專利背景
Al-Mg-Si-Cu合金是鋁合金中常見的合金之一,因其比重輕、易加工、強度高等特性,因此被被廣泛套用於電子消費品、汽車業及航空業等領域。2016年前,隨著電子消費品和汽車輕量化的高速發展,鋁合金越來越多的被套用於一些結構件和裝飾件。如,
筆記本電腦、平板電腦、
智慧型手機、汽車的保險槓、
汽車輪轂等。未來的鋁合金會朝著質量更輕、強度更強的方向發展。
Al-Mg-Si-Cu合金中的Fe、Mn、Cr等元素的含量是影響合金晶粒成長行為的重要因素之一,此類元素含量過低或過高均易使合金加工過程中產生晶粒粗化現象,導致產品機械性能降低,裝飾效果惡化等缺陷。
發明內容
專利目的
《一種細小晶粒中等強度鋁合金及其製備方法與套用》的首要目的在於克服2016年12月之前技術的缺點與不足,提供一種細小晶粒中等強度鋁合金。該發明的另一目的在於提供所述的細小晶粒中等強度鋁合金的製備方法。該發明的再一目的在於提供所述細小晶粒中等強度鋁合金的套用。
技術方案
《一種細小晶粒中等強度鋁合金及其製備方法與套用》的目的通過以下述技術方案實現:一種細小晶粒中等強度鋁合金,該合金包含以下按質量百分比計的組分:Si為0.58~0.63%,Mg為0.87~0.93%,Fe為0.12~0.14%,Cu為0.20~0.30%,Mn為0.10~0.15%,Cr為0.14~0.20%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si≤1.73。
所述的合金包含以下按質量百分比計的組分:Si為0.585~0.621%,Mg為0.877~0.926%,Fe為0.124~0.138%,Cu為0.208~0.297%,Mn為0.104~0.146%,Cr為0.142~0.195%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si≤1.73。
所述的Mg和Si的質量比優選為:Mg/Si=1.46~1.50;更優選為:Mg/Si=1.49~1.50。
一種細小晶粒中等強度鋁合金的製備方法,包括如下步驟:
(1)按照上述質量百分比進行備料,其中,鋁和鎂採用鋁錠和鎂錠,銅採用陰極銅;
(2)將鋁錠加熱到730~760℃進行熔化,再加入鎂錠、陰極銅和中間合金、進行合金化,得到鋁熔體A;
(3)向鋁熔體A中加入精煉劑,於730~750℃進行精煉,在精煉的同時向鋁熔體A中通入惰性氣體進行攪拌、排氣、扒渣,得到鋁熔體B;
(4)將熔體B靜置,得到鋁熔體C;
(5)將鋁熔體C進行鑄造,鑄造溫度控制在680~700℃,得到合金圓鑄錠;
(6)將合金圓鑄錠加熱到540±5℃後保溫10~12小時,再用水霧強冷至室溫,得到細小晶粒中等強度鋁合金。
步驟(2)中所述的中間合金為鋁矽合金(結晶矽與鋁矽合金)、鐵錠(鐵與鋁的合金)、錳錠(錳與鋁的合金)和鉻錠(鉻與鋁的合金)。
步驟(2)中所述的加熱為採用熔煉爐進行加熱。
所述的熔煉爐為蓄熱式節能爐。
步驟(2)中所述的熔化的溫度優選為750℃。
步驟(3)中所述的精煉劑的添加量按2千克/噸鋁熔體A計算。
步驟(3)中所述的進行精煉的溫度優選為740℃,精煉的時間為30~50分鐘,優選為40分鐘。
步驟(3)中所述的得到鋁熔體B還包括成分微調的步驟:將得到的鋁熔體B進行化學成分分析,若合金成分不在步驟(1)所述的範圍內,則通過成分微調,將合金成分控制在步驟(1)所述的範圍內。
步驟(4)中所述的得到鋁熔體C還包括淨化的步驟。
所述的淨化優選為將鋁熔體C依次通過箱式除氣裝置和板式過濾系統進行淨化。
步驟(3)中所述的惰性氣體優選為高純氬氣。
所述的氬氣的壓力為0.05~0.1兆帕,流量為12升/分鐘。
步驟(4)中所述的靜置的時間為30~50分鐘,優選為40分鐘。
步驟(5)中所述的鑄造優選為採用熱頂半連續鑄造法進行鑄造。
所述的細小晶粒中等強度鋁合金在製造電子設備結構件型材中的套用。
所述的細小晶粒中等強度鋁合金在製造管、棒、型材中的套用。
所述的細小晶粒中等強度鋁合金在製造管、棒、型材中的套用,包括以下步驟:
(i)將上述得到的細小晶粒中等強度鋁合金進行加熱;
(ii)將合金進行擠壓加工,得到鋁合金管、棒、型材;
(iii)進行人工時效處理。
在步驟(ⅱ)與(ⅲ)之間還包括線上淬火和拉伸矯直的步驟。
所述的線上淬火優選通過如下方法實現:使用水溫為30℃的水對鋁合金管、棒、型材進行快速冷卻,冷卻速度為40℃/秒;
所述的拉伸矯直優選通過如下方法實現:使用拉伸機對擠壓後的鋁合金管、棒、型材進行拉伸。
所述的進行拉伸的拉伸量為0.5~1.0%。
步驟(i)中所述的細小晶粒中等強度鋁合金還包括鋸切的步驟,將合金鋸切成合適的長度,優選為470毫米。
步驟(i)中所述的加熱採用電磁感應加熱,加熱的溫度為540~550℃;優選為540℃。
步驟(ii)中所述的擠壓的溫度為520~530℃,優選為520℃;擠壓的速度(主缸前進速度)為1.8~2.1毫米/秒,優選為2.0毫米/秒;擠壓比λ<30,優選為20。
步驟(iii)中所述的人工時效工藝為:170±5℃保溫8~12小時後空冷至室溫。
在Al-Mg-Si-Cu合金,Si和Mg是形成主要強化相的組成元素,形成Mg2Si強化相。合金隨著Mg和Si含量的增加,其抗拉強度隨之增加。Mg2Si強化相中Mg和Si的質量百分比為1.73,該合金按照Mg/Si≤1.73設計,優選1.46-1.50。Si含量稍過量,目的是使Mg充分利用並形成強化相。
在該發明合金中,Fe會與Al、Mn、Si等元素形成難溶的AlFeMnSi脆性相,增加合金的熱裂傾向。Fe與Al形成FeAl3可以細化再結晶晶粒,與Mn結合形成Al6(FeMn)可改善抗腐蝕性能。該發明將Fe的含量控制在0.12~0.14%之內,使合金在保持優異的力學性能的同時,並且細化晶粒。
Cu在合金中與Al和Mg會形成強化相S(CuMgAl2)和CuAl,隨著Cu含量增加合金強度增加,延伸率降低。該發明將Cu的含量控制在0.20~0.30%之內,使合金在保證較高的力學性能的同時,保持較高的延伸率。
Mn、Cr在均勻化退火中與Al發生相變反應,形成彌散相MnAl6和CrAl7。MnAl6和CrAl7可以提高再結晶溫度,使合金的再結晶困難,使之在擠壓過程中形成纖維組織。過量的Mn和Cr會產生粗大的金屬間化合物,且淬火敏感性增加。該發明中Mn和Cr的含量分別控制在0.10~0.14%和0.14~0.20%之內,使合金保證組織結構,且避免形成粗大的鋁鐵錳顆粒。
改善效果
《一種細小晶粒中等強度鋁合金及其製備方法與套用》相對於2016年12月之前的技術具有如下的優點及效果:
1、該發明與傳統的6061合金相比具有如下優點:(1)傳統Al-Mg-Si-Cu合金的Mg、Si元素範圍大,可能出現Mg過剩的情況,該發明合金中Mg/Si≤1.73設計,優選1.46~1.50,避免了Mg過量時形成MgO、Mg Al2O4等化合物;(2)該發明合金在T6狀態下抗拉強度≥334兆帕,屈服強度≥307兆帕,斷後延伸率≥14%,比國標中6061-T6合金的最低標準分別高26%、25%、75%以上;(3)普通6061合金產品T6態下晶粒尺寸介於200~300微米,該發明製備產品T6狀態下晶粒尺寸可控制在15~30微米之內,晶粒細小均勻,是各類鋁合金鍛壓製品的最佳原材料。
2、該發明合金具有較高的力學性能和細小的晶粒組織特點,適用於製備電子設備結構件,也適用於製備一些對強度要求高的管材和棒材。
技術領域
《一種細小晶粒中等強度鋁合金及其製備方法與套用》屬於鋁合金材料及其製造領域,特別是涉及一種細小晶粒中等強度鋁合金及其製備方法與套用。
權利要求
1.一種細小晶粒中等強度鋁合金,其特徵在於,該合金包含以下按質量百分比計的組分:Si為0.58~0.63%,Mg為0.87~0.93%,Fe為0.12~0.14%,Cu為0.20~0.30%,Mn為0.10~0.15%,Cr為0.14~0.20%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si≤1.73。
2.根據權利要求1所述的細小晶粒中等強度鋁合金,其特徵在於:所述的Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.46~1.50。
3.一種細小晶粒中等強度鋁合金的製備方法,其特徵在於,包括如下步驟:
(1)按照權利要求1或2所述的質量百分比進行備料,其中,鋁和鎂採用鋁錠和鎂錠,銅採用陰極銅;
(2)將鋁錠加熱到730~760℃進行熔化,再加入鎂錠、陰極銅和中間合金、進行合金化,得到鋁熔體A;
(3)向鋁熔體A中加入精煉劑,於730~750℃進行精煉,在精煉的同時向鋁熔體A中通入惰性氣體進行攪拌、排氣、扒渣,得到鋁熔體B;
(4)將熔體B靜置,得到鋁熔體C;
(5)將鋁熔體C進行鑄造,鑄造溫度控制在680~700℃,得到合金圓鑄錠;
(6)將合金圓鑄錠加熱到540±5℃後保溫10~12小時,再用水霧強冷至室溫,得到細小晶粒中等強度鋁合金。
4.根據權利要求3所述的細小晶粒中等強度鋁合金的製備方法,其特徵在於:
步驟(3)中所述的得到鋁熔體B還包括成分微調的步驟:將得到的鋁熔體B進行化學成分分析,若合金成分不在步驟(1)所述的範圍內,則通過成分微調,將合金成分控制在步驟(1)所述的範圍內;
步驟(4)中所述的得到鋁熔體C還包括淨化的步驟:將鋁熔體C依次通過箱式除氣裝置和板式過濾系統進行淨化。
5.根據權利要求3所述的細小晶粒中等強度鋁合金的製備方法,其特徵在於:
步驟(3)中所述的精煉劑的添加量按2千克/噸鋁熔體A計算;
步驟(3)中所述的進行精煉的溫度為740℃,精煉的時間為30~50分鐘;
步驟(3)中所述的惰性氣體為高純氬氣;
步驟(4)中所述的靜置的時間為30~50分鐘。
6.權利要求1或2所述的細小晶粒中等強度鋁合金在製造電子設備結構件型材中的套用。
7.權利要求1或2所述的細小晶粒中等強度鋁合金在製造管、棒、型材中的套用。
8.根據權利要求7所述的細小晶粒中等強度鋁合金在製造管、棒、型材中的套用,其特徵在於,包括以下步驟:
(i)將細小晶粒中等強度鋁合金進行加熱;
(ii)將合金進行擠壓加工,得到鋁合金管、棒、型材;
(iii)進行人工時效處理。
9.根據權利要求8所述的細小晶粒中等強度鋁合金在製造管、棒、型材中的套用,其特徵在於:
在步驟(ⅱ)與(ⅲ)之間還包括線上淬火和拉伸矯直的步驟;
所述的線上淬火通過如下方法實現:使用水溫為30℃的水對鋁合金管、棒、型材進行快速冷卻,冷卻速度為40℃/秒;
所述的拉伸矯直通過如下方法實現:使用拉伸機對擠壓後的鋁合金管、棒、型材進行拉伸。
10.根據權利要求8所述的細小晶粒中等強度鋁合金在製造管、棒、型材中的套用,其特徵在於:
步驟(i)中所述的加熱的溫度為540~550℃;
步驟(ii)中所述的擠壓的溫度為520~530℃;
步驟(iii)中所述的人工時效工藝為:170±5℃保溫8~12小時後空冷至室溫。
實施方式
實施例1
原材料
鋁錠:採用牌號為Al99.7的鋁錠,鋁錠中Al的質量百分比為99.70%以上,符合標準GB/T 1196-2008《重熔用鋁錠》;
鎂錠:採用牌號為Mg9990的鎂錠,鎂錠中Mg的質量百分比為99.9%以上,符合標準GB/T 3499-2003《原生鎂錠》;
鋁矽合金:採用結晶矽與鋁矽合金,其中鋁矽合金的矽的質量百分比為20%,符合標準YS/T 282-2000《鋁中間合金錠》;
鐵錠:採用鐵與鋁的合金,合金中Fe的質量百分比為75以上,符合標準YS/T 282-2000《鋁中間合金錠》;
陰極銅:2號標準銅,其中Cu的質量百分比為99.9%以上,符合標準GB/T 467-2010《陰極銅》;
錳錠:採用錳與鋁的合金,合金中Mn的質量百分比為75以上,符合標準YS/T 282-2000《鋁中間合金錠》;
鉻錠:採用鉻與鋁的合金,合金中Cr的質量百分比為75以上,符合標準YS/T 282-2000《鋁中間合金錠》;
精煉劑:採用牌號為PROMAG RI粒狀精煉劑,符合標準YS/T491-2005《變形鋁及鋁合金用熔劑》;
精鍊氣體:採用高純氬氣,純度即體積百分數為≥99.999%;
熔煉線上處理氣體:採用高純氬氣,純度即體積百分數為≥99.999%。
上述Al-Mg-Si-Cu合金的製備方法,包括以下步驟:
(1)按各成分的質量百分比:Si為0.621%,Mg為0.926%,Fe為0.138%,Cu為0.297%,Mn為0.144%,Cr為0.192%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中,Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.49。
(2)將上述原料中的鋁錠投入冶煉爐(蓄熱式節能爐)。
(3)將鋁錠加熱到750℃進行熔化,鋁錠完全熔化後得到鋁熔體I,再向鋁熔體I中加入步驟(1)中準備的其它合金(鎂錠、鋁矽合金、陰極銅、錳錠和鉻錠),對鋁熔體進行合金化,得到鋁熔體II。
(4)按照2千克/噸鋁熔體II的比例向鋁熔體II中加入精煉劑,進行精煉,精煉溫度為730~750℃,精煉時間為40分鐘,在精煉的同時向鋁熔體中通入高純氬氣進行攪拌、除氣,然後扒渣,得到鋁熔體III。其中
氬氣的壓力控制為0.1兆帕,流量控制為12升/分鐘。
(5)對步驟(4)中得到的鋁熔體III進行取樣分析,添加合金元素微調成分,將合金成分控制在步驟(1)所述的範圍內。
(6)對得到的鋁熔體III進行靜置40分鐘處理;
(7)靜置後再將鋁熔體III依次通過箱式除氣裝置、板式過濾裝置進行除氣除雜,淨化後得到鋁熔體Ⅳ;
(8)將鋁熔體Ⅳ採用熱頂半連續鑄造法鑄造,鑄造溫度控制在700℃,澆注獲得合金圓鑄錠;
(9)將獲得的合金圓鑄錠在均質爐內加熱到540±5℃保溫12小時後水霧冷至室溫,最終得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
實施例2
按各成分質量百分比:Si為0.585%,Mg為0.879%,Fe為0.124%,Cu為0.208%,Mn為0.106%,Cr為0.145%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.50。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
實施例3
按各成分的質量百分比:Si為0.600%,Mg為0.900%,Fe為0.131%,Cu為0.254%,Mn為0.136%,Cr為0.186%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.50。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
實施例4
按各成分的質量百分比:Si為0.621%,Mg為0.926%,Fe為0.128%,Cu為0.297%,Mn為0.104%,Cr為0.142%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.49。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
實施例5
按各成分的質量百分比:Si為0.588%,Mg為0.877%,Fe為0.134%,Cu為0.206%,Mn為0.146%,Cr為0.195%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.49。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
對比例1
按各成分的質量百分比:Si為0.622%,Mg為0.925%,Fe為0.155%,Cu為0.294%,Mn為0.148%,Cr為0.197%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.48。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
對比例2
按各成分的質量百分比:Si為0.587%,Mg為0.875%,Fe為0.112%,Cu為0.204%,Mn為0.109%,Cr為0.145%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.49。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
對比例3
按各成分的質量百分比:Si為0.592%,Mg為0.879%,Fe為0.124%,Cu為0.241%,Mn為0.091%,Cr為0.147%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.48。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
對比例4
按各成分的質量百分比:Si為0.600%,Mg為0.898%,Fe為0.125%,Cu為0.257%,Mn為0.107%,Cr為0.131%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.50。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
對比例5
按各成分的質量百分比:Si為0.598%,Mg為0.894%,Fe為0.139%,Cu為0.252%,Mn為0.148%,Cr為0.215%,其它雜質總量≤0.15%,餘量為Al進行配料;其中Mg和Si的質量比為:Mg/Si=1.49。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。
效果實施例
實施例1~5和對比例1~5中合金成分見表1,將製得的鋁合金圓鑄錠分別鋸切成470毫米短料,按照以下工藝擠壓製成規格為直徑30毫米的棒材。
(ⅰ)鑄錠加熱採用電磁感應加熱,將上述合金鑄錠在鋁棒加熱爐中加熱到540℃;
(ⅱ)擠壓工藝為:擠壓溫度520℃,型材擠壓比20,擠壓速度(主缸推進速度)2.0毫米/秒;
(iii)固溶處理採用線上淬火:使用水溫為30℃的水對型材進行快速冷卻,冷卻速度為40℃/秒;再使用拉伸機對擠壓後的型材進行拉伸,拉伸量控制在0.5~1.0%;
(iv)時效工藝為:170℃保溫12小時後空冷至室溫。
2、按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》對上述棒材進行力學性能測試,根據國家標準GB/T 6892-2015《一般工業用鋁及鋁合金擠壓型材》給出對比鋁合金6061-T6的力學性能,測試結果見表2(熱處理狀態為T6)。
3、按照GB/T 3246.1-2012《變形鋁及鋁合金製品組織檢驗方法第1部分:顯微組織檢驗方法》測試試樣晶粒尺寸,測試結果見表3。
註:表3中普通6061合金的平均晶粒尺寸是用常規6061合金通過相同的製備工藝、相同的測試方法多次測量得到的平均數值。
從表2中可以看出,與6061-T6國家標準對比,該發明合金在T6狀態下抗拉強度≥334兆帕,屈服強度≥307兆帕,斷後延伸率≥14%,比國標中6061-T6合金的最低標準分別高26%、25%、75%以上,具有較高的力學性能。從表3中可以看出,普通6061合金產品T6態下晶粒尺寸介於200~300微米,對比例1~5的合金T6態下晶粒尺寸介於76~117微米,晶粒尺寸遠遠大於該發明的晶粒大小;而該發明製備產品T6狀態下晶粒尺寸可控制在15~30微米之內,晶粒細小均勻,是各類鋁合金鍛壓製品的最佳原材料。
榮譽表彰
2020年7月14日,《一種細小晶粒中等強度鋁合金及其製備方法與套用》獲得
第二十一屆中國專利獎優秀獎。