CN110587116A - 一种添加Al-Er中间合金改善6063铝合金性能的搅拌摩擦加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种添加Al‑Er中间合金改善6063铝合金性能的搅拌摩擦加工方法，具体步骤如下：预先加工长条状铸态Al‑Er中间合金；在6063铝合金挤压板上开槽填充铸态Al‑Er中间合金；搅拌摩擦加工处理；人工时效处理。采用搅拌摩擦加工工艺，在搅拌区生成均匀细小的等轴晶粒，与未加工合金相比，晶粒得到明显细化，组织更加均匀，使合金塑性得到提高。由于搅拌摩擦加工过程中受到高温影响，而使铝合金本身的强化相Mg2Si相发生固溶，后续的人工时效后，在搅拌区重新析出Mg2Si强化相，同时由于铸态Al‑Er中间合金的添加，在人工时效过程中也析出了纳米级Al3Er强化相，Mg2Si、Al3Er强化相协同作用，钉扎晶界阻碍位错运动，从而提高了合金的综合性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种添加Al-Er中间合金改善6063铝合金性能的搅拌摩擦加工方法，属于大塑性变形和热处理技术领域。
背景技术
近年来，在大力提倡节能减排的环境下，各种新型高性能的铝合金开始不断涌现，如何同时提高铝合金的强度和塑性成为其能否被广泛应用的关键。搅拌摩擦加工技术(Friction StirProcessing，简称FSP)是一项新型材料改性及制备技术。该技术于1999年由美国Missouri大学的R S MISHIRA将搅拌摩擦焊应用于7075铝合金研究时首次提出，所以搅拌摩擦加工是基于搅拌摩擦焊发展而来的一种材料组织改性技术。该技术具有操作简单、成本低、绿色环保、效率高等优点。在搅拌摩擦加工过程中，搅拌头与材料摩擦产生大量热量，形成温度场，同时搅拌头的高速旋转使材料发生剧烈塑性变形，在搅拌区发生连续动态再结晶、合金元素扩散、以及塑性流动，使得材料在较短时间内实现微观组织的细化、致密化、均匀化，从而提高材料的综合性能。
大量研究表明：Sc是一种有效的微合金化元素，将这种微量(千分之几)稀土元素添加到铝合金中，不仅能有效细化晶粒，抑制合金再结晶，而且还能提高合金的强度和韧性、抗腐蚀性能、常高温性能等。在时效过程中析出纳米级强化相粒子Al3Sc能够钉扎晶界，阻碍位错运动，从而提高合金的力学性能。但是Sc元素成本相对昂贵，大大增加了生产成本。
发明内容
本发明目的在于：提供一种降低成本且综合性能优异的6063铝合金性能的改善方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种添加Al-Er中间合金改善6063铝合金性能的搅拌摩擦加工方法，具体步骤如下：
S1：预先加工长条状铸态Al-Er中间合金；
S2：使用夹持装置将6063铝合金挤压板固定，用砂纸打磨表面至光滑，并用酒精清洗；
S3：使用铣刀在6063铝合金挤压板上开槽并填充铸态Al-Er中间合金；
S4：使用无搅拌针的搅拌头对填充后的6063挤压板进行封槽处理；
S5：对封槽后的6063铝合金挤压板进行搅拌摩擦加工处理；
S6：人工时效处理。
优选地，所述的铸态Al-Er中间合金为铸态Al-2wt.％Er中间合金，其制备方法如下：在熔炼炉里对工业纯Al、Al-10wt.％Er中间合金进行熔炼，用金属磨具冷却制备出铸态Al-2wt.％Er中间合金。
优选地，步骤S3中搅拌摩擦加工处理的条件如下：搅拌针长度：5mm，轴肩下压量：0.5mm，轴肩直径：19mm，搅拌头倾斜角：2°，焊接速度：60～100mm/min，旋转速度：900～1500r/min。
优选地，步骤S4中人工时效处理条件如下：时效温度：160-200℃，时效时间：1-12h。
本发明的有益效果在于：
(1)采用搅拌摩擦加工工艺，在搅拌区生成均匀细小的等轴晶粒，与未加工合金相比，晶粒得到明显细化，组织更加均匀，均匀细小晶粒使合金塑性得到提高。
(2)采用铸态Al-Er中间合金，可以使Er元素更加均匀地加入到合金中，增强合金强度。
(3)由于搅拌摩擦加工过程中受到高温影响，而使铝合金本身的强化相Mg2Si相发生固溶，后续的人工时效后，在搅拌区重新析出Mg2Si强化相，同时由于铸态Al-Er中间合金的添加，在人工时效过程中也析出了纳米级Al3Er强化相，Mg2Si、Al3Er强化相协同作用，钉扎晶界阻碍位错运动，从而提高了合金的综合性能。
综上所述：通过本发明可以的到综合性能更加优异的6063铝合金材料。
附图说明
图1：6063铝合金商用轧制挤压板金相组织照片：
图2：6063铝合金商用轧制挤压板搅拌摩擦加工后搅拌区金相组织照片：
图3：实例1中不同温度时效后搅拌区硬度值图：
图4：实例1、2、3、4中搅拌区时效峰值硬度对比图；
图5：实例1、2、3、4中搅拌区应力应变曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步地说明。其中实施例中涉及具体的物料比、工艺参数、实验条件以及结果，旨在详细说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本发明涉及的6063铝合金商用轧制挤压板，其化学成分为：
实施例1：
采用传统铸锭冶金方法，在熔炼炉里对工业纯Al、Al-10wt.％Er中间合金进行熔炼，用金属磨具冷却制备出铸态Al-2wt.％Er中间合金，其尺寸为：长×宽×厚＝180mm×50mm×33mm。采用DK7740E电火花数控线切割机对上述中间合金进行加工，在其芯部取出部分并加工成长条状，尺寸为：长×宽×厚＝180mm×3mm×(1.5-2)mm。
将6063铝合金挤压板表面清洗干净并固定于夹持装置上，其尺寸为：长×宽×厚＝180mm×90mm×9mm。采用型号为SXT-10龙门移动式搅拌摩擦焊机装配铣刀，在挤压板上开槽，槽痕尺寸：长×宽×深＝180mm×(1.5-2)mm×3mm，开槽完成后将长条状铸态中间合金填充在槽痕中并压实。将搅拌摩擦焊机装配搅拌头，对完成填充的挤压板进行搅拌摩擦加工处理，工艺参数为：搅拌针长度：5mm，轴肩下压量：0.5mm，轴肩直径：19mm，搅拌头倾斜角：2°，焊接速度：100mm/min，旋转速度：1200r/min。
将搅拌摩擦加工后的挤压板用电火花数控线切割机床切样，将切好的样品放入保温稳定的箱式炉中进行人工时效处理，时效温度：185℃，时效时间：1-8h。每1小时取样并用显微硬度仪进行硬度测试，将各时效条件下所得搅拌区硬度平均值进行对比，得到最佳时效条件为：185℃×6h，此时搅拌区硬度平均值达到90.47HV。回复到基体的103.7％。其硬度值得以回复的原因是在时效过程中，在搅拌区重新析出Mg2Si强化相，同时由于铸态Al-Er中间合金的添加，在人工时效过程中也析出了纳米级Al3Er强化相，Mg2Si、Al3Er强化相协同作用，钉扎晶界阻碍位错运动，从而提高了搅拌区的强度，同时材料塑性达到28.6％(母材15.8％)。
实施例2：
采用传统铸锭冶金方法，在熔炼炉里对工业纯Al、Al-10wt.％Er中间合金进行熔炼，用金属磨具冷却制备出铸态Al-2wt.％Er中间合金，其尺寸为：长×宽×厚＝180mm×50mm×33mm。采用DK7740E电火花数控线切割机对上述中间合金进行加工，在其芯部取出部分并加工成长条状，尺寸为：长×宽×厚＝180mm×3mm×(1.5-2)mm。
将6063铝合金挤压板表面清洗干净并固定于夹持装置上，其尺寸为：长×宽×厚＝180mm×90mm×9mm。采用型号为SXT-10龙门移动式搅拌摩擦焊机装配铣刀，在挤压板上开槽，槽痕尺寸：长×宽×深＝180mm×(1.5-2)mm×3mm，开槽完成后将长条状铸态中间合金填充在槽痕中并压实。将搅拌摩擦焊机装配搅拌头，对完成填充的挤压板进行搅拌摩擦加工处理，工艺参数为：搅拌针长度：5mm，轴肩下压量：0.5mm，轴肩直径：19mm，搅拌头倾斜角：2°，焊接速度：100mm/min，旋转速度：1200r/min。
将搅拌摩擦加工后的挤压板用电火花数控线切割机床切样，将切好的样品放入保温稳定的箱式炉中进行人工时效处理，时效温度：200℃，时效时间：1-8h。每1小时取样并用显微硬度仪进行硬度测试，将各时效条件下所得搅拌区硬度平均值进行对比，得到最佳时效条件为：200℃×4h，此时搅拌区硬度平均值达到86.17HV。回复到基体的98.77％，但是塑性达到24.2％。
实施例3：
采用传统铸锭冶金方法，在熔炼炉里对工业纯Al、Al-10wt.％Er中间合金进行熔炼，用金属磨具冷却制备出铸态Al-2wt.％Er中间合金，其尺寸为：长×宽×厚＝180mm×50mm×33mm。采用DK7740E电火花数控线切割机对上述中间合金进行加工，在其芯部取出部分并加工成长条状，尺寸为：长×宽×厚＝180mm×3mm×(1.5-2)mm。
将6063铝合金挤压板表面清洗干净并固定于夹持装置上，其尺寸为：长×宽×厚＝180mm×90mm×9mm。采用型号为SXT-10龙门移动式搅拌摩擦焊机装配铣刀，在挤压板上开槽，槽痕尺寸：长×宽×深＝180mm×(1.5-2)mm×3mm，开槽完成后将长条状铸态中间合金填充在槽痕中并压实。将搅拌摩擦焊机装配搅拌头，对完成填充的挤压板进行搅拌摩擦加工处理，工艺参数为：搅拌针长度：5mm，轴肩下压量：0.5mm，轴肩直径：19mm，搅拌头倾斜角：2°，焊接速度：100mm/min，旋转速度：1200r/min。
将搅拌摩擦加工后的挤压板用电火花数控线切割机床切样，将切好的样品放入保温稳定的箱式炉中进行人工时效处理，时效温度：160℃，时效时间：1-12h。每1小时取样并用显微硬度仪进行硬度测试，将各时效条件下所得搅拌区硬度平均值进行对比，得到最佳时效条件为：160℃×10h，此时搅拌区硬度平均值达到86.27HV。回复到基体的98.89％，但是塑性达到23.8％。
实施例4：
将6063铝合金挤压板表面清洗干净并固定于夹持装置上，其尺寸为：长×宽×厚＝180mm×90mm×9mm。采用型号为SXT-10龙门移动式搅拌摩擦焊机对挤压板进行搅拌摩擦加工处理，工艺参数为：搅拌针长度：5mm，轴肩下压量：0.5mm，轴肩直径：19mm，搅拌头倾斜角：2°，焊接速度：100mm/min，旋转速度：1200r/min。
将搅拌摩擦加工后的挤压板用电火花数控线切割机床切样，将切好的样品放入保温稳定的箱式炉中进行人工时效处理，时效温度：185℃，时效时间：1-10h。每1小时取样并用显微硬度仪进行硬度测试，将各时效条件下所得搅拌区硬度平均值进行对比，得到最佳时效条件为：185℃×8h，此时搅拌区硬度平均值达到86.46HV。回复到基体的99.11％。其硬度值得以回复的原因是因为在时效过程中，在搅拌区重新析出Mg2Si强化相，Mg2Si强化相钉扎晶界阻碍位错运动，从而提高了搅拌区的强度，但是其硬度值要低于实施例1中硬度值，但是塑性达到22.5％。
Claims (4)
1.一种添加Al-Er中间合金改善6063铝合金性能的搅拌摩擦加工方法，其特征在于：具体步骤如下：
S1：预先加工长条状铸态Al-Er中间合金；
S2：使用夹持装置将6063铝合金挤压板固定，用砂纸打磨表面至光滑，并用酒精清洗；
S3：使用铣刀在6063铝合金挤压板上开槽并填充铸态Al-Er中间合金；
S4：使用无搅拌针的搅拌头对填充后的6063挤压板进行封槽处理；
S5：对封槽后的6063铝合金挤压板进行搅拌摩擦加工处理；
S6：人工时效处理。
2.根据权利要求1所述的一种添加Al-Er中间合金改善6063铝合金性能的搅拌摩擦加工方法，其特征在于：所述的铸态Al-Er中间合金为铸态Al-2wt.％Er中间合金，其制备方法如下：在熔炼炉里对工业纯Al、Al-10wt.％Er中间合金进行熔炼，用金属磨具冷却制备出铸态Al-2wt.％Er中间合金。
3.根据权利要求1所述的一种添加Al-Er中间合金改善6063铝合金性能的搅拌摩擦加工方法，其特征在于：步骤S3中搅拌摩擦加工处理的条件如下：搅拌针长度：5mm，轴肩下压量：0.5mm，轴肩直径：19mm，搅拌头倾斜角：2°，焊接速度：60～100mm/min，旋转速度：900～1500r/min。
4.根据权利要求1所述的一种添加Al-Er中间合金改善6063铝合金性能的搅拌摩擦加工方法，其特征在于：步骤S4中人工时效处理条件如下：时效温度：160-200℃，时效时间：1-12h。
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