al-Fe合金组织结构具有明显的细化及变质作用。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减小到15μm，在α-Al晶界上有Al₃Fe和少量的Al₃Sc同时存在，而在α-Al 晶内也有少量细小的Al₃Fe，且还有少量的Sc均匀的分布在晶内。经520℃保温15h均匀化退火后晶界上的Al₃Sc相基本都溶入基体中，同时在晶内析出更多均匀分布的Al₃Sc颗粒，这种特殊的组织可以使合金的抗蠕变性能增加；当把Sc和Zr加入过共晶Al-5wt％Fe合金中，合金的初生Al₃Fe相转变为细小的针状、粒状和花朵状，Sc和Zr在合金中的分布并不均匀，主要在花朵状和颗粒状Al₃Fe相周围富集，而Al₃Fe晶粒内部并没有发现Sc和Zr。当Sc、Zr加入量分别为0.3wt％和0.1wt％时，合金的抗拉强度可以达到266.8MPa，比无稀土添加合金提高了119.8％，而硬度达到了57.5HB，比无稀土合金提高了86.7％。但拉伸断口形貌显示其仍为脆性断裂，伸长率仅2％；在Al-4％Fe合金中添加了复合Sc和Zr，不仅能细化α-Al晶粒，还可以使初生Al₃Fe形貌发生很大变化。随着Sc和Zr添加量的增加，粗大的针片状 Al₃Fe开始呈放射状生长，细针状、星状和花朵状相的数量增多并逐渐取代针片状Al₃Fe。这是由于Sc和Zr在Al₃Fe相周围富集而阻碍了Fe原子的扩散，抑制了初生Al₃Fe相的生长。当加入0.3％Sc和0.2％Zr时，合金组织的细化效果相对较好，且具有较好的力学性能，此时抗拉强度为126.6MPa，延伸率为6.5％，分别比无添加合金时提高了25％和300％，在Al-5Fe及Al-6Fe 添加一定量的Sc和Zr后，合金抗拉强度均能提高30％以上。这说明，稀土 Sc不仅能够显著细化α-Al晶粒而且对初生Al₃Fe相的改善效果较好，但由于Sc的储量小、价格贵，导致铝铁合金的生产成本过高。因此，探索更廉价、更有效的Sc替代品对铝合金的广泛应用至关重要。