CN107723534A - Al‑Mg‑Si‑Cu合金棒材的制备工艺 - Google Patents

Al‑Mg‑Si‑Cu合金棒材的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了Al‑Mg‑Si‑Cu合金棒材的制备工艺，包括以下步骤：均匀化处理、锯切、三段式加热、热剥皮、挤压、淬火、拉伸矫直、冷拔处理和人工时效处理。通过对上述工艺步骤的控制及参数合理设置，制备得到了一种兼具高抗拉强度与高延伸率的Al‑Mg‑Si‑Cu合金棒材。该棒材抗拉强度大于310MPa，延伸率大于18％。该棒材具有极佳的翻边及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，导致的加工过程中易出现开裂、表面粗糙等问题。

Description

Al-Mg-Si-Cu合金棒材的制备工艺
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合金棒材的制备工艺。
背景技术
Al-Mg-Si-Cu合金棒材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，其制造工艺中包括大量的翻边、锻压、走心式数控车床连续加工等机加工工艺，对材料的尺寸精度、强度、延伸率等性能要求严格。按国家标准GB/T6892一般工业用铝及铝合金挤压型材的要求，市面上典型铝合金棒材在达到高强度及良好的切削性能时，其延伸率则会相应较低。若使用上述市面上典型的铝合金棒材进行大变形量的翻遍及CNC加工，因其强度或延伸率的不足，加工过程中易出现开裂、表面粗糙等状况。因此，有必要提供一种能够兼顾高强度、高延伸率的Al-Mg-Si-Cu合金棒材。
发明内容
基于此，针对上述问题，本发明提供了一种能够兼顾高强度、高延伸率的Al-Mg-Si-Cu合金棒材。
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合金棒材的制备工艺，包括以下步骤：
(1)将合金铸锭均匀化处理；
(2)经锯切至合适长度后，三段式加热；
(3)将加热后的铸棒进行热剥皮，所述热剥皮方法为：单边剥皮1-2mm；
(4)上机挤压，温度为470-510℃，挤出模孔后穿水冷却淬火；
(5)将淬火后的合金材料拉伸矫直；
(6)、将材料进行冷拔处理；
(7)人工时效处理。
在其中一些实施例中，上述步骤(1)均匀化处理包括：于550-570℃，保温8-14小时。
在其中一些实施例中，上述步骤(2)三段式加热包括：在温度≥540℃条件下，至少加热2h。
在其中一些实施例中，上述三段式加热包括：
一段：入口预热区，温度为510-540℃；
二段：保温加热区，温度为540-570℃；
三段：出口区，温度为540-570℃。
在其中一些实施例中，上述三段式加热中，所述入口预热去与所述保温加热区之间存在15-25℃的温度差。
在其中一些实施例中，上述三段式加热包括：
一段：入口预热区，温度为520-540℃；
二段：保温加热区，温度为540-560℃；
三段：出口区，温度为540-560℃。
在其中一些实施例中，上述三段式加热中，所述入口预热区与所述保温加热区之间存在18-22℃的温度差。
在其中一些实施例中，上述上机挤压的工艺条件为：挤压温度为480-500℃；挤压速度为5.0-6.0mm/s；挤压比为50-100。
在其中一些实施例中，上述拉伸矫直的拉伸量为1-3％。
在其中一些实施例中，上述冷拔处理的变形量控制在7-12％。
在其中一些实施例中，上述人工时效处理为：155-165℃，加热6-8小时。
在其中一些实施例中，上述Al-Mg-Si-Cu合金棒材中的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％，Mg 1.05～1.15％，Fe≤0.15％，Cu 0.10～0.20％，Cr 0.03～0.09％，Mn≤0.05％，Zn0.05～0.12％，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。
本发明还提供一种Al-Mg-Si-Cu合金棒材，具体技术方案如下：
一种Al-Mg-Si-Cu合金棒材，由上述制备工艺制备得到。
在其中一些实施例中，上述Al-Mg-Si-Cu合金棒材，其晶粒特性为均匀细小的再结晶，横向≤100μm，纵向≤150μm；所述合金棒材的力学性能包括：抗拉强度σb≥310Mpa、断后延伸率A50≥18％。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明发明人通过创造性劳动设计了由均匀化处理、锯切、三段式加热、热剥皮、挤压、淬火、拉伸矫直、冷拔和人工时效处理等步骤组成的Al-Mg-Si-Cu合金棒材制备工艺，并通过上述工艺的参数设计与合理配合，制备得到了一种兼具高抗拉强度与高延伸率，且具有均匀再结晶的Al-Mg-Si-Cu合金棒材。
本发明对挤压前的合金铸坯进行三段式高温加热，设置入口预热区与保温加热区之间的温度差，有利于低熔点合金相进一步溶解，从而避免过烧，同时,可将铸棒快速升温至接近保温区温度,避免均质冷却过程析出的Mg2Si聚集长大而无法固溶导致强化功能失效，有助于保证良好的力学性能和加工性能；同时设置在540℃加热2小时以上，有助于提高本发明所述合金材料的强化相Mg2Si固溶度，使小部分在均质冷却过程中析出的Mg2Si晶粒重新溶入基体中，提高后续材料析出总量及析出动力，从而提高合金强度。
本发明所述的合金铸棒，在进入挤压前进行热剥皮处理，当单边剥皮量控制在1.5-2.0mm时，可确保通过热剥皮，热剥皮将铸坯偏析层存在大量的低熔点化合物及杂质去除，有助于得到延伸率的材料。
本发明控制工艺的冷拔变形量7-12％，将材料进行最小程度的塑性变形，既保证材料的高尺寸精度，同时避免因冷变量大导致的延伸率降低。
本发明在冷加工后进行人工时效处理，有助于促进Mg2Si的细小析出，弥散分布在基体中形成沉淀相，沉淀相能有效阻止晶界和位错的运动，从而提高合金强度。将人工时效处理参数控制为于155-165℃，加热6-8小时，其在保证强度的同时，提高了合金材料的延伸率。
因此，本发明通过合适的工艺参数设置，得到横向晶粒小于100微米、纵向晶粒小于150微米的细小均匀的再结晶组织，并最终得到高精度、强度和延伸率综合性能好的Al-Mg-Si-Cu合金棒材，适用于生产零件中的连续加工。
本发明制备得到的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，导致的加工过程中易出现开裂、表面粗糙等问题。
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中纤维镜下低倍观察结果图；
图3为实施例1中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合金棒材制备工艺及其应用，下面结合具体实施例，阐述本发明。本发明所述制备工艺可用于各类Al-Mg-Si-Cu合金材料，以得到兼具高强度、高延伸率的Al-Mg-Si-Cu合金棒材，现将以以下合金为例，详细阐述本发明的具体构思：一种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％，Fe0.06％，Cu 0.20％，Cr 0.06％，Mn 0.03％，Zn 0.08％，Ti 0.02％，单个杂质百分含量≤0.05％，杂质总百分含量≤0.15％，余量为Al。为更好地阐述本发明，上述合金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适用的Al-Mg-Si-Cu合金各组分范围的限制。
实施例1-4
将购置得到的铝锭(Al99.7)、镁锭(Mg9990)、锌锭(Zn99.95)、合金添加剂(AlSi12、AlCr3、AlCu40中间合金)按比例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，得到铝熔体；并将铝熔体经精炼剂(PROMAGRI粒状精炼剂)及精炼气体(高纯氩气)精炼、排气、扒渣、除气、过滤、半连续水灵铸造后，得Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。
上述合金铸锭制备得到合金棒材，工艺如下：
(1)均匀化处理，又称均质化处理：加热保温适当时间后，再用水雾强冷至室温，得到合金铸棒；
(2)锯切：将上述均匀化处理后得到的合金铸棒锯切成合适长度；
(3)加热：将合适长度的铸棒装入三段式加温炉加热，该三段式加温炉分为三个区域：入口预热区、中间保温区和出口区，控制所述铸棒在540℃以上温度条件下，至少加热2小时；
(4)热剥皮：单边剥皮后，冷却至合适温度；
(5)上机挤压：将上述热剥皮后冷却至合适温度的铸棒挤出模孔，在15秒内穿水冷却，淬火；
(6)拉伸矫直：将淬火后的材料进行拉伸矫直，实现材料矫直的同时去除材料残余应力；
(7)冷拔处理：将拉伸矫直后的材料进行冷拔处理，控制冷拔变形量，使材料进行最小程度的塑性变形，即保证材料的高尺寸精度，同时避免因冷变量大导致的延伸率降低；
(8)人工时效：对所得棒材进行人工时效处理。
上述步骤对应的详细条件参数如表1所示：
表1
在上述工艺的步骤(5)与步骤(6)中间，即上机挤压后、拉伸矫直前，对合金铸棒中的晶粒性质进行测定，得到横向≤100μm，纵向≤120μm的再结晶晶粒；步骤(7)与步骤(8)中间，即冷拔处理后、人工时效处理前，对合金铸棒中的晶粒性质进行测定，得到横向≤100μm，纵向≤150μm的再结晶晶粒；具体结果如表2所示：
表2
对比例1-4
对比例1-4所述的一种Al-Mg-Si-Cu合金棒材制备工艺，其合金组分与制备工艺步骤同实施例1-4。
具体工艺参数如表3所示：
表3
其中，对比例1相对实施例1，其三段式慢速加温过程不同，对比例2相对于实施例1其热剥皮处理不同，对比例3相对于实施例1其冷拉变形量不同，对比例4与实施例1人工时效处理不同。
制备上述Al-Mg-Si-Cu合金的组分、原材料、工艺流程、步骤、检测点均与
实施例1-4相同。
对比例1-4所述工艺条件参数下制备得到的合金铸棒测定晶粒性质，结果如表4所示：
表4
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1-4分别测得结果如表5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5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5
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，并且其长宽比均小于1.6，例如，实施例1中低倍观察结果如图2所示，晶粒组织结构如图3所示，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所述Al-Mg-Si-Cu合金材料，无论是抗拉强度、屈服强度还是断后延伸率，均显著低于实施例所述Al-Mg-Si-Cu合金材料，材料加工时翻边起皱且车削面粗糙，性能较差；对比例2延伸率偏低，加工时翻边易起皱；对比例3延伸率显著较低，且再结晶组织晶粒长宽比为2.1，晶粒大小不均匀，加工时翻边起皱、局部开裂；对比例4延伸率显著偏低，加工时翻边起皱，局部开裂。
因此，本发明所述Al-Mg-Si-Cu合金材料，相对于对比例1-4，有效兼顾了材料的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率等力学性能，并同时能够得到大小均匀的细小再结晶，翻边、车削光滑，且不易开裂，具有良好的加工性能。
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，本发明所述的Al-Mg-Si-Cu合金制备工艺，经过对工艺过程的控制及参数的合理设置，制备得到同时具备高强度和高延伸率的合金棒材，解决了市售6061-T6铝合金棒材抗拉强度和延伸强度等力学性能不足，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合金棒材的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将合金铸锭均匀化处理；
(2)经锯切至合适长度后，采用三段式加热，所述三段式加热包括：在温度≥540℃条件下，至少加热2h；
(3)将加热后的铸棒进行热剥皮，所述热剥皮方法为：单边剥皮1-2mm；
(4)上机挤压，温度为470-510℃，挤出模孔后穿水冷却淬火；
(5)将淬火后的合金材料拉伸矫直；
(6)将材料进行冷拔处理；
(7)人工时效处理。
2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述三段式加热包括：
一段：入口预热区，温度为510-540℃；
二段：保温加热区，温度为540-570℃；
三段：出口区，温度为540-570℃；
所述入口预热区与所述保温加热区之间存在15-25℃的温度差。
3.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，所述三段式加热包括：
一段：入口预热区，温度为520-540℃；
二段：保温加热区，温度为540-560℃；
三段：出口区，温度为540-560℃；
所述入口预热区与所述保温加热区之间存在18-22℃的温度差。
4.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述上机挤压的工艺条件为：挤压温度480-500℃；挤压速度5.0-6.0mm/s；挤压比为50-100；所述拉伸矫直的拉伸量为1-3％。
5.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述冷拔处理的变形量控制在7-12％。
6.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述人工时效处理为：155-165℃，加热6-8小时。
7.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述均匀化处理包括：于560-570℃，保温8-14小时。
8.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征在于，所述Al-Mg-Si-Cu合金铸锭中的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％，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。
9.一种Al-Mg-Si-Cu合金棒材，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述制备工艺制备得到。
10.根据权利要求9所述的Al-Mg-Si-Cu合金棒材，其特征在于，所述合金棒材的晶粒特性为均匀细小的再结晶，横向≤100μm，纵向≤150μm；所述合金棒材的力学性能包括：抗拉强度σb≥310Mpa、断后延伸率A50≥18％。
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