CN109628860A - 一种高强度Al-Mg-Si铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝合金领域，具体的公开了一种高强度Al‑Mg‑Si铝合金的制备方法，其包括制备铝铸棒；双级均质处理；挤压；人工时效的步骤；其中，铝铸棒按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.95％‑1.1％，Mg 0.8％‑1.2％，Cu 0.35％‑0.45％，Mn 0.4％‑0.5％，Cr 0.1％‑0.2％，余量为铝。本发明的Al‑Mg‑Si合金具有强度高、延伸率高的特点，通过短时时效即可达到较高强度，应用范围广。本发明中的制备方法生产效率高。

Description

一种高强度Al-Mg-Si铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝材制造领域，尤其涉及一种高强度Al-Mg-Si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。

时效处理是将固溶淬火后的工件在室温或较高温度下保持适当时间，以提高其力学性能的方法。目前常采用的时效处理工艺有：单级时效、双级时效、三级时效；时效过程中能促进晶体析出，提高铝合金性能；但时效处理耗时较长，降低了铝合金生产效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其生产效率高。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种高强度Al-Mg-Si铝合金，其通过短时时效即可达到高强度、高延伸率；应用范围广。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其包括：

(一)制备铝铸棒；

(二)将所述铝铸棒进行双级均质处理；

(三)将所述均质后的铝铸棒进行挤压，得到铝合金坯体；

(四)将所述铝合金坯体进行人工时效处理后得到高强度Al-Mg-Si铝合金成品；其中，时效处理温度为160-180℃，时间为2-15h；

其中，所述铝铸棒按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.95％-1.1％，Mg 0.8％-1.2％，Cu 0.35％-0.45％，Mn 0.4％-0.5％，Cr 0.1％-0.2％，余量为铝。

作为上述技术方案的改进，所述铝铸棒按照重量百分比计包括以下组分，Si0.97％，Mg 1％，Cu 0.39％，Mn 0.45％，Cr 0.15％，余量为铝。

作为上述技术方案的改进，步骤(四)中，时效处理温度为165-175℃，时间为2-8h。

作为上述技术方案的改进，步骤(二)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(三)中，采用20MN挤压机进行挤压；挤压机进料口铝铸棒温度为440-480℃；出口挤压机出料口铝合金坯体温度为520-560℃；挤压后穿水冷却，在线淬火。

作为上述技术方案的改进，步骤(一)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铸棒；

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；

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铸棒，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，所述铝铸棒中，所述Cu与Mn的重量比为0.6-1；所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.7％；所述Mg与Si的重量比为1.0-1.3；

所述高强度Al-Mg-Si铝合金的屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥380MPa，延伸率＞14％。

相应的，本发明还提供了一种高强度Al-Mg-Si铝合金，其采用上述的制备方法制备而得；

所述高强度Al-Mg-Si铝合金的屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥380MPa，延伸率＞14％。

本发明提供了一种高强度Al-Mg-Si铝合金，通过合理调控Cu、Mn、Cr含量，有效提升了铝合金各项性能，拓宽了其应用范围；实施本发明的有益效果如下：

1，本发明配方合理，得到的铝合金力学性能优良；本发明得到的铝合金屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥380MPa，延伸率＞14％。

2，本发明配方合理，可在较短的时效处理后得到较高强度、较高延伸率；大幅缩短了铝合金生产时间，提升了生产效率。

附图说明

图1是本发明实施例4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。

本发明公开了一种高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其包括：

(一)制备铝铸棒；

具体的包括：

(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，在熔化并混合均匀后，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；

(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，扒渣过程中，合金液温度控制在720-750℃。

(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铸棒；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℃。

优选的，所述铝铸棒按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.95％-1.1％，Mg0.8％-1.2％，Cu 0.35％-0.45％，Mn 0.4％-0.5％，Cr 0.1％-0.2％，余量为铝。此配方的铝合金能够通过较短的时效处理即可达到较高的强度。

进一步优选的，所述Cu与Mn的重量比为0.6-1；所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.7％；所述Mg与Si的重量比为1.0-1.3。

为了达到缩短时效时间，提高生产效率的效果。对于本发明中的配方进行了相应调节，首先，通过添加Cu、Mn以及合理比例的Mg、Si；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Cr元素，有效细化了铝合金中的晶粒，提升了其延伸率；最后，通过Mn、Cr、Cu的联合控制，有效提升了铝合金的淬火敏感性和耐腐蚀性，达到了铝合金各项性能平衡的技术效果，通过以上技术手段，有效降低了铝合金性能对于时效工艺的依赖性，进而缩短了时效工艺时间。

进一步优选的，所述铝铸棒按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.97％，Mg 1％，Cu 0.39％，Mn 0.45％，Cr 0.15％，余量为铝。此配比的铝铸棒能在较短的时效处理后达到较高的强度，较高延伸率，生产效率高。

(二)将所述铝铸棒进行双级均质处理；

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。

(三)将所述均质后的铝铸棒进行挤压，得到铝合金坯体；

其中，将铝铸棒在20MN挤压机上进行挤压；优选的，挤压机进料口铝铸棒温度为440-480℃；出口挤压机出料口铝合金坯体温度为520-560℃；挤压后穿水冷却，在线淬火。

需要说明的是，淬火处理影响了合金固溶体的过饱和程度。在淬火过程中形成的过饱和的固溶体在时效处理过程之中成为析出相，达到强化铝合金的效果。本发明通过合理的配方，有效提升了淬火之后的过饱和度，且减少了不溶结晶相，有效减短了时效处理时间。

(四)将所述铝合金坯体进行人工时效处理后得到高强度Al-Mg-Si铝合金成品；其中，时效处理温度为160-180℃，时间为2-15h；

优选的，时效处理温度为165-175℃，时间为2-8h。本发明中的铝合金可在较短的时效处理后达到较高的强度，提升了生产效率。

通过以上制备方法与配方的协同控制，有效提升了本发明中铝合金的强度，其屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥380MPa，延伸率＞14％，保证了较高强度与较高延伸率的统一，同时也缩短了整个生产流程，提高了生产效率。

相应的，本发明还公开了一种高强度Al-Mg-Si铝合金，其采用上述的制备方法制备而得；所述高强度Al-Mg-Si铝合金的屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥380MPa，延伸率＞14％。

本发明通过对于Mg/Si比以及Cr、Mn、Cu的联合控制，优化了配方结构，获得了较高的力学强度与延伸率；同时大幅缩短了时效处理时间，提升了生产效率。

下面以具体实施例来进一步阐述本发明：

实施例1

合金成分：

Si 0.98％，Mg 1.1％，Cu 0.42％，Mn 0.45％，Cr 0.1％，余量为Al。

制备方法：

(1)将铝锭投入熔炉中，升温至720℃，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750℃；

(5)将所述第四合金液在710℃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铸棒；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80mm/min；

(8)将所述铝铸棒置入均质炉，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)将所述均质后的铝铸棒进行挤压，得到铝合金坯体；

其中，将铝铸棒在20MN挤压机上进行挤压；优选的，挤压进料口铝铸棒的温度控制在460℃，挤压出料口铝合金坯体的温度控制在530℃，实行在线淬火，穿水冷却。

(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2

合金成分

Si 0.95％，Mg 1.2％，Cu 0.35％，Mn 0.4％，Cr 0.2％，余量为Al。

制备方法：

(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铸棒；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)将所述铝铸棒置入均质炉，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)将所述均质后的铝铸棒进行挤压，得到铝合金坯体；

其中，将铝铸棒在20MN挤压机上进行挤压；优选的，挤压进料口铝铸棒的温度控制在470℃，挤压出料口铝合金坯体的温度控制在550℃，实行在线淬火，穿水冷却。

(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3

合金成分

Si 0.97％，Mg 1％，Cu 0.39％，Mn 0.45％，Cr 0.15％，余量为Al。

其时效制度为：时效温度170℃，时效时间2h；

其余制备方法与实施例2相同。

实施例4

合金成分

Si 0.97％，Mg 1％，Cu 0.39％，Mn 0.45％，Cr 0.15％，余量为Al。

其时效制度为：时效温度170℃，时效时间4h；

其余制备方法与实施例2相同。

实施例5

合金成分

Si 0.97％，Mg 1％，Cu 0.39％，Mn 0.45％，Cr 0.15％，余量为Al。

其时效制度为：时效温度170℃，时效时间6h；

其余制备方法与实施例2相同。

实施例6

合金成分

Si 0.97％，Mg 1％，Cu 0.39％，Mn 0.45％，Cr 0.15％，余量为Al。

其时效制度为：时效温度170℃，时效时间12h；

其余制备方法与实施例2相同。

实施例7

合金成分

Si 0.97％，Mg 1％，Cu 0.39％，Mn 0.45％，Cr 0.15％，余量为Al。

其时效制度为：时效温度170℃，时效时间15h；

其余制备方法与实施例2相同。

对实施例1-6中的铝合金产品进行测试，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：

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	实施例7
								屈服强度/MPa	320	340	325	340	360	392	382
抗拉强度/MPa	380	380	390	385	404	416	405
								延伸率/％	17.5	14.5	17.5	15	14	14.5	15

由表中可以看出，本发明的铝合金的屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥380MPa，同时其延伸率≥14％；可在较短的时效处理后仍然达到较高的强度与延伸率。

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)

1.一种高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其特征在于，包括：

(一)制备铝铸棒；

(二)将所述铝铸棒进行双级均质处理；

(三)将所述均质后的铝铸棒进行挤压，得到铝合金坯体；

(四)将所述铝合金坯体进行人工时效处理后得到高强度Al-Mg-Si铝合金成品；其中，时效处理温度为160-180℃，时间为2-15h；

其中，所述铝铸棒按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.95％-1.1％，Mg 0.8％-1.2％，Cu 0.35％-0.45％，Mn 0.4％-0.5％，Cr 0.1％-0.2％，余量为铝。

2.如权利要求1所述的高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其特征在于，所述铝铸棒按照重量百分比计包括以下组分，Si 0.97％，Mg 1％，Cu 0.39％，Mn 0.45％，Cr 0.15％，余量为铝。

3.如权利按要求2所述的高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(四)中，时效处理温度为165-175℃，时间为2-8h。

4.如权利要求1所述的高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(二)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。

5.如权利要求1所述的高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(三)中，采用20MN挤压机进行挤压；挤压机进料口铝铸棒温度为440-480℃；出口挤压机出料口铝合金坯体温度为520-560℃；挤压后穿水冷却，在线淬火。

6.如权利要求1所述的高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(一)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铸棒；

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。

7.如权利要求6所述的高强度Al-Mg-Si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。

8.如权利要求6所述的高强度Al-Mg-Si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铸棒，铸造过程中采用喂丝机均匀地加入铝钛硼丝。

9.如权利要求1-6任一项所述的高强度Al-Mg-Si铝合金的制备方法，其特征在于，所述铝铸棒中，所述Cu与Mn的重量比为0.6-1；所述Mn与Cr的重量百分比和≤0.7％；所述Mg与Si的重量比为1.0-1.3；

所述高强度Al-Mg-Si铝合金的屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥380MPa，延伸率＞14％。

10.一种高强度Al-Mg-Si铝合金，其特征在于，其采用如权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而得；

所述高强度Al-Mg-Si铝合金的屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥380MPa，延伸率＞14％。