CN108085544A - 紧固件用高强度铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及紧固件用高强度铝合金材料及其制备方法,所述紧固件用高强度铝合金材料按重量百分比包含如下元素:铁0.3%‑0.5%,硅0.2%‑1.0%,铜0.4%‑1.2%,钪0.1%‑0.6%,锰0.3%‑1.1%,锂0.01%‑0.1%,锆0.1%‑0.5%,镁0.5%‑1.3%,铈0.01%‑0.1%,钇0.01%‑0.1%,铬0.05%‑0.25%,镍0.002%‑0.02%,锌0.1%‑0.5%,硼0.01%‑0.06%,钛0.01%‑0.05%,钒0.01%‑0.05%,余量为铝;其中,镁和硅的重量百分比的比值不小于1.042,铁和硅的重量百分比的比值不小于0.32,钪和锆的重量百分比合计小于或者等于1.2%,锂、铈、钇以及锌的重量百分比合计小于或者等于0.52%,铬、钛以及钒的重量百分比合计小于或者等于0.3%。本发明与现有技术相比,根据本发明实施例的紧固件用高强度铝合金材料,具有高的比强度、高的剪切强度、优异的塑性和韧性及耐腐蚀性能,可以在大幅降低紧固件重量的同时,显著提高安全可靠性。

Description

紧固件用高强度铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域,涉及紧固件用材料及其制备方法,尤其涉及紧固件用高强度铝合金材料及其制备方法。
背景技术
紧固件是用于紧固两个或两个以上零件(或构件),使其紧固连接成为一件整体的机械零件,广泛应用于能源、电子、电器、机械、化工、冶金、模具、液压等等行业。特别是随着汽车、新能源、航空航天、船舶、轨道交通、IT、电子电器、建筑等重点产业不断升级,轻量化和集成化要求不断提高,对紧固件的优化和升级也提出了新的要求。
紧固件材料的性能很大程度上决定了紧固件的性能,如何制造性能优异的紧固件用材料至关重要。传统的紧固件采用碳素钢材料,比强度低,需要进行镀锌防腐处理才能应用,生产成本高,工艺复杂,对环境具有污染性。
近年来有铝质材料的紧固件母材开始应用,现有的制造方式主要有水平引铸和挤压法两种。水平引铸的工艺流程包括铝锭熔化、合金化处理、引杆和收线。挤压法的工艺流程包括铝锭熔化、合金化处理、浇铸圆锭、均匀化处理、固溶处理和挤压。
采用上述两种方式进行制造存在以下不足:1、性能不均匀,炉内残余炉料不能彻底清除,每炉之间化学成分不一致,导致杆材性能有波动;2、卷重小,卷重仅为30kg,杆的长度短,需要焊接来增加长度;3、成本高,能耗大,产能小,小炉子的热效率低;4、晶粒大,因为生产速度慢,铝合金熔体在炉内停留时间长,晶粒容易粗大;5、劳动强度大,引杆成卷后的上下卷、杆材的焊接、堆料、热处理需要人工;6、仅能生产Φ9.5mm以下的杆材,当杆材规格大于Φ9.5mm时无法成卷。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明旨在提供一种紧固件用高强度铝合金材料以及紧固件用高强度铝合金材料的制备方法。
根据本发明的一方面,所述紧固件用高强度铝合金材料按重量百分比包含如下元素:铁Fe 0.3%-0.5%,硅Si 0.2%-1.0%,铜Cu 0.4%-1.2%,钪Sc 0.1%-0.6%,锰Mn0.3%-1.1%,锂Li 0.01%-0.1%,锆Zr 0.1%-0.5%,镁Mg 0.5%-1.3%,铈Ce 0.01%-0.1%,钇Y 0.01%-0.1%,铬Cr 0.05%-0.25%,镍Ni 0.002%-0.02%,锌Zn 0.1%-0.5%,硼B 0.01%-0.06%,钛Ti 0.01%-0.05%,钒V 0.01%-0.05%,余量为铝Al;其中,Mg和Si的重量百分比的比值不小于1.042,Fe和Si的重量百分比的比值不小于0.32,Sc和Zr的重量百分比合计小于或者等于1.2%,Li、Ce、Y以及Zn的重量百分比合计小于或者等于0.52%,Cr、Ti以及V的重量百分比合计小于或者等于0.3%。
根据本发明的示例性实施例,所述紧固件用高强度铝合金材料的晶粒平均粒径≤25μm,抗拉强度≥650MPa,屈服强度≥590MPa,延伸率≥6%,硬度≥225HB。
根据本发明的另一方面,一种紧固件用高强度铝合金材料的制备方法,所述方法包括:
步骤一:铝中间合金颗粒制备
将铝中间合金制备成重量为20g的铝中间合金颗粒;
步骤二:配料
按重量百分比对以下成分进行配料:铁Fe 0.3%-0.5%,硅Si 0.2%-1.0%,铜Cu0.4%-1.2%,钪Sc 0.1%-0.6%,锰Mn 0.3%-1.1%,锂Li 0.01%-0.1%,锆Zr 0.1%-0.5%,镁Mg 0.5%-1.3%,铈Ce 0.01%-0.1%,钇Y 0.01%-0.1%,铬Cr 0.05%-0.25%,镍Ni 0.002%-0.02%,锌Zn 0.1%-0.5%,硼B 0.01%-0.06%,钛Ti 0.01%-0.05%,钒V0.01%-0.05%,余量为铝Al;其中,Mg和Si的重量百分比的比值不小于1.042,Fe和Si的重量百分比的比值不小于0.32,Sc和Zr的重量百分比合计小于或者等于1.2%,Li、Ce、Y以及Zn的重量百分比合计小于或者等于0.52%,Cr、Ti以及V的重量百分比合计小于或者等于0.3%,以此准备铝锭和铝中间合金颗粒;
步骤三:熔炼及合金化
采用高温双室熔铝炉将所述铝锭在1300℃快速熔化,得到755℃铝熔体;
转移所述铝熔体至微负压倾动式保温炉,电磁搅拌10min-15min,静置20min-35min,精炼除气;
向保温炉中铝熔体中弹射加入中间合金颗粒,对铝合金熔体保温30min,进行电磁搅拌,搅拌时间为10min-15min,再次精炼除气,静置30min;
步骤四:浇注及定向凝固
在流槽中对铝合金熔体进行在线精炼除气,并采用双层120目微孔氧化铝过滤板对在线精炼处理后的铝合金熔体进行除渣处理;
采用铜合金材料的轮式结晶器,浇注温度700℃-720℃,浇注速度12m/min-22m/min,电磁震荡,对铝合金熔体定向凝固,得到520℃-560℃的铝合金铸锭;
步骤五、加温处理
铸锭通过第一高频加热器加热,温度控制在550℃;
步骤六、粗轧
经过加热的铸锭在15s-20s的时间内进入粗轧机,对铝合金铸锭进行总计7道次的粗轧,粗轧温度520℃,轧辊采用二辊组合,每道轧辊组合方向相互垂直,得到粗轧件;
步骤七、加温处理
粗轧件通过第二高频加热器,将粗轧件温度提升到550℃,并在2s-5s的时间内进入精轧机。
步骤八、精轧
对粗轧件进行7道次精轧,精轧温度500℃-520℃,采用相邻轧辊成120°的三辊组合,轧制速度3m/s-6m/s,得到Φ9.5mm-Φ20mm的铝合金杆材;
步骤九、冷却处理
精轧后的铝合金杆材通过在线式冷却管,对铝合金杆材进行压力雾化喷射冷却处理,密封管道内压力为0.3Mpa-0.5Mpa,将铝合金杆冷却到60℃-90℃;
步骤十、多道次拉丝及第一热处理组合
对经过冷却处理后的铝合金杆进行至少一组的拉丝、第一热处理、拉丝的组合的拉制处理,得到Φ1mm-Φ12mm的棒材或线材;最后一道拉制时的截面压缩率为25%-29%,其余各道次拉制时的截面压缩率为35%-45%。
步骤十一、第二热处理
对Φ1mm-Φ12mm的棒材或线材进行第二热处理,所述第二热处理为双级时效处理,1级时效处理温度为170℃-175℃,时间为12h-16h,2级时效处理温度为140℃-155℃,时间为6h-8h,紧固件用高强度铝合金材料。
与现有技术相比,根据本发明实施例的紧固件用高强度铝合金材料,具有高的比强度、高的剪切强度、优异的塑性和韧性及耐腐蚀性能,强度≥650MPa,延伸率≥6%,硬度≥225HB,可以在大幅降低紧固件重量的同时,显著提高安全可靠性。
根据本发明的紧固件用高强度铝合金材料的制备方法:
以成分配比为基础,通过整体工艺设计,细化晶粒,减少中间固溶处理环节,并通过精确控制温度,避免溶质原子的析出;铝合金材料的表面质量好,无起皮、夹杂物,尺寸精度高;加工容易,避免了传统制造工艺制造高强度铝合金杆材过程中,材料易断裂的不足;连续化生产,耗材少,产量高,避免了因铝合金熔体在高温下长期停留引起的烧损和吸气;所制得材料的性能稳定,储存周期长,可以放置2周以上,便于长途运输和生产管理。
具体实施方式
为使本发明技术方案和优点更加清楚,通过以下几个具体实施例对本发明作进一步详细描述。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:
步骤一:铝中间合金颗粒制备
将铝中间合金制备成重量为20g的铝中间合金颗粒;
步骤二:配料
按重量百分比对以下成分进行配料:铁Fe 0.3%,硅Si 0.45%,铜Cu 0.5%,钪Sc0.1%,锰Mn 0.4%,锂Li 0.02%,锆Zr 0.1%,镁Mg 0.5%,铈Ce 0.02%,钇Y 0.03%,铬Cr 0.06%,镍Ni 0.004%,锌Zn 0.1%,硼B 0.02%,钛Ti 0.02%,钒V 0.01%,余量为铝Al;以此准备铝锭和铝中间合金颗粒;
步骤三:熔炼及合金化
采用高温双室熔铝炉将所述铝锭在1300℃快速熔化,得到755℃铝熔体;
转移所述铝熔体至微负压倾动式保温炉,电磁搅拌15min,静置35min,精炼除气;
向铝熔体中弹射加入中间合金颗粒,对保温炉中铝合金熔体保温30min,进行电磁搅拌,搅拌时间为15min,再次精炼除气,静止30min;
步骤四:浇注及定向凝固
在流槽中对铝合金熔体进行在线精炼除气,并采用双层120目微孔氧化铝过滤板对在线精炼处理后的铝合金熔体进行除渣处理;
采用铜合金材料的轮式结晶器,浇注温度700℃,浇注速度22m/min,电磁震荡,对铝合金熔体定向凝固,得到520℃的铸锭;
步骤五、加温处理
铸锭通过第一高频加热器温度控制在550℃;
步骤六、粗轧
经过加热的铸锭在15s的时间内进入粗轧机,对铝合金铸锭进行总计7道次的粗轧,粗轧温度520℃,轧辊采用二辊组合,每道轧辊组合方向相互垂直,得到粗轧件;
步骤七、加温处理
粗轧件通过第二高频加热器,将粗轧件温度提升到550℃,并在3s的时间内进入精轧机。
步骤八、精轧
对粗轧件进行7道次精轧,精轧温度520℃,采用相邻轧辊成120°的三辊组合,轧制速度6m/s,得到Φ9.5mm的铝合金杆材;
步骤九、冷却处理
精轧后的铝合金杆材通过在线式冷却管,对铝合金杆材进行压力雾化喷射冷却处理,密封管道内压力为0.5Mpa,将铝合金杆冷却到60℃;
步骤十、多道次拉丝及第一热处理组合
对经过冷却处理后的铝合金杆进行至少一组的拉丝、第一热处理、拉丝的组合的拉制处理,得到Φ1mm-Φ3mm的线材;最后一道拉制时的截面压缩率为25%-29%,其余各道次拉制时的截面压缩率为35%-45%。
步骤十一、第二热处理
对上述线材进行第二热处理,所述第二热处理为双级时效处理,1级时效处理温度为170℃-175℃,时间为12h-16h,2级时效处理温度为140℃-155℃,时间为6h-8h。
根据本实施例制得的紧固件用高强度铝合金材料的晶粒平均尺寸≤25μm,抗拉强度≥650MPa,屈服强度≥590MPa,延伸率≥6%,硬度≥225HB。
实施例2:
步骤一:铝中间合金颗粒制备
将铝中间合金制备成重量为20g的铝中间合金颗粒;
步骤二:配料
按重量百分比对以下成分进行配料:铁Fe 0.3%,硅Si 0.58%,铜Cu 0.4%,钪Sc0.2%,锰Mn 0.3%,锂Li 0.03%,锆Zr 0.2%,镁Mg 0.7%,铈Ce 0.05%,钇Y 0.06%,铬Cr 0.08%,镍Ni 0.009%,锌Zn 0.1%,硼B 0.02%,钛Ti 0.02%,钒V 0.02%,余量为铝Al;以此准备铝锭和铝中间合金颗粒;
步骤三:熔炼及合金化
采用高温双室熔铝炉将所述铝锭在1300℃快速熔化,得到755℃铝熔体;
转移所述铝熔体至微负压倾动式保温炉,电磁搅拌15min,静置35min,精炼除气;
向铝熔体中弹射加入中间合金颗粒,对保温炉中铝合金熔体保温30min,进行电磁搅拌,搅拌时间为15min,再次精炼除气,静止30min;
步骤四:浇注及定向凝固
在流槽中对铝合金熔体进行在线精炼除气,并采用双层120目微孔氧化铝过滤板对在线精炼处理后的铝合金熔体进行除渣处理;
采用铜合金材料的轮式结晶器,浇注温度700℃,浇注速度15m/min,电磁震荡,对铝合金熔体定向凝固,得到530℃的铸锭;
步骤五、加温处理
铸锭通过第一高频加热器温度控制在550℃;
步骤六、粗轧
经过加热的铸锭在15s的时间内进入粗轧机,对铝合金铸锭进行总计7道次的粗轧,粗轧温度520℃,轧辊采用二辊组合,每道轧辊组合方向相互垂直,得到粗轧件;
步骤七、加温处理
粗轧件通过第二高频加热器,将粗轧件温度提升到550℃,并在5s的时间内进入精轧机。
步骤八、精轧
对粗轧件进行7道次精轧,精轧温度510℃,采用相邻轧辊成120°的三辊组合,轧制速度5m/s,得到Φ16mm的铝合金杆材;
步骤九、冷却处理
精轧后的铝合金杆材通过在线式冷却管,对铝合金杆材进行压力雾化喷射冷却处理,密封管道内压力为0.5Mpa,将铝合金杆冷却到60℃;
步骤十、多道次拉丝及第一热处理组合
对经过冷却处理后的铝合金杆进行至少一组的拉丝、第一热处理、拉丝的组合的拉制处理,得到Φ3mm-Φ8mm的棒材或线材;最后一道拉制时的截面压缩率为25%-29%,其余各道次拉制时的截面压缩率为35%-45%。
步骤十一、第二热处理
对上述线材进行第二热处理,所述第二热处理为双级时效处理,1级时效处理温度为170℃-175℃,时间为12h-16h,2级时效处理温度为140℃-155℃,时间为6h-8h,紧固件用高强度铝合金材料。
根据本实施例制得的紧固件用高强度铝合金材料的晶粒平均尺寸≤25μm,抗拉强度≥650MPa,屈服强度≥590MPa,延伸率≥6%,硬度≥225HB。
实施例3:
步骤一:铝中间合金颗粒制备
将铝中间合金制备成重量为20g的铝中间合金颗粒;
步骤二:配料
按重量百分比对以下成分进行配料:铁Fe 0.5%,硅Si 0.67%,铜Cu 0.7%,钪Sc0.1%,锰Mn 0.5%,锂Li 0.05%,锆Zr 0.1%,镁Mg 0.8%,铈Ce 0.08%,钇Y 0.05%,铬Cr 0.09%,镍Ni 0.005%,锌Zn 0.2%,硼B 0.01%,钛Ti 0.03%,钒V 0.01%,余量为铝Al;以此准备铝锭和铝中间合金颗粒;
步骤三:熔炼及合金化
采用高温双室熔铝炉将所述铝锭在1300℃快速熔化,得到755℃铝熔体;
转移所述铝熔体至微负压倾动式保温炉,电磁搅拌15min,静置35min,精炼除气;
向铝熔体中弹射加入中间合金颗粒,对保温炉中铝合金熔体保温30min,进行电磁搅拌,搅拌时间为15min,再次精炼除气,静止30min;
步骤四:浇注及定向凝固
在流槽中对铝合金熔体进行在线精炼除气,并采用双层120目微孔氧化铝过滤板对在线精炼处理后的铝合金熔体进行除渣处理;
采用铜合金材料的轮式结晶器,浇注温度710℃,浇注速度12m/min,电磁震荡,对铝合金熔体定向凝固,得到530℃的铸锭;
步骤五、加温处理
铸锭通过第一高频加热器温度控制在550℃;
步骤六、粗轧
经过加热的铸锭在15s的时间内进入粗轧机,对铝合金铸锭进行总计7道次的粗轧,粗轧温度520℃,轧辊采用二辊组合,每道轧辊组合方向相互垂直,得到粗轧件;
步骤七、加温处理
粗轧件通过第二高频加热器,将粗轧件温度提升到550℃,并在3s的时间内进入精轧机。
步骤八、精轧
对粗轧件进行7道次精轧,精轧温度520℃,采用相邻轧辊成120°的三辊组合,轧制速度3m/s,得到Φ20mm的铝合金杆材;
步骤九、冷却处理
精轧后的铝合金杆材通过在线式冷却管,对铝合金杆材进行压力雾化喷射冷却处理,密封管道内压力为0.5Mpa,将铝合金杆冷却到60℃;
步骤十、多道次拉丝及第一热处理组合
对经过冷却处理后的铝合金杆进行至少一组的拉丝、第一热处理、拉丝的组合的拉制处理,得到Φ8mm-Φ12mm的棒材;最后一道拉制时的截面压缩率为25%-29%,其余各道次拉制时的截面压缩率为35%-45%。
步骤十一、第二热处理
对上述线材进行第二热处理,所述第二热处理为双级时效处理,1级时效处理温度为170℃-175℃,时间为12h-16h,2级时效处理温度为140℃-155℃,时间为6h-8h,紧固件用高强度铝合金材料。
根据本实施例制得的紧固件用高强度铝合金材料的晶粒平均尺寸≤25μm,抗拉强度≥650MPa,屈服强度≥590MPa,延伸率≥6%,硬度≥225HB。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种紧固件用高强度铝合金材料,其特征在于,所述紧固件用高强度铝合金材料按重量百分比包含如下元素:铁Fe 0.3%-0.5%,硅Si 0.2%-1.0%,铜Cu 0.4%-1.2%,钪Sc 0.1%-0.6%,锰Mn 0.3%-1.1%,锂Li 0.01%-0.1%,锆Zr 0.1%-0.5%,镁Mg0.5%-1.3%,铈Ce 0.01%-0.1%,钇Y 0.01%-0.1%,铬Cr 0.05%-0.25%,镍Ni0.002%-0.02%,锌Zn 0.1%-0.5%,硼B 0.01%-0.06%,钛Ti 0.01%-0.05%,钒V0.01%-0.05%,余量为铝Al;其中,Mg和Si的重量百分比的比值不小于1.042,Fe和Si的重量百分比的比值不小于0.32,Sc和Zr的重量百分比合计小于或者等于1.2%,Li、Ce、Y以及Zn的重量百分比合计小于或者等于0.52%,Cr、Ti以及V的重量百分比合计小于或者等于0.3%。
2.根据权利要求1所述的紧固件用高强度铝合金材料,其特征在于,所述紧固件用高强度铝合金材料的晶粒平均粒径小于或者等于25μm,抗拉强度大于或者等于650MPa,屈服强度大于或者等于590MPa,延伸率大于或者等于6%,硬度大于或者等于225HB。
3.一种紧固件用高强度铝合金材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括:
将铝中间合金制备成铝中间合金颗粒;
按重量百分比对以下成分进行配料:铁Fe 0.3%-0.5%,硅Si 0.2%-1.0%,铜Cu0.4%-1.2%,钪Sc 0.1%-0.6%,锰Mn 0.3%-1.1%,锂Li 0.01%-0.1%,锆Zr 0.1%-0.5%,镁Mg 0.5%-1.3%,铈Ce 0.01%-0.1%,钇Y 0.01%-0.1%,铬Cr 0.05%-0.25%,镍Ni 0.002%-0.02%,锌Zn 0.1%-0.5%,硼B 0.01%-0.06%,钛Ti 0.01%-0.05%,钒V0.01%-0.05%,余量为铝Al,其中,Mg和Si的重量百分比的比值不小于1.042,Fe和Si的重量百分比的比值不小于0.32,Sc和Zr的重量百分比合计小于或者等于1.2%,Li、Ce、Y以及Zn的重量百分比合计小于或者等于0.52%,Cr、Ti以及V的重量百分比合计小于或者等于0.3%,以此准备铝锭和铝中间合金颗粒;
将所述铝锭在1300℃快速熔化,得到755℃铝熔体;
使得所述铝熔体在微负压倾动式保温炉中,电磁搅拌10min-15min,静置20min-35min,精炼除气;
向所述保温炉中铝熔体中弹射加入中间合金颗粒,对铝合金熔体保温30min,进行电磁搅拌,搅拌时间为10min-15min,再次精炼除气,静置30min;
在流槽中对铝合金熔体进行在线精炼除气,并对在线精炼处理后的铝合金熔体进行除渣处理;
对铝合金熔体定向凝固,得到520℃-560℃的铝合金铸锭;
铝合金铸锭通过第一高频加热器加热,温度控制在550℃;
经过加热的铝合金铸锭在15s-20s的时间内进入粗轧机,对铝合金铸锭进行总计7道次粗轧,粗轧温度520℃,得到粗轧件;
粗轧件通过第二高频加热器,将粗轧件温度提升到550℃,并在2s-5s的时间内进入精轧机,对粗轧件进行7道次精轧,精轧温度500-520℃,轧制速度3m/s-6m/s,得到Φ9.5mm-Φ20mm的铝合金杆材;
精轧后的铝合金杆材通过在线式冷却管,对铝合金杆材进行压力雾化喷射冷却处理,将铝合金杆冷却到60℃-90℃;
对经过冷却处理后的铝合金杆进行至少一组的拉丝、第一热处理、拉丝的组合的拉制处理,得到Φ1mm-Φ12mm的棒材或线材;最后一道拉制时的截面压缩率为25%-29%,其余各道次拉制时的截面压缩率为35%-45%。
对Φ1mm-Φ12mm的棒材或线材进行第二热处理,得到紧固件用高强度铝合金材料。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,对在线精炼处理后的铝合金熔体进行除渣处理时,采用双层120目微孔氧化铝过滤板对在线精炼处理后的铝合金熔体进行除渣处理。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,对铝合金熔体定向凝固时,采用轮式结晶器对铝合金熔体进行浇注,然后进行电磁震荡,浇注温度700℃-720℃,浇注速度12m/min-22m/min。
6.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,粗轧时,轧辊采用二辊组合,每道轧辊组合方向相互垂直。
7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,精轧时,轧辊采用相邻轧辊成120°的三辊组合。
8.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,对铝合金杆材进行压力雾化喷射冷却处理时,在线式冷却管的密封管道内压力为0.3Mpa-0.5Mpa。
9.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述第二热处理为双级时效处理,1级时效处理温度为170℃-175℃,时间为12h-16h,2级时效处理温度为140℃-155℃,时间为6h-8h。
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