CN109306418A

CN109306418A - 基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料及其制造方法

Info

Publication number: CN109306418A
Application number: CN201811433038.2A
Authority: CN
Inventors: 黄元春; 章强; 王艳玲; 谭维杨
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2019-02-05

Abstract

本发明属于铝基合金技术领域，公开了一种基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料及其制造方法，按照质量百分比由Zn 5.0％～6.2％、Mg 1.9％～2.6％、Ti 0.05％～0.09％、Si≤0.03％、Fe≤0.06％和Al组成；Al补足至100％。本发明通过合金成分优化、配料、熔炼、净化、半连续铸造得到新型高品质7系铝合金铸锭，利用该合金成分铸锭进行挤压，获得挤压板材抗拉强度≥440MPa，屈服强度≥410MPa，硬度＞150HV，断后延伸率≥9％，其表面质量不低于市场现有3C产品用材料水平，且挤压过程中挤压速度最大可达7m/min，正常生产速度可达2‑4m/min，生产效率得以保证，可应用于3C产品构件以及外壳等制备。

Description

基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料及其制造方法

技术领域

本发明属于铝基合金技术领域，尤其涉及一种基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料及其制造方法。

背景技术

随着电子信息时代步伐的加快，用户对手机、笔记本电脑等产品等3C产品的要求越来越高，对3C产品的外表美观度和外壳材料的机械性能愈加重视，金属外壳已逐渐取代塑料外壳成为市场主导，其中铝合金材质的3C产品在外观质感，轻薄化，导热性、对产品内部元器件保护性和经济性等方面占有较大优势。然而，市场上现有3C产品普遍采用5系或6系铝合金材料，存在强度硬度较低，抗变形、抗磨损和抗摔能力较差等一系列问题。

目前市场上3C产品用构件及外壳材料普遍采用的铝合金包括6063、6061和某些5系铝合金。6系铝合金中Si、Mg、Cu等合金元素含量低，主要强化相为Mg₂Si、Al₂Cu相等，5系铝合金为Al-Mg合金，主要通过加工硬化提高强度。但上述合金屈服强度均较低，通常小于350MPa，已经无法满足用户要求。传统7系铝合金材料较5系、6系铝合金强度硬度更高，但存在成形困难，表面处理过程中易出现黑线和料纹等缺陷的问题。新型7系铝合金中含有Zn、Mg等合金元素，且合金元素含量较高，主要强化相为MgZn₂相，强化效果明显，此外还通过添加微量元素细化晶粒起到细晶强化的作用，所以新型7系铝合金强度更高，约为480-510MPa。

现有技术存在的问题是：

(1)目前3C产品用7系铝合金抗拉强度与屈服强度均低于400MPa，硬度均低于140HV。

(2)提高材料强度的同时，其表面处理的难度增大。

(3)在挤压过程中易出现黑线和料纹等表面缺陷。

以上问题制约了7系铝合金在3C产品上的发展与应用。故本发明人首次提出利用本发明一种基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料及其制造方法，解决上述问题，且将新型7系铝合金材料应用于手机、笔记本电脑等3C产品用构件及外壳材料，以满足手机、笔记本电脑等3C产品对构件性能和外壳材料强度硬度，抗变形、抗磨损和抗摔能力不断提升的需求。

解决上述技术问题的难度和意义：解决上述问题的难度在于7系铝合金在熔铸过程中，对铸锭中夹杂、粗晶及成分偏析等缺陷的有效控制；在于7系铝合金在挤压过程中，非均匀断面挤压流变易失稳，易出现尺寸超差、弯曲变形甚至断裂等挤压缺陷；在于7系铝合金在拉拔过程中，各部位变形均匀性控制与起皮、表面断裂等缺陷抑制难度大；在于寻找7系铝合金强度和加工性能之间的平衡点，使其在保证具有较高强度的同时，也具有较好的成形性能。本发明在传统7系Al-Zn-Mg合金基础上进行了合金成分优化和熔铸、挤压成形工艺优化，使得合金在保持较高强度的同时，很大程度上改善了合金的挤压成形性能。本发明通过整体挤压成形板材，提高材料整体强度，在保证材料具有足够强度的同时，大幅降低表面处理过程中黑线和料纹等缺陷出现的可能性。本发明中一种新型7系铝合金材料及其制造方法可解决用户对手机、笔记本电脑等3C产品的构件性能、外表美观度和外壳材料的强度硬度，抗变形、抗磨损和抗摔能力不断提升的要求。对推动3C产品发展具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料及其制造方法。

本发明是这样实现的，一种基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料，按照质量百分比Zn 5.0％～6.2％、Mg 1.9％～2.6％、Ti 0.05％～0.09％、Si≤0.03％、Fe≤0.06％和Al组成；Al补足至100％来进行配料。

所述基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制造方法包括以下步骤：

步骤一，利用纯铝、Zn、Mg和Ti剂配料，并在熔炼炉中合金化，得到第一合金熔液，

进一步，在熔炼过程中未添加Al-Ti-B或Al-Ti-C的中间合金；

进一步，所述第一合金熔液的温度为730-770℃，再充分搅拌，扒渣、取样并化验成分，保证合金元素充分溶解，具备精炼条件；

步骤二，将第一合金熔液在保温炉中进行精炼、除气、除渣、搅拌和扒渣处理，将处理后的合金熔液进行在线旋转吹氩气进行除气除渣，利用双级陶瓷过滤板过滤；分别进行保温炉内和保温炉外的处理后，得到第二合金溶液；

步骤三，采用半连续铸造法采用立式半连续铸造机对第二合金熔液铸造，油气滑铸造，以保证铸锭表面更光滑、偏析层厚度更小；

进一步，所述铸造温度为690-710℃，以保证合金溶液具有充分流动能力的同时，降低出现粗晶的可能性；

进一步，所述立式半连续铸造机包括直径为90-320mm的结晶器，以获得不同尺寸的铸锭用于满足后续加工的要求；

进一步，所述半连续铸造法中的铸造速度为：45mm-55mm/min，以达到铸锭表面质量和生产效率之间的平衡点；

进一步，所述半连续铸造法中的铸造法中冷却水量为500-630L/min，使合金溶液冷却速度合适，以获得内部缺陷少，表面质量好的铸锭；

进一步，所述7系铝合金铸锭的均质温度为460-480℃，以减少铸锭成分偏析及铸造应力；

进一步，铸锭的直径为90-320mm，以满足后续加工的要求；

步骤四，将铝棒加热至410-470℃，模具加热到420-480℃，挤压筒加热至410-460℃；在温度达标后开始挤压；挤压出口速度控制为2-4m/min；挤压出口温度控制为460-500℃；在挤压出口进行在线水淬处理，水温25-35℃；冷却到50℃以下；再对挤压件进行矫直处理，矫直拉伸量为0.4-1.0％。在此挤压工艺参数下，整体挤压成形板材挤压过程顺利，无挤压裂纹等重大缺陷，外形尺寸误差符合要求，各部位晶粒组织均匀细小。

步骤五，将矫直后板材锯切为所需长度，直接进行人工时效，时效温度为110-130℃，保温时间20-26h；出炉后强风冷却，使材料温度在1h内降至室温，此工艺条件下，挤压件具有较高强度，降低了内应力，具有稳定的外形尺寸和均匀细小的微观组织。

本发明的另一目的在于提供一种由所述基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料制造的手机外壳。

本发明的另一目的在于提供一种由所述基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料制造的笔记本电脑外壳。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明通过对合金成分和熔铸、挤压成形工艺优化，经过配料、熔炼、净化、半连续铸造得到高品质7系铝合金铸锭，利用该合金成分铸锭进行挤压，获得挤压板材抗拉强度≥440MPa，屈服强度≥410MPa，硬度＞150HV，断后延伸率≥9％，表面质量不低于市场现有3C产品用材料水平，且挤压过程中挤压速度最大可达7m/min，正常生产速度可达2-4m/min，生产效率得以保证，可应用于3C产品构件以及外壳等制备。

在本发明中，通过一种基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料及其制造方法，在保证材料强度硬度高的同时，提高了7系铝合金材料的成形性能，大幅度降低了表面处理过程中黑线和料纹等缺陷出现的可能性。综上，本发明中一种新型7系铝合金材料及其制造方法可解决用户对手机、笔记本电脑等3C产品的构件性能、外表美观度和外壳材料的强度硬度，抗变形、抗磨损和抗摔能力不断提升的要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制造方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

针对目前市场上3C产品用7系铝合金强度、硬度较低，且强硬度与表面质量难以平衡的问题，在保证产品表面质量的前提下，为提高3C产品用7系铝合金强度、硬度；本发明通过优化7系铝合金成分，开发熔铸工艺、挤压工艺、在线固溶工艺、时效工艺，明显提高了3C产品用7系铝合金强度、硬度，并使其表面质量达到了不低于市场上现有产品的水平。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料按照质量百分比由Zn 5.0％～6.2％、Mg 1.9％～2.6％、Ti 0.05％～0.09％、Si≤0.03％、Fe≤0.06％和Al组成；Al补足至100％。

如图1所示，本发明实施例提供的基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制造方法包括以下步骤：

S101：利用纯铝、Zn、Mg和Ti剂配料，并在熔炼炉中合金化，得到第一合金熔液；

S102：将第一合金溶液在保温炉中进行精炼、除气、除渣、搅拌和扒渣处理，并在线除气、过滤后，得到第二合金熔液；

S103：利用半连续铸造方法对第二合金熔液进行铸造，得到7系铝合金铸锭并进行均质处理；

S104：将铝棒加热至410-470℃，模具加热到420-480℃，挤压筒加热至410-460℃；在温度达标后开始挤压；挤压出口速度控制为2-4m/min；挤压出口温度控制为460-500℃；在挤压出口进行在线水淬处理，水温25～35℃；冷却到50℃以下；再对挤压件进行矫直处理，矫直拉伸量为0.4～1.0％；

S105：将矫直后板材锯切为所需长度，直接进行人工时效，时效温度为110-130℃，保温时间20-26h；出炉后强风冷却，使材料温度在1h内降至室温。

在本发明的优选实施例中，第一合金熔液的温度优选为730-770℃，更优选为740-750℃。本发明采用的电解纯铝、Zn、Mg和Ti剂的用量，可根据实际情况进行控制。在制备得到第一合金熔液后，将所述第一合金熔液充分搅拌，扒渣、取样并化验成分，从而达到控制所述第一合金熔液成分的目的。

在本发明的优选实施例中，将第一合金熔液在保温炉中进行的精炼、除气、除渣、搅拌、扒渣、在线除气和过滤等步骤并无特别要求，可以按照本领域技术人员熟知的方法进行。具体的，将所述第一合金熔液在保温炉中进行精炼、除气、除渣、搅拌和扒渣处理后，还优选包括：将上述处理后的合金熔液进行在线旋转吹氩气进行除气除渣，利用双级陶瓷过滤板过滤。分别进行上述保温炉内和保温炉外的处理后，实现对第一合金熔液的除气除渣，使铝合金铸锭获得良好的性能。

在本发明的优选实施例中，在铝合金铸锭制备过程中未添加Al-Ti-B或Al-Ti-C的中间合金。

在本发明的优选实施例中，本发明利用半连续铸造法，铸造优选温度为690-710℃，更优选为690-700℃。其中，所述半连续铸造法优选利用立式半连续铸造机，更优选的，所述半连续铸造机包括直径为90-320mm的结晶器，更优选采用直径为110-230mm的结晶器。采用上述直径的结晶器进行铸造过程中，由于所述结晶器直径较大，因此制备的铝合金铸锭易出现裂纹。有鉴于此，本发明优选通过对所述立式半连续铸造机的铸造速度以及冷却水量进行控制，达到避免铝合金铸锭出现裂纹目的。本发明采用的半连续铸造法中铸造速度优选为45-55mm/min，更优选为50-55mm/min，更优选为50-53mm/min，所述半连续铸造法中冷却水量优选为500-630L/min，更优选为520-610L/min，更优选为560-600L/min。其中铸造速度过大或过小、冷却水量过多或过少均会影响制备的铝合金铸锭的品质，易导致该铝合金铸锭出现裂纹等现象。同时，在利用立式铸造机进行铝合金铸锭的铸造过程中，优选利用挡水板进行油滑铸造。

在本发明的优选实施例中，利用本发明所得铸锭进行挤压生产，挤压棒料温度优选为410-470℃，挤压模具温度优选为420-480℃，挤压筒温度优选为410-460℃，挤压出口速度控制为2-4m/min，出口温度控制为460-500℃。挤压出口采用在线水淬的方式，水温25-35℃，将板材温度降低到50℃以下，然后进行拉伸矫直，矫直量为0.4-1.0％。所得挤压板材抗拉强度≥440MPa，屈服强度≥410MPa，硬度＞150HV，断后延伸率≥9％，板材组织均匀性良好。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1

本发明实施例提供的基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制造方法具体包括以下步骤：

(1)利用纯铝、Zn、Mg和Ti剂配料，在熔炼炉中熔化，将温度控制在740-750℃，进行搅拌、扒渣，取样化验合金成分，在转注入保温炉进行精炼、除气、除渣、搅拌、扒渣后静置；

(2)将上述处理后的合金熔液进行在线旋转喷吹氩气除气除渣、陶瓷过滤板过滤后，利用半连续铸造法进行铸造，步骤为：

控制熔体温度为740-750℃，铸造时结合挡水板进行油滑铸造，铸造速度控制在45-55mm/min，冷却水量控制在520-610L/min，铸造得到直径为180mm的上述成分合金铸锭。利用本发明所得铸锭进行挤压生产，挤压棒料温度为440-450℃，挤压模具温度优选为450-460℃，挤压筒温度优选为430-440℃，挤压出口速度控制为2-3m/min，出口温度控制为460-480℃。挤压出口采用在线水淬的方式，水温25-35℃，将板材温度降低到40℃以下，进行拉伸矫直，矫直量为0.4-1.0％。所得挤压板材抗拉强度≥440MPa，屈服强度≥410MPa，硬度＞150HV，断后延伸率≥9％，组织均匀性好。

本发明通过半连续铸造得到高品质7系铝合金铸锭具有化学成分稳定性好，铸锭表面质量良好、铸锭微观组织均匀细小、热加工性能佳等特点；利用本发明铸造所得铸锭挤压板材具有强度硬度高，表面质量好等优点；同时，较高的挤压速度保证了板材的生产率；可用于3C产品构件及外壳材料的制备。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料，其特征在于，所述基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料按照质量百分比由Zn5.0％～6.2％、Mg 1.9％～2.6％、Ti0.05％～0.09％、Si≤0.03％、Fe≤0.06％和Al组成；Al补足至100％。

2.一种如权利要求1所述基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制造方法包括以下步骤：

步骤一，利用纯铝、Zn、Mg和Ti剂配料，并在熔炼炉中合金化，得到第一合金熔液；

步骤二，将第一合金溶液在保温炉中进行精炼、除渣、除气、搅拌和扒渣处理，并在线除气、过滤后，得到第二合金熔液；

步骤三，利用半连续铸造方法对第二合金熔液进行铸造，得到新型7系铝合金铸锭；

步骤四，将铝棒加热至410-470℃，模具加热到420-480℃，挤压筒加热至410-460℃；在温度达标后开始挤压；挤压出口速度控制为2-4m/min；挤压出口温度控制为460-500℃；在挤压出口进行在线水淬处理，水温25-35℃；冷却到50℃以下；挤压完毕后，对挤压件进行矫直处理，矫直拉伸量为0.4～1.0％；

步骤五，将矫直后板材锯切为所需长度，直接进行人工时效，时效温度为110-130℃，保温时间20-26h；出炉后强风冷却，使材料温度在1h内降至室温。

3.如权利要求2所述的基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述第一合金熔液的温度为730-770℃；在制得第一合金熔液后，将所述第一合金熔液充分搅拌，扒渣、取样化验成分。

4.如权利要求2所述的基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制备方法，其特征在于，将第一合金熔液在保温炉中进行精炼、除气、除渣、搅拌和扒渣处理后；将处理后的合金熔液进行在线旋转吹氩气进行除气除渣，利用双级陶瓷过滤板过滤；分别进行保温炉内和保温炉外的处理，来实现对第一合金熔液的除气除渣。

5.如权利要求2所述的基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制备方法，其特征在于，在7系铝合金铸锭制备过程中未添加Al-Ti-B或Al-Ti-C的中间合金。

6.如权利要求2所述的基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制备方法，其特征在于，利用半连续铸造法，铸造温度为690-710℃；半连续铸造法采用立式半连续铸造机和直径为90-320mm的结晶器；半连续铸造法中铸造速度为45-55mm/min；半连续铸造法中冷却水量为500-630L/min。

7.如权利要求2所述的基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料的制备方法，其特征在于，利用所得铸锭进行挤压生产，挤压棒料温度为410-470℃；挤压出口速度控制为2-4m/min，出口温度控制为460-500℃；挤压板材挤出后采用在线水淬的方式，水温25-35℃，将板材温度降低到50℃以下，之后进行拉伸矫直，矫直量为0.4-1.0％；所得挤压板材抗拉强度≥440MPa，屈服强度≥410MPa，硬度＞150HV，断后延伸率≥9％。

8.一种由权利要求1所述基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料制造的手机外壳。

9.一种由权利要求1所述基于熔铸和热挤压的新型7系铝合金材料制造的笔记本电脑外壳。