CN102418016B

CN102418016B - 一种与CuH共溶的6082铝合金及其制备方法

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Publication number: CN102418016B
Application number: CN 201110421155
Authority: CN
Inventors: 门三泉; 车云; 张中可; 李祥
Original assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Current assignee: Guizhou Huake Aluminium Material Engineering Technology Research Co Ltd
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: CN102418016A

Abstract

本发明公开了一种与CuH共溶的6082铝合金及其制备方法，先加热铝锭或熔融铝液使之完全熔化；加入Si、Fe、Mn、Mg、Cr、Zn和Ti，使之完全溶解和熔化；精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将CuH粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使CuH在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进行铸造生产。本发明能够克服现有铝合金性能的不足，提高其强韧性、成形性和淬透性，为高效深加工提供高端基材。

Description

一种与CuH共溶的6082铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高强度铝合金，还涉及其制备方法。

背景技术

铜(Cu)是所有热处理可强化铝合金中最主要最基本合金化元素，它主要通过与其他元素形成可溶解的金属化合物强化相，起到提高合金强度和耐热性的作用。6XXX系合金中的铜可弥补停放效应造成的强度损失，并能细化Mg₂Si，提高T6状态的强度。

但当6XXX系合金中的Cu含量超过0.5％(质量百分数)时，在铸造过程中容易产生粗大的第二相质点和共晶组织，以及固溶体内部成分浓度的不均匀。

各种非金属夹杂与显微疏松等阻碍第二相扩散的特点，决定了铸铝合金要有足够的淬火加热温度和较长的保温时间，以使强化相在固溶体内达到最大的溶解度，以便达到淬火、时效强化的目的。若固溶温度低，或保温时间短，强化相未得到充分溶解，显微组织中保留有较多的残留强化相，或淬火转移速度较慢，冷却速度不够，使强化相沿晶析出，都会降低铸造铝合金热处理后的力学性能和耐蚀性能。而消除这种缺陷必须再次进行热处理，以保证强化相的充分固溶和快速转移淬火冷却，使合金得到过饱和的固溶体，然后进行时效，即可获得良好的力学性能。

铸造铝合金中合金元素多，杂质元素比较复杂，固溶处理加热温度和合金过烧温度较接近，如果固溶加热温度过高，或炉内循环气流不良，温度不均匀，控温仪表失灵，工件过于靠近加热器等，则容易引起合金中低熔点共晶体复熔，使组织中出现复熔球和共晶体复熔。严重过烧时，组织中将出现黑色过烧三角，晶界熔化，工件表面呈灰黑色，有所谓汗珠渗出现象。合金成分不同，过烧特征各异。当合金出现过烧，尤其是严重过烧时，将使力学性能迅速降低，因此合金出现过烧时只能作报废处理。

由于铸造铝合金的组织是不均匀的，存在着低熔点共晶体。例如ZAlSi7Mg铝合金，根据Al-Si-Mg铝合金三元液相投影图处于α(Al)+Si二元相区中，其平衡组织为初生α(Al)+(α(Al)+Si)共晶体，还可能出现少量的Mg₂Si相，由于分散度较高，一般金相组织中不易发现和分辨，但在工业生产的结晶条件下，使该合金处于α(Al)+Si+Mg₂Si三相区内，所以铸组织中可出现α(Al)+Si+Mg₂Si三元共晶及杂质铁相等构成多元复杂共晶体。根据Al-Si-Mg三元相图含硅量为8％(wt)的垂直截面，Al-Si-Mg三元共晶熔点为555℃，在固溶处理(535±5℃)时很容易发生低熔点共晶体熔化，形成过烧复熔球和共晶硅聚集长大，严重时出现带状复熔物和三角晶界的复熔物。Al-Si-Mg合金中α(Al)固溶体复熔温度与含Mg量有关，含Mg量越高，复熔温度越低，所以金相检验取样时，当零件截面大、成分偏析严重、Mg₂Si相较集中、三元共晶多的部位，容易发现过烧组织。

Al-Cu和Al-Mg为基的固溶体型铝合金，由于铸时的不平衡结晶，容易形成Al₂Cu、β(Mg₂Al₃)或Mg₂Si等沿晶分布的共晶体，所以过烧特征表现为晶界和共晶体熔化，呈细小的三角形分布在晶粒交汇处。而Al-Cu为基的ZAlCu5Mn铝合金在正常淬火状态下的金相组织，应以α(Al)固溶体为基，枝晶内有均匀弥散的二次T(Al₁₂Mn₂Cu)相质点，枝晶和晶间有初生T相，当淬火温度较高发生轻微过烧时，在显微组织中可出现T相聚集长大，并有较大的空白区，少量共晶体开始复熔。严重过烧时，显微组织中除了上述特征更为明显外，还会出现大量三角形和圆形共晶复熔物，以及晶界熔化。

过烧工件表面往往呈深灰色至黑色，出现起泡、结瘤、工件挠曲变形，甚至淬火开裂。Al-Si系合金过烧断口呈黑色，晶粒粗大。Al-Cu系铝合金过烧断口上可出现白色亮斑。而Al-Mg系铝合金的过烧断口则出现黄色的亮斑等宏观特征。

过烧对力学性能的影响：铸造铝合金的力学性能，随着淬火加热温度的提高，强化相逐渐溶解充分，力学性能随之提高。若淬火加热温度超过合金中低熔点共晶体的初始阶段(轻微过烧)，则抗拉强度和伸长率略有提高，这是提高淬火温度使强化相溶解充分所带来的强化效果，但是却掩盖了轻微过烧所造成的抗拉强度损失。当淬火温度超过合金中低熔点共晶体的熔化温度，引起过烧或严重过烧时，其力学性能将迅速下降。例如ZAlSi7Mg铝合金淬火加热至555℃低熔点共晶体开始熔化直至558℃以前，力学性能随着淬火温度的提高而增加，但由于558℃合金中开始出现明显的过烧特征，抗拉强度和伸长率随之下降，而ZAlCu5Mn铝合金淬火加热温度从540℃至550℃，其抗拉强度和伸长率有升高趋向，由于550℃时低熔点共晶体开始复熔，导致抗拉强度和伸长率急剧下降。有过烧组织的零件遇到动载荷时，对力学性能的影响更为明显，容易在过烧的复熔部位形成疲劳源，降低零件的使用寿命。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高强度铝合金，能够克服现有铝合金性能的不足，提高其强韧性、成形性和淬透性，为高效深加工提供高端基材。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.7～1.3％的Si，小于等于0.5％的Fe，0.4～1.0％的Mn，小于等于0.25％的Cr，0.6～1.2％的Mg，小于等于0.2％的Zn，小于等于0.1％的Ti，0.9～2.0％的Cu，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15％。

本发明还提供所述高强度铝合金的制备方法，以复合处理方式加入CuH，包括以下步骤：

步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.7～1.3％的Si，小于等于0.5％的Fe，0.4～1.0％的Mn，小于等于0.25％的Cr，0.6～1.2％的Mg，小于等于0.2％的Zn；

步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全溶解和熔化，精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比0.91～2.03％的CuH粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使CuH在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。

流程一：沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯，特别是铸造厚度500mm以上的大型扁锭和直径500mm以上的圆棒。

流程二：转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件，特别是铸造大型、薄壁或复杂结构的铝合金铸件。

本发明的有益效果是：

本发明在变形铝合金中加入0.91～2.03％的CuH粉末，可以在合金凝固过程中有效增加异质形核核心，从而达到晶粒细化的效果，增强合金强度；并且加入的元素可以促进形成间隙原子和间隙相，高温时在α(Al)固溶体中溶解度大，而在室温时很小，从而使合金具有较高的可热处理性质，热处理后，其强度和硬度都有很大程度的提高。

在本合金未经加入Cu元素之前，熔体中除形成各种元素的共溶体之外，还含有下列一些金属间形成的化合物相：

θ相(CuAl₂)、Mg₂Si相、N相(Al₇Cu₂Fe)、α相(Al₁₂Fe₃Si)、S相(Al₂CuMg)；

这些金属化合物在熔体冷却时，由于体系最低自由能原理，在形成的晶粒中不能稳定存在，将在晶格畸变能差的驱动下向晶界移动和集中，同时，由于合金元素在铝基体中的饱和溶解度随着温度下降而显著降低，所以随着熔体的冷却，过饱和的熔体不断地析出富含合金元素的金属间化合物，这些化合物在晶间富集，彼此间不易融合，在微观结构中成为粗大的晶间化合物群，对合金产生脆硬化影响，恶化合金铸造成形性能，降低其均匀性、韧性、耐蚀性和淬透性能。所以，当合金凝固成为过饱和固溶体基体+晶间金属化合物的基本结构时，通常称为纯铸态组织，具有这种组织的合金必须经过“固溶+时效”的热处理之后才能具有满足需要的力学性能和其它技术指标。

虽然，经过配方优化处理和提高合金性能的热处理能够得到改善，但是合金本身仍然还是存在很多缺陷：强度不够高，不能铸造大规格型锭等。

本发明通过比较选择，通过加入0.9～2.0％的Cu元素，另外在熔炼过程中充入的氮气，有利于铝在800～1000℃的氮气氛中合成AlN。由于N与Al反应生成的AlN是原子晶体，属类金刚石氮化物，最高可稳定到2200℃；室温强度高，且强度随温度的升高下降较慢，能够有效提高合金的高温强度和抗腐蚀能力；导热性好，热膨胀系数小，可提高基体材料耐热冲击性能。因此，当N₂充入高温铝合金熔体时，本身就具有了与多种金属金发生反应的活性。所以适当调节熔体净化作业时的温度和保护性氮气的浓度，可调节熔体中AlN的含量，这进一步为调节熔体中过渡金属元素的含量提供了方法。

可见：由于在本发明中使用流态化氮化物处理的手段，把强化基体和细化晶粒的多种效果集成在一起，取代中间合金，使铝合金制造企业不再受制于中间合金生产商，有利于创建“近成型、短流程、集约化”的绿色生产线，节能降耗，降低综合成本；同时，在热处理过程中，由于形成了优异的材料微观结构，锭坯的残余应力较小，因此可以显著提高热处理效能，提高锭坯的淬透性，在与同类合金比较时，能够以“铸造+热处理方式”生产更厚的坯料(厚度500mm以上的板材和直径500mm以上的棒材)，在系列规格(厚度15～200mm)的中厚板制造技术上实现“以铸代轧”。

下面结合实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.7％的Si，0.5％的Fe，0.4％的Mn，0.25％的Cr，0.6％的Mg，0.2％的Zn，0.1％的Ti，0.9％的Cu，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15％。

步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.7％的Si，0.5％的Fe，0.4％的Mn，0.25％的Cr，0.6％的Mg，0.2％的Zn，0.1％的Ti；

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比0.91％的CuH粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使CuH在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。

实施例2：

一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括0.95％的Si，0.4％的Fe，0.7％的Mn，0.2％的Cr，0.9％的Mg，0.15％的Zn，0.08％的Ti，1.45％的Cu，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15％。

步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.95％的Si，0.4％的Fe，0.7％的Mn，0.2％的Cr，0.9％的Mg，0.15％的Zn，0.08％的Ti；

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比1.47％的CuH粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使CuH在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。

实施例3：

一种高强度铝合金，以质量百分比计，包括1.3％的Si，0.3％的Fe，1.0％的Mn，0.10％的Cr，1.2％的Mg，0.11％的Zn，0.06％的Ti，2.0％的Cu，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05％，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15％。

步骤一：按照所述高强度铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比1.3％的Si，0.3％的Fe，1.0％的Mn，0.10％的Cr，1.2％的Mg，0.11％的Zn，0.06％的Ti；

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比2.03％的CuH粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使CuH在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，沿以下两种流程分别进行不同制品的铸造生产。

Claims

1.一种与CuH共溶的6082铝合金，其特征在于：以质量百分比计，包括0.7～1.3%的Si，小于等于0.5%的Fe，0.4～1.0%的Mn，小于等于0.25%的Cr，0.6～1.2%的Mg，小于等于0.2%的Zn，小于等于0.1%的Ti，0.9～2.0%的Cu，余量为Al和不可避免的杂质，每种杂质的含量不超过总质量百分比的0.05%，所有杂质的含量不超过总质量百分比的0.15%；

所述与CuH共溶的6082铝合金的制备方法包括下述步骤：

步骤一：按照所述6082铝合金的组分备料，包括占总产品质量百分比0.7～1.3%的Si，小于等于0.5%的Fe，0.4～1.0%的Mn，小于等于0.25%的Cr，0.6～1.2%的Mg，小于等于0.2%的Zn；

步骤二：先往熔炼炉中加入铝锭或熔融铝液，加热使之完全熔化，按配方比例先加入步骤一的备料，使之完全熔解和熔化，精炼后在700～1000℃下保温，得到合金熔体；熔化过程在封闭环境内完成；

步骤三：使用氮气或惰性气体或氮气与惰性气体任意比例的混合气体对合金熔体进行除气净化作业，并持续通气直至反应完毕；同时将占总产品质量百分比0.91～2.03%的CuH粉末以流态化方式随上述气体加入到合金熔体中；进行搅拌，使CuH在合金熔体中分布均匀，并与合金熔体充分反应；静置、调温至680～730℃，合金液出炉，进行铸造。

2.一种权利要求1所述与CuH共溶的6082铝合金，其特征在于：所述的铸造是将合金液沿流槽倾倒出炉，至立式水冷铸造机系统，铸造加工用锭坯。

3.一种权利要求1所述与CuH共溶的6082铝合金，其特征在于：所述的铸造是将合金液转注入铸件的铸模中，使用金属型、砂型或混合型铸方式，采用重力铸造、压力铸造或差压铸造工艺，铸造铝合金铸件。