一种耐热Al-Cu-Mg系铝合金的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种耐热Al-Cu-Mg系铝合金，属于有色金属材料及其加工领域。
【背景技术】
[0002] 铝合金钻杆，是当今较为先进的非磁性钻杆，最初由瑞典的克芮留斯公司研制成 功。与钢钻杆相比，铝合金钻杆在自重、比强度、弹性和耐腐蚀性等方面具有突出的优点。在 钻机能力一定的条件下，用铝合金钻杆能钻达钢钻杆无法达到的深度。且可使钻具重量减 轻1/2-1/3，生产效率提高15%-20%，并能大大节约设备的制作和运输费用。因此，铝合金 钻杆在比利时、加拿大、美国和俄罗斯等国家得到推广，应用领域涉及深部资源钻探、大位 移井、浅层快速取样钻探及满眼空气(潜孔锤)钻进等。但铝合金钻杆在高温环境下的性能 不好，尤其是温度超过200°C时，铝合金的强度损失非常大，所以，解决铝合金钻杆的耐热问 题是铝合金钻杆应用的关键技术。Al-Cu-Mg系铝合金是目前铝合金中耐热性最好的系列， 因此本领域的技术人员多考虑在Al-Cu-Mg系铝合金的基础上改进，以提高铝合金的耐热性 能。
[0003] 现有技术中，以提高铝合金耐热性能为目的的Al-Cu-Mg系铝合金改性主要是在 Al-Cu-Mg系铝合金中掺入Ag，如CN101245430B公开了一种高耐热性Al-Cu-Mg-Ag合金，合金 中各元素的质量百分比含量为 ：(：114.6%-6.6%，1^0.4-〇.65%48 1-1.5%，卩6〇-0 · 06%，Si〇-〇 · 06%，Mn 0 · 25-0 · 35%，Zr 0 · 1-0 · 2%，余量为A1。该专利的原理是将铝合金 中Ag含量提高，并适当提高Ag/Mg原子比，使合金基体中具有更多的Ω相形核位置，合金在 高温下拥有更多的Ω相，合金基体中获得大量弥散细小的强化相，从而使合金具有优异的 高温短时拉伸性能、高温持久性能和良好的长时间热暴露后的组织性能、稳定性能。但是Ag 属于贵重金属，价格昂贵，因此这种铝合金不适于大规模生产。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是解决现有技术中Al-Cu-Mg系铝合金高温耐热性较差，而掺银改性 的耐热Al-Cu-Mg系铝合金成本高，不适于大规模生产的技术问题，提供一种耐热Al-Cu-Mg 系错合金。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下。
[0006] -种耐热Al-Cu-Mg系铝合金，组成及各组分质量百分比为:Cu 3.5-4.5%，Mg大于 1.8%且小于等于2.3%，稀土元素(RE)0.03-0·2%，V 0.03-0.2%，Mn为0.3-0.9%，余量为 A1及不可避免的杂质元素；
[0007] 所述稀土元素为1^、〇6、5111、阳、6(1、￥中的一种或几种按任意比例的混合。
[0008] 优选的，所述Cu为3.9-4.2%，Mg为1.85-2 ·0%，稀土元素为0.05-0.15%，V为 0.07-0.1%，Mn为0.4-0.6%。
[0009] 更优选的，所述Cu为4·2%，Mg为2·0%，稀土为0·05%，V为0·07%，Mn为0·5%。
[0010] 更优选的，所述(：11为4.2%，]\%1.85%，稀土元素为0.15%，￥0.1%，]\111〇.5%。
[0011] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0012] 本领域技术人员普遍存在这样的认识：即提高Al-Cu-Mg系铝合金的高温耐热性， 需要掺入熔点较高的金属元素，而Mg元素的熔点较低，并且如果Mg元素的含量高于1.5wt% 容易引起合金塑性降低，因此在改性铝合金的耐热性时，本领域的技术人员会舍弃提高Mg 元素含量的技术手段。本发明的发明人却意外发现增加 Mg的含量，能够提高铝合金的高温 耐热性，且对合金的塑性影响很小，并经过大量实验验证，增加 Mg的含量确实存在这种技术 效果。发明人分析，可能是由于增加 Mg的含量提高了 Al-Cu-Mg系铝合金的高温强度，让Mg与 Cu形成更多的高温S'相，这些细小的高温强化相在基体中大量弥散分布，才起到了高温强 化效果。本发明在铝合金中添加 RE和V元素，能够进一步改善铝合金的塑性，使其具备良好 的加工性能。
[0013]综合来讲，本发明通过增加 Mg的含量，适当降低Cu的含量及六1、〇1、1%、1^和￥各元 素的共同作用，使铝合金具备良好的高温耐热性及塑性。经实验验证，本发明的铝合金在 250°C和300°C的抗拉强度可以达到275-285Mpa和175-183Mpa，相较于现有的耐热性最好的 2024铝合金在250 °C和300 °C的抗拉强度为255Mpa和162Mpa，平均提高20-30Mpa左右;本发 明的铝合金的延伸率为250°C :8.5%，300°C : 10%，相较于现有的2024合金的延伸率250°C : 10%，300°C : 10%，塑化性能降低10%左右。
【具体实施方式】
[0014] 为了进一步了解本发明，下面结合【具体实施方式】对本发明的优选实施方案进行描 述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利 要求的限制。
[0015] 本发明的耐热Al-Cu-Mg系铝合金，组成及各组分质量百分比为:Cu 3.5-4.5%，Mg 1.8-2.3%，稀土元素0.03-0.2%，V 0·03-0·2%，Μη 0.3-0.9%，余量为A1 及不可避免的杂 质元素(一般情况下，熔炼过程中不可避免的掺杂杂质Si、Fe和Zn，具体杂质的类型及允许 掺杂量为本领域技术人员公知常识，具体为Zn小于0.2%，Si小于0.2%，Fe小于0.5% )。其 中，在多种稀土元素中，经发明人大量实验及分析，1^、&、5!11、阳、6(1、￥中的一种或几种按任 意比例的混合能够实现本发明的技术效果，因此本发明的稀土元素采用La、Ce、Sm、Nd、Gd、Y 中的一种或几种按任意比例的混合。
[0016] 本领域技术人员在明确本发明的耐热Al-Cu-Mg系铝合金的组成及各组分质量百 分比的情况下，能够采用铝合金的常规制备方法制备本发明的耐热Al-Cu-Mg系铝合金，过 程中没有特殊限制。本发明提供一种耐热Al-Cu-Mg系铝合金的制备方法，采用熔配法，但不 限于此：
[0017] 步骤一、先根据耐热Al-Cu-Mg系铝合金的配比准备原料，其中，Al、Mg分别采用纯 A1、纯1%，&1、111、1^、￥分别采用相应的中间合金；
[0018] 步骤二、将原料加入石墨坩埚中，将石墨坩埚置于电炉中进行熔炼，熔炼温度为 740-760°C，待原料全部熔化后，加入精炼剂精炼，充分搅拌后，静置20min，将精炼后的合金 液浇注入模具中，浇注温度700-710°C，冷却后脱模，得到铸锭；
[0019] 步骤三、将铸锭挤压成挤压棒，挤压温度为390°C，挤压比为20;
[0020] 步骤四、将挤压棒进行固溶处理，先在500°C固溶1.5h，然后自然时效100h，得到耐 热Al-Cu-Mg系铝合金。
[0021]以下结合对比例及实施例进一步说明本发明，对比例和实施例中的铝合金的耐热 性能和塑性的检测方法采用GB4338-2006-T金属材料高温拉伸试验方法。
[0022] 对比例1
[0023] 一种Al-Cu-Mg系铝合金，以质量百分比计，组成如下：Cu 4.5%，Mg 1.5%，Mn 0.5%，A1为余量及不可避免的杂质元素（杂质元素为:Zn小于0.2%，Si小于0.2%，Fe小于 0.5%)〇
[0024]检测对比例1的铝合金的耐热性能和塑性，结果如表1所示。
[0025] 实施例1
[0026] -种耐热Al-Cu-Mg系错合金，以质量百分比计，组成如下：Cu 3.9%，Mg 1.81%， 稀土(1^和〇6质量比1:1)0.1%，￥0.1%，]/[110.5%41为余量及不可避免的杂质元素(杂质 元素为:Zn小于0.2%，51小于0.2%^6小于0.5%)。
[0027]检测实施例1的铝合金的耐热性能和塑性，结果如表1所示。
[0028] 实施例2
[0029] 一种耐热Al-Cu-Mg系铝合金，以质量百分比计，组成如下：Cu 4.2%，Mg 1.85%， 稀土(Sm和Y质量比1:1)0.15%，V 0.1%，Mn 0.5%，A1为余量及不可避免的杂质元素(杂质 元素为:Zn小于0.2%，51小于0.2%^6小于0.5%)。
[0030] 检测实施例2的铝合金的耐热性能和塑性，结果如表1所示。
[0031] 实施例3
[0032] -种耐热Al-Cu-Mg系错合金，以质量百分比计，组成如下:Cu 4.2%，Mg 2.0%，稀 土(Nd)0.05%，V 0.07%，Mn 0.5%，A1为余量及不可避免的杂质元素(杂质元素为:Zn小于 0.2%，Si小于0.2%，Fe小于0.5%)。
[0033] 检测实施例3的铝合金的耐热性能和塑性，结果如表1所示。
[0034] 实施例4
[0035] -种耐热Al-Cu-Mg系错合金，以质量百分比计，组成如下:Cu 4.5%，Mg 2.3%，稀 土(￥和6(1质量比1:1)0.2%，￥0.03%，]/[110.5%41为余量及不可避免的杂质元素(杂质元 素为:Zn小于0.2%，51小于0.2%^6小于0.5%)。
[0036] 检测实施例4的铝合金的耐热性能和塑性，结果如表1所示。
[0037] 实施例5
[0038] -种耐热Al-Cu-Mg系铝合金，以质量百分比计，组成如下:Cu 3.5%，Mg 2.3%，稀 土(La)0.03%，V 0.2%，Mn 0.5%，A1为余量及不可避免的杂质元素（杂质元素为:Zn小于 0.2%，Si小于0.2%，Fe小于0.5%)。
[0039] 检测实施例5的铝合金的耐热性能和塑性，结果如表1所示。
[0040] 表1对比例1及实施例1-5的耐热性能和塑性
[0041]
[0042] 从表1可以看出，本发明的铝合金在250°C和300°C的抗拉强度可以达到275-285Mpa和175-183Mpa，相较于现有的耐热性最好的2024铝合金的抗拉强度为255Mpa和 162Mpa，平均提高20-30Mpa左右;塑化性能降低10%左右。
[0043] 显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指 出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发 明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
【主权项】
1. 一种耐热Al-Cu-Mg系铝合金，其特征在于，组成及各组分质量百分比为： Cu 3:..5-4.5 Mg 太于1J%且小于等于2.3 %， 稀土元素 0.03-0.2%， V 0.03-0.2%, Mn 0.3-0.9%， 余量为A1及不可避免的杂质元素； 所述稀土元素为La、Ce、Sm、Nd、Gd、Y中的一种或几种按任意比例的混合。2. 根据权利要求1所述的一种耐热Al-Cu-Mg系铝合金，其特征在于，所述Cu为3.9-4.2%，Mg为 1.85-2.0%，稀土元素为0.05-0.15%，V为0.07-0.1%，Mn为0.4-0.6%。3. 根据权利要求2所述的一种耐热Al-Cu-Mg系铝合金，其特征在于，所述Cu为4.2%，Mg 为2·0%，稀土元素为0·05%，V为0·07%，Mn为0·5%。4. 根据权利要求2所述的一种耐热Al-Cu-Mg系铝合金，其特征在于，所述Cu为4.2%，Mg 1.85%，稀土元素为0.15%，V 0·1%，Μη 0.5%。
【专利摘要】本发明公开了一种耐热Al-Cu-Mg系铝合金，属于有色金属材料及其加工技术领域。解决了现有技术中Al-Cu-Mg系铝合金高温耐热性较差，而掺银改性的耐热Al-Cu-Mg系铝合金成本高，不适于大规模生产的技术问题。本发明的铝合金，组成及各组分质量百分比为：Cu？3.5-4.5％，Mg大于1.8％且小于等于2.3％，稀土0.03-0.2％，V？0.03-0.2％，Mn？0.3-0.9％，余量Al及不可避免的杂质元素，其中，稀土元素为La、Ce、Sm、Nd、Gd、Y中的一种或几种按任意比例的混合。本发明通过增加Mg的含量，适当降低Cu的含量及Al、Cu、Mg、RE和V各元素的共同作用，使铝合金具备良好的高温耐热性及塑性。
【IPC分类】C22C21/16
【公开号】CN105624493
【申请号】CN201610156556
【发明人】孟健, 孙伟, 牛晓东, 邱鑫, 田政, 张德平
【申请人】中国科学院长春应用化学研究所
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年3月18日