CN109628805A - 一种铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铝合金领域，具体的公开了一种铝合金，其按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.6％‑1.2％，Mg 0.8％‑1.2％，Cu 0.25％‑0.45％，Mn 0.15％‑0.45％，Fe 0.3％‑0.5％，Zn＜0.2％，Cr 0.1％‑0.2％，Ti 0.02％‑0.1％，余量为铝；本发明通过对于Cu、Mn、Cr、Si、Mg含量的协同控制，有效实现了铝合金在较高强度时仍然具有较高的延伸率；本发明中的铝合金屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥360MPa，延伸率≥10％。本发明还公开了一种上述铝合金的制备方法。

Description

一种铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝材制造领域，尤其涉及一种铝合金及其制备方法。
背景技术
变形铝合金具有比强度高、高韧性、加工性能好以及优异的耐腐蚀性能等被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车以及民用建筑等领域。目前，国内外已开发出上千种合金牌号的商用铝合金。其中，6XXX系合金作为变形铝合金中的一大类，以其原料成本低，成形性能好、可进行表面处理等一系列优点，被广泛使用于电子产品、门窗、幕墙以及工业材等领域。但是，6XXX系铝合金的强度相对较低，严重制约了其在某些强度要求较高的型材构件上的应用。同时增加Mg，Si，Cu等元素含量，可以提高铝合金的强度，但也会造成其延伸率下降，抗腐蚀性降低。因此，铝合金开发时，需要对合理调控合金元素以及微量元素，使合金具有较高的综合性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种铝合金，使得其具有较高强度的同时也具有较高的延伸率。
相应的，本发明还提供了一种铝合金的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种铝合金，其按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.6％-1.2％，Mg 0.8％-1.2％，Cu 0.25％-0.45％，Mn 0.15％-0.45％，Fe0.3％-0.5％，Zn＜0.2％，Cr 0.1％-0.2％，Ti 0.02％-0.1％，余量为铝；
其中，所述Cu与Mn的重量比为0.5-3；所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.7％。
作为上述技术方案的改进，所述Cu与Mn的重量比为1.5-2.5，所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.6％。
作为上述技术方案的改进，所述Mg与Si的重量比为1.0-1.65。
作为上述技术方案的改进，所述铝合金的屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥360MPa，延伸率≥10％。
相应的，本发明还提供了一种上述铝合金的制备方法，其包括：
(1)将铝锭投入熔炉中，升温至720-750℃，完全熔化后加入回炉废料，熔化得到第一合金液；
(2)在所述第一合金液中依次加入硅锭、铜铝合金、铬铝合金、锰铝合金，熔化并混合均匀后得到第二合金液；
(3)在所述第二合金液中加入镁锭并均化后得到第三合金液；
(4)在所述第三合金液中加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第四合金液；
(5)将所述第四合金液在710-730℃下精炼15-20分钟；精炼过程中通入氮气或氩气；
(6)将精炼后的第四合金液静置50-100分钟；
(7)将静置后的第四合金液进行铸造得到铝棒；其中，铸造过程中在合金液中均匀加入铝钛硼丝；铸造时第四合金液温度为675-695℃；铸造速度为76-137mm/min；
(8)将所述铝棒置入均质炉，采用双级均质制度进行均质；
(9)将所述均质后的铝棒进行挤压，得到铝合金坯体；
(10)将所述铝合金坯体进行时效处理后得到铝合金成品；
其中，所述铝棒按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.6％-1.2％，Mg 0.8％-1.2％，Cu 0.25％-0.45％，Mn 0.15％-0.45％，Fe 0.3％-0.5％，Zn＜0.2％，Cr 0.1％-0.2％，Ti 0.02％-0.1％，余量为铝；
其中，所述Cu与Mn的重量比为0.5-3；所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.7％。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)包括：
(2.1)在所述第一合金液中依次加入硅锭、铜铝合金、铬铝合金、锰铝合金，熔化并混合均匀；
(2.2)加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第二合金液。
作为上述技术方案的改进，步骤(7)包括：
(7.1)将静置后的第四合金液除气、过滤；
(7.2)将步骤7.1得到的第四合金液进行铸造得到铝棒，铸造过程中采用喂丝机均匀地加入铝钛硼丝。
作为上述技术方案的改进，步骤(8)中，所述双级均质制度为：第一级均质温度为450-475℃，时间为3-5h，第二级均质温度为550-570℃，均质时间为5-7h。
作为上述技术方案的改进，步骤(10)中，所述时效处理的温度为165-175℃，时间为8-12h。
作为上述技术方案的改进，步骤(9)中，铝棒进料温度为440-480℃，铝合金坯体出料温度为530-570℃。
本发明提供了一种铝合金，通过合理调控Cu、Mn、Cr含量，制备了同时具有高强度和高延伸率的铝合金，实施本发明的有益效果如下：
1.本发明通过对于Cu、Mn以及Cr含量的协同控制，有效实现了铝合金在较高强度时仍然具有较高的延伸率；本发明中的铝合金屈服强度＞330MPa，抗拉强度＞360MPa，延伸率＞10％。
2.本发明通过对Mg、Si含量的控制以及适宜的Mg/Si比，使合金的强度大幅度提升。
3.本发明通过对Cu、Mn、Cr含量的控制，进一步使合金得以强化，减少过剩Si的不良影响，提升合金的延伸率以及改善合金的耐蚀性等其他性质。
附图说明
图1是本发明实施例6中铝合金显微组织图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。
本发明公开一种铝合金，其按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.6％-1.2％，Mg0.8％-1.2％，Cu 0.25％-0.45％，Mn 0.15％-0.45％，Fe 0.3％-0.5％，Zn＜0.2％，Cr0.1％-0.2％，Ti 0.02％-0.1％，余量为铝；
其中，所述Cu与Mn的重量比为1.5～2.5；所述Mn与Cr的重量百分比和＜0.6％。
常用的6XXX系列铝合金强度与延伸率较低，无法满足特定的使用需求。常见的改善方式是添加住元素Si、Mg的含量以提升其强度，但会造成延伸率的下降。因此常常无法同时保障高强度与高延伸率。
为了提升强度以及保证较高的延伸率，本发明采用了一系列技术手段：首先，本发明在铝合金中引入了0.25％-0.45％的Cu与0.15～0.45％的Mn，有效促进了合金相中Mg2Si粒子的均匀分布，提升了合金强度；其次，引入了0.1％-0.2％的Cr，有效细化了铝合金中的晶粒，提升了其延伸率；通过以上技术特征的协同控制，实现了铝合金在较高强度的情况下仍然具有较高的延伸率。
同时，本发明通过对于Mn、Cr、Cu含量的联合控制，降低了其对于铝合金性能的负面影响；一方面，Cu会在后续时效处理中形成连续网状的含Cu析出相，降低合金的腐蚀性；为了提升合金的耐腐蚀性，加入了Mn与Cr，降低了晶界处析出的各种粒子相，从而提升了耐腐蚀性；另一方面，Mn与Cr对铝合金的淬火敏感性影响很大；而Cu的引入则良好的解决了这一问题。
优选的，所述Cu与Mn的重量比为0.5-3；此比例的铝合金既具有较高的强度，也具有较好的耐蚀性。进一步优选的，所述Cu与Mn的重量比为1.5-2.5；此比例的铝合金既具有较高的强度，也具有良好的耐蚀性和淬火敏感性。
优选的，所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.7％；这种铝合金不仅具有较高的强度，也具有较高的延伸率，同时其耐蚀性良好。进一步优选的，所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.6％。
优选的，所述Mg与Si的重量比为1.0-1.65，Mg与Si在铝合金中可形成Mg2Si强化相，有效强化铝合金。同时，本发明中的Mn、Cr也会在制备过程中形成AlMnFeSi和AlCrFeSi相，能抑制再结晶，细化晶粒，提高铝合金的强度和韧性。
通过对于铝合金组分及其组分重量比的控制，有效提升了铝合金的力学强度与延伸率，优选的，本发明中的铝合金的屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥360MPa，延伸率≥10％。
相应的，本发明还公开了一种上述铝合金的制备方法，其包括：
(1)将铝锭投入熔炉中，升温至720-750℃，完全熔化后加入回炉废料，熔化得到第一合金液；
其中，在制备过程中，铝的原料来源包括铝锭与回炉废料；回炉废料包括挤压头尾料、压余、棒头棒尾、喷涂废料、熔铸废渣、电泳料等。优选的，回炉废料占整体铝原料的比例≤30％。
(2)在所述第一合金液中依次加入硅锭、铜铝合金、铬铝合金、锰铝合金，熔化并混合均匀后得到第二合金液；
其中，按照各种物料的熔化难易程度依次添加合金原料；在每一种成分添加时都启动底置式电磁搅拌装置进行搅拌，使成分、温度均匀，搅拌时间为10-15min。
本发明中的各种原料可选用高纯硅、Al-50Cu中间合金、Al-20Mn中间合金、Al-10Cr中间合金。
优选的，在熔化并均化后，加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第二合金液；在第二合金液进行扒渣，扒渣有利于去除合金液中的杂质，为制备得到良好性能的铝合金打下基础。
(3)在所述第二合金液中加入镁锭并均化后得到第三合金液；
需要说明的是，由于在合金中Si、Mg等有效合金组分的含量较低；在配料过程中往往容易造成合金各个成分含量的不稳定，其中尤以Mg含量的控制为较大的难点；传统经常将含镁原料在熔炼过程中直接加入熔炼炉中与其他原料一起熔炼；但由于含镁原料熔点低，且容易发生燃烧，使得在熔炼过程中有大量的Mg烧损，不易控制镁的含量。本发明在熔炼完成后再加入含镁原料，有效降低了含镁原料的烧损，提高了铝合金化学成分的控制精度，为铝合金取得良好的机械性能提供了基础的保障。
(4)在所述第三合金液中加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第四合金液；
在所有的熔炼结束后，进行第二次扒渣，两次扒渣可有效的去除有害杂质，防止裂纹发生；裂纹会影响铝合金的强度与延伸率。
(5)将所述第四合金液在710-730℃下精炼15-20分钟；精炼过程中通入氮气或氩气；
精炼过程有助于排除合金液中的杂质；通入氮气或氩气可有效排除合金液中混合的氢气。
优选的，通入高纯氩气，其压力控制在0.2-0.4MPa；并将通气管在第四合金液中前后左右往复移动，以充分排出其中氢气，避免合金组织中出现针孔、气孔。
优选的，精炼时间为15-20分钟。合理的精炼时间有助于充分排出合金液中的杂质。
(6)将精炼后的第四合金液静置50-100分钟；
(7)将静置后的第四合金液进行铸造得到铝棒；其中，铸造过程中在合金液中均匀加入含钛原料；铸造时第四合金液温度为675-695℃；铸造速度为76-137mm/min；
其中，采用DC铸造方法进行铸造，铸造过程中利用喂丝机均匀投放铝钛硼丝，以细化晶粒；同时使用在线除气、过滤净化装置，以得到纯净杂质少的熔液，最终铸造成直径为203mm的圆棒，控制铸造速度为76-137mm/min，铸造温度为675-695℃。
(8)将所述铝棒置入均质炉，采用双级均质制度进行均质；
优选的，所述双级均质制度为：第一级均质温度为450-475℃，时间为3-5h，第二级均质温度为550-570℃，均质时间为5-7h。进一步优选的，第一级均质温度为470℃，时间为3-5h，第二级均质温度为565℃，均质时间为5-7h；在均质以后，采用强风加水雾的方式进行冷却。
均质过程能够改善合金组织，消除成分偏析，提升挤压性能。加热均质的过程中，合金中的非平衡低熔点共晶组织和Mg2Si相基本溶入基体，含铁杂质相由粗大脆性的β相向塑性较好的α相转变，降低了对合金综合性能的不利影响。
(9)将所述均质后的铝棒进行挤压，得到铝合金坯体；
其中，将铝棒在20MN挤压机上进行挤压；优选的，挤压进料口铝棒的温度控制在460±20℃，挤压出料口铝合金坯体的温度控制在550±20℃，实行穿水冷却，在线淬火。
(10)将所述铝合金坯体进行时效处理后得到铝合金成品；
其中，所述时效处理的温度为165-175℃，时间为8-12h。时效处理可大幅提升合金强度。
下面以具体实施例来进一步阐述本发明：
实施例1
本实施例提供一种铝合金，其组分即重量比如下：Si 0.6％，Mg 0.9％，Cu0.25％，Mn 0.15％，Fe 0.3％，Zn 0.2％，Cr 0.1％，Ti 0.02％，余量为Al。
实施例2
本实施例提供一种铝合金，其组分即重量比如下：Si 0.7％，Mg 0.8％，Cu0.45％，Mn 0.45％，Fe 0.5％，Zn 0.1％，Cr 0.2％，Ti 0.1％，余量为Al。
实施例3
本实施例提供一种铝合金，其组分即重量比如下：Si 0.8％，Mg 1.2％，Cu 0.3％，Mn 0.25％，Fe 0.4％，Zn 0.05％，Cr 0.15％，Ti 0.05％，余量为Al。
实施例4
本实施例提供一种铝合金，其组分即重量比如下：Si 0.98％，Mg 1.1％，Cu0.4％，Mn 0.45％，Fe 0.35％，Zn 0.1％，Cr 0.15％，Ti 0.03％，余量为Al。
实施例5
本实施例提供一种铝合金，其组分即重量比如下：Si 0.8％，Mg 1.1％，Cu 0.3％，Mn 0.4％，Fe 0.4％，Zn 0.05％，Cr 0.15％，Ti 0.05％，余量为Al。
实施例6
本实施例提供一种铝合金，其组分即重量比如下：Si 1.1％，Mg 1.2％，Cu 0.4％，Mn 0.2％，Fe 0.35％，Zn 0.1％，Cr 0.18％，Ti 0.05％，余量为Al。
实施例7
本实施例提供一种铝合金，其组分即重量比如下：Si 0.9％，Mg 1.15％，Cu0.35％，Mn 0.2％，Fe 0.34％，Zn 0.1％，Cr 0.15％，Ti 0.05％，余量为Al。
实施例8
本实施例提供一种铝合金，其组分即重量比如下：Si 0.7％，Mg 1.1％，Cu 0.4％，Mn 0.3％，Fe 0.35％，Zn 0.1％，Cr 0.16％，Ti 0.04％，余量为Al。
实施例9
本实施例提供一种铝合金的制备方法，其包括：
(1)将铝锭投入熔炉中，升温至730℃，完全熔化后加入回炉废料，熔化得到第一合金液；
(2)在所述第一合金液中依次加入高纯硅、Al-50Cu中间合金、Al-20Mn中间合金、Al-10Cr中间合金，熔化并混合均匀后加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第二合金液；
(3)在所述第二合金液中加入镁锭并均化后得到第三合金液；
(4)在所述第三合金液中加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第四合金液；其中，扒渣温度为740℃；
(5)将所述第四合金液在720℃下精炼20分钟；精炼过程中通入高纯氩气；
(6)将精炼后的第四合金液静置60分钟；
(7)将静置后的第四合金液进行铸造得到铝棒；其中，铸造过程中在合金液中均匀加入铝钛硼丝；铸造时第四合金液温度为680℃；铸造速度为110mm/min；
(8)将所述铝棒置入均质炉，采用双级均质制度进行均质；
其中，均质制度为：第一级均质温度为470℃，均质时间为3h；第二级均质温度为565℃，均质时间为7h，均质后采用强风结合水雾的形式冷却。
(9)将所述均质后的铝棒进行挤压，得到铝合金坯体；
其中，将铝棒在20MN挤压机上进行挤压；优选的，挤压进料口铝棒的温度控制在480℃，挤压出料口铝合金坯体的温度控制在545℃，实行穿水冷却，在线淬火。
(10)将所述铝合金坯体进行时效处理后得到铝合金成品；
所述时效处理温度为170℃，时效处理时间为12h。
实施例10
本实施例提供一种铝合金的制备方法，其包括：
(1)将铝锭投入熔炉中，升温至725℃，完全熔化后加入回炉废料，熔化得到第一合金液；
(2)在所述第一合金液中依次加入高纯硅、Al-50Cu中间合金、Al-20Mn中间合金、Al-10Cr中间合金，熔化并混合均匀后加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第二合金液；
(3)在所述第二合金液中加入镁锭并均化后得到第三合金液；
(4)在所述第三合金液中加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第四合金液；其中，扒渣温度为730℃；
(5)将所述第四合金液在715℃下精炼20分钟；精炼过程中通入高纯氩气；
(6)将精炼后的第四合金液静置60分钟；
(7)将静置后的第四合金液进行铸造得到铝棒；其中，铸造过程中在合金液中均匀加入铝钛硼丝；铸造时第四合金液温度为685℃；铸造速度为118mm/min；
(8)将所述铝棒置入均质炉，采用双级均质制度进行均质；
其中，均质制度为：第一级均质温度为470℃，均质时间为5h；第二级均质温度为565℃，均质时间为6h，均质后采用强风结合水雾的形式冷却。
(9)将所述均质后的铝棒进行挤压，得到铝合金坯体；
其中，将铝棒在20MN挤压机上进行挤压；优选的，挤压进料口铝棒的温度控制在470℃，挤压出料口铝合金坯体的温度控制在550℃，实行穿水冷却，在线淬火。
(10)将所述铝合金坯体进行时效处理后得到铝合金成品；
所述时效处理温度为170℃，时效处理时间为12h。
对制得的铝合金产品进行测试，其中，采用实施例9中的方法制备实施例1-4的产品，采用实施例10的方法制备实施例5-8中的产品。力学性能在室温下条件下，万能实验拉伸机进行，拉伸样品按照GB/T228.1-2010标准制取并测试样品；其结果如下表所示：
由表中可以看出，本发明的铝合金的屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥360MPa，同时其延伸率≥11％；可见在保持较高强度的同时，也保持了较高的延伸率。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种铝合金，其特征在于，其按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.6％-1.2％，Mg0.8％-1.2％，Cu 0.25％-0.45％，Mn 0.15％-0.45％，Fe 0.3％-0.5％，Zn＜0.2％，Cr0.1％-0.2％，Ti 0.02％-0.1％，余量为铝；
其中，所述Cu与Mn的重量比为0.5-3；所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.7％。
2.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述Cu与Mn的重量比为1.5-2.5，所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.6％。
3.如权利要求2所述的铝合金，其特征在于，所述Mg与Si的重量比为1.0-1.65。
4.如权利要求3所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥360MPa，延伸率≥10％。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将铝锭投入熔炉中，升温至720-750℃，完全熔化后加入回炉废料，熔化得到第一合金液；
(2)在所述第一合金液中依次加入硅锭、铜铝合金、铬铝合金、锰铝合金，熔化并混合均匀后得到第二合金液；
(3)在所述第二合金液中加入镁锭并均化后得到第三合金液；
(4)在所述第三合金液中加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第四合金液；
(5)将所述第四合金液在710-730℃下精炼15-20分钟；精炼过程中通入氮气或氩气；
(6)将精炼后的第四合金液静置50-100分钟；
(7)将静置后的第四合金液进行铸造得到铝棒；其中，铸造过程中在合金液中均匀加入铝钛硼丝；铸造时第四合金液温度为675-695℃；铸造速度为76-137mm/min；
(8)将所述铝棒置入均质炉，采用双级均质制度进行均质；
(9)将所述均质后的铝棒进行挤压，得到铝合金坯体；
(10)将所述铝合金坯体进行时效处理后得到铝合金成品；
其中，所述铝棒按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.6％-1.2％，Mg 0.8％-1.2％，Cu 0.25％-0.45％，Mn 0.15％-0.45％，Fe 0.3％-0.5％，Zn＜0.2％，Cr 0.1％-0.2％，Ti0.02％-0.1％，余量为铝；
其中，所述Cu与Mn的重量比为0.5-3；所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.7％。
6.如权利要求5所述的铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)包括：
(2.1)在所述第一合金液中依次加入硅锭、铜铝合金、铬铝合金、锰铝合金，熔化并混合均匀；
(2.2)加入打渣剂，并扒出浮渣，得到第二合金液。
7.如权利要求5所述的铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(7)包括：
(7.1)将静置后的第四合金液除气、过滤；
(7.2)将步骤7.1得到的第四合金液进行铸造得到铝棒，铸造过程中采用喂丝机均匀地加入铝钛硼丝。
8.如权利要求5所述的铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(8)中，所述双级均质制度为：第一级均质温度为450-475℃，时间为3-5h，第二级均质温度为550-570℃，均质时间为5-7h。
9.如权利要求5所述的铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(10)中，所述时效处理的温度为165-175℃，时间为8-12h。
10.如权利要求5所述的铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(9)中，铝棒进料温度为440-480℃，铝合金坯体出料温度为530-570℃。
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