CN102634705A - 一种能降低淬火敏感性的中高强度铝合金及生产工艺和型材加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种能降低淬火敏感性的中高强度铝合金及生产工艺和型材加工方法，中高强度铝合金组成如下（质量分数）：Si0.5-0.8%，Mg0.55-0.85%，Zn0.65-2.0%，Cu0.1-0.25%，V0.1-0.4%，Ti0.05-0.1%，Zr0.04-0.1%，Fe小于等于0.35%，余量为Al。中高强度铝合金的生产工艺包括如下步骤：（1）准备原料，（2）熔炼，（3）铸造。型材加工方法，将中高强度铝合金加热到490℃，模具温度为450℃，挤压机盛锭筒温度为410℃，挤压速度为20m/min，以水雾或风冷却淬火。使得用风冷或者水雾冷却淬火就能够在没有专用的在线淬火设备的条件下挤压生产抗拉强度高且截面复杂的高精级结构用途的铝合金型材。

Description

一种能降低淬火敏感性的中高强度铝合金及生产工艺和型材加工方法

技术领域

本发明涉及冶金、机械制造领域，特别涉及一种能降低淬火敏感性的中高强度铝合金及生产工艺和型材加工方法。

背景技术

国际牌号6系列Al-Mg-Si合金由于容易挤压成型性且具有高、中、低三种强度，是世界范围内使用最广泛的一种铝合金。它作为一种可热处理强化的合金，用它生产挤压铝型材必须经过固溶、淬火、人工时效三种热处理方式才能达到其相应的力学性能标准。6系列Al-Mg-Si合金组成特点是合金中以Mg₂Si为主要强化相。6系列Al-Mg-Si合金的另一个共同特点是合金棒在热挤压成型材时，可以用挤压产生的余热使型材达到固熔温度，并可以在线淬火。而不像7系列Al-Mg-Zn-Cu合金需要专门的淬火炉来才能达到淬火要求。

铝合金热处理工艺中，淬火是影响合金力学性能的最严格的一种操作过程。淬火的目的是铝合金从热挤压成型材的固熔温度快速冷却至较低温度（通常为室温）。使前工序和经过挤压余热产生的固熔状态，冷却成室温下溶质和空穴均呈过饱和状态的固溶体。为下一步时效沉淀强化热处理作组织上的准备。

淬火条件和要求取决于合金的元素成份，也取决于挤压型材的形状、尺寸、结构。采用最快速的淬火冷却速度，使合金型材的力学性能可达到强度和塑性的最佳组合，以及提高抗应力和耐腐蚀能力。但是热挤压出的高温型材由于横截面结构上复杂性和不对称性，在快速淬火时会产生扭曲变形，不对称收缩变形现象。而无法满足型材的尺寸精度要求，这样快速淬火冷却就不能使用。

6系列Al-Mg-Si合金，其抗拉强度是随合金中的Mg₂Si重量百分含量以0.8-1.5%逐步增加而随之提高的。其生产铝型材的淬火敏感性也随之增加。

第一类6系列Al-Mg-Si合金中，例如铝合金6063、6063A、6060、6463合金，它们合金中的Mg₂Si重量百分含量为0.8-1.2%，用上述这些铝合金生产出的型材，其抗拉强度也较低，一般不大于230Mpa，当型材壁厚不大于5mm时，热挤压过程中的淬火敏感性也较低，即用风冷加人工时效就可以达到其标准的力学强度要求。典型的是6063合金，挤压生产门窗、幕墙用料壁厚都在5mm以下，所以在生产过程中都是风冷淬火的。这样既可达到强度要求，又可以满足不因淬火冷却太快而变形。

    第二类6系列Al-Mg-Si合金中的，其合金中的Mg₂Si重量百分含量为1.3-1.4%，其力学性能的抗拉强度的最低值为260Mpa。这类铝合金典型代表为6005、6061。用这些合金挤压生产铝型材，当壁厚为2mm以上时，淬火冷却速度必须大于5℃/秒，并不能用风冷淬火，而必须用水浸或喷淋淬火加人工时效才能实现抗拉强度大于260Mpa的标准。当型材截面图形结构不对称时，水浸淬火就会产生型材变形、尺寸精度达不到要求，使得许多复杂横截面结构图形的高强度型材不能用此合金生产的型材达到高精级。

    第三类6系列Al-Mg-Si合金，Mg₂Si的重量百分含量为1.5%，且对其力学性能的抗拉强度要求为280Mpa以上，此类合金中含有Mn或Cr元素作为阻止再结晶强化固熔体的晶粒变质剂。Mn、Cr元素在6系列Al-Mg-Si合金中使得它们生产型材时的淬火敏感性进一步提高。用它们挤压铝型材，当型材壁厚大于1mm时，淬火冷却速度必须大于10℃/秒，必须用水浸或喷淋淬火加人工时效才能达到其力学性能标准。正是由于水浸淬火而产生变形，许多复杂横截面图形的高强度型材也不能用这种类型铝合金挤压生产。如：6351重量百分含量Si：0.7-1.3%，Mg：0.4-0.8%，Mn：0.4-0.8%就不能在没有专门在线淬火设备的条件下生产复杂截面型材。

7系列的Al-Mg-Zn合金具有300Mpa以上的抗拉强度，而且用这类铝合金生产型材的淬火敏感性也不高，可以采用风冷淬火。如7003合金重量百分含量Si≤0.3%；Mg：0.5-1.0%，Zn：5-6.5%，Zr：0.05-0.25%。以MgZn₂为主要强化相。7003合金由于变形抗力大，所以必须在热挤压前对合金铸棒进行均质退火处理，虽然它对淬火冷却速度敏感性低，可以风冷淬火。但必须进行多级人工时效才能满足力学性能要求。进行多级时效，就意味着生产周期长及能源消耗大。而且由于合金中Zn的含量较高。如：7005合金重量百分含量Mg：1-1.8%，Zn：4-4.8%，Zr：0.08-0.2%，造成这类合金型材的焊接成性能下降。所以一般用此类合金生产实心型材或者简单结构的空心型材。

典型的中高强度的结构用途铝合金6061、6005A要求淬火冷却速度必须大于5℃/S；6082合金淬火冷却速度必须大于10℃/S以上才能满足最低要求。这样的冷却速度所对应要求热传导系数α＞100W/m²K，这样的热传导要求再多的风扇也是无法达到的。为此国外对此类合金的型材生产过程中先后采用水淋或浸水箱、高压空气喷嘴、水雾喷嘴均未达到理想的效果。直到上世纪90年代瑞士Alusuisse swiss Aluminium Ltd公司开发出“风—水雾联合喷嘴在线淬火冷却系统”才使得生产此类合金的复杂截面型材得以突破。但由于系统价格昂贵，国内外铝材生产企业普及率不高。在此情景下，国内外铝型材生产企业盼望找到一种新的铝合金，使得既能够挤压高强度，厚壁、复杂截面型材，又能用风冷淬火，避免水浸、水淋快速淬火而产生变形。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种淬火敏感性低且抗拉强度高的中高强度铝合金及其生产工艺，使得用风冷或者水雾冷却淬火就能够在没有专用的在线淬火设备的条件下挤压生产抗拉强度高且截面复杂的高精级结构用途的铝合金型材；并提供利用这种中高强度铝合金的型材加工方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种能降低淬火敏感性的中高强度铝合金， Si的质量分数为0.5-0.8%，Mg的质量分数为0.55-0.85%，Zn的质量分数为0.65-2.0%，Cu的质量分数为0.1-0.25%，V的质量分数为0.1-0.4%，Ti的质量分数为0.05-0.1%，Zr的质量分数为0.04-0.1%，Fe的质量分数小于等于0.35%，余量为Al。

上述中高强度铝合金，Si的质量分数为0.65-0.75%；Mg的质量分数为0.65-0.8%；Zn的质量分数为1.0-1.25%；Cu的质量分数为0.2-0.25%；V的质量分数为0.1-0.4%。

上述中高强度铝合金，Ti和Zr的质量分数均为0.05%。

一种能降低淬火敏感性的中高强度铝合金的生产工艺，包括如下步骤:

（1）准备原料：按照Si的质量分数为0.5-0.8%，Mg的质量分数为0.55-0.85%，Zn的质量分数为0.65-2.0%，Cu的质量分数为0.1-0.25%， V的质量分数为0.1-0.4%，Ti的质量分数为0.05-0.1%，Zr的质量分数为0.04-0.1%，Fe的质量分数小于等于0.35%以及余量为Al；分别称取铝锭、铝硅中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金、铜锭、锌锭、镁锭和铝钛硼丝作为原料。

（2）熔炼：将铝锭、铝硅中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金和铜锭一起投入炉内熔炼并使之完全熔化，加入锌锭，完全熔化后加入镁锭；然后以压力瓶中的氮气为动力向炉内喷入精炼剂进行精炼，取样检测，最后再进行第二次精炼；精炼剂（由氯化钠、氯化钾、冰晶石组成）可以从市场上购买得到。

（3）铸造：将步骤（2）中得到的熔炼液通过流糟放入铸造盘中，将铝钛硼丝熔入熔炼液中，在铝合金液中形成TiAl₃和TiB₂初晶组织的异质结晶种进行炉外晶粒细化，铸造成晶粒细化的铝合金铸棒。

上述生产工艺，在步骤（2）中，喷入精炼剂的量为0.1kg/吨铝；第二次精炼时，温度为730-750℃。

上述生产工艺，在步骤（3）中，铝钛硼丝中：钛的含量为5%、硼的含量为1%，并且按15kg/吨铝向熔炼液中加入铝钛硼丝。

上述生产工艺，铸造设备为立式圆铸棒铸造机，铸造温度为745℃，中高强度铝合金铸棒直径为178毫米，铸造速度为100毫米每分钟。

利用上述中高强度铝合金的型材加工方法，挤压工艺为：将中高强度铝合金加热到490℃，模具温度为450℃，挤压机盛锭筒温度为410℃，挤压速度为20m/min，以水雾或风冷却淬火。

上述型材加工方法，按0.5%的拉伸量校直，锯切后进入人工时效，人工时效工艺为175℃保温8小时。 

上述型材加工方法，挤压制品截面为150毫米宽、50毫米高、10毫米厚的管材。

本发明的有益效果是：

（1）充分利用6系列Al-Mg-Si合金容易挤压成型，相对2系列Al-Cu合金，5系列Al-Mg合金，7系列Al-Mg-Zn-Cu合金变形抗力小得多的优势，本发明的中高强度铝合金也是以Mg₂Si为主要强化相，但采用比6005、6061、6351、6082合金低的Si含量。而能达到或超过6系列Al-Mg-Si合金的抗拉强度，以相对低的Si含量实现了降低淬火敏感性且提高铝合金的机械性能。

（2）充分利用7系列合金中Al-Mg-Zn合金淬火敏感性低，而且抗拉强度高的特点。本发明的中高强度铝合金中加入了适量的Zn元素使合金中有MgZn₂作为辅助强化相。实现了提高本发明的中高强度铝合金力学性能，但又不提高淬火敏感性。

（3）本发明的中高强度铝合金合金中采用了适当的Zn元素，控制质量分数范围在0.6-2.0%之间；克服了7系列Al-Mg-Zn合金中因Zn含量高而产生变形抗力相对大，焊接性能下降，从而在挤压复杂截面型材时候，有困难的缺陷。本发明的中高强度铝合金铸棒不需均质退火，也不需要多级时效，且本发明的中高强度铝合金容易挤压成型。

（4）本发明的中高强度铝合金中不仅像6061合金那样采用了Cu元素作为辅助强化相，增加合金的强度；而且克服了6061、6351、6082合金中，含有大量过剩Si，以Cr、Mn元素作为合金组织结构的改善剂和抗应力腐蚀改善剂，而造成合金热挤压型材过程中的淬火敏感性提高和由于大量过剩Si而造成的合金组织缺陷。

（5）本发明的中高强度铝合金中采用同为过渡族元素，但熔点高于Cr和Mn元素的V元素取代Mn和Cr元素作为合金固溶体强化剂。

（6）本发明的中高强度铝合金使Al-Mg-Si合金系列挤压型材具有最广泛的范围。挤压变形抗力相对较低，抗拉强度达280Mpa，而且在热挤压型材过程中采用水雾和风冷淬火，就能使合金型材在时效热处理后达到这个强度要求，而不会因为水浸或喷淋快速冷却淬火而产生型材变形的缺陷。

（7）本发明的中高强度铝合金中加入了微量的Zr元素，它除了能细化晶粒还提高了合金的塑性和耐蚀性，也能降低铝液中的含氢量。

（8）本发明的合金在挤压型材过程中只要淬火冷却速度到了0.4℃/S以上就可以达到力学性能要求【如图1所示】，而0.4℃/S的冷却速度，用传统的轴流风扇就可以实现。

本发明的中高强度铝合金利用过渡族V元素和稀有元素Zr，具有与Al形成质点后在合金铸造凝固过程中能起均匀弥散形核作用的特点取代6系列中高强度Al-Mg-Si合金中淬火敏感性元素Mn或Cr作为强化固溶体，阻止再结晶的晶粒细化变质剂；同时在Al-Mg-Si合金中加入Zn元素，使合金中不仅含有Mg₂Si、Cu作为强化相，而且有部分形成MgZn₂作为辅助强化相。既可以降低中高强度的Al-Mg-Si系列合金型材生产过程中的淬火敏感性，又可以提高合金的力学性能。

本发明的中高强度铝合金既具有6系列Al-Mg-Si合金容易挤压成型、变形抗力小、焊接性能好的优点，又具有7系列Al-Mg-Zn合金抗拉强度高且对淬火冷却速度不敏感的优点。实现了用风冷或者水雾冷却淬火就能够在没有专用的在线淬火设备的条件下挤压生产壁厚大于6mm，抗拉强度大于280Mpa，截面复杂的高精级结构用途的铝合金型材，从而解决国内外铝型材生产企业生产此类铝合金型材时经常出现的由于合金的淬火敏感性导致的淬火冷却速度慢，造成型材最终达不到强度，但用水浸或喷淋快速淬火冷却又容易使型材产生变形的难题。

附图说明

图1为本发明能降低淬火敏感性的中高强度铝合金的抗拉强度随冷却速度的变化曲线。

图中：1-本发明合金，2-合金6061，3-合金6106，4-合金6351。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例的中高强度铝合金组成： Si的质量分数为0.7%，Mg的质量分数为0.75%，Zn的质量分数为1.0%，Cu的质量分数为0.25%， V的质量分数为0.2%，Ti的质量分数为0.05%，Zr的质量分数为0.05%，Fe的质量分数小于等于0.35%，余量为Al；按照上述中高强度铝合金的组成分别称取铝锭、铝硅中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金、铜锭、锌锭、镁锭和铝钛硼丝作为原料。

熔炼： 设备为15吨容量的卧式燃油反射熔铸炉，将工业一级铝、含硅12%的铝硅中间合金，含Zr10%的铝锆中间合金，含钒10%的铝钒中间合金,加入含铜99%的铜锭，一齐投入炉内。点火时先打开炉门、烟道闸门和废烟处理设备。熔炼3小时后全熔化，炉内铝液温度为780℃。此时加入锌锭，待完全熔化后，再加入镁锭80kg。然后以压力瓶中的氮气为动力向炉内喷入精炼剂（由氯化钠、氯化钾、冰晶石组成，可以从市场上购买得到），数量为0.1kg/吨铝，精炼时间为20分钟，然后取样进行铝液成分光谱分析，调整到要求的范围值。然后进行第二次精炼，温度控制为730-750℃，精炼30分钟。

铸造： 本实施例中的铸造设备为立式园铸棒铸造机，铸造温度控制在745℃，将铝液（即精炼后的熔炼液）通过流糟放入铸造盘中，将Ti含量为5%、硼含量为1%的铝钛硼丝按15kg/吨铝液的数量熔入铝液中，在铝合金液中形成TiAl₃和TiB₂初晶组织的异质结晶种进行炉外晶粒细化，铸造成晶粒细化的铝合金铸棒；铸棒直径为178毫米，铸造速度为100毫米每分钟。

挤压成型： 挤压设备为单动油压挤压机。挤压制品截面为150mm宽，50mm高，10mm厚的管材；挤压工艺为：合金棒加热到490℃，模具温度为450℃，挤压机盛锭筒温度为410℃，挤压速度为20m/min，以水雾和电风扇冷却淬火。按0.5%的拉伸量校直，锯切成6m长装框进入人工时效，人工时效工艺为175℃保温8小时。

力学性能检测： 检测设备：100KN拉伸实验机；检测结果：抗拉强度294Mpa，断裂伸长率13%，规定总延伸强度260M。

 

实施例2

本实施例的中高强度铝合金组成： Si的质量分数为0.7%，Mg的质量分数为0.75%，Zn的质量分数为2.0%，Cu的质量分数为0.18%， V的质量分数为0.2%，Ti的质量分数为0.08%，Zr的质量分数为0.05%，Fe的质量分数小于等于0.35%，余量为Al；按照上述中高强度铝合金的组成分别称取铝锭、铝硅中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金、铜锭、锌锭、镁锭和铝钛硼丝作为原料。

熔炼、铸造和挤压成型工艺与实施例1相同，不同之处在于仅仅采用水雾冷却淬火。

力学检测： 抗拉强度305Mpa；断裂伸长率15%；规定总延伸强度265Mpa。

 

阳极氧化理化性能检测：将实施例1中的中高强度铝合金合金型材按以下工艺进行阳极氧化处理：

（1）预处理，以H₂SO₄浓度为200g/L，室温3分钟脱脂；水洗后，以NaOH浓度为60g/L，温度为50℃，5分钟碱蚀；水洗后，以HNO₃浓度为200g/L，室温1分钟中和出光。

（2）水洗后在H₂SO₄浓度为190g/L溶液中，温度为20℃，30分钟以1.5A/dm²的电流下阳极氧化，得到氧化膜12μm，水洗后以NiF封孔剂浓度1g/L，室温15分钟，封孔后二天老化。

（3）型材试样检测：用磷铬酸浸蚀重量损失法检测封孔失重为24mg/dm²；盐雾试验CASS箱16h,检测结果为9.2级；滴碱试验55秒，表面色泽为银白，落砂试验磨耗系数检测结果为370g/um。

以上指标对比6063-T6合金型材，不但具有高强度而且理化指标均可满足同级别氧化膜的阳极氧化质量标准。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种能降低淬火敏感性的中高强度铝合金，其特征在于，Si的质量分数为0.5-0.8%，Mg的质量分数为0.55-0.85%，Zn的质量分数为0.65-2.0%，Cu的质量分数为0.1-0.25%， V的质量分数为0.1-0.4%，Ti的质量分数为0.05-0.1%，Zr的质量分数为0.04-0.1%，Fe的质量分数小于等于0.35%，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的中高强度铝合金，其特征在于，Si的质量分数为0.65-0.75%；Mg的质量分数为0.65-0.8%；Zn的质量分数为1.0-1.25%；Cu的质量分数为0.2-0.25%；V的质量分数为0.1-0.4%。

3.根据权利要求1或2所述的中高强度铝合金，其特征在于，Ti和Zr的质量分数均为0.05%。

4.一种能降低淬火敏感性的中高强度铝合金的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤:

（1）准备原料：按照Si的质量分数为0.5-0.8%，Mg的质量分数为0.55-0.85%，Zn的质量分数为0.65-2.0%，Cu的质量分数为0.1-0.25%， V的质量分数为0.1-0.4%，Ti的质量分数为0.05-0.1%，Zr的质量分数为0.04-0.1%，Fe的质量分数小于等于0.35%以及余量为Al；分别称取铝锭、铝硅中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金、铜锭、锌锭、镁锭和铝钛硼丝作为原料；

(2)熔炼：将铝锭、铝硅中间合金、铝锆中间合金、铝钒中间合金和铜锭一起投入炉内熔炼并使之完全熔化，加入锌锭，完全熔化后加入镁锭；然后以压力瓶中的氮气为动力向炉内喷入精炼剂进行精炼，取样检测，最后再进行第二次精炼；

(3)铸造：将步骤（2）中得到的熔炼液通过流糟放入铸造盘中，将铝钛硼丝熔入熔炼液中，在铝合金液中形成TiAl₃和TiB₂初晶组织的异质结晶种进行炉外晶粒细化，铸造成晶粒细化的铝合金铸棒。

5.根据权利要求4所述的生产工艺，其特征在于，在步骤（2）中，喷入精炼剂的量为0.1kg/吨铝；第二次精炼时，温度为730-750℃。

6.根据权利要求4所述的生产工艺，其特征在于，在步骤（3）中，铝钛硼丝中：钛的含量为5%、硼的含量为1%，并且按15kg/吨铝向熔炼液中加入铝钛硼丝。

7.根据权利要求4所述的生产工艺，其特征在于，铸造设备为立式圆铸棒铸造机，铸造温度为745℃，中高强度铝合金铸棒直径为178毫米，铸造速度为100毫米每分钟。

8. 权利要求1-4任一所述中高强度铝合金的型材加工方法，其特征在于，挤压工艺为：将中高强度铝合金加热到490℃，模具温度为450℃，挤压机盛锭筒温度为410℃，挤压速度为20m/min，以水雾或风冷却淬火。

9.根据权利要求8所述的型材加工方法，其特征在于，按0.5%的拉伸量校直，锯切后进入人工时效，人工时效工艺为175℃保温8小时。

10.根据权利要求9所述的型材加工方法，其特征在于，挤压制品截面为150毫米宽、50毫米高、10毫米厚的管材。

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