CN108754239A - 一种汽车排气系统散热用铝合金的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种汽车排气系统散热用铝合金的制备方法，包括如下步骤：S1.将原料经熔炼、铸造制得铸锭；S2.对铸锭进行铣削；S3.铸锭均匀化热处理；S4.铸锭热轧成为坯料；S5.热轧坯料冷轧至成品厚度；S6.成品热处理；S7.拉弯矫倒卷。本发明的成分配比及工艺方法，可以最大限度的利用废料，尤其是易拉罐废料，降低了生产成本并且打造绿色可持续发展的铝材使用产业链。性能上显著降低材料的加工硬化，同等加工率条件下轧制力降低30%以上，从而在大生产过程中节约大量电能，并且降低冲压开裂几率。生产过程中以及冲压过程中不会产生高镁合金特有的吕德带工艺缺陷，大幅度提高材料的美观程度。

Description

一种汽车排气系统散热用铝合金的制备方法
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，更具体地，涉及一种汽车排气系统散热用 铝合金的制备方法。
背景技术
目前汽车行业中排气系统采用的散热材料主要是高强度的5系铝合金，5系铝合金化学成分需要严格控制铁、硅杂质元素含量，以常用的5182合金为例，铁元素控制含量在0.15%以下，硅元素控制含量在0.2%以下，因此熔炼铸造过程中，无法使用回收铝以及常规废料（回收铝以及常规废料硅铁杂质高），只能采用电解铝锭（原铝）加中间合金的方式进行生产，生产成本高，不利于整个铝加工产业链的节能降耗，也不利于环境的改善。铝的供给来自电解铝和回收铝两个方面。电解原铝生产需要消耗大量的能源（吨铝耗电15000kWh），同时产生大量的碳排放（吨铝排放二氧化碳12吨之多），是重污染、高能耗的产业。而再生铝生产能源消耗仅相当于原铝生产的5%左右，二氧化碳排放不到原铝生产的1/15。欧美等发达国家接近70%来源于再生铝，但我国再生铝占整个铝材消费的比例还是很低，仅有20%左右。因此扩大再生铝的使用，不仅可以有效的节能减排，改善环境，更能建立铝的循环使用的良性循环。
生产加工方面，5182合金材料强度高，加工硬化加上镁元素的强化作用导致生产加工难度非常大,需要轧机电机以极大的扭矩运行才能克服材料本身的应力，加工道次数量增加，因此浪费较多的电力能源。同时5系铝合金本身镁元素含量极高，其特有的吕德带现象会在表面形成裂纹状纹路，造成材料表面质量的不佳。材料组织在冲压方面容易出现折角处断裂也是硬合金的一个通病。
材料最终需要深度冲压,因为材料的组织均匀性非常重要,三系合金由于含有高Mn，容易发生再结晶不一致导致晶粒不均匀，铸造过程容易发生晶粒的不均匀现象
常规热轧过程每一个道次都是需要进行乳液冷却，但轧机初始100-150mm是外层先变形，然后内外同时变形，因此轧件外层不断发生再结晶与加工硬化的反复变化，导致与内层不均匀。这在三系合金上面尤其明显。
成品冲压由于冲压幅度大，及其容易造成冲压开裂，部分铝厂厂家对表面进行处理，涂覆润滑油，后期润滑油清理难度大，成本高。
发明内容
成品冲压由于冲压幅度大，及其容易造成冲压开裂，部分铝厂厂家对表面进 行处理，涂覆润滑油，后期润滑油清理难度大，成本高。
本发明的上述技术目的通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种汽车排气系统散热用铝合金的制备方法，原料包括如下按质量百分比计的组分：Si：0.3%-0.6%，Fe：0.2%-0.78%，Cu：0.05%-0.22%、Mn：0.85%-1.35%、Mg：0.9%-1.35%、Zn：0.05%-0.25%、Ti：0.01%-0.08%，其它杂质的单个含量不大于0.05%， Al余量；
制备方法包括如下步骤：
S1.将原料经熔炼、铸造制得铸锭；S2.对铸锭表面以及侧面进行铣削；S3.铸锭均匀化热处理；S4.铸锭热轧成为坯料；S5.热轧坯料冷轧至成品厚度；S6.成品热处理；S7.拉弯矫倒卷。
优选地，步骤S1中熔炼过程采用电磁搅拌，每次开启时间10-15min，每炉次使用2-3次。铸造过程采用电磁搅拌，抑制晶粒长大，促进晶粒的细小均匀。
优选地，步骤S2铣面过程中，大面单面控制5-10mm，去除激冷层.侧面采用六面铣，去除偏析层。
优选地，步骤S3均匀化热处理中，铸锭保温温度585-605℃，铸锭保温时间15-25小时。
优选地，步骤S4热轧过程中，开轧温度525-550℃，轧制终了温度285-320℃，铸锭经热轧轧成4.5-7.0mm厚度的坯料；开坯轧制4-7道次，关闭乳液喷淋，后续轧制道次打开乳液喷淋对轧辊与轧件进行冷却。本发明采用国内独创的热轧轧制方法，均热完成后，热粗轧0-200mm不使用乳液冷却轧辊以及轧件，使得轧件内外层整体温度均匀，大于200mm之后轧件内外层同时变形之后开启乳液。此技术方案保证了坯料内外层晶粒组织的均一。
优选地，步骤S5冷轧过程中，成品加工率控制35-45%，厚度公差控制≤±1%。
优选地，步骤S6成品热处理过程中，处理的金属保温温度控制在310-360℃，金属保温2-4小时。
优选地，步骤S7拉弯矫倒卷过程中，延伸率控制在0.06%以下，单位张力6~10Mpa，并在表面涂覆D40型号挥发性润滑油，喷涂量为0.3-0.5mg/cm2。
成品表面涂覆D40型号挥发性润滑油，喷涂量为0.3-0.5mg/cm2，保证冲压过程中与磨具足够的润滑，避免干冲压开裂，同时冲压之后60-80s内，D40会自动挥发干净，不用对冲压件进行清洗。
本发明结合汽车散热件的使用要求，适度降低材料强度，并不影响材料的散热功能，也不会发生软化变形状况，为了降低生产成本及节能降耗，熔炼过程中添加回收铝合金及其他铝合金废料的重熔复化铝锭，并进行工艺调整以解决上述所遇到的性能问题，弥补现有合金的技术缺陷。
目前汽车行业排气系统采用的散热材料主要是高强度的5系铝合金，无法使用回收铝以及其他铝合金废料。本发明开发出可大量使用再生铝废料的汽车排气散热用铝合金。
2015年中国铝制易拉罐使用98亿只，折合铝材15万吨，如果全球数量则至少为50万吨以上，回收与再次使用是保持资源可持续利用以及解决日益突出的环保问题的双重需求。通过对本合金的设计，可以最大限度的吸收易拉罐废料，使用比例在70%以上，降低了生产成本并且打造绿色可持续发展的铝材使用产业链。通过调整生产流程上的工艺，使得材料的最终性能满足产品的使用标准，创造出大量的经济效益。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点及效果：
本发明的成分配比及工艺方法，Si、Fe元素含量设计较高（Si上限为0.6%，Fe为0.78%），而易拉罐材料的Si、Fe元素常规含量分别为0.55与0.75附近，算上轧制过程中的污染、后期重熔等因素，其复化锭Si、Fe元素常规含量大致为0.7与0.9，其他辅助元素差异较小，因此控制可以最大限度的吸收易拉罐废料，使用比例可以达到70%以上，降低了生产成本并且打造绿色可持续发展的铝材使用产业链。相对常规的制造材料5182合金，主要的强化元素Mg元素含量降低75%（5182合金中Mg含量在4%左右，本发明是1%左右），显著降低材料的加工硬化，同等加工率条件下轧制力降低30%以上，从而在大生产过程中节约大量电能，并且降低冲压开裂几率。生产过程中以及冲压过程中不会产生高镁合金特有的吕德带工艺缺陷，大幅度提高材料的美观程度。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。
实施例1
首先，按国际标准的5182牌号铝合金做出对比例，按照同类型合金，不同工艺做出对比例2、3,超出本发明的工艺条件以“#”示之。
5182铝合金对比例1：
材料的化学成分（WT%）:表一
Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti 其他单个杂质 其他杂质合计 Al
0.11 0.10 0.12 0.25 4.80 0.15 0.03 ≤0.05 ≤0.15 余量
（1）按上述合金成分进行配料，Si、Fe含量非常低，而且Mg元素含量非常高，易拉罐的Si、Fe含量基本在0.5%附近，因此易拉罐废料几乎无法添加。采用99.7%电解铝锭，配合Mg锭以及其他中间合金进行配料。经过熔炼、精炼、除渣、搅拌、分析和调整成分后进入静置炉，静置、精炼、除气、除渣、在铝液中加入Al-5Ti-1B丝后进入铸造机铸造成铸锭。对铸锭表面进行铣削。
（2）对铸锭进行均热，铸锭的保温温度510℃，铸锭保温时间为7小时。热轧的开轧厚度控制在510℃，终轧温度控制在270℃，热轧坯料的厚度为6.0mm，热轧总道次数量29.
（3）热轧坯料通过冷轧轧至0.4mm厚度，冷轧总道次数量13，成品厚度公差±1%。
（4）成品退火温度310℃，保温时间4小时。
（5）拉弯矫倒卷过程中，延伸率控制在0.03%，单位张力8Mpa。
对比例2：
材料的化学成分（WT%）:表二
Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti 其他单个杂质 其他杂质合计 Al
0.48 0.71 0.21 1.20 1.20 0.18 0.02 ≤0.05 ≤0.15 余量
（1）按上述合金成分进行配料，针对易拉罐的Si、Fe含量基本在0.5%附近的特点以及其他元素的特点，本合金的含量配比略高于易拉罐料，因此易拉罐废料添加比例可以达到80%以上。不足部分使用其他铝合金头尾料进行补充，成分使用Mg锭以及其他中间合金进行调配。
（2）熔炼温度740℃，熔体废料过多，为避免出现夹渣，使用喷粉精炼、除渣、搅拌、分析和调整成分后进入静置炉，静置温度737℃、精炼、除气、除渣、在铝液中加入Al-5Ti-1B丝后进入铸造机铸造成铸锭，铸造温度700℃。熔炼过程采用电磁搅拌。每次开启时间10min，每炉次使用3次。
（3）对铸锭表面进行表面铣削，大面单面铣削6mm，侧面进行六面铣削。
（4）铸锭进行均热，铸锭的保温温度590℃，铸锭保温时间为20小时。热轧的开轧厚度控制在535℃，终轧温度控制在295℃，热轧坯料的厚度为6.0mm。热轧总道次数量21.轧制过程乳液采用长喷模式（#）。
（5）热轧坯料通过冷轧轧至0.4mm厚度，冷轧总道次数量7，厚度公差±1%。
（5）成品退火，退火温度340℃，材料保温时间4小时。
（6）拉弯矫倒卷过程中，延伸率控制,在0.03%，单位张力8Mpa。表面涂覆D40型号挥发性润滑油，喷涂量为0.4mg/cm2。
对比例3：
材料的化学成分（WT%）:表三
Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti 其他单个杂质 其他杂质合计 Al
0.49 0.67 0.19 1.18 1.25 0.19 0.06 ≤0.05 ≤0.15 余量
（1）按上述合金成分进行配料，针对易拉罐的Si、Fe含量基本在0.5%附近的特点以及其他元素的特点，本合金的含量配比略高于易拉罐料，因此易拉罐废料添加比例可以达到80%以上。不足部分使用其他铝合金头尾料进行补充，成分使用Mg锭以及其他中间合金进行调配。
（2）熔炼温度740℃，熔体废料过多，为避免出现夹渣，使用喷粉精炼、除渣、搅拌、分析和调整成分后进入静置炉，静置温度737℃、精炼、除气、除渣、在铝液中加入Al-5Ti-1B丝后进入铸造机铸造成铸锭，铸造温度700℃。熔炼过程采用电磁搅拌。每次开启时间12min，每炉次使用3次。
（3）对铸锭表面进行表面铣削，大面单面铣削6mm，侧面进行六面铣削。
（4）铸锭进行均热，铸锭的保温温度590℃，铸锭保温时间为20小时。热轧的开轧厚度控制在535℃，终轧温度控制在295℃，热轧坯料的厚度为6.0mm。热轧总道次数量21.开坯轧制前六道次，第一道次压下量20mm，依次分别为20mm，35mm，35mm，45mm，45mm，关闭乳液喷淋，第七道次开始，打开乳液喷淋对轧辊与轧件进行冷却。
（5）热轧坯料通过冷轧轧至0.4mm厚度，冷轧总道次数量7，厚度公差±1%。
（5）成品退火，退火温度340℃，材料保温时间4小时。
（6）拉弯矫倒卷过程中，延伸率控制,在0.03%，单位张力8Mpa（#）。
具体实施方式：
实施例1
材料的化学成分（WT%）:表三
Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti 其他单个杂质 其他杂质合计 Al
0.51 0.65 0.20 1.15 1.20 0.17 0.02 ≤0.05 ≤0.15 余量
（1）按上述合金成分进行配料，针对易拉罐的Si、Fe含量基本在0.5%附近的特点以及其他元素的特点，本合金的含量配比略高于易拉罐料，因此易拉罐废料添加比例可以达到80%以上。不足部分使用其他铝合金头尾料进行补充，成分使用Mg锭以及其他中间合金进行调配。熔炼过程采用电磁搅拌。每次开启时间15min，每炉次使用3次。
（2）熔炼温度740℃，熔体废料过多，为避免出现夹渣，使用喷粉精炼、除渣、搅拌、分析和调整成分后进入静置炉，静置温度737℃、精炼、除气、除渣、在铝液中加入Al-5Ti-1B丝后进入铸造机铸造成铸锭，铸造温度700℃。
（3）对铸锭表面进行表面铣削，大面单面铣削6mm，侧面进行六面铣削。
（4）铸锭进行均热，铸锭的保温温度590℃，铸锭保温时间为20小时。热轧的开轧厚度控制在535℃，终轧温度控制在295℃，热轧坯料的厚度为6.0mm。热轧总道次数量21. 开坯轧制前六道次，第一道次压下量20mm，依次分为为25mm，35mm，40mm，40mm，40mm关闭乳液喷淋，第七道次开始，打开乳液喷淋对轧辊与轧件进行冷却。
（5）热轧坯料通过冷轧轧至0.4mm厚度，冷轧总道次数量7，厚度公差±1%。
（6）成品退火，退火温度340℃，材料保温时间4小时。
（7）拉弯矫倒卷过程中，延伸率控制,在0.03%，单位张力8Mpa。表面涂覆D40型号挥发性润滑油，喷涂量为0.4mg/cm2。
上述对比例与实施例废料使用比例与成品参数对比见下表：
项目 易拉罐废料利用比例 晶粒大小 晶粒均匀程度 冲压测试 综合评定
对比例1 0 中等 表层与芯层均匀程度中等 10%开裂 无法消化易拉罐废料，容易开裂
对比例2 75 细小 表层与芯层均匀程度中等 10%开裂 晶粒不均匀，开裂多
对比例3 78 细小 表层与芯层均匀 40%开裂 晶粒不均匀，开裂严重
实施例1 80% 细小 表层与芯层均匀 无 大量使用易拉罐废料，晶粒均匀，无开裂

Claims (9)

1.一种汽车排气系统散热用铝合金的制备方法，其特征在于，原料包括如下按质量百分比计的组分：Si：0.3%-0.6%，Fe：0.2%-0.78%，Cu：0.05%-0.22%、Mn：0.85%-1.35%、Mg：0.9%-1.35%、Zn：0.05%-0.25%、Ti：0.01%-0.08%，其它杂质的单个含量不大于0.05%，其他杂质合计小于0.15%，Al余量；
制备方法包括如下步骤：
S1.将原料经熔炼、铸造制得铸锭；S2.对铸锭进行铣削；S3.铸锭均匀化热处理；S4.铸锭热轧成为坯料；S5.热轧坯料冷轧至成品厚度；S6.成品热处理；
S7.拉弯矫倒卷。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中熔炼过程采用电磁搅拌，每次开启时间10-15min，每炉次使用2-3次。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2铣削的铣面过程中，大面单面控制5-10mm，去除激冷层，侧面采用六面铣，去除偏析层。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S3均匀化热处理中，铸锭保温温度585-605℃，铸锭保温时间15-25小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S4热轧过程中，开轧温度525-550℃，轧制终了温度285-320℃，铸锭经热轧轧成4.5-7.0mm厚度的坯料；开坯轧制4-7道次，关闭乳液喷淋，后续轧制道次打开乳液喷淋对轧辊与轧件进行冷却。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S5冷轧过程中，成品加工率控制35-45%，厚度公差控制≤±1%。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S6成品热处理过程中，处理的金属保温温度控制在310-360℃，金属保温2-4小时。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S7拉弯矫倒卷过程中，延伸率控制在0.06%以下，单位张力6~10Mpa，并在表面涂覆D40型号挥发性润滑油，喷涂量为0.3-0.5mg/cm2。
9.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，步骤S4热轧中，热粗轧0-200mm不使用乳液冷却轧辊以及轧件，使得轧件内外层整体温度均匀，热粗轧大于200mm过程中轧件内外层同时变形之后开启乳液冷却轧辊以及轧件。
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