CN109290385A - 挤压模具、细晶并完全再结晶6061铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种挤压模具和一种细晶并完全再结晶6061铝合金的制备方法。所述挤压模具具有第一表面和第二表面，所述第一表面设有至少三个出料口，所述第二表面设有与各个所述出料口相对应的入料口，所述挤压模具内具有数量与所述出料口数量一致的过料通道，各个所述入料口通过所述过料通道与相应的所述出料口连通，多个所述出料口均匀分布在所述第一表面的同一圆环上。采用该挤压模具对铝合金棒材进行反向挤压，制备的细晶并完全再结晶6061铝合金具有良好的力学性能，截面为完全再结晶组织、截面心部晶粒大小≤250μm。

Description

挤压模具、细晶并完全再结晶6061铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，特别是涉及挤压模具、细晶并完全再结晶6061铝合金及其制备方法。

背景技术

6063铝合金和6061铝合金具有优良的阳极氧化效果和中等强度力学性能，是制造便携式设备外壳和框体结构的优秀材料。随着消费观念的不断进步和更新，消费者对便携式设备的需求向着结构更牢固、外观更薄、更亮、更耐磨的方向发展。相比6063铝合金材料，6061铝合金材料具有更优异的力学性能，更适用于光学类产品(如相机镜头等)中，6061铝合金存在再结晶和非再结晶两种不同组织。再结晶为等轴晶粒，氧化的外观效果佳，而非再结晶存在氧化条纹的不良缺陷，而且非再结晶生产速度相对较低，一般铝棒推进速度为0.5-1.5mm/s。6061铝合金在制造过程中会出现再结晶和非再结晶两种不同组织或混合组织，对产品外观的带来粗晶和线条等不良缺陷。线条为组织条纹，难以消除，截面心部晶粒粗大(＞350μm)，精加工会出现花斑不良。

发明内容

基于此，本发明提供一种用于细晶并完全再结晶6061铝合金材料制备的挤压模具，以及细晶并完全再结晶6061铝合金材料及其制备方法，制得的6061铝合金具有良好的力学性能，截面为完全再结晶组织、截面心部晶粒大小≤250μm。

具体技术方案为：

一种挤压模具，所述挤压模具具有第一表面和第二表面，所述第一表面设有至少三个出料口，所述第二表面设有与各个所述出料口相对应的入料口，所述挤压模具内具有数量与所述出料口数量一致的过料通道，各个所述入料口通过所述过料通道与相应的所述出料口连通，多个所述出料口均匀分布在所述第一表面的同一圆环上。

在其中一个实施例中，相邻所述出料口的横向间隙≥10mm。

在其中一个实施例中，所述入料口呈锥形，所述入料口的入料锥度为3°-5°。

本发明还提供一种挤压机。

具体技术方案为：

一种挤压机，包括挤压机主体，以及上述挤压模具。

本发明还提供一种细晶并完全再结晶6061铝合金的制备方法。

具体技术方案为：

一种细晶并完全再结晶6061铝合金的制备方法，包括以下步骤：

取铝合金棒材；

对所述铝合金棒材进行反向挤压，得型材中间体；

对所述型材中间体进行后处理，得细晶并完全再结晶6061铝合金。

在其中一个实施例中，所述反向挤压的工艺参数包括：挤压杆的推进速率为10mm/s-12mm/s，挤压比为40-60。

在其中一个实施例中，进行所述反应挤压前，将所述铝合金棒材升温至490℃-510℃，保温4h-6h。

在其中一个实施例中，所述铝合金棒材由以下质量百分比的原料制备而成：

Mg 0.8-1.2％，Si 0.4-0.8％，Fe≤0.30％,Cu 0.15-0.3％，Mn≤0.15％，Cr≤0.15％，Ti≤0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al。

在其中一个实施例中，所述Mg和Si质量比为(1.3-1.6)：1。

本发明还提供上述制备方法制得的细晶并完全再结晶6061铝合金。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

采用本发明结构的挤压模具进行反向挤压，可以使金属内外部具有均匀的界面流动，避免产生中心流速过快的问题。产品的变形热效应更均匀，制备的组织和性能更均匀，进而得到截面心部细小的再结晶组织。

上述细晶并完全再结晶6061铝合金在采用改进结构的挤压模具进行反向挤压的同时，还配合特定的挤压工艺参数和特定成分的铝合金棒材，制得的6061铝合金具有良好的力学性能，T6状态下硬度≥HB90。界面为完全再结晶组织，截面心部晶粒大小≤250μm。相比于非再结晶铝棒的推进速率为0.5mm/s-1.5mm/s，本发明再结晶的推进速率可达10mm/s-12mm/s，提高挤压效率。

附图说明

图1为实施例的挤压模具剖面示意图；

图2为实施例的挤压模具第一表面示意图；

图3为反向挤压过程示意图；

图4为实施例1的组织晶粒示意图；

图5为对比例的挤压模具第一表面示意图；

图6为对比例的挤压模具剖面图；

图7为对比例1的组织晶粒示意图；

图8为对比例2的组织晶粒示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的挤压模具、细晶并完全再结晶6061铝合金及其制备方法作进一步详细的说明。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为挤压模具的剖面图，如图1所示，挤压模具10具有第一表面101和第二表面102，所述第一表面101设有至少三个出料口110，所述第二表面102设有与至少三个所述出料110口分别相对应的入料口130，所述入料口130分别与所述出料口110通过过料通道140连通。可以理解的，过料通道可以是直的，也可以是弯曲的，靠近入料口的过料通道较窄，靠近出料口的过料通道较宽，过料通道的表面光滑，有利于型材通过。

进一步地，入料口呈锥形，铝合金棒材在上述挤压模具进行反向挤压时，先进入入料口(变形区压缩锥)，在挤压状态下，入料口内铝合金棒材横截面的横向线弯曲，中心部分超前，越接近出口其弯曲越大，导致中心部分的金属质点较早进入压缩锥中，流动速率也大于外层部分，由于流动阻力不同，越接近出口面，中心部分的流动速率与外层部分的流动速率差越大。在不同的挤压时期，随着锭坯长度的减小，压缩锥内各点的金属流速逐渐增高，金属内外层流动速率差值增大。金属流动速率的这种差异表明，在变形区内的金属塑性变形是不均匀的，其结果必然会反映到制品质量上。

上述挤压模具中，与出料口对应的入料口均匀分布在挤压模具的第二表面的圆环上，可以避免中心模孔先成型，减少金属内外层流速差的问题，通过多次试验摸索，通过增加进料锥度，可以提高再结晶驱动力，得到良好的晶粒效果，优选的进料锥度为3°-5°。

挤压模具的横截面可以为圆形，出料口也可以为圆形。图2为挤压模具的第一表面101示意图，如图2所示，出料口110设置于挤压模具10的第一表面，且均匀分布在第一表面的同一圆环上，出料口的数量至少有3个，优选为3个，在3个出料口的基础上继续增加出料口的数量，需复杂的牵引设备牵引。相邻出料口之间的横向间隙应≥10mm，横向间隙120是指相邻的两个出料口的纵向切线之间的距离。

一种细晶并完全再结晶6061铝合金的制备方法，包括以下步骤：

S1、取铝合金棒材。

S2、对所述铝合金棒材进行反向挤压，得型材中间体。

S3、对所述型材中间体进行后处理，得细晶并完全再结晶6061铝合金。

具体的，步骤S1中，铝合金棒材由以下质量百分比的原料，按照常规的制备工艺制得：

Mg 0.8-1.2％，Si 0.4-0.8％，Fe≤0.30％,Cu 0.15-0.3％，Mn≤0.15％，Cr≤0.15％，Ti≤0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al。

其中，优选Mg和Si质量比为(1.3-1.6)：1。

在铝合金成分设计时，在提高合金强度基础上的同时，要充分考虑热加工成形时工件生成有利于阳极氧化效果的再结晶组织。在Al-Mg-Si合金中，Mg和Si元素是形成强化相的主要合金元素，两者同时存在时会形成Mg₂Si时效强化相，合金随着Mg、Si含量的增加，其硬度和抗拉屈服强度会随之增加。优选按Mg/Si＝(1.3-1.6)：1的质量比设计成分，更优选按Si/Mg＝(1.5-1.6)：1的质量比设计成分，使Mg和Si可以充分被利用，形成Mg₂Si的析出强化相，过剩Si用于补充其他杂质元素造成的损耗。

Mn及Cr在铝合金基体当中与基体合金铝在均匀化处理时发生相变反应：Al+Mn→MnAl₆和Al+Cr→CrAl₇。MnAl6和CrAl7相能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，细化再结晶组织的晶粒，使合金再结晶困难，但淬火敏感性增加，使热处理困难。Mn、Cr的添加会使合金高温强度提高，不利于热加工成形。本发明Mn、Cr质量百分比均控制在0.15％以下，主要使本合金在热加工过程中的生产速度加快及更加容易产生再结晶的晶粒结构，以利于提高合金阳极氧化效果。而量的控制使得本合金的热处理变得简单。添加微量的Ti，可以细化合金铸造晶粒，有利于提高合金力学性能。但较多的Ti使得合金高温强度增加，热成型性能降低，不利于本发明铝合金棒材的制备。

步骤2中，对铝合金棒材进行反向挤压，挤压过程如图3所示.

(1)先将铝合金棒材30加热至490℃-510℃，然后保温4h-6h，再将其置于温度为400℃的盛锭筒20内。

(2)将上述挤压模具10安装于挤压杆40前端，并预热。

(3)当置有铝合金棒材30的盛锭筒20和挤压杆40到达定置点后，开始挤压，挤压过程中，控制挤压比为40-60，挤压杆的推进速率为10mm/s-12mm/s。

反向挤压时，铝合金棒材和挤压筒之间没有相对运动，摩擦力小，变形仅发生在模孔附近，没有深入到铝合金棒材整个内部，相对于正向挤压，具有截面挤压力小的特点，而且没有头尾横向裂纹的缺陷，可以获得更快的挤压速度和更高的挤压效率。采用上述结构的模具进行反向挤压，可以获得均匀的界面流动，避免中心流速过快的问题，产品的变形热效应更均匀，制备的组织和性能更均匀，进而得到截面心部细小的再结晶组织。

6061铝合金想要进行完全再结晶，需要同时满足两方面：再结晶温度和再结晶驱动力，再结晶温度受化学成分设计影响外，还主要体现在挤压过程中铝棒的保温和上机温度。再结晶驱动力主要体现在挤压速度和模具结构。从金属流动特性可以看出，中心流动速度最快，中心挤压力最小，再结晶驱动力也最小，需要避免中心流速过快的问题的同时，提高挤压速度，提高再结晶驱动力，进一步获得细化的晶粒，而铝合金硬度方面主要体现在固溶程度和Mg₂Si的析出强化，高温挤压时，晶粒控制困难，低温挤压时又会使得固溶程度控制困难，这就意味着硬度与晶粒正好呈一对相反的关系，晶粒越细，硬度就会相应降低，通过不断对工艺的摸索，最终制定出稳定的工艺。

步骤S3中，对所述型材中间体50进行常规后处理操作。

本发明通过从铝合金棒材的成分选择、模具的选择及其反向挤出工艺和工艺参数的优化，通过多方面配合，最终制备了力学性能好(硬度≥HB90)、截面完全再结晶和心部晶粒大小≤250μm的细晶并完全再结晶6061铝合金产品。相比于非再结晶铝棒的推进速率为0.5mm/s-1.5mm/s，本发明再结晶的推进速率可达10mm/s-12mm/s，提高挤压效率。

实施例1

(1)按照以下重量百分比的原料，制备产品规格Φ21铝棒：

Mg 0.9％，Si 0.6％，Fe 0.20％，Cu 0.20％，Mn 0.10％，Cr 0.10％，Ti 0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al。其中Mg、Si质量比为1.5：1。

(2)将上述铝棒加热至490℃，保温4h，再将其置于温度为400℃的盛锭筒内。

(3)将图1所示的挤压模具安装在挤压杆前端，预热。

(4)当置有铝棒的盛锭筒和挤压杆到达定置点后，开始挤压，得型材中间体，挤压过程中，控制挤压比为51，挤压杆的推进速率为10mm/s。

(5)对型材中间体进行常规后处理，即得产品，细晶并完全再结晶6061铝合金。

对上述产品进行检测，检测项目、方法和检测结果如下：

硬度检测：根据GBT231.1-2012《金属布氏硬度试验第1部分试验方法》采用直径2.5mm的硬质合金球在612.9N试验力下保持10-15s测定硬度值。

晶粒评级：根据国家标准GBT3246.1-2012《变形铝及铝合金制品显微组织检验方法，第1部分显微组织检验方法》选用浸蚀剂6号，腐蚀时间5-10s，通过OLYMPUS-GX51金相显微镜进行晶粒评级。

结果为：

硬度：HB93-98

组织晶粒检测：外部1晶粒99μm和心部3晶粒138μm，截面为完全再结晶组织，评级情况见图4。

对比例1

(1)采用与实施例1相同的原料和制备方法，制得与实施例1相同的铝棒。

(2)将上述铝棒加热至510℃，保温时间4h，再将其置于温度为400℃的盛锭筒内。

(3)本对比例的挤压模具的第一表面如图5所示，仅在挤压模具10的中心设置有一个出料口110。本对比例的挤压模具的剖面图如图6所示，位于第一表面101的一个出料口110通过一个过料通道140与设置于第二表面102的一个入料口131连通，该入料口131没有入料锥度。

将上述挤压模具安装在挤压杆前端，预热。

(4)当置有铝棒的盛锭筒和挤压杆到达定置点后，开始挤压，得型材中间体。挤压过程中，控制挤压比为55，挤压杆的推进速度7.0mm/s。

(5)对型材中间体进行常规后处理，即得产品。

采用与实施例1相同的检测项目和检测方法，对上述产品进行检测，结果如下：

硬度：HB94-97

组织检测：心部2晶粒382μm，截面为再结晶组织和非再结晶混合组织，评级情况见图7。

对比例2

(1)按照以下重量百分比的原料，制备产品规格Φ21铝棒：

Mg 1％，Si 0.6％，Fe 0.20％，Cu 0.2％，Mn 0.18％，Cr 0.2％，Ti 0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al。

(2)将上述铝棒加热至530℃，保温4h，再将其置于温度为400℃的盛锭筒内。

(3)将图5和图6所示的挤压模具安装在挤压杆前端，预热。

(4)当置有铝棒的盛锭筒和挤压杆到达定置点后，开始挤压，得型材中间体。挤压过程中，控制挤压比为21，挤压杆的推进速度1.5mm/s。

(5)对型材中间体进行常规后处理，即得产品。

采用与实施例1相同的检测项目和检测方法，对上述产品进行检测，结果如下：

硬度：HB95-102

组织检测：存在组织分层和条纹缺陷，扫描情况见图8。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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)

1.一种挤压模具，其特征在于，所述挤压模具具有第一表面和第二表面，所述第一表面设有至少三个出料口，所述第二表面设有与各个所述出料口相对应的入料口，所述挤压模具内具有数量与所述出料口数量一致的过料通道，各个所述入料口通过所述过料通道与相应的所述出料口连通，多个所述出料口均匀分布在所述第一表面的同一圆环上。

2.根据权利要求1所述的挤压模具，其特征在于，相邻所述出料口的横向间隙≥10mm。

3.根据权利要求1或2所述的挤压模具，其特征在于，所述入料口呈锥形，所述入料口的入料锥度为3°-5°。

4.一种挤压机，其特征在于，包括挤压机主体，以及权利要求1-3任一项所述的挤压模具。

5.一种细晶并完全再结晶6061铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

取铝合金棒材；

对所述铝合金棒材进行反向挤压，得型材中间体；

对所述型材中间体进行后处理，得细晶并完全再结晶6061铝合金。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述反向挤压的工艺参数包括：挤压杆的推进速率为10mm/s-12mm/s，挤压比为40-60。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，进行所述反应挤压前，将所述铝合金棒材升温至490℃-510℃，保温4h-6h。

8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金棒材由以下质量百分比的原料制备而成：

Mg 0.8-1.2％，Si 0.4-0.8％，Fe≤0.30％,Cu 0.15-0.3％，Mn≤0.15％，Cr≤0.15％，Ti≤0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述Mg和Si质量比为(1.3-1.6)：1。

10.一种权利要求5-9任一项所述的制备方法制得的细晶并完全再结晶6061铝合金。