CN104451478A

CN104451478A - 一种铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺

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Publication number: CN104451478A
Application number: CN201410712620.8A
Authority: CN
Inventors: 姜海昌; 闫德胜; 戎利建; 赵明久; 胡小锋; 宋元元; 陈胜虎
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: CN104451478B

Abstract

本发明涉及铝合金紧固件制造领域，具体地说是一种铝螺栓用高性能细晶铝合金线、棒材的制备工艺。本发明基于成分优化设计，引入连续挤压工艺实现细化晶粒，并通过之后的固溶+时效处理，制备了高性能细晶铝合金线(棒)材。利用该工艺生产的铝合金线、棒材，其晶粒尺寸可达到30μm左右，相应的屈服强度可以达到350MPa以上、抗拉强度可达400MPa以上，延伸率可达10％以上。在此性能的基础上，该材料将主要用于制作高性能的铝合金螺栓，同时也可以用来制定高强铆钉、高强连接带等其他铝合金连接件制品。

Description

一种铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺

技术领域

本发明涉及铝合金紧固件制造领域，具体地说是一种铝螺栓用高性能细晶铝合金线(棒)材的制备工艺。

背景技术

近些年、随着轻质高强铝合金的发展，其应用范围也在不断的扩展。在铝合金的应用过程中，往往会涉及到连接问题，除采用焊接、铆接等连接手段外，最为常见的就是采用高强螺栓进行连接和紧固。然而，目前一般的螺栓采用的均是钢材料制备而成。由于钢与铝间的膨胀系数差别较大，当钢螺栓应用在温差变化较大的铝合金部件(如：新型汽车用铸铝发动机)时极易引起松动，进而发生失效。更为重要的是，由于钢与铝之间的电极电位不同，因电位差所造成的螺栓腐蚀失效现象明显。

如采用高强铝合金制备铝螺栓则可解决上述问题，而且铝螺栓还具有其他的诸多优点，比如：铝合金螺栓与同类钢螺栓相比，其重量仅为钢的1/3，在强-质比上非常高。同时，铝合金的热电传导性很好，加工特性优，易于冷热成型，加工过程相对简单。此外，由于铝合金的表面易处理的特性，使其外观性能优异，美观性非常好，因此铝螺栓的应用前景巨大。

由于螺栓的自身特性，可用来制备高强度铝螺栓的材料必须属于时效强化型铝合金，因此可选的材料包括2XXX、6XXX、7XXX三类铝合金。由于2XXX铝合金的性能较低，而7XXX铝合金又存在应力腐蚀现象，因此6XXX铝合金成为首选。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝螺栓用高性能细晶铝合金线(棒)材的制备工艺，利用成分优化设计以及连续挤压的引入，显著细化铝合金的晶粒，形成细晶高性能铝合金，使其力学性能得到显著提高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，具体制备步骤如下：

(1)采用上引连铸或半连续铸造或普通铸造的方法制备合金铸锭或坯杆；

(2)对铝合金铸锭或坯杆在500～540℃之间进行均匀化热处理，时间12～24h，空冷；

(3)在420～470℃之间将铸锭挤压成棒材，挤压比为30.0～100.0，空冷；

(4)对棒材或者连铸坯杆进行固溶处理，处理制度为520～540℃，保温1～2h，水冷；

(5)将固溶处理后的棒材或者连铸坯杆进行连续挤压处理，挤压比控制在0.6～1.2，空冷；

(6)将连续挤压后的棒材或者连铸坯杆经过拉拔制备成所需的线材或棒材；

(7)线材或棒材经墩头、搓丝制备成螺栓后再160～200℃进行4～8h的时效处理。

所述的铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，按重量百分比计，铝合金的化学成分为，0.5≤Si≤1.4％；0.40≤Cu≤0.88％；0.50≤Mn≤0.65％；0.6≤Mg≤1.0％，0.15≤Zn≤0.25％，0.05≤Zr≤0.2％，其余杂质包括Fe、Cr、Ti及其他不可预见杂质含量总和≤0.40％，Al余量。

所述的铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，经连续挤压处理后，铝合金晶粒显著细化，晶粒尺寸范围为10.0～100.0μm。

所述的铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，制备成螺栓后再进行时效处理。

所述的铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，经过固溶时效处理后，屈服强度范围为350～400MPa，抗拉强度范围为380～450MPa，延伸率范围为10～15％。

本发明的设计思想是：

本发明在6XXX铝合金的基础上，通过成分优化设计和热处理设计，利用Mg₂Si和CuAl₂相的析出，通过时效强化获得高强度，满足螺栓的强度要求。除强度因素外，通常用于生产铝螺栓的线(棒)材的制备往往都是通过上引连铸或者卧式挤压而成，线(棒)材的晶粒尺寸较大，可达200μm以上。而本发明在成分优化设计的基础上，引入了连续挤压工艺，不仅仅显著细化了铝合金线(棒)材的晶粒组织，而且显著提高了铝合金的强度，满足高强度铝螺栓的强度要求。利用该工艺生产的铝合金线棒材，其晶粒尺寸可达到30μm左右，相应的屈服强度可以达到350MPa以上、抗拉强度可达400MPa以上，延伸率可达10％以上。在此性能的基础上，该材料将主要用于制作高性能的铝螺栓。同时，也可以用来制定高强铆钉、高强连接带等其他铝合金制品，利用这种材料制备的高性能细晶铝螺栓未来的发展前景巨大。

本发明的优点及有益效果在于：

1、本发明通过采用连续挤压工艺，铝合金的晶粒得到明显细化。

2、本发明通过采用固溶+连续挤压+时效处理，使得铝合金的力学性能得到明显提高。

3、本发明所制备的铝合金线(棒)材尤其适合制备高强铝螺栓。

附图说明

图1本发明高性能细晶铝合金线(棒)材制备工艺流程图。

图2a-b为高性能细晶铝合金线(棒)材的显微组织照片；其中，图2a为横向，图2b为纵向。

图3a-b为未引入连续挤压制备的铝合金线(棒)材显微组织照片；其中，图3a为横向，图3b为纵向。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明进一步详细说明。

实施例1

采用纯Al、纯Mg、纯Zn、纯铜、AlSi中间合金、AlMn中间合金、AlZr中间合金等原材料进行翻转式熔炼炉进行冶炼成铸锭，铸锭化学成分见表1。

表1合金的化学成分(wt.％)

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr	Al
										1.08	0.09	0.46	0.53	0.65	0.02	0.18	0.02	0.06	余

具体的生产工艺如图1，实际操作步骤如下：

(1)对铝合金铸锭在500～540℃之间进行均匀化热处理，保温时间12～24h，空冷(本实施例中，均匀化温度520℃，时间12h)；

(2)在420～470℃之间将铸锭挤压成棒材，挤压比为30.0～100.0，空冷(本实施例中，挤压温度为450℃，连续挤压出口尺寸为Φ10mm，挤压比为50)；

(3)对棒材进行固溶处理，处理制度为520～540℃，保温1～2h，水冷(本实施例中，固溶处理温度为525℃，时间2h)；

(4)将固溶处理后的棒材进行连续挤压处理，挤压比控制在0.6～1.2(本实施例中，挤压比为1.0)，水冷。

在通过连续挤压设备进行连续挤压的过程中，挤压轮的转速控制在4rpm，模具初始温度420℃，铝合金在模具出口处的温度约为500℃。

(5)将连续挤压后的棒材经过拉拔制备成所需的线(棒)材，本实施例拉拔成Φ9.75mm；

(6)线(棒)材经墩头、搓丝制备成螺栓后在180～200℃进行4～8h的时效处理(本实施例中，时效温度为180℃，保温6h)，获得M10螺栓成品。

如图2a-b所示，从成品棒材的显微组织图中可以看出，棒材横向晶粒较为均匀，晶粒尺寸仅为30～50μm之间，而纵向晶粒尺寸也较为均匀，并略大于横向晶粒。而未经连续挤压材料的微观组织(除连续挤压工艺外，其余所有工艺和参数均与实施例1相同)见图3a-b，其晶粒尺寸较大，尤其在纵向截面上，晶粒尺寸可达300μm。这种晶粒细化使得铝合金棒材的力学性能得到较大的提高，成品铝合金棒材的力学性能结果见表2。从表中可以看出，铝合金的强度较高，适合用于高强铝螺栓的制备。

表2高性能细晶铝合金棒材拉伸性能

编号	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/％
				1	404.3	350.5	11.6
2	405.2	358.9	12.0

实施例2

采用纯Al、纯Mg、纯Zn、纯铜、AlSi中间合金、AlMn中间合金、AlZr中间合金等原材料进行半连续铸造，结晶器尺寸为Φ100mm，铸造速度为10mm/min，铸锭化学成分见表3。

表3合金的化学成分(wt.％)

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr	Al
										1.08	0.09	0.46	0.53	0.65	0.02	0.18	0.02	0.06	余

具体步骤如下：

(1)对铝合金铸锭在500～540℃之间进行均匀化热处理，保温时间12～24h，空冷(本实施例中，均匀化温度530℃，时间18h)；

(2)在420～470℃之间将铸锭挤压成棒材，挤压比为30.0～100.0，空冷(本实施例中，挤压温度为430℃，连续挤压出口尺寸为Φ10mm(2支)，挤压比为50)；

(3)对棒材进行固溶处理，处理制度为520～540℃，保温1～2h，水冷(本实施例中，固溶处理温度为520℃，时间2h)；

(5)将连续挤压后的棒材经过拉拔制备成所需的线(棒)材(本实施例拉拔成Φ7.75mm)；

(6)线(棒)材经墩头、搓丝制备成螺栓后在180～200℃进行4～8h的时效处理(本实施例中，时效温度为180℃，保温6h)，获得M8螺栓成品。

该工艺条件下获得的微观组织与实施例1中相同，晶粒尺寸也没有明显变化。表4给出了合金的力学性能。可以看出，经过时效处理后，铝合金的强度几乎与实施例1相同。

表4高性能细晶铝合金棒材拉伸性能

编号	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	延伸率/％
				1	415.8	365.9	13.2
2	418.6	378.5	11.8

实施例结果表明，本发明可制备出满足高强铝螺栓用的线棒材，并通过一系列的成分优化设计、热处理实际以及连续挤压的引入，不仅仅通过时效强化了合金的性能，也显著改善了棒材的微观组织。

Claims

1.一种铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，其特征在于，具体制备步骤如下：

2.按照权利要求1所述的铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，其特征在于，按重量百分比计，铝合金的化学成分为，0.5≤Si≤1.4％；0.40≤Cu≤0.88％；0.50≤Mn≤0.65％；0.6≤Mg≤1.0％，0.15≤Zn≤0.25％，0.05≤Zr≤0.2％，其余杂质包括Fe、Cr、Ti及其他不可预见杂质含量总和≤0.40％，Al余量。

3.按照权利要求1所述的铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，其特征在于，经连续挤压处理后，铝合金晶粒显著细化，晶粒尺寸范围为10.0～100.0μm。

4.按照权利要求1所述的铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，其特征在于，制备成螺栓后再进行时效处理。

5.按照权利要求1所述的铝螺栓用高性能细晶铝合金线材、棒材的制备工艺，其特征在于，经过固溶时效处理后，屈服强度范围为350～400MPa，抗拉强度范围为380～450MPa，延伸率范围为10～15％。