CN102168213A - 一种高成形性、高强度铝合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铝合金材料，具体地说，涉及一种高成形性、高强度铝合金材料及其制备方法和应用，属于有色金属材料领域，包括以下质量百分含量的组分：Mg为0.40～0.50%，Si为0.35～0.70%，Sr为0.01～0.06%，Mn为0.06～0.10%，余量为Al以及不可避免的杂质。本发明铝合金材料与6063-T5的力学性能相比，抗拉强度从160MPa提高到220MPa、屈服强度从110MPa提高到180MPa、延伸率从8%提高到12%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料，具体地说，涉及一种高成形性、高强度铝合金材料及其制备方法和应用，属于有色金属材料领域。
背景技术
目前对高成形性、高强度要求的轨道车辆内饰件、休闲制品、便携式铝合金梯材料均采用6063-T5铝合金材料，其主要成分：Mg0.45～0.9%，Si0.2～0.6%，其抗拉强度≥160Mp，屈服强度≥110MPa，延伸率≥8%。普通6063-T5合金挤压时采用风冷淬火，冷却速度受到限制，加之采用高温时效硬化工艺，使其晶界两侧形成无析出区(PFZ)，导致材料的机械性能不足和三次加工性能（弯曲、冲压加工、韧性）变坏，无法满足高成形性、高强度铝合金材料的要求。
随着我国高速铁路快速发展以及家庭用便携式铝合金梯的需求量越来越大，迫切需要高成形性、高强度铝合金材料代替传统的6063-T5合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种高成形性、高强度铝合金材料。
本发明的另一目的是提供一种高成形性、高强度铝合金材料的制备方法。
本发明的再一目的是提供一种高成形性、高强度铝合金材料在制备成热挤压型材时的加工方法，该热挤压型材可应用于轨道车辆内饰件、便携式铝合金家用梯、休闲制品中。
为了实现本发明的目的，本发明一种高成形性、高强度铝合金材料，包括以下质量百分含量的组分：Mg为0.40～0.50%，Si为0.35～0.70%，Sr为0.01～0.06%，Mn为0.06～0.10%，余量为Al以及不可避免的杂质。杂质应尽量减小在铝合金材料中的含量，杂质应控制单个杂质≤0.05%，合计≤0.15%。
所述铝合金材料还包括Cu≤0.10%，Cr≤0.01%，Fe≤0.20%，Zn≤0.10%，Ti≤0.10%。
所述Mg为0.50%，Si为0.40%，Sr为0.03%，Mn为0.08%。
本发明一种高成形性、高强度铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
1）熔铸
先将32～58重量份的铝硅合金、2～6.5重量份的铝锶合金、0.95～1.4重量份的锰添加剂和955～975重量份的铝锭，一起加热到720℃～760℃熔化；然后加入4.5～5.3重量份的块状纯镁锭；再采用惰性气体-熔剂混和精炼法对熔体进行精炼，其中，惰性气体采用纯度不小于99.997%的高纯氮气，熔剂采用重量百分比分别为40%～50%的KCl、25%～35%的NaCl、18%～26%的Na3AlF6组成的粉状熔剂，熔剂用量为1.5～2kg/t熔体重量比例，精炼温度控制在720℃～750℃，时间为15分钟～30分钟；精炼结束后，静置25～30分钟；在690℃～720℃温度条件下进行铸造；
2）铸棒均匀化处理
采用580℃均匀化处理温度，保温2.5～3.5小时出炉,再采用喷雾水冷方式进行快速冷却，使铸棒于2.5～3小时冷却到180℃以下；
其中，铝硅合金中硅的重量百分比含量为11%～13%；铝锶合金中锶的重量百分比含量为9%～11%；锰添加剂中锰的重量百分比含量为69%～71%。
本发明的高成形性、高强度铝合金材料，可作为轨道车辆、高档轿车的内饰件、便携式家用铝合金梯的结构件的原材料。
本发明一种高成形性、高强度铝合金材料在制备成热挤压型材时的加工方法，包括如下步骤：
1）挤压工艺
将铝合金铸棒预加热至480℃～520℃，模具加热至440℃～480℃，保温1.5～2.5小时；挤压筒加热至390℃～420℃，铝合金型材出口温度控制在500℃以上，采用强制风冷，3分钟冷却到180℃以下；
2）时效工艺
采用分级、低温时效工艺，首先控制铝合金型材的温度在120℃～140℃，保温2小时，然后将铝合金型材的温度提高到150℃～160℃，保温4小时。分级低温时效工艺控制铝合金型材在时效升温过程中温度的均匀性和炉膛温度的温差，低温时效形成细密、均匀、弥散的G.P.区，使铝合金结晶状态从无序不稳定到有序稳定，达到强度和延伸率均衡的目的，从而获得高成形性、高强度的铝合金型材。
本发明轨道车辆内饰件或便携式家用梯材的加工方法可采用本领域热挤压铝合金型材的常规设备进行。
本发明一种高成形性、高强度铝合金材料是研究镁和硅在材料中的配比，并在合金成分中引入微量的锶元素和锰元素,由于锶是表面活性元素，在结晶学上能改变金属间化合物相的行为，因此本新材料用锶元素进行变质处理改善合金的塑性加工性能，由于锶具有变质有效时间长、效果和再现性好等优点，在新材料中加入微量的锶元素，使铸锭中β-AlFeSi相变成α-AlFeSi相，提高材料力学性能和塑性加工性能的作用，改善制品表面粗糙度。在合金中加入Mn以后，由于Mn在α相中产生严重的晶内偏析，影响了合金的再结晶过程，造成退火制品的晶粒粗化。为获得细晶粒材料，铸锭必须进行高温均匀化（580℃）处理，以消除Mn偏析。可以有效提高强度,改善耐蚀性、冲击韧性和弯曲性能。
本发明高成形性、高强度铝合金热挤压型材为新型Al-Mg-Si-Sr-Mn合金材料，合金材料保持高强度同时具备高延伸率性能，提高轨道车辆等材料的弯圆、特种铆接性能。具有以下优点：
1、本发明在Al-Mg-Si基础上，引入微量Sr元素，锶元素可将合金组织中所含的β- AlFeSi相转变成α-AlFeSi，消除合金铸锭成分偏析，提高新合金的延伸率和材料的冲击韧性。
2、合金元素Mn在Al-Mg-Si 合金中主要以粒状含Mn的α-Al15(FeMn)3Si2弥散相的形式质点存在，这些弥散相质点一方面有利于增加人工时效的效果，缩短达到最大强度需要的时效时间，提高合金强度，另一方面合金中加Mn所形成的弥散相可阻止合金在热挤压变形过程中的再结晶，从而提高再结晶温度，显著细化再结晶晶粒，有利于新合金材料成形性性能和强度的提高。
3、控制热挤压型材模具出口的温度在500℃以上，3分钟强制风冷到180℃以下，使新合金材料中的强化相Mg2Si在材料中完全固溶。
4、本发明铝合金材料与6063-T5的力学性能相比，抗拉强度从160MPa提高到220MPa、屈服强度从110MPa提高到180MPa、延伸率从8%提高到12%以上。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例的高成形性、高强度铝合金材料采用如下方法制备而成：
1）熔铸
先将32公斤的铝硅合金、3.5公斤的铝锶合金、0.95公斤的锰添加剂和965公斤的铝锭，一起加热到760℃熔化。其中，铝硅合金中硅的重量百分比含量为12%；铝锶合金中锶的重量百分比含量为10%；锰添加剂中锰的重量百分比含量为70%。然后加入5.2公斤的块状纯镁锭。再采用惰性气体-熔剂混和精炼法对熔体进行精炼。其中，惰性气体采用纯度不小于99.997%的高纯氮气，熔剂采用重量百分比分别为40%的KCl、35%的NaCl、25%的Na3AlF6组成的粉状熔剂，熔剂用量为1.5kg/t熔体重量比例，精炼温度控制在740℃，时间为15分钟。精炼结束后，彻底扒除铝液表面的浮渣，静置25分钟。在720℃温度条件下进行铸造。
2）铸棒均匀化处理
采用580℃均匀化处理温度，保温3小时出炉,再采用喷雾水冷方式进行快速冷却，使铸棒于2.5小时冷却到175℃。由此获得高成形性、高强度铝合金材料，其包括以下质量百分含量的组分：Mg为0.50%，Si为0.40%，Sr为0.03%，Mn为0.08%，Cu为0.002%，Cr为0.003%，Zn为0.02%，Ti为0.006%，余量为Al。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料加工便携式铝合金梯用型材时的加工过程为：
1）挤压工艺
将铝合金铸棒预加热至480℃，模具加热440℃，保温1.5小时；挤压筒加热至390℃，铝合金型材出口温度控制在525℃，采用强制风冷，3分钟冷却到175℃。
2）时效工艺
采用分级、低温时效工艺，首先控制铝合金型材的温度在120℃，保温2小时，然后将铝合金型材的温度提高到160℃，保温4小时。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料的性能检测数据如下：
抗拉强度、屈服强度、延伸率的检测采用《GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法》，本发明高成形性、高强度铝合金材料的性能为：抗拉强度（Rm）225MPa，屈服强度（Rp0.2）197MPa，延伸率（A50）15%。
实施例2
本实施例的高成形性、高强度铝合金材料采用如下方法制备而成：
1）熔铸
先将34公斤的铝硅合金、4公斤的铝锶合金、1.4公斤的锰添加剂和975公斤的铝锭，一起加热到760℃熔化。其中，铝硅合金中硅的重量百分比含量为11%；铝锶合金中锶的重量百分比含量为9%；锰添加剂中锰的重量百分比含量为71%。然后加入4.8公斤的块状纯镁锭。再采用惰性气体-熔剂混和精炼法对熔体进行精炼。其中，惰性气体采用纯度不小于99.997%的高纯氮气，熔剂采用重量百分比分别为50%的KCl、32%的NaCl、18%的Na3AlF6组成的粉状熔剂，熔剂用量为2kg/t熔体重量比例，精炼温度控制在720℃，时间为21分钟。精炼结束后，彻底扒除铝液表面的浮渣，静置26分钟。在690℃温度条件下进行铸造。
2）铸棒均匀化处理
采用580℃均匀化处理温度，保温3.5小时出炉,再采用喷雾水冷方式进行快速冷却，使铸棒于2.5小时冷却到125℃。由此获得高成形性、高强度铝合金材料，其包括以下质量百分含量的组分：Mg为0.45%，Si为0.4%，Sr为0.037%，Mn为0.075%，Cu为0.004%，Cr为0.003%，Zn为0.03%，Ti为0.006%，余量为Al。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料加工便携式铝合金梯用型材时的加工过程为：
1）挤压工艺
将铝合金铸棒预加热至490℃，模具加热460℃，保温2.5小时；挤压筒加热至400℃，铝合金型材出口温度控制在520℃，采用强制风冷，3分钟冷却到160℃。
2）时效工艺
采用分级、低温时效工艺，首先控制铝合金型材的温度在130℃，保温2小时，然后将铝合金型材的温度提高到155℃，保温4小时。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料的性能检测数据如下：
抗拉强度、屈服强度、延伸率的检测采用《GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法》，本发明高成形性、高强度铝合金材料的性能为：抗拉强度（Rm）230MPa，屈服强度（Rp0.2）205MPa，延伸率（A50）16%。
实施例3
本实施例的高成形性、高强度铝合金材料采用如下方法制备而成：
1）熔铸
先将35公斤的铝硅合金、4.5公斤的铝锶合金、1.1公斤的锰添加剂和955公斤的铝锭，一起加热到750℃熔化。其中，铝硅合金中硅的重量百分比含量为13%；铝锶合金中锶的重量百分比含量为11%；锰添加剂中锰的重量百分比含量为69%。然后加入5.05公斤的块状纯镁锭。再采用惰性气体-熔剂混和精炼法对熔体进行精炼。其中，惰性气体采用纯度不小于99.997%的高纯氮气，熔剂采用重量百分比分别为49%的KCl、25%的NaCl、26%的Na3AlF6组成的粉状熔剂，熔剂用量为1.8kg/t熔体重量比例，精炼温度控制在740℃，时间为18分钟。精炼结束后，彻底扒除铝液表面的浮渣，静置25分钟。在715℃温度条件下进行铸造。
2）铸棒均匀化处理
采用580℃均匀化处理温度，保温2.5小时出炉,再采用喷雾水冷方式进行快速冷却，使铸棒于2.5小时冷却到135℃。由此获得高成形性、高强度铝合金材料，其包括以下质量百分含量的组分：Mg为0.49%，Si为0.42%，Sr为0.042%，Mn为0.07%，Cu为0.003%，Cr为0.004%，Zn为0.03%，Ti为0.005%，余量为Al。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料加工轨道车辆内饰件、便携式铝合金梯用热挤压型材时的加工过程为：
1）挤压工艺
将铝合金铸棒预加热至505℃，模具加热480℃，保温1.5小时；挤压筒加热至420℃，铝合金型材出口温度控制在515℃，采用强制风冷，3分钟冷却到155℃。
2）时效工艺
采用分级、低温时效工艺，首先控制铝合金型材的温度在125℃，保温2小时，然后将铝合金型材的温度提高到150℃，保温4小时。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料的性能检测数据如下：
抗拉强度、屈服强度、延伸率的检测采用《GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法》，本发明高成形性、高强度铝合金材料的性能为：抗拉强度（Rm）240MPa，屈服强度（Rp0.2）215MPa，延伸率（A50）14%。
实施例4
本实施例的高成形性、高强度铝合金材料采用如下方法制备而成：
1）熔铸
先将58公斤的铝硅合金、6公斤的铝锶合金、1.2公斤的锰添加剂和955公斤的铝锭，一起加热到750℃熔化。其中，铝硅合金中硅的重量百分比含量为12%；铝锶合金中锶的重量百分比含量为11%；锰添加剂中锰的重量百分比含量为70%。然后加入5.3公斤的块状纯镁锭。再采用惰性气体-熔剂混和精炼法对熔体进行精炼。其中，惰性气体采用纯度不小于99.997%的高纯氮气，熔剂采用重量百分比分别为50%的KCl、32%的NaCl、18%的Na3AlF6组成的粉状熔剂，熔剂用量为1.8kg/t熔体重量比例，精炼温度控制在730℃，时间为18分钟。精炼结束后，彻底扒除铝液表面的浮渣，静置30分钟。在695℃温度条件下进行铸造。
2）铸棒均匀化处理
采用580℃均匀化处理温度，保温2.5小时出炉,再采用喷雾水冷方式进行快速冷却，使铸棒于2.5小时冷却到135℃。由此获得高成形性、高强度铝合金材料，其包括以下质量百分含量的组分：Mg为0.50%，Si为0.70%，Sr为0.06%，Mn为0.10%，Cu为0.003%，Cr为0.003%，Zn为0.03%，Ti为0.005%，余量为Al。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料加工轨道车辆内饰件、便携式铝合金梯用热挤压型材时的加工过程为：
1）挤压工艺
将铝合金铸棒预加热至510℃，模具加热480℃，保温1.5小时；挤压筒加热至420℃，铝合金型材出口温度控制在525℃，采用强制风冷，3分钟冷却到155℃。
2）时效工艺
采用分级、低温时效工艺，首先控制铝合金型材的温度在120℃，保温2小时，然后将铝合金型材的温度提高到150℃，保温4小时。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料的性能检测数据如下：
抗拉强度、屈服强度、延伸率的检测采用《GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法》，本发明高成形性、高强度铝合金材料的性能为：抗拉强度（Rm）245MPa，屈服强度（Rp0.2）220MPa，延伸率（A50）15%。
实施例5
本实施例的高成形性、高强度铝合金材料采用如下方法制备而成：
1）熔铸
先将32公斤的铝硅合金、2公斤的铝锶合金、1公斤的锰添加剂和960公斤的铝锭，一起加热到750℃熔化。其中，铝硅合金中硅的重量百分比含量为13%；铝锶合金中锶的重量百分比含量为10%；锰添加剂中锰的重量百分比含量为71%。然后加入4.5公斤的块状纯镁锭。再采用惰性气体-熔剂混和精炼法对熔体进行精炼。其中，惰性气体采用纯度不小于99.997%的高纯氮气，熔剂采用重量百分比分别为45%的KCl、30%的NaCl、25%的Na3AlF6组成的粉状熔剂，熔剂用量为1.8kg/t熔体重量比例，精炼温度控制在750℃，时间为15分钟。精炼结束后，彻底扒除铝液表面的浮渣，静置30分钟。在710℃温度条件下进行铸造。
2）铸棒均匀化处理
采用580℃均匀化处理温度，保温2.5小时出炉,再采用喷雾水冷方式进行快速冷却，使铸棒于2.5小时冷却到135℃。由此获得高成形性、高强度铝合金材料，其包括以下质量百分含量的组分：Mg为0.4%，Si为0.35%，Sr为0.01%，Mn为0.06%，Cu为0.003%，Cr为0.004%，Zn为0.03%，Ti为0.004%，余量为Al。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料加工轨道车辆内饰件、便携式铝合金梯用热挤压型材时的加工过程为：
1）挤压工艺
将铝合金铸棒预加热至520℃，模具加热480℃，保温2.0小时；挤压筒加热至420℃，铝合金型材出口温度控制在525℃，采用强制风冷，3分钟冷却到155℃。
2）时效工艺
采用分级、低温时效工艺，首先控制铝合金型材的温度在140℃，保温2小时，然后将铝合金型材的温度提高到160℃，保温4小时。
本实施例高成形性、高强度铝合金材料的性能检测数据如下：
抗拉强度、屈服强度、延伸率的检测采用《GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法》，本发明高成形性、高强度铝合金材料的性能为：抗拉强度（Rm）220MPa，屈服强度（Rp0.2）185MPa，延伸率（A50）16%。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明的基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明的精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种高成形性、高强度铝合金材料，其特征在于包括以下质量百分含量的组分：Mg为0.40～0.50%，Si为0.35～0.70%，Sr为0.01～0.06%，Mn为0.06～0.10%，余量为Al以及不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述一种高成形性、高强度铝合金材料，其特征在于：所述铝合金材料还包括Cu≤0.10%，Cr≤0.01%，Fe≤0.20%，Zn≤0.10%，Ti≤0.10%。
3.如权利要求1或2所述一种高成形性、高强度铝合金材料，其特征在于：所述Mg为0.50%，Si为0.40%，Sr为0.03%，Mn为0.08%。
4.一种高成形性、高强度铝合金材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）熔铸
先将32～58重量份的铝硅合金、2～6.5重量份的铝锶合金、0.95～1.4重量份的锰添加剂和955～975重量份的铝锭，一起加热到720℃～760℃熔化；然后加入4.5～5.3重量份的块状纯镁锭；再采用惰性气体-熔剂混和精炼法对熔体进行精炼，其中，惰性气体采用纯度不小于99.997%的高纯氮气，熔剂采用重量百分比分别为40%～50%的KCl、25%～35%的NaCl、18%～26%的Na3AlF6组成的粉状熔剂，熔剂用量为1.5～2kg/t熔体重量比例，精炼温度控制在720℃～750℃，时间为15分钟～30分钟；精炼结束后，静置25～30分钟；在690℃～720℃温度条件下进行铸造；
2）铸棒均匀化处理
采用580℃均匀化处理温度，保温2.5～3.5小时出炉,再采用喷雾水冷方式进行快速冷却，使铸棒于2.5～3小时冷却到180℃以下；
其中，铝硅合金中硅的重量百分比含量为11%～13%；铝锶合金中锶的重量百分比含量为9%～11%；锰添加剂中锰的重量百分比含量为69%～71%。
5.一种高成形性、高强度铝合金材料在制备成热挤压型材时的加工方法，其特征在于包括如下步骤：
1）挤压工艺
将铝合金铸棒预加热至480℃～520℃，模具加热至440℃～480℃，保温1.5～2.5小时；挤压筒加热至390℃～420℃，铝合金型材出口温度控制在500℃以上，采用强制风冷，3分钟冷却到180℃以下；
2）时效工艺
采用分级、低温时效工艺，首先控制铝合金型材的温度在120℃～140℃，保温2小时，然后将铝合金型材的温度提高到150℃～160℃，保温4小时。
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