CN110408805A - 一种铝合金棒材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于合金技术领域，涉及一种铝合金棒材及其制备方法。该铝合金棒材包括如下重量百分比的组分：Al 93.95‑98.61％，Si 0.30‑1.50％，Mg0.50‑2.00％，Cu 0.10‑0.50％，Mn 0.05‑0.50％，Cr 0.20‑0.50％，Fe 0.15‑0.75％，Zn 0.04‑0.15％，Ti 0.05‑0.15％，并且，重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.75‑1.50。通过优化设计合金化主元素Mg、Si含量，控制微量元素Cu、Mn、Cr、Fe、Zn、Ti含量，通过熔炼、除气过滤、铸造、均匀化热处理、淬火和时效的步骤，提供一种耐腐蚀、力学性能好，制备工序简化的铝合金棒材及其制备方法。

Description

一种铝合金棒材及其制备方法
技术领域
本发明涉及合金技术领域，尤其涉及一种铝合金棒材及其制备方法。
背景技术
铝合金棒材广泛应用于轨道交通、机械电子、工模具等领域。与传统的金属材料，如钢等相比，铝合金的优势明显，表现在：1)铝合金具有较高的比强度，其密度仅为钢材的三分之一左右，满足轻量化的要求，其强度通过合理的元素配比以及加工方式，可达到甚至超过钢的强度；2)其热导率较高，铝合金的热导率约为钢的3-4倍，加工过程可大幅度缩短冷却时间，提高工作效率；3)铝合金的切削性能好。铝合金用作机械零件，进行机加工时铝合金的切削速度可达钢的5倍之多，可进行高速切削，并且对于切削工具的磨损较小，大幅降低生产成本。
现有铝合金棒材的生产方法可分为挤压法和铸造法。
采用挤压法所生产的棒材具有以下缺点：1、挤压过程中，棒材心部与表面变形程度不同，导致挤压棒材组织呈不均匀状态，对应各区力学性能不均匀；2、挤压过程中需要对缩尾进行严格控制，精准度较难把握；3、挤压过程中，出料口到冷却槽之间的距离较远，对于淬火敏感性较高的合金，会导致过饱和固溶体的分解，析出强化作用减弱，导致力学性能不均匀；4、对于大棒径的棒材挤压需要大的挤压机台，且生产效率较低。
采用铸造法生产的棒材，易产生缺陷，表面偏析层较厚，且生产的棒材力学性能较低。
因此需要一种能够克服上述问题的铝合金生产方法以及适应于该方法的铝合金配方。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，通过优化设计合金中主元素Mg、Si含量，控制微量元素Cu、Mn、Cr、Fe、Zn、Ti含量，通过熔炼、除气过滤、铸造、均匀化热处理、淬火和时效的步骤，提供一种耐腐蚀、力学性能好，制备工序简化的铝合金棒材及其制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种铝合金棒材，所述铝合金棒材含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.75-1.50
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.75-1.50。
其中，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.75-1.50
其中，重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.90-1.20。
其中，重量百分比的比值C2＝Zn/Mn的范围为0.40-1.00。
其中，重量百分比的比值C2＝Zn/Mn的范围为0.50-0.80。
其中，重量百分比的比值C3＝Ti/Zn的范围为0.50-3.00。
其中，重量百分比的比值C3＝Ti/Zn的范围为1.00-2.00。
根据本发明的另一方面，还提供了一种铝合金棒材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)材料准备：按照各组分的重量百分比备料，将备料放入恒干燥炉中干燥，得到待熔炼的原料；
(2)熔炼：将所述待熔炼的原料在熔炼炉内在熔炼温度720-750℃下进行熔炼，得到熔体溶液；
(3)除气过滤：对所述熔体溶液进行除气处理，得到除气后的溶液，并且对所述除气后的溶液进行过滤，得到过滤后的滤液；
(4)铸造：所述过滤后的滤液以铸造速度60-187mm/min，铸造温度650-720℃，气体流量0.9-8L/min的工艺进行铸造，得到铝合金棒材。
(5)均匀化热处理：将铸造得到的所述铝合金棒材在470-565℃下进行均匀化热处理，保温2-6h；
(6)淬火：将经过均匀化热处理的铝合金棒材进行淬火，淬火温度540-560℃，保温3-4h，淬火转移时间＜15s；
(7)时效：将淬火后的铝合金棒材放入时效炉中进行时效，时效温度
170-175℃，保温8-12h。
该铝合金棒材中各元素的作用及含量说明如下：
Al是形成铝合金的主要元素，并且起稳定各成分的作用。在本发明的铝合金组合物中，限定Al的重量百分比含量范围为93.95-98.61％。优选地，Al的重量百分比含量范围可以限定为95.78-98.19％。更优选地，Al的重量百分比含量范围可以限定为96.63-97.91％。
铝合金中的Mg和Si是主要的强化元素，Mg和Si能形成强化相Mg2Si，其能提高铝合金的强化效果，铝合金中的Mg和Si含量越高则其强化效果越佳。但是，铝合金中的Mg和Si含量过高时，易降低铝合金的阳极氧化效果，如出现铝合金颜色变暗等现象，并且，铝合金中的Mg和Si含量越高，会生成更多不可溶的金属间化合物，造成铝合金不耐腐蚀及阳极氧化效果下降。铝合金中的Mg和Si含量偏低，会影响铝合金的力学性能。因此，Mg的重量百分比含量范围可以限定为0.50-2.00％。优选地，Mg的重量百分比含量范围可以限定为0.70-1.50％。更优选地，Mg的重量百分比含量范围可以限定为0.80-1.10％。Si的重量百分比含量范围可以限定为0.30-1.50％。优选地，Si的重量百分比含量范围可以限定为0.40-1.00％。更优选地，Si的重量百分比含量范围可以限定为0.50-0.80％。
铝合金中的Cu也是强化元素，Cu具有固溶强化的作用，或者能促进Mg2Si相的析出，或者可以提高铝合金的硬化能力。Cu的重量百分比含量范围可以限定为0.10-0.50％,Cu的含量过高则会影响铝合金的阳极氧化效果，并显著降低铝合金的耐腐蚀性能，Cu的含量过低则会限制铝合金的强化效果。优选地，Cu的重量百分比含量范围可以限定为0.10-0.30％。更优选地，Cu的重量百分比含量范围可以限定为0.10-0.25％。
Mn为微量元素，Mn具有控制晶粒结构的作用，Mn的含量控制不当会影响铝合金的阳极氧化效果；Mn的含量过多则将形成大量的不可溶粗大金属间化合物，从而降低铝合金的阳极氧化效果。因此，Mn的重量百分比含量范围可以限定为0.05-0.50％。优选地，Mn的重量百分比含量范围可以限定为0.10-0.20％。更优选地，Mn的重量百分比含量范围可以限定为0.10-0.15％。
Fe可以改善合金的机械强度和拉伸性能，Fe还能明显的提高高温抗蠕变性能，以及提高合金的抗疲劳性能，但是，Fe的含量过多使得铝合金在阳极氧化后失去原本鲜亮的银白色，从而呈现出暗色，严重时发黑。因此，Fe的重量百分比含量范围可以限定为0.15-0.75％。优选地，Fe的重量百分比含量范围可以限定为0.20-0.60％。更优选地，Fe的重量百分比含量范围可以限定为0.25-0.50％。
Cr在铝中形成(CrFe)Al7等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性，但是Cr的含量控制不当易导致铝合金在阳极氧化后颜色发黄。Cr的重量百分比含量范围可以限定为0.20-0.50％。优选地，Cr的重量百分比含量范围可以限定为0.22-0.40％。更优选地，Cr的重量百分比含量范围可以限定为0.25-0.35％。
在铝中同时加入Zn和Mg，可以形成强化相(MgZn2)相，对合金产生明显的强化作用，增加抗拉强度和屈服强度，但是Zn的含量过大，会降低合金的延伸率。Zn的重量百分比含量范围可以限定为0.04-0.15％，优选地，Zn的重量百分比含量范围可以限定为0.04-0.10％。
Ti具有晶粒细化的作用，Ti的重量百分比含量范围可以限定为0.05-0.15％，优选地，Ti的重量百分比含量范围可以限定为0.05-0.12％，既能提高铝合金的综合性能，且不会影响铝合金氧化膜的外观质量。
进一步研究中，发明人意外发现，在本发明的铝合金棒材中，控制重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围可以使得铝合金棒材的抗拉强度和屈服强度显著增强，同时具有很高的延伸率，并且不产生严重的阳极氧化反应，可以控制重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.75-1.50，优选地，控制重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.90-1.20。控制重量百分比的比值C2＝Zn/Mn的范围可以使得铝合金棒材进一步具有更好的机械强度，同时保持良好的延伸率，并且不产生严重的阳极氧化反应，可以控制重量百分比的比值C2＝Zn/Mn的范围为0.40-1.00，优选地，控制重量百分比的比值C2＝Zn/Mn的范围为0.50-0.80。控制重量百分比的比值C3＝Ti/Zn可以使得铝合金棒材的具有良好外观，并且不降低其的延伸率，可以控制重量百分比的比值C3＝Ti/Zn范围为0.50-3.00，优选地，控制重量百分比的比值C3＝Ti/Zn的范围为1.00-2.00。
另外，本申请提供一种铝合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
(1)材料准备：将各组分的重量百分比备料，将备料放入恒干燥炉中干燥，得到待熔炼的原料；
(2)熔炼：将待熔炼的原料在熔炼炉内在熔炼温度720-750℃下进行熔炼，得到熔体溶液；
(3)除气过滤：对熔体溶液进行除气处理，得到除气后的溶液，并且对除气后的溶液进行过滤，得到过滤后的滤液；
(4)铸造：过滤后的滤液以铸造速度60-187mm/min，铸造温度650-720℃，气体流量0.9-8L/min的工艺进行铸造，得到铝合金棒材。
(5)均匀化热处理：将铸造得到的铝合金棒材在470-565℃下进行均匀化热处理，保温2-6h；
(6)淬火：将经过均匀化热处理的铝合金棒材进行淬火，淬火温度540-560℃，保温3-4h，淬火转移时间＜15s；
(7)时效：将淬火后的铝合金棒材放入时效炉中进行时效，时效温度170-175℃，保温8-12h。
上述方法中，通过除气步骤降低铝熔体中的氢含量，减少铸锭中的气孔及针孔；通过过滤步骤去除铝熔体中的氧化物、非金属夹杂以及耐高温等的其他杂物，以减少铸锭中的疏松、夹渣等而改善铝合金棒材的延伸率；通过淬火与时效步骤提升铝合金的力学性能。
本申请中的铝合金棒材与其他铝合金棒材相比有以下优点：1)本铝合金棒材与热挤压方法制备的铝合金棒材相比，组织具有高度一致性，均为等轴晶组织，宏观晶粒度为1级，高倍晶粒尺寸≤150μm；2)铸棒偏析层厚度≤500μm；3)本发明铝合金强度高，屈服强度为240-305MPa，抗拉强度为275-350MPa；4)具有比较高的延伸率16-24％；5)具有较高的巴氏硬度：80-89HBa；6)切削性能优良；与传统制造法相比，本发明制备的棒材产品品质更高，偏析层厚度小，易于进行机加工处理。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且与描述一起用于解释本申请的原理。在附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本申请的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示例性地示出了本申请实施例15的铝合金棒材的金相照片
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例1
一种铝合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
将各组分按重量百分比备料Al 93.95％，Si 1.50％，Mg 2.00％，Cu 0.50％，Mn0.50％，Cr 0.50％，Fe 0.75％，Zn 0.15％，Ti 0.15％，将备料放入恒干燥炉中干燥，得到待熔炼的原料；将待熔炼的原料在熔炼炉内在熔炼温度720-750℃下进行熔炼，得到熔体溶液；对熔体溶液进行除气处理，得到除气后的溶液，并且对除气后的溶液进行过滤，得到过滤后的滤液；过滤后的滤液以铸造速度60-187mm/min，铸造温度650-720℃，气体流量0.9-8L/min的工艺进行铸造，得到铝合金棒材。
将得到的铝合金棒材在470-565℃下进行均匀化热处理，保温2-6h；将经过均匀化热处理的铝合金棒材进行淬火，淬火温度540-560℃，保温3-4h，淬火转移时间＜15s；将淬火后的铝合金棒材放入时效炉中进行时效，时效温度170-175℃，保温8-12h。
实施例2
一种铝合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
将各组分按重量百分比备料Al 98.61％，Si 0.30％，Mg 0.50％，Cu 0.10％，Mn0.05％，Cr 0.20％，Fe 0.15％，Zn 0.04％，Ti 0.05％，将备料放入恒干燥炉中干燥，得到待熔炼的原料；将待熔炼的原料在熔炼炉内在熔炼温度720-750℃下进行熔炼，得到熔体溶液；对熔体溶液进行除气处理，得到除气后的溶液，并且对除气后的溶液进行过滤，得到过滤后的滤液；过滤后的滤液以铸造速度60-187mm/min，铸造温度650-720℃，气体流量0.9-8L/min的工艺进行铸造，得到铝合金棒材。
将得到的铝合金棒材在470-565℃下进行均匀化热处理，保温2-6h；将经过均匀化热处理的铝合金棒材进行淬火，淬火温度540-560℃，保温3-4h，淬火转移时间＜15s；将淬火后的铝合金棒材放入时效炉中进行时效，时效温度170-175℃，保温8-12h。
实施例3
一种铝合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
将各组分按重量百分比备料Al 98.19％，Si 0.40％，Mg 0.70％，Cu 0.10％，Mn0.10％，Cr 0.22％，Fe 0.2％，Zn 0.04％，Ti 0.05％，将备料放入恒干燥炉中干燥，得到待熔炼的原料；将待熔炼的原料在熔炼炉内在熔炼温度720-750℃下进行熔炼，得到熔体溶液；对熔体溶液进行除气处理，得到除气后的溶液，并且对除气后的溶液进行过滤，得到过滤后的滤液；过滤后的滤液以铸造速度60-187mm/min，铸造温度650-720℃，气体流量0.9-8L/min的工艺进行铸造，得到铝合金棒材。
将得到的铝合金棒材在470-565℃下进行均匀化热处理，保温2-6h；将经过均匀化热处理的铝合金棒材进行淬火，淬火温度540-560℃，保温3-4h，淬火转移时间＜15s；将淬火后的铝合金棒材放入时效炉中进行时效，时效温度170-175℃，保温8-12h。
实施例4
一种铝合金棒材的制备方法，包括以下步骤：
将各组分按重量百分比备料Al 95.78％，Si 1.00％，Mg 1.50％，Cu 0.30％，Mn0.20％，Cr 0.40％，Fe 0.60％，Zn 0.10％，Ti 0.12％，将备料放入恒干燥炉中干燥，得到待熔炼的原料；将待熔炼的原料在熔炼炉内在熔炼温度720-750℃下进行熔炼，得到熔体溶液；对熔体溶液进行除气处理，得到除气后的溶液，并且对除气后的溶液进行过滤，得到过滤后的滤液；过滤后的滤液以铸造速度60-187mm/min，铸造温度650-720℃，气体流量0.9-8L/min的工艺进行铸造，得到铝合金棒材。
将得到的铝合金棒材在470-565℃下进行均匀化热处理，保温2-6h；将经过均匀化热处理的铝合金棒材进行淬火，淬火温度540-560℃，保温3-4h，淬火转移时间＜15s；将淬火后的铝合金棒材放入时效炉中进行时效，时效温度170-175℃，保温8-12h。
本申请的其他实施例(实施例5-15)及上述实施例的具体数据信息请参见表1。
铝合金的力学性能的测试方法按照GB/T228-2002中的相关方法进行测试，铝合金采用硫酸法进行阳极氧化，然后按照GB/T14952.3-1994标准进行检验。
表1
续表1
图1示出了根据本申请实施例15的铝合金棒材的金相照片，可以看出，本铝合金棒材组织具有高度一致性，均为等轴晶组织，宏观晶粒度为1级，高倍晶粒尺寸≤150μm；棒偏析层厚度≤500μm。
本申请中的铝合金棒材与其他铝合金棒材相比有以下优点：1)本铝合金棒材与热挤压方法制备的铝合金棒材相比，组织具有高度一致性，均为等轴晶组织，宏观晶粒度为1级，高倍晶粒尺寸≤150μm；2)铸棒偏析层厚度≤500μm；3)本发明铝合金强度高，屈服强度为240-305MPa，抗拉强度为275-350MPa；4)具有比较高的延伸率16-24％；5)具有较高的巴氏硬度：80-89HBa；6)切削性能优良；与传统制造法相比，本发明制备的棒材产品品质更高，偏析层厚度小，易于进行机加工处理。
由表1可知：通过优化设计合金化主元素Mg、Si含量，控制微量元素Cu、Mn、Cr、Fe、Zn、Ti含量，及铝合金的制备过程中的参数，在保证阳极氧化效果的基础上，铝合金棒材的抗拉强度和屈服强度显著增强,并且可以同时具有很高的延伸率。
最后应说明的是：在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种铝合金棒材，其特征在于，所述铝合金棒材含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.75-1.50。
2.根据权利要求1所述的铝合金棒材，其特征在于，所述铝合金棒材含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.75-1.50。
3.根据权利要求1所述的铝合金棒材，其特征在于，所述铝合金棒材含有下述组分，各组分的含量以重量百分比表示如下：
并且，重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.75-1.50。
4.根据权利要求1-3任一所述的铝合金棒材，其特征在于，重量百分比的比值C1＝Fe/Cr的范围为0.9-1.20。
5.根据权利要求1-3任一所述的铝合金棒材，其特征在于，重量百分比的比值C2＝Zn/Mn的范围为0.40-1.00。
6.根据权利要求5所述的铝合金棒材，其特征在于，重量百分比的比值C2＝Zn/Mn的范围为0.50-0.80。
7.根据权利要求1-3任一所述的铝合金棒材，其特征在于，重量百分比的比值C3＝Ti/Zn的范围为0.50-3.00。
8.根据权利要求7所述的铝合金棒材，其特征在于，重量百分比的比值C3＝Ti/Zn的范围为1.00-2.00。
9.一种如权利要求1-7任一所述的铝合金棒材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)材料准备：按照各组分的重量百分比备料，将备料放入恒干燥炉中干燥，得到待熔炼的原料；
(2)熔炼：将所述待熔炼的原料在熔炼炉内在熔炼温度720-750℃下进行熔炼，得到熔体溶液；
(3)除气过滤：对所述熔体溶液进行除气处理，得到除气后的溶液，并且对所述除气后的溶液进行过滤，得到过滤后的滤液；
(4)铸造：所述过滤后的滤液以铸造速度60-187mm/min，铸造温度650-720℃，气体流量0.9-8L/min的工艺进行铸造，得到铝合金棒材；
(5)均匀化热处理：将铸造得到的所述铝合金棒材在470-565℃下进行均匀化热处理，保温2-6h；
(6)淬火：将经过均匀化热处理的铝合金棒材进行淬火，淬火温度540-560℃，保温3-4h，淬火转移时间＜15s；
(7)时效：将淬火后的铝合金棒材放入时效炉中进行时效，时效温度170-175℃，保温8-12h。
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