CN108588517B - 一种应用于管件制备的超细晶铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种应用于管件制备的超细晶铝合金。铝合金的原料组分包括0.3‑0.5wt%的晶相调节剂和99.5‑99.7wt%的7075铝合金；其中，所述7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：5.25‑6.58%；Mg：2.78‑2.88%；Cu：1.25‑2.14%；Si：0.13‑0.17%；Fe：0.15‑0.22%；Cr：0.09‑0.16%；Zr：0.08‑0.15%，Mn：0.05‑0.07%；Ti：0.02‑0.03%；余量为Al和不可避免的杂质。其中，晶相调节剂是一种新型添加剂，其晶粒细化效果远好于常规的Al‑Ti‑B晶粒细化剂；该型铝合金材料具有硬度高、强度好，耐腐蚀性能优秀的特点，而且因为微观组织中晶粒的细化效果好，还具有极佳的加工特性。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域，具体涉及一种应用于管件制备的超细晶铝合金。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铝合金的密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，材料塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。目前，铝合金在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用；在工业上的使用量也仅次于钢。随着工业经济的飞速发展，铝合金结构件的需求日益增多，这也推动了对铝合金材料性能的更加深入的研究。
美国铝业公司从20世纪初，分别研发出了1050型、2xxx型、6xxx型和7xxx型等多种高性能铝合金产品。使得铝合金材料的性能不断提升，并显著扩大了铝合金材料的应用范围。
其中，7075铝合金是一种高性能的冷处理锻压合金，这种铝合金材料强度高，远胜于软钢；是商用最强力合金之一。7075铝合金的结构紧密，耐腐蚀效果强，对于航空、船用板材最佳；加工特性和机械性能较好；细小晶粒使得深度钻孔性能更好，工具耐磨性增强；非常适合用于高压结构件或零件加工。另外，7075铝合金通过对铁和硅等杂质元素的控制，从而提高其疲劳和断裂等性能，但这种超硬铝合金焊接性较差，采用传统熔焊方法进行焊接时，易产生焊缝金属凝固裂纹及近缝区母材液化裂纹；焊缝脆性大，对应力集中敏感；热影响区软化，接头拉伸性能和疲劳性能差；在用于管件制备时，该材料的韧性和抗拉伸性能也相对不足，这些都限制了7075高强铝合金的进一步应用。
通过对铝合金微观组织中晶相的调节，可以使得铝合金的机械性能发生较大程度的改善。对铝合金微观组织中的晶粒进行细化，得到超细晶铝合金材料，是一种改善铝合金塑性、韧性等加工性能的有效措施，常规的超细晶铝合金主要通过热处理工艺和AL-Ti-B晶粒细化剂的添加，达到细化晶粒的效果，这种晶粒细化剂的晶粒细化效果并不突出；而且对于熔铸后的铝合金组织中已经形成的粗大化的晶粒，也很难在退火等热加工过程中进行再结晶细化，再结晶过程只会在组织中形成晶粒更加狭长粗大的近似等轴晶或柱状晶。此外，常规工艺制备得到的铝合金材料，在通过晶粒细化改善加工特性的同时，材料的硬度、强度和耐腐蚀性能也会相应降低，难以在各项机械性能上得到平衡。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种应用于管件制备的超细晶铝合金，该型铝合金材料具有硬度高、强度好，耐腐蚀性能优秀的特点，而且因为微观组织中晶粒的细化效果好，还具有极佳的加工特性。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种应用于管件制备的超细晶铝合金，铝合金的原料组分包括0.3-0.5wt％的晶相调节剂和99.5-99.7wt％的7075铝合金；其中，7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：5.25-6.58％；Mg：2.78-2.88％；Cu：1.25-2.14％；Si：0.13-0.17％；Fe：0.15-0.22％；Cr：0.09-0.16％；Zr：0.08-0.15％，Mn：0.05-0.07％；Ti：0.02-0.03％；余量为Al和不可避免的杂质。
优选地，7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：5.73-6.26％；Mg：2.80-2.85％；Cu：1.55-1.75％；Si：0.14-0.16％；Fe：0.17-0.20％；Cr：0.11-0.14％；Zr：0.10-0.13％，Mn：0.05-0.06％；Ti：0.02-0.03％；余量为Al和不可避免的杂质。
进一步优选地，7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：6.15％；Mg：2.82％；Cu：1.60％；Si：0.15％；Fe：0.19％；Cr：0.13％；Zr：0.12％，Mn：0.06％；Ti：0.03％；余量为Al和不可避免的杂质。
本发明中，晶相调节剂的制备方法包括如下步骤：
(1)按照5:1:3的质量比将氟钛酸钾、二硼化钛和氮化铝混合，然后按照质量份数，将50份混合粉体，1.5份稀土氧化物和100份无水乙醇加入到球磨机中，球磨混合1.5-2h，然后将产物以82-85℃的温度烘干；得到粉体A；
(2)按照1:1:2:1的质量比，将CdSe、HgZnSeTe、GaNP和InNAs四种金属量子点混合，将丙酮溶剂水浴加热至45-50℃，然后将18份金属量子点混合物、2份乳酸乙酯和1.5份润湿分散剂加入到60份加热后的丙酮溶剂中，超声分散处理15-20min，然后将产物冷却至室温，得到所需调质液B；
(3)将50份粉体A加入到150份乙醇溶剂中，水浴加热至55-65℃，持续以350-450r/min的转速搅拌得到分散液，搅拌的同时将30份调质液B逐滴滴加到分散液中，滴加结束后继续保温搅拌8-10min，然后将分散液的温度升高至85℃以上，持续搅拌并烘干得到粉体C；
(4)将粉体C加入到模具中，以300-350MPa的压力干压成型，然后在烧结炉中以550-650℃的稳定烧结3-4h，烧结炉中充入氩气气氛进行保护，并在氩气气氛保护下，随炉冷却至室温，然后将冷却后的烧结体破碎、研磨，得到细度为400-450目的粉状晶相调节剂。
其中，稀土氧化物为氧化铈、氧化镧和氧化铷按照4:2:1的质量比混合的混合物。
润湿分散剂由烷基萘磺酸盐润湿剂和十二烷基苯磺酸钙按照1:1的质量比混合而成。
调质液的滴加时间为25-35min。
本发明提供的超细晶铝合金的制备方法包括如下步骤：
(1)将具有所述元素组成的7075铝合金加入到熔炉中，加热铝锭至720-760℃，铝锭开始熔化时加入铝覆盖剂，待铝锭完全熔化时，将晶相调节剂投入到熔炉中的铝熔体底部，升高炉温至830-860℃，电磁搅拌并保温熔炼30-35min；
(2)停止搅拌铝熔体并对铝熔体进行扒渣，扒渣后将铝熔体以730-750℃的温度，静置保温25-35min，接着再对铝熔体进行除气精炼和在线过滤，最后将铝合金熔液浇铸成型，得到铝合金杆材；
(3)将铝合金杆材送入到正火炉中快速加热至530-540℃，保温30-35min，使得铝合金材料组织达到再结晶状态，然后再空冷至室温；对空冷后的铝合金材料进行初道轧制；再将轧制后的铝合金材料送入到退火炉中，以360-420℃的温度，退火处理2-3h，然后对铝合金材料进行二道轧制，总轧制变形量为80-90％；
(4)将轧制后的铝合金材料送入到时效炉中，以170-185℃的温度，人工时效8-10h，得到所需的超细晶铝合金。
优选地，熔炼铝合金的熔炉选用高频感应炉。
优选地，初道轧制的变形量控制为20-25％。
本发明具有如下的有益效果：
本发明的铝合金属于一种7075型铝合金材料的，材料的强度较高，硬度较大，耐磨、那腐蚀性能较为突出，本发明通过对铝合金配方的精准控制，并配合晶相调节剂的作用，使得制备的铝合金具有良好的晶相结构，得到铝合金微观组织中的晶粒含量高，晶粒均匀且细小，这显著提高了铝合金材料的塑性和韧性，使得铝合金材料的拉伸性能和加工特性更加优良率。可以用于高性能机械管材的制备，提高了7075铝合金的应用范围。其中，本发明使用的晶相调节剂与常规的Al-Ti-B晶粒细化剂相比，细化效果更加优异，该型功能助剂可以显著消除材料组织中狭长粗大的毛晶和柱状晶，得到均匀细小的等轴晶，从而提高铝合金材料的性能。
此外，本发明的铝合金的之所以具有较为均衡的综合性能，除了原料组分和功能助剂的作用之外，还包括其独特的熔炼、铸造和热处理工艺，该制备工艺针对该型配方的铝合金进行特别优化，成型后的铝合金杆材在经过方案中的正火处理后，可以实现材料的再结晶，从而使得晶粒进一步细化，不仅有利于提升材料强度，还可以显著提高材料的韧性。表面铝合金材料在加工和使用过程中开裂或产生微观缺陷。退火过程增有助于改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷，从而使得铝合金材料的加工特性得到提升，最后经过人工时效处理后，可以进一步消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善铝合金的机械性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以下实施例中，晶相调节剂的制备方法包括如下步骤：
(1)按照5:1:3的质量比将氟钛酸钾、二硼化钛和氮化铝混合，然后按照质量份数，将50份混合粉体，1.5份稀土氧化物和100份无水乙醇加入到球磨机中，球磨混合1.5-2h，然后将产物以82-85℃的温度烘干；得到粉体A；
(2)按照1:1:2:1的质量比，将CdSe、HgZnSeTe、GaNP和InNAs四种金属量子点混合，将丙酮溶剂水浴加热至45-50℃，然后将18份金属量子点混合物、2份乳酸乙酯和1.5份润湿分散剂加入到60份加热后的丙酮溶剂中，超声分散处理15-20min，然后将产物冷却至室温，得到所需调质液B；
(3)将50份粉体A加入到150份乙醇溶剂中，水浴加热至55-65℃，持续以350-450r/min的转速搅拌得到分散液，搅拌的同时将30份调质液B逐滴滴加到分散液中，滴加结束后继续保温搅拌8-10min，然后将分散液的温度升高至85℃以上，持续搅拌并烘干得到粉体C；
(4)将粉体C加入到模具中，以300-350MPa的压力干压成型，然后在烧结炉中以550-650℃的稳定烧结3-4h，烧结炉中充入氩气气氛进行保护，并在氩气气氛保护下，随炉冷却至室温，然后将冷却后的烧结体破碎、研磨，得到细度为400-450目的粉状晶相调节剂。
其中，稀土氧化物为氧化铈、氧化镧和氧化铷按照4:2:1的质量比混合的混合物。
润湿分散剂由烷基萘磺酸盐润湿剂和十二烷基苯磺酸钙按照1:1的质量比混合而成。
调质液的滴加时间为25-35min。
实施例1
一种应用于管件制备的超细晶铝合金，铝合金的原料组分包括0.3wt％的晶相调节剂和99.7wt％的7075铝合金；其中，7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：5.25％；Mg：2.78％；Cu：1.25％；Si：0.13％；Fe：0.15％；Cr：0.09％；Zr：0.08％，Mn：0.05％；Ti：0.02％；余量为Al和不可避免的杂质。
本实施例提供的超细晶铝合金的制备方法包括如下步骤：
(1)将具有所述元素组成的7075铝合金加入到熔炉中，加热铝锭至720℃，铝锭开始熔化时加入铝覆盖剂，待铝锭完全熔化时，将晶相调节剂投入到熔炉中的铝熔体底部，升高炉温至830℃，电磁搅拌并保温熔炼30min；
(2)停止搅拌铝熔体并对铝熔体进行扒渣，扒渣后将铝熔体以730℃的温度，静置保温25min，接着再对铝熔体进行除气精炼和在线过滤，最后将铝合金熔液浇铸成型，得到铝合金杆材；
(3)将铝合金杆材送入到正火炉中快速加热至530℃，保温30min，使得铝合金材料组织达到再结晶状态，然后再空冷至室温；对空冷后的铝合金材料进行初道轧制；再将轧制后的铝合金材料送入到退火炉中，以360℃的温度，退火处理2h，然后对铝合金材料进行二道轧制，总轧制变形量为80％；
(4)将轧制后的铝合金材料送入到时效炉中，以170℃的温度，人工时效8h，得到所需的超细晶铝合金。
其中，熔炼铝合金的熔炉选用高频感应炉。
初道轧制的变形量控制为20％。
实施例2
一种应用于管件制备的超细晶铝合金，铝合金的原料组分包括0.5wt％的晶相调节剂和99.5wt％的7075铝合金；其中，7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：6.58％；Mg：2.88％；Cu：2.14％；Si：0.17％；Fe：0.22％；Cr：0.16％；Zr：0.15％，Mn：0.07％；Ti：0.03％；余量为Al和不可避免的杂质。
本实施例提供的超细晶铝合金的制备方法包括如下步骤：
(1)将具有所述元素组成的7075铝合金加入到熔炉中，加热铝锭至760℃，铝锭开始熔化时加入铝覆盖剂，待铝锭完全熔化时，将晶相调节剂投入到熔炉中的铝熔体底部，升高炉温至860℃，电磁搅拌并保温熔炼35min；
(2)停止搅拌铝熔体并对铝熔体进行扒渣，扒渣后将铝熔体以750℃的温度，静置保温35min，接着再对铝熔体进行除气精炼和在线过滤，最后将铝合金熔液浇铸成型，得到铝合金杆材；
(3)将铝合金杆材送入到正火炉中快速加热至540℃，保温35min，使得铝合金材料组织达到再结晶状态，然后再空冷至室温；对空冷后的铝合金材料进行初道轧制；再将轧制后的铝合金材料送入到退火炉中，以420℃的温度，退火处理3h，然后对铝合金材料进行二道轧制，总轧制变形量为90％；
(4)将轧制后的铝合金材料送入到时效炉中，以185℃的温度，人工时效10h，得到所需的超细晶铝合金。
其中，熔炼铝合金的熔炉选用高频感应炉。
初道轧制的变形量控制为25％。
实施例3
一种应用于管件制备的超细晶铝合金，铝合金的原料组分包括0.4wt％的晶相调节剂和99.6wt％的7075铝合金；其中，7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：6.15％；Mg：2.82％；Cu：1.60％；Si：0.15％；Fe：0.19％；Cr：0.13％；Zr：0.12％，Mn：0.06％；Ti：0.03％；余量为Al和不可避免的杂质。
本实施例提供的超细晶铝合金的制备方法包括如下步骤：
(1)将具有所述元素组成的7075铝合金加入到熔炉中，加热铝锭至740℃，铝锭开始熔化时加入铝覆盖剂，待铝锭完全熔化时，将晶相调节剂投入到熔炉中的铝熔体底部，升高炉温至850℃，电磁搅拌并保温熔炼33min；
(2)停止搅拌铝熔体并对铝熔体进行扒渣，扒渣后将铝熔体以740℃的温度，静置保温30min，接着再对铝熔体进行除气精炼和在线过滤，最后将铝合金熔液浇铸成型，得到铝合金杆材；
(3)将铝合金杆材送入到正火炉中快速加热至535℃，保温32min，使得铝合金材料组织达到再结晶状态，然后再空冷至室温；对空冷后的铝合金材料进行初道轧制；再将轧制后的铝合金材料送入到退火炉中，以390℃的温度，退火处理2.5h，然后对铝合金材料进行二道轧制，总轧制变形量为85％；
(4)将轧制后的铝合金材料送入到时效炉中，以180℃的温度，人工时效9h，得到所需的超细晶铝合金。
其中，熔炼铝合金的熔炉选用高频感应炉。
初道轧制的变形量控制为20％。
性能测试
1、测试本发明中超细晶铝合金的机械性能，并设置市场上购买的蓝祥铝业(上海)有限公司销售的7076铝合金作为对照组，进行性能对比测试，得到如下测试数据：
表1：本实施例与对照组铝合金机械性能测试结果
分析以上实验结果发现，本发明的超细晶铝合金与对照组的普通7075铝合金相比，具有更高的抗拉强度和屈服强度，二者的硬度差别较小；本发明的铝合金的弹性模量仅略微好于对照组，但是伸长率要明显好于对照组。通过以上数据可以得出结论，本发明提供的铝合金材料具有较好的硬度和强度，材料的机械性能非常突出，而且还具有较好的塑性和韧性，加工特性相对更好，适合用于高性能管件的制备。
2、测量统计本发明与对照组铝合金材料微观组织中的平均晶粒尺寸，并测试本发明与对照组铝合金的耐磨、耐腐蚀等耐候性能；得到如下测试结果：
表2：本实施例与对照组铝合金材料的晶粒尺寸和耐候性能测试结果
分析上述试验数据发现，本发明与对照组的铝合金材料微观组织中，均具有大量晶粒结构，但是本发明的铝合金的晶粒更加均匀细小，因此这给本发明的铝合金到来更好的性能，通过耐腐蚀和耐磨性能的测试结果就可以发现，本发明的铝合金的材料的耐候性能要好于对照组。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种应用于管件制备的超细晶铝合金，其特征在于：所述铝合金的原料组分包括0.3-0.5wt％的晶相调节剂和99.5-99.7wt％的7075铝合金；其中，所述7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：5.25-6.58％；Mg：2.78-2.88％；Cu：1.25-2.14％；Si：0.13-0.17％；Fe：0.15-0.22％；Cr：0.09-0.16％；Zr：0.08-0.15％，Mn：0.05-0.07％；Ti：0.02-0.03％；余量为Al和不可避免的杂质；
所述晶相调节剂的制备方法包括如下步骤：
(1)按照5:1:3的质量比将氟钛酸钾、二硼化钛和氮化铝混合，然后按照质量份数，将50份混合粉体，1.5份稀土氧化物和100份无水乙醇加入到球磨机中，球磨混合1.5-2h，然后将产物以82-85℃的温度烘干；得到粉体A；
(2)按照1:1:2:1的质量比，将CdSe、HgZnSeTe、GaNP和InNAs四种金属量子点混合，将丙酮溶剂水浴加热至45-50℃，然后将18份金属量子点混合物、2份乳酸乙酯和1.5份润湿分散剂加入到60份加热后的丙酮溶剂中，超声分散处理15-20min，然后将产物冷却至室温，得到所需调质液B；
(3)将50份粉体A加入到150份乙醇溶剂中，水浴加热至55-65℃，持续以350-450r/min的转速搅拌得到分散液，搅拌的同时将30份调质液B逐滴滴加到分散液中，滴加结束后继续保温搅拌8-10min，然后将分散液的温度升高至85℃以上，持续搅拌并烘干得到粉体C；
(4)将粉体C加入到模具中，以300-350MPa的压力干压成型，然后在烧结炉中以550-650℃稳定烧结3-4h，烧结炉中充入氩气气氛进行保护，并在氩气气氛保护下，随炉冷却至室温，然后将冷却后的烧结体破碎、研磨，得到细度为400-450目的粉状晶相调节剂。
2.根据权利要求1所述的一种应用于管件制备的超细晶铝合金，其特征在于：所述7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：5.73-6.26％；Mg：2.80-2.85％；Cu：1.55-1.75％；Si：0.14-0.16％；Fe：0.17-0.20％；Cr：0.11-0.14％；Zr：0.10-0.13％，Mn：0.05-0.06％；Ti：0.02-0.03％；余量为Al和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的一种应用于管件制备的超细晶铝合金，其特征在于：所述7075铝合金中含有以下质量百分比的元素：Zn：6.15％；Mg：2.82％；Cu：1.60％；Si：0.15％；Fe：0.19％；Cr：0.13％；Zr：0.12％，Mn：0.06％；Ti：0.03％；余量为Al和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的一种应用于管件制备的超细晶铝合金，其特征在于：所述稀土氧化物为氧化铈、氧化镧和氧化铷按照4:2:1的质量比混合的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种应用于管件制备的超细晶铝合金，其特征在于：所述润湿分散剂由烷基萘磺酸盐润湿剂和十二烷基苯磺酸钙按照1:1的质量比混合而成。
6.根据权利要求1所述的一种应用于管件制备的超细晶铝合金，其特征在于：所述调质液的滴加时间为25-35min。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种应用于管件制备的超细晶铝合金，其特征在于，所述超细晶铝合金的制备方法包括如下步骤：
(1)将具有所述元素组成的7075铝合金加入到熔炉中，加热铝锭至720-760℃，铝锭开始熔化时加入铝覆盖剂，待铝锭完全熔化时，将晶相调节剂投入到熔炉中的铝熔体底部，升高炉温至830-860℃，电磁搅拌并保温熔炼30-35min；
(2)停止搅拌铝熔体并对铝熔体进行扒渣，扒渣后将铝熔体以730-750℃的温度，静置保温25-35min，接着再对铝熔体进行除气精炼和在线过滤，最后将铝合金熔液浇铸成型，得到铝合金杆材；
(3)将铝合金杆材送入到正火炉中快速加热至530-540℃，保温30-35min，使得铝合金材料组织达到再结晶状态，然后再空冷至室温；对空冷后的铝合金材料进行初道轧制；再将轧制后的铝合金材料送入到退火炉中，以360-420℃的温度，退火处理2-3h，然后对铝合金材料进行二道轧制，总轧制变形量为80-90％；
(4)将轧制后的铝合金材料送入到时效炉中，以170-185℃的温度，人工时效8-10h，得到所需的超细晶铝合金。
8.根据权利要求7所述的一种应用于管件制备的超细晶铝合金，其特征在于：所述熔炼铝合金的熔炉选用高频感应炉。
9.根据权利要求7所述的一种应用于管件制备的超细晶铝合金，其特征在于：所述初道轧制的变形量控制为20-25％。
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