CN104745902A - 自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金及其加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金及其加工工艺，合金中：Si：0.8～1.6wt.%，Mg：1.1～1.8wt.%，Cu：0.6～1.5wt.%，Mn：0.5～1.0wt.%，Zr：0.05～0.25wt.%，Ti：0.01～0.03wt.%，Fe：<0.2wt.%，其他不可避免的杂质元素每种少于0.05wt.%，且总量少于0.15wt.%，余量为Al。将半连续铸造得到的铸锭在500～550℃下均匀化退火10～24小时，然后在400～500℃下保温1～2小时后进行热挤压和在线穿水，此后在500～560℃之间保温1～3小时进行固溶处理，水淬后在160～180℃之间保温24～32小时进行时效处理。

Description

自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金及其加工工艺
技术领域
本发明涉及有色金属技术领域，公开了一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金及其加工工艺。
背景技术
随着汽车轻量化要求的不断提高，国内外对汽车用Al-Mg-Si-Cu合金板材的研究已取得了一定的成果，但对自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金复杂断面型材制备的研究，尚处于空白。
目前国外已开发出AA6069铝合金，合金中微量V、Cr元素的添加，可以抑制再结晶晶粒的形核与长大，使该合金具有较好的强韧性。但由于高温元素V在铝中的难溶性，使V元素在铝合金中的有效添加难以控制，严重制约了该合金在工业生产上的应用。
高强Al-Zn-Mg-Cu合金可以作为结构材料，但由于其较低的焊接性能、塑性和热加工性能，使其在自行车用铝合金领域的应用受到了限制。而普通Al-Mg-Si-Cu合金虽然具有良好的塑性、焊接性能，但强度太低，也无法满足自行车用铝合金的要求。因此，为满足实际生产与客户需要，急需开发出一种制备方法简单、强度高而塑性也满足需要的新型Al-Mg-Si-Cu合金。
发明内容
本发明的目的是提供一种自行车用Al-Mg-Si-Cu合金及其加工工艺，旨在有效解决目前国内铝合金的强度、塑性不满足自行车车圈、车架生产之要求。本发明铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率等特性以及生产成本均能满足高附加值自行车制造工业领域对铝合金材料的诸多要求。
本发明的一种Al-Mg-Si-Cu合金，其成份的百分比含量如下：
杂质元素每种少于0.05wt.%，且总量少于0.15wt.%，
余量为Al
作为本发明的进一步改进，上述的一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金，其含Mn量优选0.7～0.9wt.%；含Zr量优选0.15～0.25wt.%。
作为本发明的进一步改进，上述的一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金的铸锭制备方法，按如下步骤进行：
（1）原料配制：以纯金属铝、纯金属镁、纯金属铜、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、铬剂、锰剂作为原料，进行备料；
（2）合金熔炼及浇注：在电阻炉中进行熔炼，将纯金属铝、Al-Si中间合金加入电阻炉中熔化，熔化后加入纯金属铜、Al-Zr中间合金，升温至740-750℃，加入锰剂和已预热的纯金属镁，待这些金属熔化并搅拌均匀后升温至750-760℃，然后使用除气剂六氯乙烷或氩氯混合气体处理5-10min，处理完毕后搅拌合金熔体并在750℃静置10-20min，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮渣，然后进行铸造，浇注使用半连续立式浇铸法进行，浇注温度为730℃-740℃；所述的纯金属铝、纯金属镁、纯金属锌和纯金属铜的纯度均为99.8wt.%；所述的Al-Si中间合金的含量为Si：18-25wt%，余量为Al；Al-Zr中间合金的含量为Zr：3-5wt%，余量为Al；所述的锰剂的含量为Mn：63%，其余为盐，不与Al反应，最终成为炉渣。
作为本发明的进一步改进，上述的一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金的加工工艺，按如下步骤进行：
（1）均匀化处理：将熔炼半连续铸造得到的铸锭放入电阻炉中进行均匀化处理，均匀化处理具体工艺为：500～550℃下进行10～24h，然后将铸锭取出强风冷至室温；
（2）挤压处理：挤压模直径为126mm，挤压嘴直径为15mm，变形系数为71，挤压温度400～500℃，保温1～2小时进行热挤压；
（3）固溶时效处理：在500℃～560℃温度下保温1～3h后进行水淬，然后在160℃～180℃温度条件下保温24～32h后空冷至室温。
本发明的特点及其有益效果是：（1）本发明技术方案提出Zr元素在Al-Mg-Si-Cu合金中的添加，并给出了一个合理的Mn、Zr含量范围，并通过控制加工过程的工艺参数，使合金在保证了塑性、易成型性的同时，显著提高了强度。（2）本发明合金在固溶时效状态下，其抗拉强度430MPa～500MPa以上，屈服强度340～475MPa，断后延伸率12%以上，具有优异的综合性能，适合于生产需要高强度且形状复杂的自行车结构件。
具体实施方式
一种自行车用Al-Mg-Si-Cu合金，该合金中的Si：0.8～1.6wt.%，Mg：1.1～1.8wt.%，Cu：0.6～1.5wt.%，Mn：0.5～1.0wt.%，Zr：0.05～0.25wt.%，Fe：<0.2wt.%。其中合金的Mn含量优选0.7～0.9wt.%；Zr含量优选0.15～0.25wt.%。该合金中Zr含量不宜过高，过高会产生针状稳态Al3Zr相，最终破坏合金机械性能。该合金固溶时效状态下的抗拉强度420MPa～500MPa以上，屈服强度340～475MPa，断后延伸率12%以上。
自行车用Al-Mg-Si-Cu合金熔炼工艺：首先将纯铝和铝硅中间合金熔化，再加入纯金属铜、Al-Zr中间合金，升温至740-750℃，加入锰剂和已预热的纯金属镁，待这些金属熔化并搅拌均匀后升温至750-760℃，然后使用除气剂六氯乙烷或氩氯混合气体处理5-10min，处理完毕后搅拌合金熔体并在750℃静置10-20min，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮渣，然后进行铸造，浇注使用半连续立式浇铸法进行，浇注温度为730℃-740℃。
本发明Al-Mg-Si-Cu合金的加工工艺：将熔炼半连续铸造得到的铸锭放入电阻炉中进行500～550℃下保温10～24h均匀化处理，然后将铸锭取出强风冷至室温；在400～500℃下保温1～2小时进行热挤压，挤压模直径为126mm，挤压嘴直径为15mm，变形系数为71。热挤后立刻进行在线穿水。然后再进行500℃～560℃温度下保温1～3h固溶处理和160℃～180℃温度条件下保温24～32h时效处理。
热处理和挤压工艺均会对材料的强度、塑性以及成品率产生影响。经半连续铸造得到的铸锭必须经过均匀化退火才能使非平衡相充分溶解、消除微观偏析、提高成份的均匀性，以利于后续的热挤压变形。均匀化退火温度低于500℃时，不能充分均质，而超过550℃，容易产生过烧而使材料成为废品。同时，必须保证足够的均匀化时间，否则也不能充分均质。控制热挤压温度来获得所需的材料组织和性能。挤压温度过高，挤压制品中极易产生粗大晶，且容易使制品过烧；挤压温度过低，挤压力增大，容易损坏挤压模具或缩短其使用寿命，并且不利于合金塑性的发挥，降低复杂形状挤压制品的成品率；再者会造成储存能急剧增大，不利于后续的热处理对合金组织性能的控制。热挤并在线穿水后的挤压材在500℃～560℃下保温1～3h固溶处理，在此温度区间和保温时间的固溶处理，能保证挤压材在不发生过烧的前提下使合金元素充分溶入基体中。经过以上所述的加工工艺，材料具有高强度和较好的塑性，满足自行车用铝合金的生产要求。
本发明将Mn、Zr等合金元素按一定配比组合在一起后，在一定加工工艺下获得兼顾强度及塑性的自行车用Al-Mg-Si-Cu合金。本发明的实际应用及其优点将由下面的例子来体现。
实施例：如表1所示组成（wt.%）的铝合金A，B，C。合金通过立式半连续铸造获得铸锭，将铸锭在520～540℃进行均匀化退火，退火20小时，然后在450℃保温1小时后进行挤压，挤压棒材直径为15mm，变形系数71。挤压的同时在线穿水。然后在540～550℃固溶处理2小时，并迅速水淬到室温，接着立刻进行170℃人工时效24小时。表2和表3分别是棒材挤压态和固溶时效处理后的性能。
表1合金成分
表2棒材挤压态力学性能
表3棒材固溶时效态力学性能
显然，此铝合金具有良好的抗拉强度、屈服强度和塑性，有利于生产复杂断面制品，是制造高附加值自行车部件所需的良好原材料。
以上通过具体实施例对本发明技术方案作了进一步说明，给出的例子仅是应用范例，不能理解为对本发明权利要求保护范围的一种限制。

Claims (5)

1.一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于：其成份的重量百分含量如下：
杂质元素每种少于0.05wt.%，且总量少于0.15wt.%，
余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于Mn、Zr元素的适量添加，其中优选Mn：0.7～0.9wt.%，Zr：0.15～0.25wt.%。
3.根据权利要求1至2所述的任何一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：
（1）原料配制：以纯金属铝、纯金属镁、纯金属铜、Al-Si中间合金、Al-Zr中间合金、铬剂、锰剂作为原料，进行备料；
（2）合金熔炼及浇注：在电阻炉中进行熔炼，将纯金属铝、Al-Si中间合金加入电阻炉中熔化，熔化后加入纯金属铜、Al-Zr中间合金，升温至740-750℃，加入锰剂和纯金属镁，待这些金属熔化并搅拌均匀后升温至750-760℃，然后使用除气剂六氯乙烷或氩氯混合气体处理5-10min，处理完毕后搅拌合金熔体并在750℃静置10-20min，静置完毕后捞去合金熔体表面的浮渣，然后进行铸造，浇注使用半连续立式浇铸法进行，浇注温度为730℃-740℃；
（3）均匀化处理：将铸锭放入电阻炉中进行均匀化处理，均匀化处理具体工艺为：500～550℃下进行10～24h，然后将铸锭取出强风冷至室温；
（4）挤压处理：挤压模直径为126mm，挤压嘴直径为15mm，变形系数为71，挤压温度400～500℃，保温1～2小时进行热挤压；
（5）固溶时效处理：在500℃～560℃温度下保温1～3h后进行水淬，然后在160℃～180℃温度条件下保温24～32h后空冷至室温。
4.根据权利要求1至3所述的任何一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于所述的纯金属铝、纯金属镁和纯金属铜的纯度均为99.7wt.%。
5.根据权利要求1至4所述的任何一种自行车用高强度Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于：所述合金挤压材固溶时效状态的抗拉强度为430MPa～500MPa，340～475MPa，断后延伸率为12%以上。
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