CN107675047A - Al‑Mg‑Si‑Cu合金及其制备方法 - Google Patents

Al‑Mg‑Si‑Cu合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种能够兼顾高强度、高延伸率的Al‑Mg‑Si‑Cu合金,该合金按质量百分含量计，包括以下组分：Si 0.60～0.80％，Mg 1.05～1.15％，Fe≤0.10％，Cu 0.10～0.20％，Cr 0.03～0.09％，Mn≤0.05％，Zn 0.05～0.12％，Ti 0.01～0.04％，余量为Al。本发明通过合金组分的合理配比，设计得到了一种能够兼顾高强度和高延伸率的Al‑Mg‑Si‑Cu合金，本发明制备得到的合金材料抗拉强度大于310MPa，延伸率大于18％，具有良好的翻边、车削等加工性能。

Description

Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料及其制造领域，特别涉及一种Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法。
背景技术
Al-Mg-Si-Cu合金是目前应用最广泛的铝合金材料之一，其占总铝应用量的20％以上。制造铆钉是Al-Mg-Si-Cu合金的应用领域之一，在其制造工艺中，需要经过大量的机加工成需要，包括翻边、锻压、CNC加工等，其常经过走心式数控车床连续加工，对材料的尺寸精度要求严格。按国家标准GB/T6892一般工业用铝及铝合金挤压型材的要求，6061-T6铝合金的力学性能Rm-Rp0.2-A50mm应分别为260-240-8％，而市面上典型的6061-T6铝合金的力学性能Rm-Rp0.2-A50mm分别为290-260-10％。若使用具有上述力学性能的铝合金进行大变形量的翻边及CNC加工，因其在抗拉强度和延伸强度等力学性质上的缺点以及其晶粒组织特性，加工过程中易出现开裂、表面粗糙等状况。因此，有必要提供一种高强度、高延伸率、晶粒组织为细小均匀的再结晶的Al-Mg-Si-Cu合金。
发明内容
基于此，针对上述问题，本发明提供了一种高强度、高延伸率、晶粒组织为细小均匀的再结晶的Al-Mg-Si-Cu合金。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种Al-Mg-Si-Cu合金，按质量百分含量计，包括以下组分：Si 0.60～0.80％，Mg1.05～1.15％，Fe≤0.10％，Cu 0.10～0.20％，Cr 0.03～0.09％，Mn≤0.05％，Zn 0.06～0.12％，Ti 0.01～0.04％，余量为Al。
在其中一些实施例中，所述Al-Mg-Si-Cu合金，按质量百分含量计，包括以下组分：Si 0.65～0.70％，Mg 1.0～1.1％，Fe≤0.10％，Cu 0.15～0.20％，Cr 0.05～0.08％，Mn≤0.03％，Zn 0.08～0.12％，Ti 0.02～0.03％，余量为Al。
在其中一些实施例中，所述Al-Mg-Si-Cu合金，按质量百分含量计，包括以下组分：Si 0.65％，Mg 1.00％，Fe 0.06％，Cu 0.20％，Cr 0.06％，Mn 0.03％，Zn 0.08％，Ti0.02％，余量为Al。
在其中一些实施例中，所述Al-Mg-Si-Cu合金中与制造过程相关的杂质，单个杂质百分含量≤0.05％，所述杂质总百分含量≤0.15％。
在其中一些实施例中，所述Mn与Cr的总质量百分含量≤0.09％。
在其中一些实施例中，所述Mn与Cr的总质量百分含量为0.08-0.09％。
在其中一些实施例中，所述Mg与Si比例为(1.47-1.54)：1。
在其中一些实施例中，所述Mg与Si比例为1.538：1。
本发明还提供一种Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法。
具体技术方案如下：
一种上述Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于，包括下步骤：
(1)按适当的质量百分比准备原料；
(2)将所述原料进行熔炼、合金化，得到铝熔体A；
(3)将所述铝熔体A进行精炼、扒渣、静置、除气并过滤，得铝熔体B；
(4)将所述铝熔体B进行半连续水冷铸造、均匀化处理，得合金铸锭A；
(5)所述合金铸锭经锯切、加热、热剥皮、挤压、淬火得合金材料；
(6)将所述合金材料进行拉伸矫直、冷拔处理和人工时效处理，即得。
在其中一些实施例中，制备所述合金的原料包括：铝锭、镁锭、锌锭、AlSi12、AlCr3和AlCu40。
在其中一些实施例中，所述精炼步骤包括：加入质量百分比为0.1％的精炼剂，于730～760℃精炼15～30分钟，并通入高纯氩气作为精炼气体进行搅拌、排气。
在其中一些实施例中，所述精炼步骤包括：加入质量百分比为0.1％的精炼剂，于730℃精炼30分钟，并通入高纯氩气作为精炼气体进行搅拌、排气。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明的发明人通过大量的创造性劳动，采取对合金组分的合理配比，设计得到了一种高强度、高延伸率、晶粒组织为细小均匀的再结晶的Al-Mg-Si-Cu合金，具有极佳的翻边及CNC加工性能，解决了典型的6061-T6铝合金因抗拉强度和延伸强度等力学性能不足，加工过程中易出现开裂、表面粗糙等问题。
本发明合理地设计并控制合金组分中Mg与Si比例，使Mg与Si元素按1.73:1比例形成Mg2Si时效强化相后，仍有合适的Si元素过量，促进弥散相析出、增加合金的抗拉强度的同时，维持合金材料的韧性、延伸率在合理范围内。
本发明设计并控制Mn与Cr元素的组分含量，制备得到完全再结晶等轴晶合金材料，且材料芯部和表面具有一致、均匀的高强度、高延伸率，避免了Mn与Cr元素含量导致的再结晶延滞、淬火敏感性增加，及挤压生产时由于淬透性导致合金材料外表面及芯部的强度与延伸率差异大的问题。
本发明设计并控制Fe质量百分比均控制在0.10％以内，避免Fe在热加工时形成的第二相颗粒集中在晶界降低材料韧性。同时本发明设计加入0.08-0.12％的Zn，Zn以固溶形式存在于基体中，进一步消除Fe相带来的负面影响，可提升材料延伸率。
本发明所述合金的制备方法简单、易操作，适合工业化生产。
附图说明
图1为Al-Mg-Si-Cu合金制备的工艺流程图；
图2为实施例1中细小均匀的再结晶的晶粒组织结构图；
图3为对比例1中混合晶显微镜低倍观察结果图；
图4为对比例1中混合晶高倍金相晶粒组织结构图。
具体实施方式
本发明提供了一种Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法，下面结合具体实施例，阐述本发明。
实施例1-4
本实施例1-4所述的一种Al-Mg-Si-Cu合金，按质量百分比计，包括如表1组分，且其他杂质单个含量应不超过0.05％，总量应不超过0.15％，余量为Al。
组分 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
Si 0.65％ 0.70％ 0.68％ 0.60％
Mg 1.00％ 1.10％ 1.00％ 1.05％
Fe 0.06％ 0.10％ 0.09％ 0.10％
Cu 0.20％ 0.15％ 0.16％ 0.13％
Cr 0.06％ 0.08％ 0.08％ 0.04％
Mn 0.03％ 0.003％ 0.01％ 0.05％
Zn 0.08％ 0.10％ 0.12％ 0.07％
Ti 0.02％ 0.03％ 0.03％ 0.02％
Mn+Cr％ 0.09％ 0.083％ 0.09％ 0.09％
表1
制备上述Al-Mg-Si-Cu合金的原材料如下：
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；
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；
锌锭：采用牌号为Zn99.95的锌锭，锌锭中Zn的质量百分比为99.95％以上，符合标准GB/T 470-2008《锌锭》；
合金添加剂(铝硅、铝铬、铝铜)：分别采用AlSi12，AlCr3和AlCu40中间合金；
精炼剂：采用牌号为PROMAG RI粒状精炼剂；
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％。
将上述原料按顺序投入到蓄热式火焰反射节能炉中进行升温熔炼，燃料采用天然气，工艺流程如图1所示，步骤及相关参数设置如下：
(1)按照上述表1中Al-Mg-Si-Cu合金包括组分的质量百分比进行备料；
(2)将铝锭\镁锭\锌锭装入熔炼炉，加热到740℃进行熔化，再加入AlSi12、AlCr3、AlCu40进行合金化，得到铝熔体A；
(3)向铝熔体A中，加入铝合金精炼剂于730℃精炼30分钟，在精炼的同时向铝熔体A中通入高纯氩气作为精炼气体进行搅拌、排气，然后扒渣，得到铝熔体B；具体地，所述精炼剂加入比例为：按每吨铝熔体B加入1.0kg精炼剂。
上述的得到铝熔体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。
(4)将熔体B静置25分钟，依次通过除气装置和过滤系统，得到铝熔体C；可选地，上述除气装置为箱式除气装置和过滤系统为70目泡沫陶瓷过滤板。
(5)将铝熔体C于685℃条件下进行半连续水冷铸造，得到合金圆铸锭；
(6)将得到的合金圆铸锭加热至560℃后保温12小时，再用水雾强冷至室温，得铸棒；
(7)将上述均匀化处理后铸棒锯切成长度500mm，后装入铝棒加温炉进行加热；
上述铝棒加温炉优选为三段式慢速铝棒加温炉，其中，一区(入口预热区)温度设置为520℃，二区(中间保温区)温度为540℃，三区(出口区)温度为540℃；
(8)将加热后的铸棒进行热剥皮,单边剥皮量2mm,冷却至480℃开始上机挤压，挤压的速度为6.0mm/s，挤压比为100；挤出模孔后材料在15s内穿水冷却；
(9)将淬火后的合金材料进行拉伸矫直，实现材料矫直同时去除材料残余应力，拉伸量为1.0％；
(10)拉伸矫直后的材料进行冷拔处理，冷拔变形量7％；
(11)进行人工时效处理，条件为160℃，8小时。
对比例1-3
对比例1-3所述的一种Al-Mg-Si-Cu合金，按质量百分比计，包括如表2组分，且其他杂质单个含量应不超过0.05％，总量应不超过0.15％，余量为Al。
组分 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
Si 0.65％ 0.65％ 0.65％ 0.65％
Mg 1.00％ 1.00％ 1.00％ 1.00％
Fe 0.06％ 0.06％ 0.18％ 0.11％
Cu 0.20％ 0.20％ 0.20％ 0.20％
Cr 0.05％ 0.06％ 0.06％ 0.05％
Mn 0.06％ 0.03％ 0.03％ 0.05％
Zn 0.08％ 0.05％ 0.08％ 0.15％
Ti 0.02％ 0.02％ 0.02％ 0.02％
Mn+Cr％ 0.11％ 0.09％ 0.09％ 0.10％
表2
其中，对比例1相对实施例1，其Cr元素与Mn元素含量不同，对比例2相对于实施例1其Zn元素含量不同，对比例3相对于实施例1其Fe元素含量不同，对比例4相对于实施例1其Cr、Mn、Zn和Fe元素，均不同。
制备上述Al-Mg-Si-Cu合金的原材料、工艺流程、步骤和相关参数与实施例1-4相同。
将上述实施例及对比例所制得的合金产品，进行以下检测及试加工：
1、按照GB/T3246.2-2000《变形铝及铝合金制品低倍组织检验方法》进行晶粒组织检查。
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》对产品进行力学性能测试；根据国家标准GB/T 6892-2006《一般工业用铝及铝合金挤压型材》给出6061-T6的力学性能为标准。
3、所得制品进行走心机自动落料，翻边及CNC加工。
实施例1-4及对比例1-3分别测得结果如表3所示，其中，晶粒组织检查采用OLYMPUS GX51金相显微镜，观察方向为平行于挤压方向，翻边加工/CNC加工特性所得结果按相同的加工条件，即使用同机台同加工程序同刀具。其中，表3中Rm表示抗拉强度(σb/Mpa)；Rp0.2表示屈服强度(σ0.2/Mpa)，即非比例延伸率为0.2％时的延伸强度；A50mm表示断后延伸率(A50mm/％)，即标距在50mm时候的延伸率。
表3
根据实验结果可知，本发明所述Al-Mg-Si-Cu合金材料，抗拉强度σb≥310Mpa、断后延伸率A50≥18％，得到细小均匀的再结晶晶粒，并在进行翻边及CNC加工时，翻边及切削光滑；相比之下，对比例1-4所述Al-Mg-Si-Cu合金材料，其抗拉强度282至301，断后延伸率10％至14％；得到的晶粒为有混合晶或再结晶，加工时，翻边及切削性能不佳，车削面粗糙，翻边起皱甚至开裂。其中，对晶粒组织结构举例说明：实施例1中细小均匀的再结晶的晶粒组织结构如图2所示，对比例1中所述混合晶即为同时存在再结晶和纤维晶两种晶粒组织，其低倍观察如图3所示，高倍金相晶粒组织结构如图4所示，其中图4A为粗大再结晶部分，图4B为纤维晶部分。
本发明所述的Al-Mg-Si-Cu合金，性能显著高于国家标准GB/T 6892-2006《一般工业用铝及铝合金挤压型材》提供的6061-T6的力学性能标准，其中，合金强度为国家标准的119％，断后延伸率为国家标准的225％。
综上所述，本发明通过对各组分元素的合理配比，制备得到的Al-Mg-Si-Cu合金，具有同时具备高强度和高延伸率、完全再结晶细晶的优势，解决了市售6061-T6铝合金抗拉强度和延伸强度等力学性能不足及晶粒组织缺陷，导致的加工过程中易出现开裂、表面粗糙等问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下组分：
Si 0.60～0.80％，Mg 1.05～1.15％，Fe≤0.15％，Cu 0.10～0.20％，Cr 0.03～0.09％，Mn≤0.05％，Zn 0.05～0.12％，Ti 0.01～0.04％，单个杂质百分含量≤0.05％，杂质总百分含量≤0.15％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下组分：
Si 0.65～0.70％，Mg 1.0～1.1％，Fe≤0.10％，Cu 0.15～0.20％，Cr 0.05～0.08％，Mn≤0.03％，Zn 0.08～0.12％，Ti 0.02～0.03％，单个杂质百分含量≤0.05％，杂质总百分含量≤0.15％，余量为Al。
3.根据权利要求2所述的Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下组分：
Si 0.65％，Mg 1.00％，Fe 0.06％，Cu 0.20％，Cr 0.06％，Mn 0.03％，Zn 0.08％，Ti0.02％，单个杂质百分含量≤0.05％，杂质总百分含量≤0.15％，余量为Al。
4.根据权利要求1-3任一项所述的Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于，所述Mn与Cr的总质量百分含量≤0.09％。
5.根据权利要求4所述的Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于，所述Mn与Cr的总质量百分含量为0.08-0.09％。
6.根据权利要求1-3任一项所述的Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于，所述Mg与Si比例为(1.47-1.54)：1。
7.根据权利要求6任一项所述的Al-Mg-Si-Cu合金，其特征在于，所述Mg与Si比例为1.538：1。
8.一种Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按如权利要求1-7任一项所述的质量百分含量准备原料；
(2)将所述原料进行熔炼、合金化，得到铝熔体A；
(3)将所述铝熔体A进行精炼、扒渣、静置、除气并过滤，得铝熔体B；
(4)将所述铝熔体B进行半连续水冷铸造、均质化处理，得合金铸锭；
(5)所述合金铸锭经锯切、加热、热剥皮、挤压、淬火得合金材料；
(6)将所述合金材料进行拉伸矫直、冷拔处理和人工时效处理，即得。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述精炼包括：加入质量百分比为0.1％的精炼剂，于730～760℃精炼15～30分钟，并通入高纯氩气作为精炼气体进行搅拌、排气。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述精炼包括：加入质量百分比为0.1％的精炼剂，于730℃精炼30分钟，并通入高纯氩气作为精炼气体进行搅拌、排气。
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