CN108300907B - 一种Al-Mn-Si-Mg合金材料及其制备方法 - Google Patents

一种Al-Mn-Si-Mg合金材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Al‑Mn‑Si‑Mg合金材料及其制备方法，成分按重量百分比为Mn 0.6‑1.5％，Si0.7‑1.5％，Fe 0.1‑0.8％，Mg 0.5‑1.5％，Cu 0‑0.5％，Cr 0‑0.5％，Zn 0.1‑0.5％，Ti 0.09‑0.15％，余量为Al；方法为：1、将复合带材生产过程中产生的废料熔炼控制成分；2、精炼处理，静置后扒渣浇注，在线除气并在线添加晶粒细化剂，陶瓷板过滤浇注成圆棒或铸造成扁锭；3、均匀化处理；4、将均匀化处理后的扁锭轧制成板材；固溶处理后时效处理；5、将均匀化处理后的圆棒预热后挤压成型材；在线淬火后时效处理；或者先固溶处理后时效处理。本发明的方法可以重新利用复合带材废料，制备的产品性能优良，具有良好的应用前景。

Description

一种Al-Mn-Si-Mg合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种Al-Mn-Si-Mg合金材料及其制备方法。
背景技术
三明治结构的铝合金钎焊带具有质量轻、耐腐蚀、钎焊性好、性能可靠等优点，大量应用在汽车热交换器中，如汽车水箱散热器、汽车空调冷凝器蒸发器等，是制造汽车用铝热交换器的关键材料之一；铝合金复合钎焊带芯材一般是Al-Mn合金(比如3003合金)，双面包覆材一般是Al-Si系钎料合金(比如4045合金)。或者一面包覆材是Al-Si系钎料合，另一面包覆材是牺牲阳极合金，一般是Al-Zn合金(比如7022合金)。
在复合材的生产过程中，会出现一些废品，在热交换器生产过程中也会出现一些废品，还有一些淘汰的热交换器也需要回收处理，这样就产生了大量的复合带材废料；三明治结构的三层复合带材通过轧制复合在一起，难以分离；这些废料没法按合金种类分开回收，熔炼时，只能熔在一起，这样就使得熔化后的废料成分十分复杂；例如，将1kg三明治结构的三层复合带材的生产废料用石墨坩埚在实验室坩埚炉中重熔，并凝固成小铸锭；用光谱分析仪测得的化学成分为Mn 1.17wt％，Si 1.42wt％，Zn 0.28wt％，Fe 0.4wt％，Ti0.02wt％，Zr 0.02wt％，Cu 0.08wt％，余量为Al；铸锭的凝固组织如图1所示，经SEM-EDS分析，凝固组织主要由α-Al基体、Al12(FeMn)3Si2相(如图2所示)和共晶Si组成(如图3所示)。
由于重熔料的Mn、Si、Fe、Zn的成分都比较高，这种料不适合生产任何已知牌号的铝合金；使用这种废料生产铝合金，合金成分很难控制；即使添加很少量这种废料，杂质含量也很容易超标；这使得这种复合带材废料难以再利用。
发明内容
针对三明治结构的三层复合带材难以再利用的问题，本发明提供一种Al-Mn-Si-Mg合金材料及其制备方法，可以采用三层复合带材重熔废料，制备出性能优良的板材或型材。
本发明的Al-Mn-Si-Mg合金材料的成分按重量百分比为Mn 0.6-1.5％，Si 0.7-1.5％，Fe0.1-0.8％，Mg 0.5-1.5％，Cu 0-0.5％，Cr 0-0.5％，Zn 0.1-0.5％，Ti 0.09-0.15％，余量为Al和杂质，其中杂质含量≤1.0％。
上述的Al-Mn-Si-Mg合金材料的抗拉强度272-316MPa，延伸率7.5-11.9％。
本发明的Al-Mn-Si-Mg合金材料的制备方法按以下步骤进行：
1、将复合带材生产过程中产生的废料干燥去除水分，然后熔炼形成废料熔体；控制其成分按重量百分比为Mn 0.6-1.5％，Si 0.7-1.5％，Fe 0.1-0.8％，Mg 0.5-1.5％，Cu0-0.5％，Cr 0-0.5％，Zn 0.1-0.5％，Ti 0.09-0.15％，余量为Al和杂质，其中杂质含量≤1.0％；控制熔炼温度为720-750℃，待全部物料熔化后，搅拌均匀，获得铝合金熔体；
2、利用精炼剂对熔体进行精炼处理，精炼处理后静置20-40min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成圆棒或铸造成扁锭；
3、将圆棒或扁锭放入均质化炉中进行均匀化处理，温度520-560℃，时间8-24h；
4、当步骤3的产品为扁锭时，将均匀化处理后的扁锭轧制成板材；板材先在500-560℃固溶处理，时间0.5-5h，然后在150-220℃进行时效处理，时间4-24h；最后获得Al-Mn-Si-Mg合金板材；
5、当步骤3的产品为圆棒时，将均匀化处理后的圆棒在450±30℃预热，然后挤压成型材；型材在线淬火，然后在150-220℃时效4-24h，最后获得Al-Mn-Si-Mg合金型材；或者型材先在500-560℃固溶处理，时间0.5-5h，然后在150-220℃时效4-24h，最后获得Al-Mn-Si-Mg合金型材。
上述的精炼剂可选用任何具有精炼效果的铝合金精炼剂，比如Promag粒状精炼剂，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.05-0.5％。
上述的在线除气是将氩气喷入铝水中，氩气流量为3-5m3/h。
上述的在线添加晶粒细化剂是采用喂丝机将Al-5Ti-1B丝通入铝合金熔体中，Al-5Ti-1B丝的添加量为0.5-2.0kg/t铝合金熔体，优选为1.0kg/t铝合金熔体。
上述方法中，步骤4扁锭在均匀化处理后去除表皮。
上述方法中，步骤5圆棒在均匀化处理后去除表皮。
上述的在线除气是采用SNIF在线除气装置，将氩气喷入铝水中。
上述方法中，在挤压和/或轧制前，根据工艺要求将圆棒或扁锭切成所需要的尺寸。
上述的步骤1中，采用复合带材生产过程中产生的废料占全部原料总重量的40-100％，当还需要加入其他材料时，向废料熔体中加入铝锭和/或中间合金调节成分。
上述方法中，加入Cu、Cr、Mn、Ti和Zr元素时，分别选用铝铜中间合金、铝铬中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金和铝锆中间合金，或者分别选用铜添加剂、铬添加剂、锰添加剂、钛添加剂和锆添加剂。
上述方法中，加入Mg和Zn元素时，分别选用镁锭和锌锭。
上述方法中，加入Si，选用金属硅或铝硅中间合金。
本发明通过在废料成分基础上添加Mg，与Si形成Mg2Si强化相，消除共晶Si相，达到提高合金强度的目的；合金中的花瓣状Al12(FeMn)3Si2相在轧制或挤压过程中破碎成细小块，大大减轻了它对合金力学性能的破坏；从而，本发明的方法可以重新利用复合带材废料，制备的产品性能优良，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为三层复合带材废料重熔后的凝固组织图；
图2为图1中花瓣状Al12(FeMn)3Si2共晶相的SEM-EDS图；
图3为图1中黑色Si共晶相的SEM-EDS图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；所描述的不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例中，如果圆棒表面质量较好，均匀化处理后直接进行挤压；如果圆棒表面质量欠佳，则均匀化处理后需将表皮去掉；而用于板带材生产的扁锭，则均匀化处理后将表皮去掉。
本发明实施例中在线除气是采用SNIF在线除气装置，将氩气喷入铝水中，氩气流量为3-5m3/h，转子转速为300-700r/min。
本发明实施例中在线添加晶粒细化剂是采用喂丝机将Al-5Ti-1B丝通入铝合金熔体中，Al-5Ti-1B丝的添加量为0.5-2.0kg/t铝合金熔体，优选为1.0kg/t铝合金熔体。
本发明实施例中，添加的中间合金选用85Mn剂、金属硅、镁锭、锌锭、85Ti剂、85Cr剂和Al-50Cu中间合金。
实施例1
将复合带材生产过程中产生的废料干燥去除水分，然后熔炼形成废料熔体；控制其成分按重量百分比含Mn 1.35％，Si 1.35％，Fe≤0.8％，Mg 1.35％，Cu 0.25％，Cr0.35％，Zn 0.45％，Ti 0.15％，余量为Al，其中杂质含量≤1.0％；控制熔炼温度为750℃，待全部物料熔化后，搅拌均匀，获得铝合金熔体；
利用旋转喷吹装置将精炼剂吹入铝合金熔体中，进行精炼处理，精炼剂选用Promag粒状精炼剂，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.35％；精炼处理后静置20min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成圆棒；
将圆棒放入均质化炉中进行均匀化处理，温度530℃，时间16h；
将均匀化处理后圆棒在450±30℃预热，然后挤压成型材；型材先在530℃固溶处理，时间2h，然后在180℃时效16h，最后获得Al-Mn-Si-Mg合金型材；
采用废料占全部原料总重量的100％，产品的T6抗拉强度316MPa，延伸率7.5％。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用废料占全部原料总重量的80％，向废料熔体中加入铝锭和中间合金，熔体控制成分按重量百分比含Mn 1.18％，Si 1.05％，Fe≤0.8％，Mg 1.2％，Cu 0.25％，Cr0.28％，Zn0.36％，Ti 0.15％；熔炼温度为745℃；
(2)精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.25％；精炼处理后静置35min，经过陶瓷板过滤浇注成圆棒；
(3)均匀化处理温度520℃，时间24h；
(4)将均匀化处理后的圆棒预热后挤压成型材，并在线淬火；然后在150℃时效24h，最后获得Al-Mn-Si-Mg合金型材；
(5)产品的T6抗拉强度309MPa，延伸率7.8％。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用废料占全部原料总重量的80％，向废料熔体中加入铝锭和中间合金，熔体控制成分按重量百分比含Mn 1.15％，Si 1.02％，Fe≤0.8％，Mg 0.9％，Cu 0.2％，Cr0.25％，Zn 0.35％，Ti 0.12％；熔炼温度为740℃；
(2)精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.2％；精炼处理后静置30min，经过陶瓷板过滤铸造成扁锭；
(3)均匀化处理温度550℃，时间12h；
(4)将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，轧制成板材；板材先在520℃固溶处理，时间3h，然后在150℃时效24h；最后获得Al-Mn-Si-Mg合金板材；
(5)产品的T6抗拉强度305MPa，延伸率9.1％。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用废料占全部原料总重量的60％，向废料熔体中加入铝锭和中间合金，熔体控制成分按重量百分比含Mn 0.85％，Si 0.81％，Fe≤0.8％，Mg 0.9％，Cr 0.21％，Zn0.27％，Ti0.09％；熔炼温度为735℃；
(2)精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.2％；精炼处理后静置25min，经过陶瓷板过滤铸造成扁锭；
(3)均匀化处理温度540℃，时间16h；
(4)将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，轧制成板材；板材先在550℃固溶处理，时间0.5h，然后在200℃时效间4h；最后获得Al-Mn-Si-Mg合金板材；
(5)产品的T6抗拉强度308MPa，延伸率9.5％。
实施例5
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用废料占全部原料总重量的50％，向废料熔体中加入铝锭和中间合金，熔体控制成分按重量百分比含Mn 0.72％，Si 0.78％，Fe≤0.8％，Mg 0.82％，Cr 0.18％，Zn0.23％，Ti 0.09％；熔炼温度为730℃；
(2)精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.18％；精炼处理后静置25min，经过陶瓷板过滤浇注成圆棒；
(3)均匀化处理温度530℃，时间20h；
(4)将均匀化处理后的圆棒预热后挤压成型材；型材先在540℃固溶处理，时间1.5h，然后在200℃时效12h，最后获得Al-Mn-Si-Mg合金型材；
(5)产品的T6抗拉强度298MPa，延伸率10.4％。
实施例6
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用废料占全部原料总重量的40％，向废料熔体中加入铝锭和中间合金，熔体控制成分按重量百分比含Mn 0.68％，Si 0.82％，Fe≤0.8％，Mg 0.75％，Cu 0.15％，Cr0.14％，Zn 0.18％，Ti 0.09％；熔炼温度为725℃；
(2)精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.27％；精炼处理后静置30min，经过陶瓷板过滤浇注成圆棒；
(3)均匀化处理温度520℃，时间24h；
(4)将均匀化处理后的圆棒预热后挤压成型材；型材在线淬火，然后在220℃时效4h，最后获得Al-Mn-Si-Mg合金型材；
(5)产品的T6抗拉强度286MPa，延伸率10.2％。
实施例7
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用废料占全部原料总重量的40％，向废料熔体中加入铝锭和中间合金，熔体控制成分按重量百分比含Mn 0.6％，Si 0.71％，Fe≤0.8％，Mg 0.64％，Cr 0.14％，Zn0.18％，Ti0.09％；熔炼温度为720℃；
(2)精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.46％；精炼处理后静置35min，经过陶瓷板过滤铸造成扁锭；
(3)均匀化处理温度530℃，时间20h；
(4)将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，轧制成板材；板材先在520℃固溶处理，时间3h，然后在180℃时效16h；最后获得Al-Mn-Si-Mg合金板材；
(5)产品的T6抗拉强度279MPa，延伸率10.8％。
实施例8
方法同实施例1，不同点在于：
(1)采用废料占全部原料总重量的40％，向废料熔体中加入铝锭和中间合金，熔体控制成分按重量百分比含Mn 0.6％，Si 0.7％，Fe≤0.8％，Mg 0.52％，Cr 0.14％，Zn0.18％，Ti 0.09％；熔炼温度为735℃；
(2)精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.05％；精炼处理后静置40min，经过陶瓷板过滤铸造成扁锭；
(3)均匀化处理温度540℃，时间16h；
(4)将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，轧制成板材；板材先在540℃固溶处理，时间1h，然后在200℃时效12h；最后获得Al-Mn-Si-Mg合金板材；
(5)产品的T6抗拉强度272MPa，延伸率11.9％。

Claims (1)

1. 一种Al-Mn-Si-Mg合金材料的制备方法，所述的Al-Mn-Si-Mg合金材料的成分按重量百分比为Mn 0.6-1.5%，Si 0.7-1.5%，Fe 0.1-0.8%，Mg 0.5-1.5%，Cu 0-0.5%，Cr 0-0.5%，Zn 0.1-0.5%，Ti 0.09-0.15%，余量为Al和杂质，其中杂质含量≤1.0%，抗拉强度272-316 MPa，延伸率7.5-11.9%；其特征在于方法按以下步骤进行：
（1）将复合带材生产过程中产生的废料干燥去除水分，然后熔炼形成废料熔体；控制熔炼温度为720-750℃，待全部物料熔化后，搅拌均匀，获得铝合金熔体；所述的采用复合带材生产过程中产生的废料占全部原料总重量的40-100%，当还需要加入其他材料时，向废料熔体中加入铝锭和/或中间合金调节成分；
（2）利用精炼剂对熔体进行精炼处理，精炼处理后静置20-40min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成圆棒或铸造成扁锭；所述的精炼剂选用Promag粒状精炼剂，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.05-0.5%；所述的在线添加晶粒细化剂是采用喂丝机将Al-5Ti-1B丝通入铝合金熔体中，Al-5Ti-1B丝的添加量为0.5-2.0 kg/t铝合金熔体；
（3）将圆棒或扁锭放入均质化炉中进行均匀化处理，温度520-560℃，时间8-24h；
（4）当步骤（3）的产品为扁锭时，将均匀化处理后的扁锭轧制成板材；板材先在500-560℃固溶处理，时间0.5-5h，然后在150-220℃进行时效处理，时间4-24 h；最后获得Al-Mn-Si-Mg合金板材；
（5）当步骤（3）的产品为圆棒时，将均匀化处理后的圆棒在450±30℃预热，然后挤压成型材；型材在线淬火，然后在150-220℃进行时效处理，时间4-24h，最后获得Al-Mn-Si-Mg合金型材；或者型材先在500-560℃固溶处理，时间0.5-5h，然后在150-220℃进行时效处理，时间4-24 h，最后获得Al-Mn-Si-Mg合金型材。
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