CN106967909A - 一种高强韧Al‑Mg‑Si系铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强韧Al‑Mg‑Si系铝合金及其制备方法，所述高强韧Al‑Mg‑Si系铝合金的成分及质量百分比组成为：Mg 0.6～0.9%，Si 0.4～0.6%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.005～0.015%，B 0.001～0.003%，Re 0.01～0.03%，Fe≤0.15%，Mn≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。本发明Al‑Mg‑Si系铝合金具有强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能和氧化着色性能优良的特点，适合于制造汽车、船舶、轨道车辆等交通运输工具轻量化用铝合金板材、管材、棒材、型材以及平板电脑、笔记本电脑、智能手机等便携式电子产品的外壳，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种高强韧Al-Mg-Si系铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金技术领域，具体是涉及一种高强韧Al-Mg-Si系铝合金及其制备方法。
背景技术
随着交通运输工具轻量化和便携式电子产品轻薄化的发展，对铝合金材料的性能也提出了更高的要求。例如，随着汽车、船舶、轨道车辆等交通运输工具轻量化发展，车身覆盖剂、车厢、车体、枕梁、横梁、保险杆、防撞梁等都迫切需要高强度、耐腐蚀、焊接性能和成形性能优良的铝合金来替代现有的钢铁材料，以达到车身结构的轻量化和节能减排的目的。又如，随着平板电脑、笔记本电脑、智能手机等便携式电子产品大屏化和轻薄化的发展，急需高强度、高韧性的铝合金外壳来提高机身的抗压、抗弯能力，以避免机身出现弯曲、弯折等现象，同时还要满足便携式电子产品对外观件的高装饰性要求。
Al-Mg-Si系铝合金属于中等强度的可热处理强化铝合金，广泛用于建筑、包装、机械、电子等领域。但目前常用的6101、6005、6063、6061等牌号的Al-Mg-Si系铝合金，虽然具有良好的成形性能、耐腐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能，但是Mg、Si含量较低，强度也普遍较低，抗拉强度通常小于300MPa，无法满足交通运输工具轻量化和便携式电子产品轻薄化发展对铝合金强度的要求。随着Al-Mg-Si系铝合金中Mg、Si元素含量的升高，Mg2Si强化相的数量增多，合金的强度随之升高。但随着合金强度的上升，合金的塑性开始下降，成形性能、耐腐蚀性能和焊接性能也开始变坏，又无法满足交通运输工具轻量化发展对铝合金成形性能、耐腐蚀和焊接性能的要求，特别是当Si含量太高时，会显著恶化合金的氧化着色性能，导致氧化色差增大，颜色变灰、变暗而失去金属光泽，无法满足便携式电子产品对外观件的高装饰性要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能和氧化着色性能优良，能够满足交通运输工具轻量化和便携式电子产品轻薄化发展需求的高强韧Al-Mg-Si系铝合金及其制备方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的高强韧Al-Mg-Si系铝合金，其特点是由以下成分及质量百分比组成：Mg0.6～0.9%，Si 0.4～0.6%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.005～0.015%，B 0.001～0.003%，Re 0.01～0.03%，Fe ≤0.15%，Mn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
优选的，本发明所述的高强韧Al-Mg-Si系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Mg 0.8%，Si 0.5%，Li 0.4%，Zr 0.01%，B 0.002%，Re 0.02%，Fe ≤0.15%，Mn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
其中，所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 21.4%，Nd 14.5%，Pm 18.1%，Sm16.9%，Eu 13.8%，Gd 15.3%。
本发明所述的高强韧Al-Mg-Si系铝合金的制备方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al10Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；
第二步：将纯铝锭在720～760℃加热熔化，并加入占原材料总重量为0.6～0.9%的纯镁锭、0.4～0.6%的速溶硅和3～5%的Al10Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.1～0.3%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至680～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在520～540℃固溶处理3～5小时，水淬后，在170～180℃时效处理8～12小时，随炉冷却后得到高强韧Al-Mg-Si系铝合金。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明Al-Mg-Si系铝合金的室温抗拉强度大于310MPa，屈服强度大于275MPa，伸长率大于12%，具有强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能和氧化着色性能优良的特点，适合于制造汽车、船舶、轨道车辆等交通运输工具轻量化用铝合金板材、管材、棒材、型材以及平板电脑、笔记本电脑、智能手机等便携式电子产品的外壳，具有广阔的市场应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明作进一步的详细说明。
本发明所述的高强韧Al-Mg-Si系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Mg 0.6～0.9%，Si 0.4～0.6%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.005～0.015%，B 0.001～0.003%，Re 0.01～0.03%，Fe ≤0.15%，Mn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
优选的，所述高强韧Al-Mg-Si系铝合金的成分及质量百分比组成为：Mg 0.8%，Si0.5%，Li 0.4%，Zr 0.01%，B 0.002%，Re 0.02%，Fe ≤0.15%，Mn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。
其中，所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 21.4%，Nd 14.5%，Pm 18.1%，Sm16.9%，Eu 13.8%，Gd 15.3%。
Mg和Si是本发明Al-Mg-Si系铝合金的主要合金元素，Mg和Si通过形成Mg2Si强化相相来增强铝合金的强度。Mg和Si的含量越高，Mg2Si强化相的数量也越多，铝合金的强度也越高。但随着合金强度的上升，塑性开始下降，成形性能、耐腐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能也开始变坏。为了保证合金具有足够的强度、塑性以及良好的耐腐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能，因此，Mg含量选择在0.6～0.9%，Si含量选择在0.4～0.6%，优选的，Mg含量为0.8%，Si含量为0.5%。
Li是在铝合金的时效过程中还会析出纳米尺寸的Al3Li和Al2MgLi强化相，这些强化相可以钉扎位错、亚晶和晶界，提高铝合金的强度、塑性和焊接性能。添加0.3～0.5%的Li即可对铝合金产生明显的强化效果，优选的，Li添加量为0.4%。
Zr、B是以Al5Zr1B合金的形式加入到铝合金中，Al5Zr1B合金是由氟锆酸钾和氟硼酸钾的混合物与铝液反应得到，内部含有大量的ZrB2粒子。Al5Zr1B合金是一种新型的铝合金晶粒细化剂，发明人的大量实验证明，Al5Zr1B合金比现有的Al5Ti1B和Al5Ti1C合金具有更强的晶粒细化能力，添加0.1～0.3%的Al5Zr1B合金，铝合金中含有0.005～0.015%的Zr和0.001～0.003%的B，可显著细化铝合金的晶粒，改善铝合金的组织均匀性，提高铝合金的塑性和成形性能，优选的，Al5Zr1B合金添加量为0.2%，铝合金中含有0.01%的Zr和0.002%的B。
Re是含有Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd共六种轻稀土元素的混合稀土，轻稀土元素的物理化学性质活泼，能与铝合金液中的氢、氧、铁、锰、铜、锌等杂质元素反应生成高熔点、高稳定性的稀土化合物，对铝合金液有深度净化作用，可以消除杂质元素的有害影响，同时稀土元素还有固溶强化和稀土化合物第二相强化作用，从而可以进一步提高铝合金的强度、耐腐蚀性能和焊接性能。发明人的实验研究表明，添加含有Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd共六种轻稀土元素的混合稀土的效果比添加一种或少数几种轻稀土元素的效果都更好，因此，选择添加0.01～0.03%的混合轻稀土，优选的，混合轻稀土添加量为0.02%。
本发明还提供了所述高强韧Al-Mg-Si系铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al10Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；
第二步：将纯铝锭在720～760℃加热熔化，并加入占原材料总重量为0.6～0.9%的纯镁锭、0.4～0.6%的速溶硅和3～5%的Al10Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.1～0.3%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至680～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在520～540℃固溶处理3～5小时，水淬后，在170～180℃时效处理8～12小时，随炉冷却后得到高强韧Al-Mg-Si系铝合金。
本发明的制备方法，选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al10Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料，通过优化Mg、Si主合金元素的含量，添加Al10Li合金进行微合金强化，经精炼除气、除渣后，再加入Al5Zr1B合金和混合轻稀土Re，能够充分发挥Al5Zr1B合金和混合轻稀土Re对铝合金液的晶粒细化和深度净化作用，确保本发明Al-Mg-Si系铝合金获得高强度、高塑性以及优良的成形性能、耐腐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能。
为了更详尽的描述本发明的铝合金及制备方法，以下列举几个实施例作更进一步的说明。
实施例1：
本发明所述的高强韧Al-Mg-Si系铝合金的成分及质量百分比组成为：Mg 0.6%，Si0.4%，Li 0.3%，Zr 0.005%，B 0.001%，Re 0.01%，Fe ≤0.15%，Mn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr21.4%，Nd 14.5%，Pm 18.1%，Sm 16.9%，Eu 13.8%，Gd 15.3%。制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al10Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；
第二步：将纯铝锭在720℃加热熔化，并加入占原材料总重量为0.6%的纯镁锭、0.4%的速溶硅和3%的Al10Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用六氯乙烷对铝合金液进行精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.1%的Al5Zr1B合金和0.01%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至680℃并静置1小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在520℃固溶处理5小时，水淬后，在180℃时效处理8小时，随炉冷却后得到高强韧Al-Mg-Si系铝合金。
实施例2：
本发明所述的高强韧Al-Mg-Si系铝合金的成分及质量百分比组成为：Mg 0.8%，Si0.5%，Li 0.4%，Zr 0.01%，B 0.002%，Re 0.02%，Fe ≤0.15%，Mn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr21.4%，Nd 14.5%，Pm 18.1%，Sm 16.9%，Eu 13.8%，Gd 15.3%。制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al10Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；
第二步：将纯铝锭在740℃加热熔化，并加入占原材料总重量为0.8%的纯镁锭、0.5%的速溶硅和4%的Al10Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用六氯乙烷对铝合金液进行精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.2%的Al5Zr1B合金和0.02%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至700℃并静置0.8小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在530℃固溶处理4小时，水淬后，在175℃时效处理10小时，随炉冷却后得到高强韧Al-Mg-Si系铝合金。
实施例3：
本发明所述的高强韧Al-Mg-Si系铝合金的成分及质量百分比组成为：Mg 0.9%，Si0.6%，Li 0.5%，Zr 0.015%，B 0.003%，Re 0.03%，Fe ≤0.15%，Mn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr21.4%，Nd 14.5%，Pm 18.1%，Sm 16.9%，Eu 13.8%，Gd 15.3%。制备方法由以下步骤组成：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al10Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；
第二步：将纯铝锭在760℃加热熔化，并加入占原材料总重量为0.9%的纯镁锭、0.6%的速溶硅和5%的Al10Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用六氯乙烷对铝合金液进行精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.3%的Al5Zr1B合金和0.03%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至720℃并静置0.5小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在540℃固溶处理3小时，水淬后，在17℃时效处理12小时，随炉冷却后得到高强韧Al-Mg-Si系铝合金。
按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将实施例1-3的Al-Mg-Si系铝合金加工成标准拉伸试样，在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。
表1 实施例1-3的Al-Mg-Si系铝合金的拉伸力学性能
实施例序号 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/%
实施例1 316.5 275.3 17.5
实施例2 334.3 291.4 15.8
实施例3 358.1 316.7 12.3
由表1的检测结果可见，本发明Al-Mg-Si系铝合金的室温抗拉强度大于310MPa，屈服强度大于275MPa，伸长率大于12%，具有强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能和氧化着色性能优良的特点，适合于制造汽车、船舶、轨道车辆等交通运输工具轻量化用铝合金板材、管材、棒材、型材以及平板电脑、笔记本电脑、智能手机等便携式电子产品的外壳，具有广阔的市场应用前景。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种高强韧Al-Mg-Si系铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Mg 0.6～0.9%，Si 0.4～0.6%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.005～0.015%，B 0.001～0.003%，Re 0.01～0.03%，Fe ≤0.15%，Mn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 21.4%，Nd 14.5%，Pm 18.1%，Sm 16.9%，Eu 13.8%，Gd 15.3%。
2.根据权利要求1所述的高强韧Al-Mg-Si系铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Mg 0.8%，Si 0.5%，Li 0.4%，Zr 0.01%，B 0.002%，Re 0.02%，Fe ≤0.15%，Mn ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 21.4%，Nd 14.5%，Pm 18.1%，Sm 16.9%，Eu 13.8%，Gd 15.3%。
3.一种制备如上述任一权利要求所述高强韧Al-Mg-Si系铝合金的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al10Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；
第二步：将纯铝锭在720～760℃加热熔化，并加入占原材料总重量为0.6～0.9%的纯镁锭、0.4～0.6%的速溶硅和3～5%的Al10Li合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.1～0.3%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；
第四步：将铝合金液降温至680～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；
第五步：将铝合金在520～540℃固溶处理3～5小时，水淬后，在170～180℃时效处理8～12小时，随炉冷却后得到高强韧Al-Mg-Si系铝合金。
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