一种能够明显提高铝铜合金热疲劳性能的复合稀土变质剂

摘要

一种能够明显提高铝铜合金热疲劳性能的复合稀土变质剂，涉及铝合金材料中应用的一种添加剂，其特征为：组分按重量百分比计算，稀土为20～80％，其中，Ce为稀土重量的62－80％、La为稀土重量的5－20％、Y为稀土重量的3－10％、Pr+Nb+Eu+Gd+Tb+Ho+Er+Tm+Lu为稀土重量的10－20％；Cd为0～8％、Zr为0－6％、B为0～7％、V为0～7％，余量为铝。所述变质剂为块状灰白色合金，熔点范围700－1200℃，复合稀土变质剂加入量范围为0.1－1.0％。本发明能够明显提高铝铜锰钛合金热疲劳性能。

说明书

技术领域

本发明涉及铝合金材料中应用的一种添加剂，特指一种能够明显提高铝铜合金热疲劳性能的复合稀土变质剂。

背景技术

目前对合金热疲劳研究主要以耐热钢和高温合金为研究重点，而对铝基合金的研究相对较少。铸造铝合金由于其密度小、比强度高等特点，广泛应用于航空、航天、汽车、机械等行业。对铝铜合金的大量研究表明，通过微量元素合金化，能够缩小结晶温度间隔，增加热脆区的强度和塑性，细化晶粒等，均可在一定程度上提高合金的热疲劳性能，改善合金铸造性能。热疲劳性能与合金在凝固过程中的力学行为、晶界状态以及合金在凝固过程的自身特点有密切关系。文献中{1、李元元等.合金元素对Al-Cu合金热裂倾向的影响，中国有色金属学报.2001，11(5)：791-795；2、王光国.材料特性对铝铸件热疲劳强度的影响，内燃机.1999，3：32～36}也提到了铝铸件热疲劳的问题。然而直到现在，人们对热疲劳的认识仍不是很全面，国内热疲劳的定量研究还比较落后，生产实践中的热疲劳问题也没有得到彻底解决。

综上可见，目前对铝铜合金热疲劳性能进行系统的研究较少。本发明针对这一问题，开发出一种能够明显提高铝铜锰钛合金热疲劳性能的复合稀土变质剂。经过查询，未见有相关专利发表。

发明内容

一种能够明显提高铝铜合金热疲劳性能的复合稀土变质剂，其特征为：组分按重量百分比计算，稀土为20～80％，其中，Ce为稀土重量的62-80％、La为稀土重量的5-20％、Y为稀土重量的3-10％、Pr+Nb+Eu+Gd+Tb+Ho+Er+Tm+Lu为稀土重量的10-20％；Cd为0～8％，、Zr为0-6％、B为0～7％、V为0～7％，余量为铝。所述变质剂为块状灰白色合金，熔点范围700-1200℃，复合稀土变质剂加入量范围为0.1-1.0％。

上述用于铝铜合金的复合稀土变质剂，成分可优选为：稀土为68.3-76.6％(Ce为稀土重量的68-72.4％、La为稀土重量的13-15％、Y为稀土重量的7-9％、Pr+Nb+Eu+Gd+Tb+Ho+Er+Tm+Lu为稀土重量的7-12％)，Cd为4.5-5.8％，Zr为2.8-4.1％，B为4.2-6.6％，V为3.4-5.6％，余量为铝。复合稀土变质剂加入量优选范围为0.25-0.45％。

附图说明

图1为热疲劳试样示意图

图2为热疲劳裂纹形貌的扫描电镜照片(6000次)

具体实施方式

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验。板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致。通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度。试样在室温25℃至300℃之间进行加热与冷却的热循环。采用计数器进行自动计数。试验步骤：(1)调整并保持炉温300℃，水温20℃(流动自来水)；(2)快速加热试样；(3)加热、冷却一次作为一个循环，每次循环加热时间为60s，入水冷却时间为2s，直至预定循环次数；(4)对于研究热疲劳裂纹萌生的试样，每循环400次，取下试样，抛光去除表面氧化膜，测量表面裂纹长度，以0.2mm作为裂纹萌生长度，记下试样裂纹萌生循环次数。观察并对裂纹的萌生位置照相；(5)对于研究热疲劳裂纹扩展的试样，每循环400次，取下试样，抛光并测量表面裂纹长度。当缺口处裂纹达到萌生长度以后，每循环200次测量裂纹长度和表面硬度，在此过程中对裂纹形貌观察并照相。

实施例1：

对铝铜合金(重量百分比，4.5-5.3％Cu，0.6-1.0％Mn，0.15-0.25％Ti)，应用能够明显提高铝铜合金热疲劳性能的复合稀土变质剂进行变质处理。复合稀土变质剂化学成分(重量百分比)为：稀土为67.6(Ce为稀土重量的59.2％、La为稀土重量的5.2％、Y为稀土重量的4.1％、Pr+Nb+Eu+Gd+Tb+Ho+Er+Tm+Lu为稀土重量的31.5)，Cd为3.5％，Zr2.6％，B为4.2％，V为3.1％，余量为铝。变质处理是当铝铜合金液熔化温度达到720-740℃时加入复合稀土变质剂，复合稀土变质剂加入量为0.2％，然后进行搅拌，搅拌后静置5分钟。将变质处理后的合金浇铸成试棒，然后制成试样如图1所示的试样，试样尺寸规格为40×20×5mm，热疲劳试样为测试热疲劳裂纹萌生寿命及扩展速率是有预制裂纹的V型缺口试样，V型缺口长3mm，进行热疲劳试验。试验结果见表1。

实施例2：

对铝铜合金(重量百分比，4.5-5.3％Cu，0.6-1.0％Mn，0.15-0.25％Ti)，应用能够明显提高铝铜合金热疲劳性能的复合稀土变质剂进行变质处理。复合稀土变质剂化学成分(重量百分比)为：稀土为72.1％(Ce为稀土重量的70.2％、La为稀土重量的13.8％、Y为稀土重量的7.7％、Pr+Nb+Eu+Gd+Tb+Ho+Er+Tm+Lu为稀土重量的8.3％)，Cd为4.9％，Zr3.2％，B为4.8％，V为4.3％，余量为铝。变质处理是当铝铜合金液熔化温度达到720-740℃时加入复合稀土变质剂，复合稀土变质剂加入量为0.3％，然后进行搅拌，搅拌后静置5分钟。将变质处理后的合金浇铸成试棒，然后制成试样如图1所示的试样，试样尺寸规格为40×20×5mm，热疲劳试样为测试热疲劳裂纹萌生寿命及扩展速率是有预制裂纹的V型缺口试样，V型缺口长3mm，进行热疲劳试验。试验结果见表1。

对比例：

对与实施例1中相同成分的铝铜合金液，进行常规处理，将合金浇铸成试棒，然后制成如图1所示的试样，进行热疲劳试验。试验结果见表1。

选定加入复合稀土和不加入复合稀土的铝铜合金作为研究对象，从2000次到6000次热循环时的热疲劳裂纹的扩展情况，见表1。通过表1可以看出，与常规处理工艺得到的对比例相比，经过本发明复合稀土变质剂处理的合金实施例1和实施例2的耐热疲劳性大幅度提高，并且用优选成分复合稀土变质剂处理的实施例2的热疲劳性能比实施例1有明显提高。从图2可见，热疲劳试验进行到6000次的时候，没有加复合稀土试样的热疲劳裂纹在长度、宽度及深度等方面继续发展，裂纹变得更加粗大清晰，加入复合稀土变质剂0.2％和0.3％进行变质处理的试样的热疲劳裂纹在长度、宽度及深度等方面要小得多，特别是采用优选成分复合稀土变质剂处理的实施例2的热疲劳裂纹短而细，其热疲劳性能比对比例有大幅度提高，比实施例1也有明显提高。

表1热疲劳裂纹扩展数据

热疲劳实验次数    2000次  3000次  3500次  4000次  4500次  5000次  5500次  6000次裂纹长度(mm)0实施例1实施例2    1.02    0    0  2.87  0  0  4.96  0.72  0  7.75  1.76  1.14  10.16  3.58  2.36  16.03  7.36  4.54  21.57  13.23  7.14  28.18  18.64  13.41