CN106636806B - 一种细小晶粒中等强度铝合金及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种细小晶粒中等强度铝合金的制备方法与应用。该合金包含以下按质量百分比计的组分：Si为0.58～0.63％，Mg为0.87～0.93％，Fe为0.12～0.14％，Cu为0.20～0.30％，Mn为0.10～0.15％，Cr为0.14～0.20％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si≤1.73。本发明合金具有较高的力学性能和细小的晶粒组织特点，适用于制备电子设备结构件，也适用于制备一些对强度要求较高的管材和棒材。

Description

一种细小晶粒中等强度铝合金及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于铝合金材料及其制造领域，特别是涉及一种细小晶粒中等强度铝合金及其制备方法与应用。
背景技术
Al-Mg-Si-Cu合金是铝合金中常见的合金之一，因其比重轻、易加工、强度高等特性，因此被被广泛应用于电子消费品、汽车业及航空业等领域。近几年，随着电子消费品和汽车轻量化的高速发展，铝合金越来越多的被应用于一些结构件和装饰件。如，笔记本电脑、平板电脑、智能手机、汽车的保险杠、汽车轮毂等。未来的铝合金会朝着质量更轻、强度更强的方向发展。
Al-Mg-Si-Cu合金中的Fe、Mn、Cr等元素的含量是影响合金晶粒成长行为的重要因素之一，此类元素含量过低或过高均易使合金加工过程中产生晶粒粗化现象，导致产品机械性能降低，装饰效果恶化等缺陷。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种细小晶粒中等强度铝合金。
本发明的另一目的在于提供所述的细小晶粒中等强度铝合金的制备方法。
本发明的再一目的在于提供所述细小晶粒中等强度铝合金的应用。
本发明的目的通过以下述技术方案实现：一种细小晶粒中等强度铝合金，该合金包含以下按质量百分比计的组分：Si为0.58～0.63％，Mg为0.87～0.93％，Fe为0.12～0.14％，Cu为0.20～0.30％，Mn为0.10～0.15％，Cr为0.14～0.20％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si≤1.73。
所述的合金包含以下按质量百分比计的组分：Si为0.585～0.621％，Mg为0.877～0.926％，Fe为0.124～0.138％，Cu为0.208～0.297％，Mn为0.104～0.146％，Cr为0.142～0.195％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si≤1.73。
所述的Mg和Si的质量比优选为：Mg/Si＝1.46～1.50；更优选为：Mg/Si＝1.49～1.50。
一种细小晶粒中等强度铝合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述质量百分比进行备料，其中，铝和镁采用铝锭和镁锭，铜采用阴极铜；
(2)将铝锭加热到730～760℃进行熔化，再加入镁锭、阴极铜和中间合金、进行合金化，得到铝熔体A；
(3)向铝熔体A中加入精炼剂，于730～750℃进行精炼，在精炼的同时向铝熔体A中通入惰性气体进行搅拌、排气、扒渣，得到铝熔体B；
(4)将熔体B静置，得到铝熔体C；
(5)将铝熔体C进行铸造，铸造温度控制在680～700℃，得到合金圆铸锭；
(6)将合金圆铸锭加热到540±5℃后保温10～12h，再用水雾强冷至室温，得到细小晶粒中等强度铝合金。
步骤(2)中所述的中间合金为铝硅合金(结晶硅与铝硅合金)、铁锭(铁与铝的合金)、锰锭(锰与铝的合金)和铬锭(铬与铝的合金)。
步骤(2)中所述的加热为采用熔炼炉进行加热。
所述的熔炼炉为蓄热式节能炉。
步骤(2)中所述的熔化的温度优选为750℃。
步骤(3)中所述的精炼剂的添加量按2kg/吨铝熔体A计算。
步骤(3)中所述的进行精炼的温度优选为740℃，精炼的时间为30～50分钟，优选为40分钟。
步骤(3)中所述的得到铝熔体B还包括成分微调的步骤：将得到的铝熔体B进行化学成分分析，若合金成分不在步骤(1)所述的范围内，则通过成分微调，将合金成分控制在步骤(1)所述的范围内。
步骤(4)中所述的得到铝熔体C还包括净化的步骤。
所述的净化优选为将铝熔体C依次通过箱式除气装置和板式过滤系统进行净化。
步骤(3)中所述的惰性气体优选为高纯氩气。
所述的氩气的压力为0.05～0.1Mpa，流量为12L/分钟。
步骤(4)中所述的静置的时间为30～50min，优选为40min。
步骤(5)中所述的铸造优选为采用热顶半连续铸造法进行铸造。
所述的细小晶粒中等强度铝合金在制造电子设备结构件型材中的应用。
所述的细小晶粒中等强度铝合金在制造管、棒、型材中的应用。
所述的细小晶粒中等强度铝合金在制造管、棒、型材中的应用，包括以下步骤：
(i)将上述得到的细小晶粒中等强度铝合金进行加热；
(ii)将合金进行挤压加工，得到铝合金管、棒、型材；
(iii)进行人工时效处理。
在步骤(ⅱ)与(ⅲ)之间还包括在线淬火和拉伸矫直的步骤。
所述的在线淬火优选通过如下方法实现：使用水温为30℃的水对铝合金管、棒、型材进行快速冷却，冷却速度为40℃/s；
所述的拉伸矫直优选通过如下方法实现：使用拉伸机对挤压后的铝合金管、棒、型材进行拉伸。
所述的进行拉伸的拉伸量为0.5～1.0％。
步骤(i)中所述的细小晶粒中等强度铝合金还包括锯切的步骤，将合金锯切成合适的长度，优选为470mm。
步骤(i)中所述的加热采用电磁感应加热，加热的温度为540～550℃；优选为540℃。
步骤(ii)中所述的挤压的温度为520～530℃，优选为520℃；挤压的速度(主缸前进速度)为1.8～2.1mm/s，优选为2.0mm/s；挤压比λ<30，优选为20。
步骤(iii)中所述的人工时效工艺为：170±5℃保温8～12小时后空冷至室温。
在Al-Mg-Si-Cu合金，Si和Mg是形成主要强化相的组成元素，形成Mg2Si强化相。合金随着Mg和Si含量的增加，其抗拉强度随之增加。Mg2Si强化相中Mg和Si的质量百分比为1.73，本合金按照Mg/Si≤1.73设计，优选1.46-1.50。Si含量稍过量，目的是使Mg充分利用并形成强化相。
在本发明合金中，Fe会与Al、Mn、Si等元素形成难溶的AlFeMnSi脆性相，增加合金的热裂倾向。Fe与Al形成FeAl3可以细化再结晶晶粒，与Mn结合形成Al6(FeMn)可改善抗腐蚀性能。本发明将Fe的含量控制在0.12～0.14％之内，使合金在保持优异的力学性能的同时，并且细化晶粒。
Cu在合金中与Al和Mg会形成强化相S(CuMgAl2)和CuAl，随着Cu含量增加合金强度增加，延伸率降低。本发明将Cu的含量控制在0.20～0.30％之内，使合金在保证较高的力学性能的同时，保持较高的延伸率。
Mn、Cr在均匀化退火中与Al发生相变反应，形成弥散相MnAl6和CrAl7。MnAl6和CrAl7可以提高再结晶温度，使合金的再结晶困难，使之在挤压过程中形成纤维组织。过量的Mn和Cr会产生粗大的金属间化合物，且淬火敏感性增加。本发明中Mn和Cr的含量分别控制在0.10～0.14％和0.14～0.20％之内，使合金保证组织结构，且避免形成粗大的铝铁锰颗粒。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明与传统的6061合金相比具有如下优点：(1)传统Al-Mg-Si-Cu合金的Mg、Si元素范围大，可能出现Mg过剩的情况，本发明合金中Mg/Si≤1.73设计，优选1.46～1.50，避免了Mg过量时形成MgO、Mg Al2O4等化合物；(2)本发明合金在T6状态下抗拉强度≥334MPa，屈服强度≥307MPa，断后延伸率≥14％，比国标中6061-T6合金的最低标准分别高26％、25％、75％以上；(3)普通6061合金产品T6态下晶粒尺寸介于200～300μm，本发明制备产品T6状态下晶粒尺寸可控制在15～30μm之内，晶粒细小均匀，是各类铝合金锻压制品的最佳原材料。
2、本发明合金具有较高的力学性能和细小的晶粒组织特点，适用于制备电子设备结构件，也适用于制备一些对强度要求高的管材和棒材。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
原材料
铝锭：采用牌号为Al99.7的铝锭，铝锭中Al的质量百分比为99.70％以上，符合标准GB/T 1196-2008《重熔用铝锭》；
镁锭：采用牌号为Mg9990的镁锭，镁锭中Mg的质量百分比为99.9％以上，符合标准GB/T 3499-2003《原生镁锭》；
铝硅合金：采用结晶硅与铝硅合金，其中铝硅合金的硅的质量百分比为20％，符合标准YS/T 282-2000《铝中间合金锭》；
铁锭：采用铁与铝的合金，合金中Fe的质量百分比为75以上，符合标准YS/T 282-2000《铝中间合金锭》；
阴极铜：2号标准铜，其中Cu的质量百分比为99.9％以上，符合标准GB/T 467-2010《阴极铜》；
锰锭：采用锰与铝的合金，合金中Mn的质量百分比为75以上，符合标准YS/T 282-2000《铝中间合金锭》；
铬锭：采用铬与铝的合金，合金中Cr的质量百分比为75以上，符合标准YS/T 282-2000《铝中间合金锭》；
精炼剂：采用牌号为PROMAG RI粒状精炼剂，符合标准YS/T491-2005《变形铝及铝合金用熔剂》；
精炼气体：采用高纯氩气，纯度即体积百分数为≥99.999％；
熔炼在线处理气体：采用高纯氩气，纯度即体积百分数为≥99.999％。
上述Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)按各成分的质量百分比：Si为0.621％，Mg为0.926％，Fe为0.138％，Cu为0.297％，Mn为0.144％，Cr为0.192％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中，Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.49。
(2)将上述原料中的铝锭投入冶炼炉(蓄热式节能炉)。
(3)将铝锭加热到750℃进行熔化，铝锭完全熔化后得到铝熔体I，再向铝熔体I中加入步骤(1)中准备的其它合金(镁锭、铝硅合金、阴极铜、锰锭和铬锭)，对铝熔体进行合金化，得到铝熔体II。
(4)按照2Kg/T铝熔体II的比例向铝熔体II中加入精炼剂，进行精炼，精炼温度为730～750℃，精炼时间为40min，在精炼的同时向铝熔体中通入高纯氩气进行搅拌、除气，然后扒渣，得到铝熔体III。其中氩气的压力控制为0.1MPa，流量控制为12L/min。
(5)对步骤(4)中得到的铝熔体III进行取样分析，添加合金元素微调成分，将合金成分控制在步骤(1)所述的范围内。
(6)对得到的铝熔体III进行静置40min处理；
(7)静置后再将铝熔体III依次通过箱式除气装置、板式过滤装置进行除气除杂，净化后得到铝熔体Ⅳ；
(8)将铝熔体Ⅳ采用热顶半连续铸造法铸造，铸造温度控制在700℃，浇注获得合金圆铸锭；
(9)将获得的合金圆铸锭在均质炉内加热到540±5℃保温12h后水雾冷至室温，最终得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
实施例2
按各成分质量百分比：Si为0.585％，Mg为0.879％，Fe为0.124％，Cu为0.208％，Mn为0.106％，Cr为0.145％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.50。按照与实施例1相同的工艺生产得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
实施例3
按各成分的质量百分比：Si为0.600％，Mg为0.900％，Fe为0.131％，Cu为0.254％，Mn为0.136％，Cr为0.186％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.50。按照与实施例1相同的工艺生产得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
实施例4
按各成分的质量百分比：Si为0.621％，Mg为0.926％，Fe为0.128％，Cu为0.297％，Mn为0.104％，Cr为0.142％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.49。按照与实施例1相同的工艺生产得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
实施例5
按各成分的质量百分比：Si为0.588％，Mg为0.877％，Fe为0.134％，Cu为0.206％，Mn为0.146％，Cr为0.195％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.49。按照与实施例1相同的工艺生产得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
对比例1
按各成分的质量百分比：Si为0.622％，Mg为0.925％，Fe为0.155％，Cu为0.294％，Mn为0.148％，Cr为0.197％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.48。按照与实施例1相同的工艺生产得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
对比例2
按各成分的质量百分比：Si为0.587％，Mg为0.875％，Fe为0.112％，Cu为0.204％，Mn为0.109％，Cr为0.145％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.49。按照与实施例1相同的工艺生产得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
对比例3
按各成分的质量百分比：Si为0.592％，Mg为0.879％，Fe为0.124％，Cu为0.241％，Mn为0.091％，Cr为0.147％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.48。按照与实施例1相同的工艺生产得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
对比例4
按各成分的质量百分比：Si为0.600％，Mg为0.898％，Fe为0.125％，Cu为0.257％，Mn为0.107％，Cr为0.131％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.50。按照与实施例1相同的工艺生产得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
对比例5
按各成分的质量百分比：Si为0.598％，Mg为0.894％，Fe为0.139％，Cu为0.252％，Mn为0.148％，Cr为0.215％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al进行配料；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.49。按照与实施例1相同的工艺生产得到挤压需要的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
效果实施例
实施例1～5和对比例1～5中合金成分见表1，将制得的铝合金圆铸锭分别锯切成470mm短料，按照以下工艺挤压制成规格为直径30mm的棒材。
(ⅰ)铸锭加热采用电磁感应加热，将上述合金铸锭在铝棒加热炉中加热到540℃；
(ⅱ)挤压工艺为：挤压温度520℃，型材挤压比20，挤压速度(主缸推进速度)2.0mm/s；
(iii)固溶处理采用在线淬火：使用水温为30℃的水对型材进行快速冷却，冷却速度为40℃/s；再使用拉伸机对挤压后的型材进行拉伸，拉伸量控制在0.5～1.0％；
(iv)时效工艺为：170℃保温12h后空冷至室温。
2、按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》对上述棒材进行力学性能测试，根据国家标准GB/T 6892-2015《一般工业用铝及铝合金挤压型材》给出对比铝合金6061-T6的力学性能，测试结果见表2(热处理状态为T6)。
3、按照GB/T 3246.1-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法第1部分：显微组织检验方法》测试试样晶粒尺寸，测试结果见表3。
表2：力学性能测试结果
表3：不同合金平均晶粒尺寸表
编号 平均晶粒尺寸/μm
普通6061合金 200-300
实施例1 15
实施例2 25
实施例3 24
实施例4 30
实施例5 19
对比例1 84
对比例2 100
对比例3 97
对比例4 117
对比例5 76
注：表3中普通6061合金的平均晶粒尺寸是用常规6061合金通过相同的制备工艺、相同的测试方法多次测量得到的平均数值。
从表2中可以看出，与6061-T6国家标准对比，本发明合金在T6状态下抗拉强度≥334MPa，屈服强度≥307MPa，断后延伸率≥14％，比国标中6061-T6合金的最低标准分别高26％、25％、75％以上，具有较高的力学性能。从表3中可以看出，普通6061合金产品T6态下晶粒尺寸介于200～300μm，对比例1～5的合金T6态下晶粒尺寸介于76～117μm，晶粒尺寸远远大于本发明的晶粒大小；而本发明制备产品T6状态下晶粒尺寸可控制在15～30μm之内，晶粒细小均匀，是各类铝合金锻压制品的最佳原材料。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种细小晶粒中等强度铝合金，其特征在于，该合金包含以下按质量百分比计的组分：Si为0.58～0.63％，Mg为0.87～0.93％，Fe为0.12～0.14％，Cu为0.20～0.30％，Mn为0.10～0.15％，Cr为0.14～0.20％，其它杂质总量≤0.15％，余量为Al；其中Mg和Si的质量比为：Mg/Si≤1.73；
所述的铝合金在T6状态下的晶粒尺寸控制在15～30μm。
2.根据权利要求1所述的细小晶粒中等强度铝合金，其特征在于：所述的Mg和Si的质量比为：Mg/Si＝1.46～1.50。
3.一种细小晶粒中等强度铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照权利要求1或2所述的质量百分比进行备料，其中，铝和镁采用铝锭和镁锭，铜采用阴极铜；
(2)将铝锭加热到730～760℃进行熔化，再加入镁锭、阴极铜和中间合金、进行合金化，得到铝熔体A；
(3)向铝熔体A中加入精炼剂，于730～750℃进行精炼，在精炼的同时向铝熔体A中通入惰性气体进行搅拌、排气、扒渣，得到铝熔体B；
(4)将铝熔体B静置，得到铝熔体C；
(5)将铝熔体C进行铸造，铸造温度控制在680～700℃，得到合金圆铸锭；
(6)将合金圆铸锭加热到540±5℃后保温10～12h，再用水雾强冷至室温，得到细小晶粒中等强度铝合金。
4.根据权利要求3所述的细小晶粒中等强度铝合金的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的得到铝熔体B还包括成分微调的步骤：将得到的铝熔体B进行化学成分分析，若合金成分不在步骤(1)的范围内，则通过成分微调，将合金成分控制在步骤(1)的范围内；
步骤(4)中所述的得到铝熔体C还包括净化的步骤：将铝熔体C依次通过箱式除气装置和板式过滤系统进行净化。
5.根据权利要求3所述的细小晶粒中等强度铝合金的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的精炼剂的添加量按2kg/吨铝熔体A计算；
步骤(3)中所述的进行精炼的温度为740℃，精炼的时间为30～50分钟；
步骤(3)中所述的惰性气体为高纯氩气；
步骤(4)中所述的静置的时间为30～50min。
6.权利要求1或2所述的细小晶粒中等强度铝合金在制造电子设备结构件型材中的应用。
7.权利要求1或2所述的细小晶粒中等强度铝合金在制造管、棒、型材中的应用。
8.根据权利要求7所述的细小晶粒中等强度铝合金在制造管、棒、型材中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(i)将细小晶粒中等强度铝合金进行加热；
(ii)将合金进行挤压加工，得到铝合金管、棒、型材；
(iii)进行人工时效处理。
9.根据权利要求8所述的细小晶粒中等强度铝合金在制造管、棒、型材中的应用，其特征在于：
在步骤(ⅱ)与(ⅲ)之间还包括在线淬火和拉伸矫直的步骤；
所述的在线淬火通过如下方法实现：使用水温为30℃的水对铝合金管、棒、型材进行快速冷却，冷却速度为40℃/s；
所述的拉伸矫直通过如下方法实现：使用拉伸机对挤压后的铝合金管、棒、型材进行拉伸。
10.根据权利要求8所述的细小晶粒中等强度铝合金在制造管、棒、型材中的应用，其特征在于：
步骤(i)中所述的加热的温度为540～550℃；
步骤(ii)中所述的挤压的温度为520～530℃；
步骤(iii)中所述的人工时效工艺为：170±5℃保温8～12小时后空冷至室温。
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