CN110358938A - 一种易切削的铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种易切削的铝合金，其由以下重量百分比的原料制成：Si 3～3.9％，Mg 0.7～0.9％，Fe≤0.15％，Cu 0.2～0.3％，Cr 0.25～0.35％，Ti 0.15～0.25％，余量为铝；所述易切削的铝合金切削后，碎屑长度≤10mm。本发明通过提高铝合金中硅的含量，使合金产生大量的过剩Si粒子。铝工件在切削加工时，铝基体率先发生塑性变形，而Si粒子不发生塑性变形，Si粒子由此产生应力集中，随着Si粒子内部能量的逐渐积累，最终Si粒子发生脆性开裂(破坏)，断裂沿着Si粒子传递，最终导致铝屑发生折断。

Description

一种易切削的铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种易切削的铝合金及其制备方法。
背景技术
易切削铝合金由于其削加工性能好，而使工件加工效率得到大幅提高，再者其产品表面光洁度好、精度高，被广泛地应用于各种精密部件。现有的易切削铝合金，一般是在合金中添加低熔点的铅(Pb)，当材料切削加工时，低熔点Pb金属化合物在较低温度下发热，率先熔融并使铝屑变脆，生成细小的铝屑，从而解决铝屑对刀具的交缠问题。然而随着世界各国对环保要求的提高，含有有毒元素铅的铝合金逐渐被禁止生产。
新型的无铅易切削铝合金一般是在铝合金中添加锡(Sn)和铋(Bi)，但是，铋具有毒性，Sn为重金属，价格昂贵。且添加锡铋后，铝合金脆性较高；为了改善此问题，中国专利CN201310498437.8在配方之中添加了锌(Zn)，有效降低了铝合金的脆性，但是加入Zn一定程度上会降低合金的抗腐蚀性。
另一种较为常见的思路是通过控制合金中的硅元素，来实现提高切削性能的目的。如专利CN100371485C即公开了一种铝合金挤压材，其含有Si：3.0-6.0质量％、Mg：0.1-0.4(0.4除外)质量％、Cu：0.01-0.5质量％、Mn：0.01-0.5质量％，Fe控制在0.40-0.90质量％的范围，余量由Al和不可避免的杂质组成，具有良好的切削性能、填缝性和耐磨损性。但是这种合金的切削性依然较差，且其延伸率较低，加工性能较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种易切削的铝合金，其切削性能良好、机械性能优良、延伸率高。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种上述易切削的铝合金的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种易切削的铝合金，其由以下重量百分比的原料制成：
Si 3～3.9％，Mg 0.7～0.9％，Fe≤0.15％，Cu 0.2～0.3％，Cr 0.25～0.35％，Ti0.15～0.25％，余量为铝；
所述易切削的铝合金切削后，碎屑长度≤10mm。
作为上述技术方案的改进，其由以下重量百分比的原料制成：
Si 3.5～3.9％，Mg 0.85～0.9％，Fe 0.1～0.15％，Cu 0.28～0.3％，Cr 0.25～0.35％，Ti 0.15～0.25％，余量为铝。
作为上述技术方案的改进，其由以下重量百分比的原料制成：
Si 3.1～3.5％，Mg 0.7～0.8％，Fe 0.05～0.1％，Cu 0.25～0.3％，Cr 0.3～0.35％，Ti 0.2～0.25％，余量为铝。
作为上述技术方案的改进，所述易切削的铝合金的抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥290MPa，延伸率≥13％；
所述易切削的铝合金切削后，碎屑长度为3～6mm。
相应的，本发明还公开了一种上述的易切削的铝合金的制备方法，其包括：
(一)按照比例准备原料备用；其中，以重量百分比计的原材料配方如下：
Si 3～3.9％，Mg 0.7～0.9％，Fe≤0.15％，Cu 0.2～0.3％，Cr 0.25～0.35％，Ti0.15～0.25％，余量为铝；
(二)将各种原材料在720～760℃下熔炼得到高温铝液；
(三)将所述高温铝液在720～760℃下精炼20～30分钟；
(四)将所述高温铝液静置15～30分钟，得到铸造液；
(五)将所述铸造液进行铸造，得到铸棒坯体；
(六)将所述铸棒进行均质处理，得到铸棒；
(七)将所述铸棒进行挤压，得到挤压坯体；
(八)将所述挤压坯体进行时效处理，得到易切削的铝合金成品。
作为上述技术方案的改进，步骤(六)包括：
(6.1)将所述铸棒坯体在540～550℃下均质处理6～8h；
(6.2)采用喷水+强风混合冷却至室温，得到铸棒。
作为上述技术方案的改进，步骤(六)包括：
(6.1)将所述铸棒坯体在480～510℃下均质1～3h；
(6.2)将所述铸棒坯体在520～560℃下均质5～12h；
(6.3)将所述铸棒坯体在70～90℃的热水中冷却，然后空冷至室温，得到铸棒。
作为上述技术方案的改进，步骤(七)中，挤压温度为480～520℃，挤压速度为1～10m/min。
作为上述技术方案的改进，步骤(八)中，时效处理的温度为160～180℃，时间为8～12h。
实施本发明，具有如下有益效果：
1.本发明利用Si粒子自身有脆性破坏的特点，在配方中提高铝合金中硅的含量，使合金产生大量的过剩Si粒子。铝工件在切削加工时，铝基体率先发生塑性变形，而Si粒子不发生塑性变形，Si粒子由此产生应力集中，随着Si粒子内部能量的逐渐积累，最终Si粒子发生脆性开裂(破坏)，断裂沿着Si粒子传递，最终导致铝屑发生折断。
2.本发明通过对于铝合金中各元素的联合控制，获得了良好的力学性能，本发明中的铝合金抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥290MPa，延伸率≥13％。
3.本发明通过对于Cu含量以及均质工艺的联合控制，有效提升了铝合金的弹性模量，减小了铝合金在切削过程中产生的振动幅度；提升了铝合金的切削性能。
附图说明
图1是本发明一种易切削的铝合金的制备方法流程图。
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，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
传统的易切削铝合金中多含有Pb、Bi、Sn等金属，随着环保形势日益严峻，上述金属被限制使用。为此，本发明提供一种不含有上述金属的易切削的铝合金。具体的，本发明中的易切削铝合金由以下重量百分比的原料制成：Si 3～3.9％，Mg 0.7～0.9％，Fe≤0.15％，Cu 0.2～0.3％，Cr 0.25～0.35％，Ti 0.15～0.25％，余量为铝。
其中，Si元素主要有两方面的作用，一方面是与Mg相结合，形成Mg2Si相，以提升铝合金的力学性能(抗拉强度、屈服强度等)。另一方面是过剩硅，其主要以Si粒子的形式存在于铝合金之中，Si粒子自身有脆性破坏的特点，使得铝工件在切削加工时，铝基体率先发生塑性变形，而Si粒子不发生塑性变形，Si粒子由此产生应力集中，随着Si粒子内部能量的逐渐积累，最终Si粒子发生脆性开裂(破坏)，断裂沿着Si粒子传递，最终导致铝屑发生折断。在同时考虑力学性能与切削性能的基础上，控制Si为3～3.9％，Mg为0.7～0.9％。优选的，控制Si为3.5～3.9％，Mg为0.85～0.9％或控制Si为3.1～3.5％，Mg为0.7～0.8％；通过上述范围的Si和Mg，可有效控制Mg2Si相和过剩硅粒子的含量，获得较优的力学性能和切削性能。
另外，Mg2Si虽然能够强化力学性能，但是也会对铝合金的延伸率造成不良的影响，进而影响铝合金的加工性能。
为此，在确保力学性能的基础上，尽量降低Mg的含量，故在本发明中，控制Mg的最低含量为0.7％；但为了提升铝合金力学性能，应将Mg控制在0.9％以下。
为了进一步优化铝合金的延伸率，本发明的配方之中添加了Ti和Cr，其能起到细化晶粒的作用，有效提升铝合金的延伸率。其中，Ti的添加量为0.15～0.25％，当Ti含量超过0.25％时，其会缩短切削刀具的使用寿命；优选的Ti含量为0.2～0.25％。其中，Cr的添加量控制为0.25～0.35％，优选的，Cr的添加量控制为0.3～0.35％。
经试验，Fe对切削性能并无显著影响；但其会对延伸率造成较大的负面影响；因此，控制其添加量≤0.15％；优选的，控制Fe为0.05～0.15％；进一步优选为0.05～0.1％。
本发明另一个主要的控制点是Cu的含量；本领域一般技术认为，Cu主要起到固溶提高合金机械性能的作用，对铝合金切削性能的提高有限。但发明人经过试验发现，在Si-Mg-Cr-Ti-Fe系之中加入Cu，可提升铝合金的弹性模量，进而降低切削过程中铝合金的在振动幅度，进而提升铝合金的切削性能。具体的，在本发明中，控制Cu含量为0.2～0.3％；当Cu含量超过0.3％时，会使得合金的耐腐蚀性降低。优选的，Cu的添加量为0.25～0.3％；进一步优选为0.28～0.3％。
进一步的，由于Cu元素会在铝合金中形成Al5Cu2Mg8Si6相，削弱Cu提升弹性模量的作用。因此，为了充分发挥Cu的作用，还需要对Si与Mg的含量进行联合控制；具体的，本发明将Mg控制在0.7～0.9％，Si控制在3.1～3.5％，从而使得Mg/Si＞2.5；使得Mg与Si能够充分结合形成Mg2Si相，而很少形成Al5Cu2Mg8Si6相。此外，为了发挥Cu的优良作用，还需要结合工艺，将在后续工艺部分进行说明。
为了保证本发明中铝合金的切削性能和力学性能，还需要结合相应的生产工艺。具体的，参考图1，本发明还公开了一种上述易切削的铝合金的制备方法，其包括以下步骤：
S1：按照比例准备原料备用；
S2：将各种原材料熔炼得到高温铝液；
其中，熔炼温度为720～760℃；
具体的，熔炼过程中各合金的加入顺序为：铝、硅、铜、铬、铁、钛、镁；此加入顺序能够有效防止Mg烧失，控制配方比例精准。
S3：将高温铝液精炼20～30分钟；
具体的，在高温铝液中通入惰性气体进行精炼除气，精炼温度为720℃～760℃，精炼时间为20～30分钟；
S4：将高温铝液静置15～30分钟，得到铸造液；
高温铝液静置可使得其充分均化。
S5：将铸造液进行铸造，得到铸棒坯体；
S6：将铸棒进行均质处理，得到铸棒；
具体的，S6包括：
S61：将所述铸棒坯体在540～550℃下均质处理6～8h；
需要说明的是，本发明中的铝合金中含有较多的Si，其在熔炼热处理过程之中，会首先形成初晶Si，初晶Si多呈现粗大多角状或板块状；这些初晶Si会割裂铝合金基体，造成应力集中，从而大幅降低合金的伸长率和切削性能。为此，本发明通过在540～520℃下均质处理，可有效将初晶Si的形貌由多角状和板块状转化为球状，从而优化铝合金的伸长率和切削性能。同时，这种均质工艺可以使得合金中形成少量的Al5Cu2Mg8Si6相固溶到合金基体之中，从而发挥Cu提升弹性模量的作用。
S62：采用喷水+强风混合冷却至室温，得到铸棒。
优选的，更佳的均质工艺包括：
S61：将所述铸棒坯体在480～510℃下均质1～3h；
S62：将所述铸棒坯体在520～560℃下均质5～12h；
S63：将所述铸棒坯体在70～90℃的热水中冷却，然后空冷至室温，得到铸棒。
此均质工艺得到的铸棒坯体经挤压后具有更加优良的挤压性能和力学性能。
S7：将铸棒进行挤压，得到挤压坯体；
具体的，挤压温度为480～520℃，挤压速度为1～10m/min。
S8：将挤压坯体进行时效处理，得到易切削的铝合金成品。
具体的，时效处理的温度为160～180℃，时间为8～12h。
通过上述配方以及制备方法的综合作用，本发明中的易切削铝合金的碎屑长度≤10mm，抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥290MPa，延伸率≥13％。进一步的，本发明中的易切削铝合金的碎屑长度为3～6mm。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；
其制备方法如下：
(一)按照比例准备原料备用；
(二)将各种原材料在720℃下熔炼得到高温铝液；
(三)将高温铝液在720℃下精炼30分钟；
(四)将所述高温铝液静置15分钟，得到铸造液；
(五)将所述铸造液进行铸造，得到铸棒坯体；
(六)将所述铸棒进行均质处理，得到铸棒；
其中，均质处理具体操作为：(1)将所述铸棒坯体在540℃下均质处理8h；(2)喷水+强风混合冷却至室温，得到铸棒。
(七)将所述铸棒进行挤压，得到挤压坯体；
其中，挤压温度为480℃，挤压速度为1m/min。
(八)将所述挤压坯体进行时效处理，得到易切削的铝合金成品。
其中，时效处理的温度为160℃，时间为12h。
实施例2
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；
其制备方法如下：
(一)按照比例准备原料备用；
(二)将各种原材料在760℃下熔炼得到高温铝液；
(三)将高温铝液在760℃精炼20分钟；
(四)将所述高温铝液静置30分钟，得到铸造液；
(五)将所述铸造液进行铸造，得到铸棒坯体；
(六)将所述铸棒进行均质处理，得到铸棒；
其中，均质处理具体操作为：(1)将所述铸棒坯体在550℃下均质处理6h；(2)喷水+强风混合冷却至室温，得到铸棒。
(七)将所述铸棒进行挤压，得到挤压坯体；
其中，挤压温度为520℃，挤压速度为10m/min。
(八)将所述挤压坯体进行时效处理，得到易切削的铝合金成品。
其中，时效处理的温度为180℃，时间为8h。
实施例3
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；
其制备方法如下：
(一)按照比例准备原料备用；
(二)将各种原材料在750℃下熔炼得到高温铝液；
(三)将所述高温铝液在740℃下精炼25分钟；
(四)将高温铝液静置20分钟，得到铸造液；
(五)将所述铸造液进行铸造，得到铸棒坯体；
(六)将所述铸棒进行均质处理，得到铸棒；
其中，均质处理具体操作为：(1)将所述铸棒坯体在545℃下均质处理7h；
(2)喷水+强风混合冷却至室温至室温，得到铸棒。
(七)将所述铸棒进行挤压，得到挤压坯体；
其中，挤压温度为510℃，挤压速度为8m/min。
(八)将所述挤压坯体进行时效处理，得到易切削的铝合金成品。
其中，时效处理的温度为165℃，时间为10h。
实施例4
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；
其制备方法如下：
(一)按照比例准备原料备用；
(二)将各种原材料在750℃下熔炼得到高温铝液；
(三)将所述高温铝液在730℃精炼25分钟；
(四)将所述高温铝液静置20分钟，得到铸造液；
(五)将所述铸造液进行铸造，得到铸棒坯体；
(六)将所述铸棒进行均质处理，得到铸棒；
其中，均质处理具体操作为：(1)将所述铸棒坯体在550下均质处理7h；
(2)喷水+强风混合冷却，得到铸棒。
(七)将所述铸棒进行挤压，得到挤压坯体；
其中，挤压温度为510℃，挤压速度为8m/min。
(八)将所述挤压坯体进行时效处理，得到易切削的铝合金成品。
其中，时效处理的温度为165℃，时间为10h。
实施例5
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；其制备方法与实施例4相同。
实施例6
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；其制备方法与实施例4相同。
实施例7
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；其制备方法与实施例4相同。
实施例8
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；其制备方法与实施例4相同。
实施例9
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；其制备方法与实施例4相同。
实施例10
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；其制备方法与实施例4相同。
实施例11
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；其制备方法除了均质处理以外均与实施例4相同；
本实施例的均质处理工艺为：
(1)将所述铸棒坯体在490℃下均质1h；
(6.2)将所述铸棒坯体在530℃下均质5h；
(6.3)将所述铸棒坯体在70℃的热水中冷却，然后空冷至室温，得到铸棒。
实施例12
本实施例提供一种易切削的铝合金，其成分如表1所示；其制备方法除了均质处理以外均与实施例4相同；
本实施例的均质处理工艺为：
(1)将所述铸棒坯体在500℃下均质1h；
(6.2)将所述铸棒坯体在540℃下均质6.5h；
(6.3)将所述铸棒坯体在80℃的热水中冷却，然后空冷至室温，得到铸棒。
表1各实施例化学成分表
Si Mg Fe Cu Cr Ti
实施例1 3.08 0.86 0.11 0.22 0.28 0.15
实施例2 3.21 0.83 0.11 0.25 0.31 0.2
实施例3 3.25 0.88 0.13 0.27 0.32 0.21
实施例4 3.68 0.7 0.11 0.22 0.3 0.21
实施例5 3.62 0.75 0.15 0.23 0.33 0.2
实施例6 3.6 0.8 0.12 0.23 0.3 0.23
实施例7 3.85 0.85 0.11 0.23 0.3 0.22
实施例8 3.83 0.75 0.13 0.2 0.31 0.2
实施例9 3.78 0.74 0.12 0.24 0.32 0.24
实施例10 3.85 0.75 0.12 0.28 0.34 0.2
实施例11 3.85 0.75 0.12 0.28 0.34 0.2
实施例12 3.85 0.75 0.12 0.28 0.34 0.2
将实施例1-12的铝合金做测试；其中，采用GB/T 34493-2017的方法测试其切削性能、抗拉强度、屈服强度和延伸率；采用GB/T 22315-2008的方法测试铝合金的弹性模量(室温)。其结果如下表所示：
从表中可以看出，本发明通过对于Si、Mg、Cu以及Ti、Cr的控制，以及对于制备方法的控制，制备得到了2抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥290MPa，延伸率≥13％；切削长度＜10mm。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种易切削的铝合金，其特征在于，其由以下重量百分比的原料制成：
Si 3～3.9％，Mg 0.7～0.9％，Fe≤0.15％，Cu 0.2～0.3％，Cr 0.25～0.35％，Ti0.15～0.25％，余量为铝；
所述易切削的铝合金切削后，碎屑长度≤10mm。
2.如权利要求1所述的易切削的铝合金，其特征在于，其由以下重量百分比的原料制成：
Si 3.5～3.9％，Mg 0.85～0.9％，Fe 0.1～0.15％，Cu 0.28～0.3％，Cr 0.25～0.35％，Ti 0.15～0.25％，余量为铝。
3.如权利要求1所述的易切削的铝合金，其特征在于，其由以下重量百分比的原料制成：
Si 3.1～3.5％，Mg 0.7～0.8％，Fe 0.05～0.1％，Cu 0.25～0.3％，Cr 0.3～0.35％，Ti 0.2～0.25％，余量为铝。
4.如权利要求2或3所述的易切削的铝合金，其特征在于，所述易切削的铝合金的抗拉强度≥330MPa，屈服强度≥290MPa，延伸率≥13％；
所述易切削的铝合金切削后，碎屑长度为3～6mm。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的易切削的铝合金的制备方法，其特征在于，包括：
(一)按照比例准备原料备用；其中，以重量百分比计的原材料配方如下：
Si 3～3.9％，Mg 0.7～0.9％，Fe≤0.15％，Cu 0.2～0.3％，Cr 0.25～0.35％，Ti0.15～0.25％，余量为铝；
(二)将各种原材料在720～760℃下熔炼得到高温铝液；
(三)将所述高温铝液在720～760℃下精炼20～30分钟；
(四)将所述高温铝液静置15～30分钟，得到铸造液；
(五)将所述铸造液进行铸造，得到铸棒坯体；
(六)将所述铸棒进行均质处理，得到铸棒；
(七)将所述铸棒进行挤压，得到挤压坯体；
(八)将所述挤压坯体进行时效处理，得到易切削的铝合金成品。
6.如权利要求5所述的易切削的铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(六)包括：
(6.1)将所述铸棒坯体在540～550℃下均质处理6～8h；
(6.2)采用喷水+强风混合冷却至室温，得到铸棒。
7.如权利要求5所述的易切削的铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(六)包括：
(6.1)将所述铸棒坯体在480～510℃下均质1～3h；
(6.2)将所述铸棒坯体在520～560℃下均质5～12h；
(6.3)将所述铸棒坯体在70～90℃的热水中冷却，然后空冷至室温，得到铸棒。
8.如权利要求5所述的易切削的铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(七)中，挤压温度为480～520℃，挤压速度为1～10m/min。
9.如权利要求5所述的易切削的铝合金的制备方法，其特征在于，步骤(八)中，时效处理的温度为160～180℃，时间为8～12h。
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