CN109295360B - 一种抗高温脆化的易切削铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抗高温脆化的易切削铝合金及其制备方法，铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.0～1.2％，Si 0.6～0.9％，Mn 0.3～0.5％，Cu 0.15～0.2％，Fe 0.15～0.2％，Cr 0.1～0.15％，Sr 0.04～0.05％，Ti 0.03～0.04％，B 0.006～0.008％，Sn 0.4～0.6％，Bi 0.3～0.5％，余量为Al和不可避免的杂质元素。本发明通过优化设计合金的成分组成和制备工艺，使晶界上的连续网状Sn、Bi低熔点共晶组织转变为非连续网状，使粗大针片状富Fe相和过剩Si相转变为细小颗粒状并弥散分布在铝基体，抑制晶界迁移和位错运动，提高易切削铝合金的再结晶温度和高温稳定性，解决了易切削铝合金的高温脆化问题。本发明铝合金具有优异的切削加工性能和耐高温性能，且不含铅、镉等重金属元素，属于绿色环保的易切削铝合金。

Description

一种抗高温脆化的易切削铝合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体是涉及一种抗高温脆化的易切削铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、导热导电性能好、易加工成形、可回收利用等优点，广泛用于建筑、汽车、电子、电器、机械装备等领域。在众多铝合金零部件的生产制造过程中都需要经过大量的车、铣、钻孔、攻丝等切削加工，如汽车传动阀、制动器活塞、空调压缩机活塞、手机背板和中框、螺钉、螺杆、滑轮、轴承等铝合金零部件。
传统铝合金的切屑不易断，切屑缠刀、粘刀严重，排屑也不方便，这极大影响铝合金零部件切削加工的生产效率，也难以获得表面光洁、尺寸精度高的铝合金零部件。易切削铝合金通常是指切屑易断、不粘刀、不缠刀的铝合金。易切削铝合金可以采用更高的速度和更大的进刀量进行切削加工，因而可以显著提高铝合金零部件切削加工的生产效率。另外，采用易切削铝合金容易获得表面光洁和尺寸精度高的铝合金零部件。
目前易切削铝合金主要通过添加低熔点金属元素来提高其切削加工性能，在铝合金高速切削过程中，由于摩擦生热使铝合金温度升高，当与切削刀具接触点附件的铝合金屑的温度接近或达到低熔点金属元素或其组成物的熔点时，这些低熔点金属元素或其组成物发生软化或熔化，铝合金切屑断裂，不缠刀，不粘刀。
添加低熔点金属元素虽然可以提高铝合金的切削加工性能，但这些易切削铝合金普遍存在强度偏低、高温脆性大、耐热性能不足的问题。另外，现有易切削铝合金通常都含有铅、镉、铊等低熔点金属元素，但铅、镉、铊都属于有毒化作用的重金属元素，会给人体健康和生态环境带来严重的危害。因此，现有易切削铝合金及其制备方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种抗高温脆化的易切削铝合金及其制备方法，通过优化设计合金的成分组成和细化变质处理工艺，解决易切削铝合金的高温脆化问题，提高易切削铝合金的强度、塑性、切削加工性能和耐高温性能，且不含铅、镉等重金属元素，属于绿色环保的易切削铝合金。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述抗高温脆化的易切削铝合金，其特点是：该铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.0～1.2％，Si 0.6～0.9％，Mn 0.3～0.5％，Cu 0.15～0.2％，Fe 0.15～0.2％，Cr 0.1～0.15％，Sr 0.04～0.05％，Ti 0.03～0.04％，B 0.006～0.008％，Sn 0.4～0.6％，Bi 0.3～0.5％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。
优选的，所述铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.05～1.15％，Si 0.75～0.85％，Mn 0.35～0.45％，Cu 0.15～0.2％，Fe 0.15～0.2％，Cr 0.1～0.15％，Sr 0.04～0.05％，Ti 0.03～0.04％，B 0.006～0.008％，Sn 0.45～0.55％，Bi 0.35～0.45％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。
本发明所述抗高温脆化的易切削铝合金的制备方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用铝锭、镁锭、铋锭、锡锭、铝硅合金、铝锰合金、铝铜合金、铝铁合金、铝铬合金、铝锶合金杆和铝钛硼合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在720～730℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、锡锭、铝硅合金、铝锰合金、铝铜合金、铝铁合金和铝铬合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用高纯惰性气体和无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼进行除气除杂处理，扒渣后再静置一定时间；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入铝锶合金杆和铝钛硼合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度690～700℃半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将半连续铸造铝合金圆棒进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将均匀化处理后的半连续铸造铝合金圆棒加热挤压成铝合金，然后将挤压铝合金水雾冷却至室温；
第九步：将挤压铝合金进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到抗高温脆化的易切削铝合金。
其中，上述第一步中，所述铝锭是铝含量99.7％的铝锭，镁锭是镁含量99.8％的镁锭，铋锭是铋含量99.9％的铋锭，锡锭是锡含量99.9％的锡锭，铝硅合金是AlSi20合金，铝锰合金是AlMn10合金，铝铜合金是AlCu50合金，铝铁合金是AlFe20合金，铝铬合金是AlCr5合金，铝锶合金杆是AlSr5合金杆，铝钛硼合金杆是AlTi5B1合金杆。
上述第三步中，所述高纯惰性气体是纯度99.9％的氮气，所述无钠精炼剂是指不含NaCl、NaF、Na2CO3钠盐的精炼剂，无钠精炼剂的用量占原材料总重量的0.3～0.5％，所述喷吹精炼的时间为10～15分钟，所述静置的时间为20～30分钟。
上述第五步中，所述除气机的石墨转子旋转速度为150～200转/分钟，氮气流量为0.6～0.8立方米/小时，所述泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为30～40ppi。
上述第六步中，所述半连续铸造的铸造速度为80～100毫米/分钟，冷却水压力为0.4～0.6MPa。
上述第七步中，所述双级均匀化处理是将半连续铸造铝合金圆棒先加热至320～330℃保温2～3小时，接着继续升温到505～515℃保温6～7小时。
上述第八步中，所述加热挤压是将均匀化处理后的铝合金圆棒先加热至450～460℃，然后在模具温度320～330℃、挤压筒温度300～310℃、挤压速度为4～5米/分钟、挤压比为20～40的条件下挤压成铝合金。
上述第九步中，所述双级时效处理是将挤压铝合金先加热至120～130℃保温1～2小时，然后再继续升温至155～165℃保温6～8小时。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明提供的易切削铝合金不含铅、镉、铊等重金属元素，不会对人体健康和生态环境带来危害，属于绿色环保的易切削铝合金；
(2)本发明通过优化设计Mg、Si、Cu、Mn等元素的含量组成，使铝合金获得高强度，通过优化设计Sn、Bi的含量组成，使铝合金获得优良的切削加工性能；
(3)本发明通过细化变质使过剩单质Si和β-Fe富铁相转变为细小均匀的颗粒状并弥散分布铝基体上，阻碍晶界滑移和位错运动，提高易切削铝合金的再结晶温度，有效实现了过剩相强化、弥散相强化和晶界强化，从而提高了易切削铝合金的高温强度；
(4)本发明通过对半连续铸造铝合金圆棒进行双级均匀化处理，并通过挤压产生的剧塑性变形，使晶界上呈连续网状分布的Sn、Bi低熔点共晶组织转变为非连续的共晶组织，解决了易切削铝合金的高温脆化问题，进一步提高铝合金的强度、高温稳定性和切削加工性能；
(5)本发明易切削铝合金的室温抗拉强度大于400MPa，断后伸长率大于13％，150℃高温下易切削铝合金的抗拉强度大于330MPa，断后伸长率大于16％，具有强度高、塑性好和优良的切削加工性能，同时还具有优异的耐高温性能。
附图说明
图1为实施例1铝合金高速切削的切屑形貌。
图2为实施例2铝合金高速切削的切屑形貌。
图3为实施例3铝合金高速切削的切屑形貌。
图4为对比例1铝合金高速切削的切屑形貌。
图5为对比例2铝合金高速切削的切屑形貌。
图6为对比例3铝合金高速切削的切屑形貌。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例和对比例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的抗高温脆化的易切削铝合金，由以下质量百分比的成分组成：Mg1.0～1.2％，Si 0.6～0.9％，Mn 0.3～0.5％，Cu 0.15～0.2％，Fe 0.15～0.2％，Cr 0.1～0.15％，Sr 0.04～0.05％，Ti 0.03～0.04％，B 0.006～0.008％，Sn 0.4～0.6％，Bi 0.3～0.5％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。
优选的，所述抗高温脆化的易切削铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg1.05～1.15％，Si 0.75～0.85％，Mn 0.35～0.45％，Cu 0.15～0.2％，Fe 0.15～0.2％，Cr 0.1～0.15％，Sr 0.04～0.05％，Ti 0.03～0.04％，B 0.006～0.008％，Sn 0.45～0.55％，Bi0.35～0.45％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。
Mg在铝合金中的固溶度较大，可通过固溶强化提高铝合金的强度。Mg与Si还会形成Mg2Si强化相增强铝合金的强度。Mg含量越高，铝合金的强度也越高。Mg含量低于1.0％时，铝合金的强度不足，Mg含量大于1.2％时，铝合金的强度太高。因此，Mg含量选择为1.0～1.2％时，优选的，Mg含量为1.05～1.15％。
Si除了与Mg形成Mg2Si强化相增强铝合金的强度外，还有较多的过剩单质Si相，单质Si相的硬度高熔点高，当过剩的单质Si相呈细小颗粒状弥散分布在铝合金中时，不仅可以增强铝合金的强度，还可以阻碍铝基体晶界的滑移和位错的运动，提高铝合金的耐热性能。Si含量低于0.6％时，单质Si对铝合金的过剩相强化效果不明显，但Si含量大于0.9％时，铝合金也容易变脆。因此，Si含量选择为0.6～0.9％，优选的，Si含量为0.75～0.85％。
Mn在铝合金中的固溶度较大，通过固溶强化不仅可以提高铝合金的强度，Mn与Al还能形成MnAl6化合物弥散粒子并分布在晶界上，对再结晶起到阻碍作用，提高铝合金的再结晶温度，抑制铝合金的晶粒长大。另外，Mn还能溶解部分元素Fe，形成FeMnAl6相。但Mn含量也不宜太高，否者容易形成粗大的MnAl6化合物，导致偏析严重，反而会恶化铝合金的力学性能。因此，Mn含量选择为0.3～0.5％，优选的，Mn含量为0.35～0.45％。
Cu在铝合金中具有较大的固溶度，通过固溶强化不仅可以提高铝合金的强度，还能增大铝原子之间的结合力，减慢原子的扩散过程和固溶体的分解速度，提高铝合金高温下的热稳定性。另外，Cu还会与Al形成Al2Cu强化相增强铝合金的强度。当Cu含量太高也容易引起铝合金半连续铸造锭产生热裂，并降低铝合金的耐腐蚀性能。因此，Cu含量选择为0.15～0.2％。
Fe在铝合金中通常作为杂质元素处理，原因是Fe在铝合金中通常以粗大针状FeAl3、FeSiAl3、FeMnAl6等β-Fe富铁相形式存在于铝合金基体中，这些粗大针状β-Fe富铁相为硬脆相，会严重割裂铝合金基体，成为铝合金发生断裂的裂纹源和裂纹扩展方向，恶化铝合金的强度、塑性和断裂韧性。另外，这些针状β-Fe富铁相还会与铝基体形成微电偶腐蚀，降低铝合金的抗腐蚀性能。但是富铁相的熔点高硬度高，当粗大针状β-Fe富铁相转变为细小均匀的颗粒状α-Fe富铁相弥散分布在铝基体上时，不仅可以直接提高铝合金的强度，还可以阻碍高温下晶界的流变，增大基体内位错运动的阻力，阻碍晶界的滑移和位错的运动，显著提高铝合金的高温强度。因此，Fe含量选择为0.15～0.2％。
Cr在铝合金中的作用主要是细化变质β-Fe富铁相，0.1～0.15％的Cr可使铝合金中粗大针状β-Fe富铁相转变为细小均匀的颗粒状α-Fe富铁相弥散分布在铝基体上时，消除粗大针状β-Fe富铁相对铝合金强度、塑性和耐腐蚀性能的危害，同时利用弥散分布在铝基体上细小均匀的颗粒状α-Fe富铁相阻碍高温下晶界的滑移和位错的运动，提高铝合金的热稳定性。因此，Cr含量选择为0.1～0.15％。
Sn和Bi低熔点金属元素主要作用提高铝合金的切削加工性能，但Sn和Bi通常是以连续网状的低熔点共晶组织形式分布在铝合金的晶界上，而连续网状的低熔点共晶组织容易引发晶界断裂，当铝合金的温度升高时，晶界上的连续网状低熔点共晶组织发生软化或熔化是导致铝合金发生高温脆化的主要原因。因此，强化晶界是提高铝合金耐热性的重要途径。Sr在铝合金中除了细化变质过剩的单质Si相，使过剩的单质Si相呈细小颗粒状弥散分布在铝合金中，增强铝合金的强度和的耐热性能外，Sr元素还是表面活性元素，还能吸附在晶界上，提高晶界的热力学稳定性，降低晶界能和提高原子间的结合力，从而减少晶界处Sn、Bi原子的扩散能力，提高铝合金的高温蠕变性能。Sr含量低于0.04％，既无法有效细化变质过剩单质Si相，对晶界的强化作用也不明显。因此，Sr含量选择0.04～0.05％。
Ti和B是以AlTi5B1合金杆的形式在线加入到铝合金中，主要作用是细化铝合金的晶粒组织，改善组织均匀性，提高铝合金的强度、塑性和加工性能。添加0.6～0.8％的AlTi5B1合金杆，铝合金中含有0.03～0.04％的Ti，0.006～0.008％的B，可将铝合金的组织细化为细小均匀的等轴晶，显著改善铝合金的组织均匀性，提高铝合金的强度、塑性和加工性能。
本发明提供的所述抗高温脆化的易切削铝合金的制备方法，其特点是包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用铝锭、镁锭、铋锭、锡锭、铝硅合金、铝锰合金、铝铜合金、铝铁合金、铝铬合金、铝锶合金杆和铝钛硼合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在720～730℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、锡锭、铝硅合金、铝锰合金、铝铜合金、铝铁合金和铝铬合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用高纯惰性气体和无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼进行除气除杂处理，扒渣后再静置；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入铝锶合金杆和铝钛硼合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度690～700℃半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将半连续铸造铝合金圆棒进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将均匀化处理后的半连续铸造铝合金圆棒加热挤压成铝合金，然后将挤压铝合金水雾冷却至室温；
第九步：将挤压铝合金进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到抗高温脆化的易切削铝合金。
其中，第一步中，所述铝锭是铝含量99.7％的铝锭，镁锭是镁含量99.8％的镁锭，铋锭是铋含量99.9％的铋锭，锡锭是锡含量99.9％的锡锭，铝硅合金是AlSi20合金，铝锰合金是AlMn10合金，铝铜合金是AlCu50合金，铝铁合金是AlFe20合金，铝铬合金是AlCr5合金，铝锶合金杆是AlSr5合金杆，铝钛硼合金杆是AlTi5B1合金杆。
Fe是铝锭中不可避免的杂质元素，铝含量为99.7％的铝锭中含有0.15％的Fe，由于本发明提供的铝合金需要含有0.15～0.2％的Fe来增强铝合金的耐热性能，因此，优选铝含量为99.7％的铝锭，再额外通过添加AlFe20合金来配足Fe的含量即可。
第三步中，所述高纯惰性气体是纯度用纯度99.9％的氮气或氩气，优选为纯度99.9％的氮气。所述无钠精炼剂是指不含NaCl、NaF、Na2CO3等钠盐的精炼剂，无钠精炼剂的用量占原材料总重量的0.3～0.5％。所述喷吹精炼的时间为10～15分钟。所述静置的时间为20～30分钟。
无钠精炼剂是不含NaCl、NaF、Na2CO3等钠盐的精炼剂，这是铝合金熔铸领域技术人员的公知常识。Na在铝合金中几乎不溶解，最大固溶度小于0.0025％，并且Na的熔点低，仅为97.8℃。当采用传统含Na盐的精炼剂对铝合金液进行精炼时，会使铝合金液中残留Na元素，在铝合金液凝固过程中，Na吸附在铝枝晶表面或晶界上，在铝合金热加工和服役使用过程中，晶界上的Na形成液态吸附层，使铝合金产生高温脆化开裂，即“钠脆”。因此，本发明选用不含NaCl、NaF、Na2CO3等钠盐的精炼剂对铝合金液进行精炼，避免“钠脆”，提高铝合金的高温稳定性。
第五步中，所述除气机的石墨转子旋转速度为150～200转/分钟，氮气流量为0.6～0.8立方米/小时。所述泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为30～40ppi。
气孔和夹杂是铝合金的常见缺陷，这些缺陷也是铝合金断裂的裂纹源和被腐蚀的起点。为了确保能够获得高性能的铝合金，本发明首先对炉内铝合金液进行喷吹精炼除气除杂，然后再将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理，对铝合金进行深度净化，获得高洁净度的铝合金，提高铝合金的强度、塑性、高韧性和耐腐蚀性能。
第六步中，所述半连续铸造的铸造速度为80～100毫米/分钟，冷却水压力为0.4～0.6MPa。
第七步中，所述双级均匀化处理是将半连续铸造铝合金圆棒先加热至320～330℃保温2～3小时，接着继续升温到505～515℃保温6～7小时。
均匀化处理的目的是消除半连续铸造圆棒内部Mg、Si、Mn、Cu、Sn、Bi等元素的宏微观偏析，使粗大金属间化合物尽可能充分熔解。特别是Sn、Bi通常是以连续网状的低熔点共晶组织形式分布在半连续铸造铝合金圆棒的晶界上。发明人通过大量实验研究后发现，将半连续铸造铝合金圆棒先加热至320～330℃保温2～3小时，接着继续升温到505～515℃保温6～7小时进行均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温，不仅可以消除半连续铸造圆棒内部Mg、Si、Mn、Cu、Sn、Bi等元素的宏微观偏析，还能有效抑制Sn、Bi以连续网状的低熔点共晶组织形式分布在半连续铸造铝合金圆棒的晶界上，使连续网状的Sn、Bi低熔点共晶组织转变为非连续的共晶组织分布在晶界上，显著提高铝合金的高温稳定性，降低铝合金高温脆化倾向。
第八步中，所述加热挤压是将均匀化处理后的铝合金圆棒先加热至450～460℃，然后在模具温度320～330℃、挤压筒温度300～310℃、挤压速度为4～5米/分钟、挤压比为20～40的条件下挤压成铝合金。
将均匀化处理后的铝合金圆棒加热至450～460℃，然后在模具温度320～330℃、挤压筒温度300～310℃、挤压速度为4～5米/分钟、挤压比为20～40的条件下挤压成铝合金,通过挤压过程中剧烈塑性变形可以进一步破碎晶界上分布的Sn、Bi低熔点共晶组织，使Sn、Bi低熔点共晶组织更加均匀弥散分布在铝合金的铝基体上，不仅可以显著降低铝合金的高温脆性，还可提高铝合金的切削加工性能。
第九步中，所述双级时效处理将挤压铝合金先加热至120～130℃保温1～2小时，然后再继续升温至155～165℃保温6～8小时。
铝合金的时效工艺会直接影响到Mg2Si、CuAl2等强化相的形态、大小和分布，并最终影响到铝合金的强度和塑性。现有技术通常采用单级峰值时效工艺对铝合金进行时效处理，虽然可以获得最高的强度，但会大幅度牺牲铝合金的塑性。发明人对本发明铝合金的时效工艺进行系统研究后发现，采用双级时效工艺，即将挤压铝合金先加热至120～130℃保温1～2小时，然后再继续升温至155～165℃保温6～8小时进行时效处理，铝合金既可以获得所需要的强度，同时又具有优异的塑性。
实施例1：
铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.1％，Si 0.8％，Mn 0.4％，Cu0.18％，Fe 0.16％，Cr 0.12％，Sr 0.045％，Ti 0.035％，B 0.007％，Sn 0.5％，Bi 0.4％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。铝合金的制备方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.8％的镁锭、铋含量99.9％的铋锭、锡含量99.9％的锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金、AlCr5合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在725℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金和AlCr5合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量0.4％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼12分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置25分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为180转/分钟和氮气流量为0.7立方米/小时的除气机和孔隙率为30ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度695℃、铸造速度90毫米/分钟、冷却水压力0.5MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将半连续铸造铝合金圆棒先加热至325℃保温2.5小时，接着继续升温到510℃保温6.5小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将均匀化处理后的半连续铸造铝合金圆棒先加热至455℃，然后在模具温度325℃、挤压筒温度305℃、挤压速度为4.5米/分钟、挤压比为25的条件下挤压成铝合金，然后将挤压铝合金水雾冷却至室温；
第九步：将挤压铝合金先加热至125℃保温1.5小时，然后再继续升温至160℃保温7小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金。
实施例2：
铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.2％，Si 0.6％，Mn 0.5％，Cu0.15％，Fe 0.2％，Cr 0.1％，Sr 0.05％，Ti 0.03％，B 0.006％，Sn 0.6％，Bi 0.3％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。铝合金的制备方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.8％的镁锭、铋含量99.9％的铋锭、锡含量99.9％的锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金、AlCr5合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在730℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金和AlCr5合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量0.3％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼15分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置20分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为150转/分钟和氮气流量为0.8立方米/小时的除气机和孔隙率为30ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度700℃、铸造速度80毫米/分钟、冷却水压力0.6MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将半连续铸造铝合金圆棒先加热至320℃保温3小时，接着继续升温到515℃保温6小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将均匀化处理后的半连续铸造铝合金圆棒先加热至460℃，然后在模具温度320℃、挤压筒温度300℃、挤压速度为5米/分钟、挤压比为20的条件下挤压成铝合金，然后将挤压铝合金水雾冷却至室温；
第九步：将挤压铝合金先加热至130℃保温1小时，然后再继续升温至155℃保温8小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金。
实施例3：
铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.0％，Si 0.9％，Mn 0.3％，Cu 0.2％，Fe 0.15％，Cr 0.15％，Sr 0.04％，Ti 0.04％，B 0.008％，Sn 0.4％，Bi 0.5％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。铝合金的制备方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.8％的镁锭、铋含量99.9％的铋锭、锡含量99.9％的锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金、AlCr5合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在720℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金和AlCr5合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量0.5％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置30分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为200转/分钟和氮气流量为0.6立方米/小时的除气机和孔隙率为40ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度690℃、铸造速度100毫米/分钟、冷却水压力0.4MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将半连续铸造铝合金圆棒先加热至330℃保温2小时，接着继续升温到505℃保温7小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将均匀化处理后的半连续铸造铝合金圆棒先加热至450℃，然后在模具温度330℃、挤压筒温度310℃、挤压速度为4米/分钟、挤压比为40的条件下挤压成铝合金，然后将挤压铝合金水雾冷却至室温；
第九步：将挤压铝合金先加热至120℃保温2小时，然后再继续升温至165℃保温6小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金。
对比例1：
铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.1％，Si 0.8％，Mn 0.4％，Cu0.18％，Fe 0.16％，Cr 0.12％，Sr 0.045％，Ti 0.035％，B 0.007％，Sn 0.3％，Bi 0.2％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。铝合金的制备方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.8％的镁锭、铋含量99.9％的铋锭、锡含量99.9％的锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金、AlCr5合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在725℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金和AlCr5合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量0.4％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼12分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置25分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为180转/分钟和氮气流量为0.7立方米/小时的除气机和孔隙率为30ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度695℃、铸造速度90毫米/分钟、冷却水压力0.5MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将半连续铸造铝合金圆棒先加热至325℃保温2.5小时，接着继续升温到510℃保温6.5小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将均匀化处理后的半连续铸造铝合金圆棒先加热至455℃，然后在模具温度325℃、挤压筒温度305℃、挤压速度为4.5米/分钟、挤压比为25的条件下挤压成铝合金，然后将挤压铝合金水雾冷却至室温；
第九步：将挤压铝合金先加热至125℃保温1.5小时，然后再继续升温至160℃保温7小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金。
对比例2：
铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.2％，Si 0.6％，Mn 0.5％，Cu0.15％，Fe 0.2％，Sr 0.05％，Ti 0.03％，B 0.006％，Sn 0.6％，Bi 0.3％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。铝合金的制备方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.8％的镁锭、铋含量99.9％的铋锭、锡含量99.9％的锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在730℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量0.3％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼15分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置20分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为150转/分钟和氮气流量为0.8立方米/小时的除气机和孔隙率为30ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度700℃、铸造速度80毫米/分钟、冷却水压力0.6MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将半连续铸造铝合金圆棒先加热至320℃保温3小时，接着继续升温到515℃保温6小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将均匀化处理后的半连续铸造铝合金圆棒先加热至460℃，然后在模具温度320℃、挤压筒温度300℃、挤压速度为5米/分钟、挤压比为20的条件下挤压成铝合金，然后将挤压铝合金水雾冷却至室温；
第九步：将挤压铝合金先加热至130℃保温1小时，然后再继续升温至155℃保温8小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金。
对比例3：
铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.0％，Si 0.9％，Mn 0.3％，Cu 0.2％，Fe 0.15％，Cr 0.15％，Ti 0.04％，B 0.008％，Sn 0.4％，Bi 0.5％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％。铝合金的制备方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.8％的镁锭、铋含量99.9％的铋锭、锡含量99.9％的锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金、AlCr5合金和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在720℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金和AlCr5合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和占原材料总重量0.5％的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼10分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置30分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为200转/分钟和氮气流量为0.6立方米/小时的除气机和孔隙率为40ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
第六步：将铝合金液在铸造温度690℃、铸造速度100毫米/分钟、冷却水压力0.4MPa条件下半连续铸造成铝合金圆棒；
第七步：将半连续铸造铝合金圆棒先加热至330℃保温2小时，接着继续升温到505℃保温7小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将均匀化处理后的半连续铸造铝合金圆棒先加热至450℃，然后在模具温度330℃、挤压筒温度310℃、挤压速度为4米/分钟、挤压比为40的条件下挤压成铝合金，然后将挤压铝合金水雾冷却至室温；
第九步：将挤压铝合金先加热至120℃保温2小时，然后再继续升温至165℃保温6小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金。
按国家标准GB/T16865-2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》，将实施例1～3和对比例1～3的铝合金加工成标准拉伸试样，在INSTRON-200型电子拉伸试验机上进行25℃室温和150℃高温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，检测铝合金的室温和高温抗拉强度和断后伸长率，检测结果分别如表1和表2所示。
表1实施例和对比例铝合金25℃的室温拉伸力学性能
抗拉强度/MPa 伸长率/％
实施例1 433.6 13.5
实施例2 402.9 15.4
实施例3 418.5 14.6
对比例1 438.5 13.6
对比例2 356.8 12.1
对比例3 367.1 11.9
表2实施例和对比例铝合金150℃的高温拉伸力学性能
Figure BDA0001895284060000161
Figure BDA0001895284060000171
为了检验实施例和对比例铝合金的切削加工性能，分别在实施例1～3和对比例1～3的铝合金上取样，在CTN3500型车床上进行高速切削试验，刀具材料为YG8硬质合金，刀具进刀量为0.5毫米，转速为1500转/分钟，通过观察切屑的形貌来评价铝合金的切削加工性能，图1～3分别为实施例1～3铝合金高速切削的切屑形貌，图4～6分别为对比例1～3铝合金高速切削的切屑形貌。
从表1和表2可看到，实施例1～3铝合金的室温抗拉强度大于400MPa，伸长率大于13％，150℃高温下铝合金的抗拉强度大于330MPa，伸长率大于16％。从图1～3可看到，实施例1～3铝合金高速切削的切屑细小，未见有长条连续的切屑，表明实施例1～3的铝合金切屑易断，不粘刀，不缠刀，具有优异的切削加工性能。
从表1和表2可看到，对比例1的铝合金，虽然室温和高温拉伸力学都较高，但是由于Sn低于0.4％，Bi含量低于0.3％，从图4可看到，铝合金的切屑粗大且较长，表明对比例1铝合金的切削加工性能较差。对比例2由于未添加Cr对粗大针状β-Fe富铁相进行细化变质，对比例3由于未添加Sr对过剩的单质Si进行细化变质，虽然铝合金的切屑也细小，但铝合金的室温抗拉强度小于370MPa，伸长率低于13％，150℃高温下铝合金的抗拉强度小于270MPa，伸长率低于15％，室温和高温力学性能都较差。
通过上述实施例1～3和对比例1～3铝合金的比较可以看到，本发明通过优化设计合金的成分组成，通过对粗大针状β-Fe富铁相和过剩单质Si相进行细化变质处理，不仅可以显著提高铝合金的切削加工性能和室温力学性能，还显著提高了铝合金的耐高温性能，且本发明易切削铝合金不含铅、镉等重金属元素，属于绿色环保的易切削铝合金。

Claims (1)

1.一种抗高温脆化易切削铝合金的制备方法，其特征在于：所述铝合金由以下质量百分比的成分组成：Mg 1.0～1.2％，Si 0.6～0.9％，Mn 0.3～0.5％，Cu 0.15～0.2％，Fe0.15～0.2％，Cr 0.1～0.15％，Sr 0.04～0.05％，Ti 0.03～0.04％，B 0.006～0.008％，Sn 0.4～0.6％，Bi 0.3～0.5％，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05％，杂质元素总量≤0.15％；该铝合金的制备方法包括以下步骤：
第一步：按照铝合金的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.7％的铝锭、镁含量99.8％的镁锭、铋含量99.9％的铋锭、锡含量99.9％的锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金、AlCr5合金、AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆为原材料进行配料；
第二步：将铝锭在720～730℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、锡锭、AlSi20合金、AlMn10合金、AlCu50合金、AlFe20合金和AlCr5合金，搅拌熔化成铝合金液；
第三步：用纯度99.9％的氮气和不含NaCl、NaF、Na2CO3钠盐的无钠精炼剂对铝合金液喷吹精炼进行除气除杂处理，无钠精炼剂的用量占原材料总重量的0.3～0.5％，喷吹精炼的时间为10～15分钟，扒渣后再静置20～30分钟；
第四步：将铝合金液导入流槽，然后加入AlSr5合金杆和AlTi5B1合金杆进行在线细化变质处理；
第五步：将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理，所述除气机的石墨转子旋转速度为150～200转/分钟，氮气流量为0.6～0.8立方米/小时，所述泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为30～40PPI ；
第六步：将铝合金液在铸造温度690～700℃半连续铸造成铝合金圆棒，所述半连续铸造的铸造速度为80～100毫米/分钟，冷却水压力为0.4～0.6MPa；
第七步：将半连续铸造铝合金圆棒先加热至320～330℃保温2～3小时，接着继续升温到505～515℃保温6～7小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
第八步：将均匀化处理后的半连续铸造铝合金圆棒先加热至450～460℃，然后在模具温度320～330℃、挤压筒温度300～310℃、挤压速度为4～5米/分钟、挤压比为20～40的条件下挤压成铝合金，然后将挤压铝合金水雾冷却至室温；
第九步：将挤压铝合金先加热至120～130℃保温1～2小时，然后再继续升温至155～165℃保温6～8小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到抗高温脆化的易切削铝合金。
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