CN110669964A - 一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法 - Google Patents

一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金材料技术领域，涉及一种高性能稀土Al‑Mg‑Si铝合金挤压材料及其制备方法，铝合金挤压材料由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.4～0.7％，Mg：0.5～0.7％，Cu：0.01～0.2％，Mn：0.05～0.45％，Cr：0.01～0.3％，Ti：0.01～0.02％，稀土元素0.05～0.30％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，其余单个杂质含量≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合，制备方法可以显著优化合金成分、均匀细化晶粒、熔液净化除杂、减少铸造缺陷、大幅度提高铸锭质量，另外还可以较好地改善了挤压型材表面质量，提高挤压速度及挤压型材产品的热处理综合力学性能。

Description

一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，涉及一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法。
背景技术
随着国防军工、轨道交通、航空航天等高端技术领域对铝合金挤压型材需求的增加，对其性能也提出了更高的要求。而轨道交通及车辆提出的高速、安全、节能、舒适、环保等要求，是国内现代化建设面临的重大课题之一。Al-Mg-Si系铝合金因具有中等强度、良好的焊接性和挤压成型性，已被广泛的应用于轨道交通及车辆的制造中，尤其可以挤压出断面形状复杂的不同厚薄壁空心型材。目前，Al-Mg-Si系铝合金的各项研究已经被广泛报道，但多集中在挤压性能、焊接性能和腐蚀性能等方面的研究，在铸造工艺方面却研究较少，在合金中添加微量稀土元素更是鲜有报道。现有技术中铝合金主要采用传统半连续铸造方法生产的铸锭，通常存在晶粒粗大，组织不均匀，铸造缺陷明显，铸锭质量差等问题。
由于金属的凝固组织在很大程度上决定了它的机械性能，因此铸锭晶粒细化可有效提高铸锭的力学性能。现有技术中主要有：添加细化剂和微合金、铸造工艺优化等方法来细化晶粒，改善铸锭的力学性能。但随着高端产品对材料质量要求的日益提升，对晶粒的细化程度和力学性能提出了更高的要求，目前的控制方法已无法满足材料更高性能的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决上述Al-Mg-Si系铝合金铸锭晶粒细化所存在的问题，提供一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法，该工艺方法可以显著优化合金成分、均匀、细化晶粒，减少铸造缺陷、大幅度提高铸锭及挤压型材热处理综合力学性能。
为达到上述目的，本发明提供一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.4～0.7％，Mg：0.5～0.7％，Cu：0.01～0.2％，Mn：0.05～0.45％，Cr：0.01～0.3％，Ti：0.01～0.02％，稀土元素0.05～0.30％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，其余单个杂质含量≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合。
一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料的制备方法，包括以下步骤：
A、计算各铝合金原料用量并将配制好的铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、工业硅块和铝锭分别转入熔炼炉内，熔炼炉内中上层位置放置铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和工业硅块，炉内最上层覆盖铝锭，熔炼温度为720～760℃；
B、待炉料完全熔化后，依次向炉内熔体中心加入铝箔包裹的铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块，防止与空气接触氧化和烧损，其中熔炼温度为720～740℃；继续熔炼待炉料完全熔化后，向熔体中心加入铝箔包裹的镁锭，并将其按压沉于铝液液面以下，防止与空气接触氧化和烧损，其中熔炼温度为720～740℃；
C、待熔炼炉内的熔体完全熔化后，熔炼温度为720～740℃，进行搅拌和扒渣并对炉内熔体进行炉前成分检测，若成分不合格，则相应补充对应的中间合金，待成分合格后，进行炉内精炼处理，成分合格后向炉内熔体通入氩气和精炼剂进行炉内精炼，精炼温度为710～730℃，时间为15～30min，精炼处理后再进行扒渣，静置15～30min，得到半连续铸造的铝合金熔液；
D、进行半连续铸造过程中，向铝合金液中均匀在线的添加铝钛硼丝0.005～0.01％，铸造温度为710～730℃，铸造速度为35～85mm/min，冷却水压为0.05～0.10MPa，得到高性能稀土铝合金材料铸棒；
E、将稀土铝合金铸棒均匀化退火处理后，去头尾切割成400～610mm定尺长度铝合金短铸锭，车皮后将铝合金短铸锭行挤压，挤压参数为：铸锭加热温度为465～520℃，挤压速度为3.5～5.5m/min，淬火前温度≥485℃，采用水罐在线淬火的方式，最终挤压成所需的薄壁空管；
F、将挤压成型的薄壁空管室温停放24h后进行170～210℃×4～8h的人工时效，随后空冷至室温，得到高性能稀土A1-Mg-Si铝合金挤压型材。
进一步，步骤A中工业硅块纯度为99.9％以上，每小块体积范围小于50cm3，铝锭纯度为99.9％以上。
进一步，步骤B中铝箔包裹的铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块，每小块体积范围小于50cm3。
进一步，步骤C中氩气纯度为99.9％。
进一步，步骤E中均匀化退火处理温度为550～580℃，保温时间为8～10h。
进一步，步骤E挤压后的薄壁空管壁厚为1.5mm或者3mm。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法，通过合理的优化成分设计，添加稀土元素，开发出一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料。稀土元素Er、Sc在铝合金中可起到提高性能的作用。根据大量研究表明，Er、Sc在铝合金体系中均能形成一种二元金属间化合物Al3Er、Al3Sc，这些化合物与铝基体的空间点阵类型相同，晶格常数接近，不仅在凝固过程中可起到晶粒细化作用，而且在经T6处理后可均匀地析出大量沉淀物，起到强烈的沉淀强化作用。通过上述作用，稀土元素Er、Sc对铝合金的综合性能有较明显的提升作用。本发明通过科学合理地优化合金成分，并添加稀土元素Er、Sc在铝合金体系中形成一种二元金属间化合物Al3Er、Al3Sc，不仅在凝固过程中可起到晶粒细化作用，而且在经T6处理后可均匀地析出大量沉淀物，起到强烈的沉淀强化作用，因此显著提升了铝合金的性能。另外，本发明的高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法简单，节约成本和工艺便捷。
2、本发明所公开的高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法，稀土元素Er、Sc对Al-Mg-Si合金的组织有很强的组织细化和提高力学性能的作用，主要是由于Er、Sc元素与空位的结合能比其他元素与空位的结合能要高，生成的Al3Er、Al3Sc等稀土相可以有效阻碍晶粒长大，提高形核率，进而细化晶粒。而且也可以细化枝晶间距、细化晶粒、对共晶Si的形态有一定的变质作用，将粗大的块状或片状球化转变呈圆粒状或颗粒状。另外，稀土元素Er、Sc对Al-Mg-Si合金还有除气除渣的作用。组合成稀土化合物球化、净化晶界，尤其显著提高塑性加工性、改善合金的韧性，使沿晶脆性断裂变成穿晶和沿晶混合断裂，韧窝尺寸也得到细化。另外，由于铝液中加入稀土元素Er、Sc，更显著的提高了铸锭及挤压型材的强度、断裂韧性以及疲劳性能，尤其提高了抗抗蚀性能及挤压速度，改善了挤压产品的表面光洁度及挤压成材率。稀土元素Er、Sc在Al-Mg-Si铝合金的强化作用机理主要包括细晶强化，有限固溶强化和稀土化合物的第二相强化等机理。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明选用的原料有铝锭、铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、工业硅块和纯镁块。所用氩气为99.9％的高纯度氩气。
实施例1
一种高性能稀土A1-Mg-Si铝合金挤压材料的制备方法，包括以下步骤：
A、计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，铝合金板材原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Si Mg Cu Mn Cr Ti Er Zn Fe Al
含量 0.61 0.65 0.16 0.40 0.17 0.016 0.16 0.01 0.12 余量
将配制好的铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、工业硅块(纯度99.9％以上，每小块体积范围小于50cm3)和铝锭(纯度99.9％以上)分别转入熔炼炉内，熔炼炉内中上层位置放置铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和工业硅块，炉内最上层覆盖铝锭，熔炼温度为760℃；
B、待炉料完全熔化后，依次向炉内熔体中心加入铝箔包裹的铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块(每小块体积范围小于50cm3)，防止与空气接触氧化和烧损，其中熔炼温度为730℃；继续熔炼待炉料完全熔化后，向熔体中心加入铝箔包裹的镁锭，并将其按压沉于铝液液面以下，防止与空气接触氧化和烧损，其中熔炼温度为725℃；
C、待熔炼炉内的熔体完全熔化后，熔炼温度为730℃，进行搅拌和扒渣并对炉内熔体进行炉前成分检测，若成分不合格，则相应补充对应的中间合金，待成分合格后，进行炉内精炼处理，成分合格后向炉内熔体通入氩气(纯度为99.9％)和精炼剂进行炉内精炼，精炼温度为715℃，时间为20min，精炼处理后再进行扒渣，静置25min，得到半连续铸造的铝合金熔液；
D、进行半连续铸造过程中，向铝合金液中均匀在线的添加铝钛硼丝0.008％，铸造温度为730℃，铸造速度为64mm/min，冷却水压为0.06MPa，得到高性能稀土铝合金材料铸棒；
E、将稀土铝合金铸棒在560±5℃温度下进行8h均匀化退火处理，将均匀化处理的铝合金铸棒去头尾切割成600±5mm定尺长度铝合金短铸锭，车皮后将铝合金短铸锭行挤压，挤压参数为：铸锭加热温度为475±5℃，挤压速度为4.2±0.3m/min，淬火前温度515±5℃，采用水罐在线淬火的方式，最终挤压成壁厚为1.5mm、3mm的薄壁空管，；
F、将挤压成型的薄壁空管室温停放24h后进行205℃×4.5h的人工T6时效处理，随后空冷至室温，得到高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压型材。
实施例2
一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料的制备方法，包括以下步骤：
A、计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，铝合金板材原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Si Mg Cu Mn Cr Ti Sc Zn Fe Al
含量 0.45 0.50 0.02 0.06 0.01 0.018 0.18 0.01 0.10 余量
将配制好的铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、工业硅块(纯度99.9％以上，每小块体积范围小于50cm3)和铝锭(纯度99.9％以上)分别转入熔炼炉内，熔炼炉内中上层位置放置铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和工业硅块，炉内最上层覆盖铝锭，熔炼温度为740℃；
B、待炉料完全熔化后，依次向炉内熔体中心加入铝箔包裹的铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块(每小块体积范围小于50cm3)，防止与空气接触氧化和烧损，其中熔炼温度为720℃；继续熔炼待炉料完全熔化后，向熔体中心加入铝箔包裹的镁锭，并将其按压沉于铝液液面以下，防止与空气接触氧化和烧损，其中熔炼温度为720℃；
C、待熔炼炉内的熔体完全熔化后，熔炼温度为740℃，进行搅拌和扒渣并对炉内熔体进行炉前成分检测，若成分不合格，则相应补充对应的中间合金，待成分合格后，进行炉内精炼处理，成分合格后向炉内熔体通入氩气(纯度为99.9％)和精炼剂进行炉内精炼，精炼温度为715℃，时间为15min，精炼处理后再进行扒渣，静置20min，得到半连续铸造的铝合金熔液；
D、进行半连续铸造过程中，向铝合金液中均匀在线的添加铝钛硼丝0.01％，铸造温度为720℃，铸造速度为54mm/min，冷却水压为0.05MPa，得到高性能稀土铝合金材料铸棒；
E、将稀土铝合金铸棒在570±5℃温度下进行10h均匀化退火处理，将均匀化处理的铝合金铸棒去头尾切割成600±5mm定尺长度铝合金短铸锭，车皮后将铝合金短铸锭行挤压，挤压参数为：铸锭加热温度为485±5℃，挤压速度为3.9±0.3m/min，淬火前温度495±5℃，采用水罐在线淬火的方式，最终挤压成壁厚为1.5mm、3mm的薄壁空管，；
F、将挤压成型的薄壁空管室温停放24h后进行175℃×8h的人工T6时效处理，随后空冷至室温，得到高性能稀土A1-Mg-Si铝合金挤压型材。
实施例1～2化学成分检测结果(wt％)见表1
表1
Figure BDA0002256528380000051
由表1可知，根据发明的方法制备得到的高性能稀土铝合金材料的化学成分与设计的化学成分相同，由此可见本发明的制备方法再现性好。
实施例1～2所制备高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压型材与目前挤压性能较好的6005A铝合金力学性能对比结果见表2，其中拉伸力学性能检测使用万能拉伸机，硬度检测采用维氏硬度计，可测定铸锭和挤压合金型材的硬度、屈服强度、抗拉强度与延伸率等主要力学性能指标。
表2
Figure BDA0002256528380000061
由表2可以看出，本发明实施例1～2得到的高性能稀土铝合金材料的铸态和挤压+T6处理力学性能显著提高。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料，其特征在于，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.4～0.7％，Mg：0.5～0.7％，Cu：0.01～0.2％，Mn：0.05～0.45％，Cr：0.01～0.3％，Ti：0.01～0.02％，稀土元素0.05～0.30％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，其余单个杂质含量≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合。
2.如权利要求1所述Al-Mg-Si铝合金挤压材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、计算各铝合金原料用量并将配制好的铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、工业硅块和铝锭分别转入熔炼炉内，熔炼炉内中上层位置放置铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和工业硅块，炉内最上层覆盖铝锭，熔炼温度为720～760℃；
B、待炉料完全熔化后，依次向炉内熔体中心加入铝箔包裹的铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块，防止与空气接触氧化和烧损，其中熔炼温度为720～740℃；继续熔炼待炉料完全熔化后，向熔体中心加入铝箔包裹的镁锭，并将其按压沉于铝液液面以下，防止与空气接触氧化和烧损，其中熔炼温度为720～740℃；
C、待熔炼炉内的熔体完全熔化后，熔炼温度为720～740℃，进行搅拌和扒渣并对炉内熔体进行炉前成分检测，若成分不合格，则相应补充对应的中间合金，待成分合格后，进行炉内精炼处理，成分合格后向炉内熔体通入氩气和精炼剂进行炉内精炼，精炼温度为710～730℃，时间为15～30min，精炼处理后再进行扒渣，静置15～30min，得到半连续铸造的铝合金熔液；
D、进行半连续铸造过程中，向铝合金液中均匀在线的添加铝钛硼丝0.005～0.01％，铸造温度为710～730℃，铸造速度为35～85mm/min，冷却水压为0.05～0.10MPa，得到高性能稀土铝合金材料铸棒；
E、将稀土铝合金铸棒均匀化退火处理后，去头尾切割成400～610mm定尺长度铝合金短铸锭，车皮后将铝合金短铸锭行挤压，挤压参数为：铸锭加热温度为465～520℃，挤压速度为3.5～5.5m/min，淬火前温度≥485℃，采用水罐在线淬火的方式，最终挤压成所需的薄壁空管；
F、将挤压成型的薄壁空管室温停放24h后进行170～210℃×4～8h的人工时效，随后空冷至室温，得到高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压型材。
3.如权利要求2所述Al-Mg-Si铝合金挤压材料的制备方法，其特征在于，步骤A中工业硅块纯度为99.9％以上，每小块体积范围小于50cm3，铝锭纯度为99.9％以上。
4.如权利要求2所述Al-Mg-Si铝合金挤压材料的制备方法，其特征在于，步骤B中铝箔包裹的铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块，每小块体积范围小于50cm3。
5.如权利要求2所述Al-Mg-Si铝合金挤压材料的制备方法，其特征在于，步骤C中氩气纯度为99.9％。
6.如权利要求2所述Al-Mg-Si铝合金挤压材料的制备方法，其特征在于，步骤E中均匀化退火处理温度为550～580℃，保温时间为8～10h。
7.如权利要求2所述Al-Mg-Si铝合金挤压材料的制备方法，其特征在于，步骤E挤压后的薄壁空管壁厚为1.5mm或者3mm。
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