一种含Bi小变形实效Al-Mg-Sc合金及其制备方法

技术领域

本发明属于有色金属材料及冶金领域，具体涉及一种高强耐热含Bi小变形实效Al-Mg-Sc合金及其制备方法。

背景技术

镁铝合金作为重要的镁合金体系之一，密度低且具有优异的力学性能，是目前镁合金的主要开发对象，如典型的AZ91、AM61等，已经应用在汽车、航空航天、体育器材等领域。

但是在镁铝合金的制备过程中，由于缺少合理的材料配比以及适用的冶炼方法，致使合金的强度和耐热性一直得不到良好的改善，无法达到更高领域的使用要求，所以，如何提供一种高强耐热含Bi小变形实效Al-Mg-Sc合金及其相应的制备方法工艺，改善合金的耐热高强性能，成了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强耐热含Bi小变形实效Al-Mg-Sc合金及其制备方法，包括如下内容：

一种高强耐热含Bi小变形实效Al-Mg-Sc合金，包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.2-0.5wt％，钪(Sc)0.5-1.0wt％，镁(Mg)1.0-5.0wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.2wt％，钪(Sc)0.32wt％，镁(Mg)4.0wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.25wt％，钪(Sc)0.45wt％，镁(Mg)4.2wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.30wt％，钪(Sc)0.60wt％，镁(Mg)4.35wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.35wt％，钪(Sc)0.75wt％，镁(Mg)4.69wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.40wt％，钪(Sc)0.90wt％，镁(Mg)4.98wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.50wt％，钪(Sc)1.05wt％，镁(Mg)5.23wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

一种高强耐热含Bi小变形实效Al-Mg-Sc合金的制备方法，包括如下步骤：

S1原料准备

S1-1将铋(Bi)、钪(Sc)、镁(Mg)、铝(Al)按重量百分比称重，同时将放入坩埚中；

S1-2同时将钪(Sc)、镁(Mg)、铝(Al)放入坩埚中；

S2预热及装料

S2-1将中频熔炼炉温升至200-250℃，恒温10分钟；

S2-2将S1中盛有原料的坩埚放入预热好的中频熔炼炉内；

S3熔炼

S3-1将中频熔炼炉温调整至690-720℃，保持5-10分钟；

S3-2坩埚中加入步骤S1-1中获取的铋(Bi)，将中频熔炼炉温度提高到750℃，保持10-20min，同时进行搅拌，另其充分反应；

S3-3降温至700℃，保持5min；

S3-4加入除渣剂进行搅拌，去除液态溶体上面的废渣；

S4浇铸

S4-1预热浇铸模具，预热温度100-150℃，保温30min；

S4-2将步骤S3-4获取的液态溶体倒入步骤S4-1中预热好的浇铸模具内；

S5分步固溶

S6轧制

S7时效处理

具体的，所述步骤S5的分布固溶在马弗炉中进行，包括

S5-1温度为300℃，保持时间8h；

S5-2在温度为450℃，保持时间3h；

所述步骤S6的压制工艺包括：

S6-1保持轧制试样合金温度400℃，保持15min

S6-2轧辊温度180℃，轧制比90％，轧制两次；

所述步骤S7中的时效处理在马弗炉中进行，马弗炉的设定温度160-180℃，保持时间6-10h。

采用本发明提供的合金配比以及冶炼方式，有以下有益效果：通过向Al-Mg合金中添加Bi和Sc元素，同时利用固溶、小变形轧制处理和时效工艺处理，首先添加Sc、Bi元素可以使得晶粒细化(体现在工艺步骤里的哪几部分：(工艺里第2,3步)Bi和Sc的加入，可以使合金组织细小致密)，达到细晶强化的效果；然后进行固溶-时效处理，使得组织中析出细小的Al12Mg17析出相，并且引入了10％的小变形轧制工艺，通过变形处理进一步诱发Al12Mg17相的析出行为，使得合金的强度和耐热性显著提高，达到行业较高水平，完善了Al-Mg合金体系，本发明技术具有良好的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为Al-Mg-Sc-Bi合金金相组织图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种高强耐热含Bi小变形实效Al-Mg-Sc合金，包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.2-0.5wt％，钪(Sc)0.5-1.0wt％，镁(Mg)1.0-5.0wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.2wt％，钪(Sc)0.32wt％，镁(Mg)4.0wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.25wt％，钪(Sc)0.45wt％，镁(Mg)4.2wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.30wt％，钪(Sc)0.60wt％，镁(Mg)4.35wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.35wt％，钪(Sc)0.75wt％，镁(Mg)4.69wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.40wt％，钪(Sc)0.90wt％，镁(Mg)4.98wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

具体的，合金包含合金成分重量百分比为：铋(Bi)0.50wt％，钪(Sc)1.05wt％，镁(Mg)5.23wt％，其余为铝(Al)及微量杂质。

一种高强耐热含Bi小变形实效Al-Mg-Sc合金的制备方法，包括如下步骤：

S1原料准备

S1-1将铋(Bi)、钪(Sc)、镁(Mg)、铝(Al)按重量百分比称重，同时将放入坩埚中；

S1-2同时将钪(Sc)、镁(Mg)、铝(Al)放入坩埚中；

S2预热及装料

S2-1将中频熔炼炉温升至200-250℃，恒温10分钟；

S2-2将S1中盛有原料的坩埚放入预热好的中频熔炼炉内；

S3熔炼

S3-1将中频熔炼炉温调整至690-720℃，保持5-10分钟；

S3-2坩埚中加入步骤S1-1中获取的铋(Bi)，将中频熔炼炉温度提高到750℃，保持10-20min，同时进行搅拌，另其充分反应，铋(Bi)的熔点为271.3℃，如果铋(Bi)提前加入，可能会造成挥发，从而形象后续的合金组分比；

S3-3降温至700℃，保持5min；

S3-4加入除渣剂进行搅拌，去除液态溶体上面的废渣；

S4浇铸

S4-1预热浇铸模具，预热温度100-150℃，保温30min；

S4-2将步骤S3-4获取的液态溶体倒入步骤S4-1中预热好的浇铸模具内；

S5分步固溶强化

S6轧制

S7时效处理

具体的，所述步骤S5的分布固溶强化在马弗炉中进行，包括

S5-1温度为300℃，保持时间8h；

S5-2在温度为450℃，保持时间3h；

当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的晶格将发生畸变，晶格常数发生变化。原子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的溶入，使基体金属(溶剂)的强度、硬度升高，应用马弗炉可以更哈的完成上述固溶强化的过程。

所述步骤S6的压制工艺包括：

S6-1保持轧制试样合金温度400℃，保持15min

S6-2轧辊温度180℃，轧制比90％，轧制两次；

第一次轧制完成后为原样品的90％，第二次轧制完成后为第一次轧制后尺寸的90％，，即每次轧制后样品尺寸减少10％；

轧制可以破坏金属的铸造组织，细化金属的晶粒，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使金属在一定程度上不再是各向同性体；浇注时形成的气泡、裂纹和疏松，也可在高温和压力作用下被焊合。10％是属于小变形，目的是通过轧制诱发析出，优势是小变形有利于生产大尺寸合金件，成本低，设备要求低，如果换成大比例轧制，强度可能会更好，但是会局限于尺寸，大比例轧制反而不利于大尺寸金属件生产，所以更推荐本技术方案中的轧制工艺。

所述步骤S7中的时效处理在马弗炉中进行，马弗炉的设定温度160-180℃，保持时间6-10h

将最后生成的合金样品切成10*10*10mm立体方块，在其表面选取9个测试点，利用显微硬度计进行测量，并计算其平均值，最高平均硬度为120HV。

下面通过6个具体的实施例来对本发明技术方案进一步说明：

实施例1：

合金成分配料按下列质量百分比配比：4.00％Mg，0.32％Sc，0.20％Bi，其余为铝(Al)及不可控杂质元素，合金熔炼及性能测试操作如下：

按Al-Mg-Sc-Bi系合金中相应的合金比例称取的原材料即高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金与浇铸模具一并在220℃下干燥预热10min；然后，高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金配料放入熔炼炉的石墨坩埚中，再将炉温升到700℃，保温10分钟，在金属熔化后将纯Bi加入合金熔液中，炉温升至730℃，保温10分钟并进行搅拌；最后，降温至700℃,保温5min，加入去渣剂并进行搅拌，去除液态溶体上面的废渣；将液态合金浇入石墨模具中，模具已预热到100℃，浇铸后自然冷却，获得铸态合金。铸态Al-Mg-Sc-Bi合金的均匀化及固溶处理工艺，合金在300℃保温8小时，450℃保温3小时，完成均匀化及固溶处理，然后将合金在水中冷却。所得到的固溶后的Al-Mg-Sc-Bi合金试样放在温度为400℃的马弗炉中，保温15min后取出来轧制(轧锟180℃)，轧制比(第一次轧制完成后为原样品的90％；第二次轧制完成后为第一次轧制后尺寸的90％)，即每次轧制后样品尺寸减少10％；最后进行时效处理，在180℃环境内保持6小时。该合金测得的维氏硬度为97.2HV。

实施例2：

合金成分配料按下列质量百分比配比：4.20％Mg，0.45％Sc，0.25％Bi，其余为铝(Al)及不可控杂质元素，合金熔炼及性能测试操作如下：

按Al-Mg-Sc-Bi系合金中相应的合金比例称取的原材料即高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金与浇铸模具一并在220℃下干燥预热10min；然后，高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金配料放入熔炼炉的石墨坩埚中，再将炉温升到700℃，保温10分钟，在金属熔化后将纯Bi加入合金熔液中，炉温升至730℃，保温10分钟并进行搅拌；最后，降温至700℃,保温5min，加入去渣剂并进行搅拌，去除液态溶体上面的废渣；将液态合金浇入石墨模具中，模具已预热到100℃，浇铸后自然冷却，获得铸态合金。铸态Al-Mg-Sc-Bi合金的均匀化及固溶处理工艺，合金在300℃保温8小时，450℃保温3小时，完成均匀化及固溶处理，然后将合金在水中冷却。所得到的固溶后的Al-Mg-Sc-Bi合金试样放在温度为400℃的马弗炉中，保温15min后取出来轧制(轧锟180℃)，轧制比(第一次轧制完成后为原样品的90％；第二次轧制完成后为第一次轧制后尺寸的90％)，即每次轧制后样品尺寸减少10％；最后进行时效处理，在180℃环境内保持6小时。该合金测得的维氏硬度为110.2HV。

实施例3：

合金成分配料按下列质量百分比配比：4.35％Mg，0.60％Sc，0.30％Bi，其余为铝(Al)及不可控杂质元素，合金熔炼及性能测试操作如下：

按Al-Mg-Sc-Bi系合金中相应的合金比例称取的原材料即高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金与浇铸模具一并在220℃下干燥预热10min；然后，高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金配料放入熔炼炉的石墨坩埚中，再将炉温升到710℃，保温10分钟，在金属熔化后将纯Bi加入合金熔液中，炉温升至740℃，保温15分钟并进行搅拌；最后，降温至700℃,保温5min，加入去渣剂并进行搅拌，去除液态溶体上面的废渣；将液态合金浇入石墨模具中，模具已预热到150℃，浇铸后自然冷却，获得铸态合金。铸态Al-Mg-Sc-Bi合金的均匀化及固溶处理工艺，合金在300℃保温8小时，450℃保温3小时，完成均匀化及固溶处理，然后将合金在水中冷却。所得到的固溶后的Al-Mg-Sc-Bi合金试样放在温度为400℃的马弗炉中，保温15min后取出来轧制(轧锟180℃)，轧制比(第一次轧制完成后为原样品的90％；第二次轧制完成后为第一次轧制后尺寸的90％)，即每次轧制后样品尺寸减少10％；最后进行时效处理，在190℃环境内保持6小时。该合金测得的维氏硬度为107.6HV。

实施例4：

合金成分配料按下列质量百分比配比：4.69％Mg，0.75％Sc，0.35％Bi，其余为铝(Al)及不可控杂质元素，合金熔炼及性能测试操作如下：

按Al-Mg-Sc-Bi系合金中相应的合金比例称取的原材料即高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金与浇铸模具一并在245℃下干燥预热10min；然后，高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金配料放入熔炼炉的石墨坩埚中，再将炉温升到710℃，保温15分钟，在金属熔化后将纯Bi加入合金熔液中，炉温升至740℃，保温15分钟并进行搅拌；最后，降温至700℃,保温5min，加入去渣剂并进行搅拌，去除液态溶体上面的废渣；将液态合金浇入石墨模具中，模具已预热到150℃，浇铸后自然冷却，获得铸态合金。铸态Al-Mg-Sc-Bi合金的均匀化及固溶处理工艺，合金在300℃保温8小时，450℃保温3小时，完成均匀化及固溶处理，然后将合金在水中冷却。所得到的固溶后的Al-Mg-Sc-Bi合金试样放在温度为400℃的马弗炉中，保温15min后取出来轧制(轧锟180℃)，轧制比(第一次轧制完成后为原样品的90％；第二次轧制完成后为第一次轧制后尺寸的90％)，即每次轧制后样品尺寸减少10％；最后进行时效处理，在190℃环境内保持6小时。该合金测得的维氏硬度为112.6HV。

实施例5：

合金成分配料按下列质量百分比配比：4.98％Mg，0.90％Sc，0.40％Bi，其余为铝(Al)及不可控杂质元素，合金熔炼及性能测试操作如下：

按Al-Mg-Sc-Bi系合金中相应的合金比例称取的原材料即高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金与浇铸模具一并在245℃下干燥预热10min；然后，高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金配料放入熔炼炉的石墨坩埚中，再将炉温升到720℃，保温15分钟，在金属熔化后将纯Bi加入合金熔液中，炉温升至750℃，保温15分钟并进行搅拌；最后，降温至700℃,保温5min，加入去渣剂并进行搅拌，去除液态溶体上面的废渣；将液态合金浇入石墨模具中，模具已预热到150℃，浇铸后自然冷却，获得铸态合金。铸态Al-Mg-Sc-Bi合金的均匀化及固溶处理工艺，合金在300℃保温8小时，450℃保温3小时，完成均匀化及固溶处理，然后将合金在水中冷却。所得到的固溶后的Al-Mg-Sc-Bi合金试样放在温度为400℃的马弗炉中，保温15min后取出来轧制(轧锟180℃)，轧制比(第一次轧制完成后为原样品的90％；第二次轧制完成后为第一次轧制后尺寸的90％)，即每次轧制后样品尺寸减少10％；最后进行时效处理，在200℃环境内保持6小时。该合金测得的维氏硬度为119.9HV。

实施例6：

合金成分配料按下列质量百分比配比：5.23％Mg，1.05％Sc，0.50％Bi，其余为铝(Al)及不可控杂质元素，合金熔炼及性能测试操作如下：

按Al-Mg-Sc-Bi系合金中相应的合金比例称取的原材料即高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金与浇铸模具一并在245℃下干燥预热10min；然后，高纯Mg、高纯Bi、高纯Al，Al-2％Sc中间合金配料放入熔炼炉的石墨坩埚中，再将炉温升到720℃，保温15分钟，在金属熔化后将纯Bi加入合金熔液中，炉温升至750℃，保温15分钟并进行搅拌；最后，降温至700℃,保温5min，加入去渣剂并进行搅拌，去除液态溶体上面的废渣；将液态合金浇入石墨模具中，模具已预热到150℃，浇铸后自然冷却，获得铸态合金。铸态Al-Mg-Sc-Bi合金的均匀化及固溶处理工艺，合金在300℃保温8小时，450℃保温3小时，完成均匀化及固溶处理，然后将合金在水中冷却。所得到的固溶后的Al-Mg-Sc-Bi合金试样放在温度为400℃的马弗炉中，保温15min后取出来轧制(轧锟180℃)，轧制比(第一次轧制完成后为原样品的90％；第二次轧制完成后为第一次轧制后尺寸的90％)，即每次轧制后样品尺寸减少10％；最后进行时效处理，在200℃环境内保持6小时。该合金测得的维氏硬度为128.5HV。

针对上述实施例中的工艺参数总结下表：

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本发明方案中，从含量配比角度，以及工艺参数两个角度对于合金性能的影响进行分析，找出自然规律，结论可以最终推荐某一种或者几种组合。图1为Al-6.23Mg-4.31Sc-1.07Bi合金金相组织。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。