CN110846539B - 一种高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铝合金材料制造领域，涉及一种高吸能性Al‑Mg‑Si‑Cu合金，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.6～1.0％，Fe≤0.35％，Cu：0.4～0.7％，Mn≤0.3％，Mg：0.6～1.0％，Cr：0.1～0.3％，V：0.1～0.3％，Ti≤0.1％，其余单个杂质含量≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，制备方法中将拉伸矫直后的铝合金型材在24h内进行双级人工时效，第一级人工时效工艺为150±5℃×(1‑2)h，第二级人工时效工艺为220±5℃×(4‑5)h，通过调整合金成分及后续生产工艺能够生产出力学性能和吸能性能良好的铝合金材料，提升了铝合金作为吸能元件时的安全性，扩大铝合金在交通产品上的应用范围。

Description

一种高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料制造领域，涉及一种高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法。
背景技术
Al-Mg-Si-Cu合金由于其优异的性能，已经在汽车、地铁、高铁等交通工具上得到广泛的应用。为了提高交通产品的安全性，除了一些常见的安全装置外，碰撞吸能元件是必不可少的。在交通产品上应用的铝合金型材经常需要承受一定的冲击载荷，因此铝合金受到碰撞冲击时的吸能性能备受关注。
铝合金因具有较好的碰撞吸能性能与成型性能已被应用于吸能结构设计中，但是国内行业在此领域较为落后，其吸能元件仍多为传统的钢结构。针对这种情况，设计一种新型Al-Mg-Si-Cu合金，通过生产工艺及热处理调整合金的组织形态，提升合金的吸能性能，以扩展铝合金的应用领域，为实现轻量化目标，具有极强的科学意义及现实意义。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决上述现有铝合金型材吸能性能差，限制了其应用领域的问题，提供一种高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法。
为达到上述目的，本发明提供一种高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.6～1.0％，Fe≤0.35％，Cu：0.4～0.7％，Mn≤0.3％，Mg：0.6～1.0％，Cr：0.1～0.3％，V：0.1～0.3％，Ti≤0.1％，其余单个杂质含量≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al。
一种高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，包括以下步骤：
A、计算各铝合金原料用量并将所有原料在200±10℃下进行预热，首先将熔炼炉内放入纯铝进行熔炼，熔炼温度为690±5℃，在纯铝开始熔化时加入Al-Si中间合金，待Al-Si合金熔化后依次向炉内熔体中心加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Mn、Al-V合金，合金充分熔化混合后降温，温度下降到670℃时快速加入纯镁；
B、待熔炼炉内的熔体完全熔化后，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，除气精炼后加入细化剂进行半连续铸造，铸造速度为130mm/min，冷却水进出口温差30℃，冷却水流量为200±10m3/h，得到铝合金铸锭；
C、将铝合金铸锭进行均匀化热处理，热处理温度为560±5℃，时间为7h，升温速率为80℃/h，加热过程中实时监控铸锭温度，以消除铸锭结构中的晶粒偏析，铝合金铸锭出炉后直接进行水冷，冷却速率＞10℃/min；
D、将均匀化热处理后的铝合金铸锭挤压成型，其中铝合金铸锭的加热温度为480～520℃，挤压速度为2.6～2.8m/min，挤压成型后的铝合金型材进行淬火冷却，其中进淬温度为450～490℃，出淬温度＜40℃，淬火冷却过程综合考虑型材的强度与塑性分两个阶段，第一阶段是水雾冷却，冷却速度为32℃/s，第二阶段为风冷，冷却速度为17℃/s；
E、将冷却后的铝合金型材拉伸矫直，型材拉伸矫直量为1.4～1.7％；
F、将拉伸矫直后的铝合金型材在24h内进行双级人工时效，第一级人工时效工艺为150±5℃×(1-2)h，第二级人工时效工艺为220±5℃×(4-5)h，得到高吸能性Al-Mg-Si-Cu铝合金挤压型材。
进一步，步骤A中纯镁为铝箔包裹的镁锭。
进一步，步骤B中氩气纯度为99.9％，细化剂为Al-Ti-B丝。
进一步，步骤C将冷却后的铝合金铸锭车床车去5mm厚的外皮。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金，提高了Mg、Si合金含量，导致合金中过剩的Si含量少量增加，这样能够提升合金的强度和铸造流动性，现阶段吸能元件仍采用焊接的方式连接，过剩的Si还能增加合金的可焊性；考虑吸能元件工作环境，在合金中适当增加Cu元素的含量，Cu能促进β＂相的形核，改善合金的热加工塑性，提升合金的热稳定性，扩大合金的服役范围，本合金在熔铸后进行挤压，Cu元素能够抑制挤压效应，增加合金晶粒的均匀性。
2、本发明所公开的高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，采用双级时效的目的是使一级时效过程中形成大量的原子团簇和超过临界尺寸的GP(Ⅰ)区、GP(Ⅱ)区，在二级时效过程中适当的热激活下，使之转变为β＂相，起到最大的强化作用。
双级时效与单级时效相比，在相同时效时长下，双级时效对强度的提升较大，能够在保持伸长率几乎不变的情况下提升强度，因为在预时效阶段促进GP区的析出形核，能够加快二级时效时β＂和Q相的析出速率。
经时效处理后的合金组织呈纤维状，在外侧出现部分再结晶现象，形成粗晶，粗晶层厚度小于100μm，这是由于合金中Mn、Cr元素具有一定抑制再结晶的作用，所以粗晶层厚度较小，合金组织的均匀性增加，在进行压缩试验时晶粒间的受力较平均，型材的变形均匀，减少裂纹的产生，提升压缩吸收功。新合金中加入少量的V元素一方面能够形成Al3V强化相，另一方面V元素能够降低Mn、Fe等元素在合金中的固溶度，导致析出相的数量增加，提升合金的强度及承载能力，双级时效后合金的强度相较于峰时效(175℃×8h)抗拉强度下降2.6％，延伸率提高，进行压缩试验时变形更加均匀，能够承受的载荷增加，吸收功增加，图1为不同合金不同状态下的载荷-位移曲线，根据公式(1)能够计算吸收功，
Figure BDA0002327100810000031
式中S为试验过程中试样的瞬时位移，双级时效后新合金对比峰时效6005A合金抗拉强度增加5.5％，最大载荷增加22.4％，压缩吸收功增加33.3％。
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。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明不同合金成分以及不同时效制度下铝合金型材的载荷-位移曲线图。
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。
实施例1
一种高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，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 Fe Cu Mn Mg Cr V Ti 杂质 Al
含量 0.6 0.35 0.4 0.3 0.6 0.1 0.1 0.1 0.1 余量
将所有原料在200±10℃下进行预热，首先将熔炼炉内放入纯铝进行熔炼，熔炼温度为690±5℃，在纯铝开始熔化时加入Al-Si中间合金，待Al-Si合金熔化后依次向炉内熔体中心加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Mn、Al-V合金，合金充分熔化混合后降温，温度下降到670℃时快速加入纯镁；
B、待熔炼炉内的熔体完全熔化后，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，除气精炼后加入Al-Ti-B丝细化剂进行半连续铸造，铸造速度为130mm/min，冷却水进出口温差30℃，冷却水流量为200±10m3/h，得到铝合金铸锭；
C、将铝合金铸锭进行均匀化热处理，热处理温度为560±5℃，时间为7h，升温速率为80℃/h，加热过程中实时监控铸锭温度，以消除铸锭结构中的晶粒偏析，铝合金铸锭出炉后直接进行水冷，冷却速率＞10℃/min，将冷却后的铝合金铸锭车床车去5mm厚的外皮；
D、将车皮后的铝合金铸锭挤压成型，其中铝合金铸锭的加热温度为480～520℃，挤压速度为2.6～2.8m/min，挤压成型后的铝合金型材进行淬火冷却，其中进淬温度为450～490℃，出淬温度＜40℃，淬火冷却过程综合考虑型材的强度与塑性分两个阶段，第一阶段是水雾冷却，冷却速度为32℃/s，第二阶段为风冷，冷却速度为17℃/s；
E、将冷却后的铝合金型材拉伸矫直，型材拉伸矫直量为1.4～1.7％；
F、将拉伸矫直后的铝合金型材在24h内进行双级人工时效，第一级人工时效工艺为150℃×1h，第二级人工时效工艺为220℃×5h，得到高吸能性Al-Mg-Si-Cu铝合金挤压型材。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，步骤A中铝合金板材原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Si Fe Cu Mn Mg Cr V Ti 杂质 Al
含量 0.8 0.35 0.5 0.3 0.8 0.2 0.2 0.1 0.1 余量
将所有原料在200±10℃下进行预热，首先将熔炼炉内放入纯铝进行熔炼，熔炼温度为690±5℃，在纯铝开始熔化时加入Al-Si中间合金，待Al-Si合金熔化后依次向炉内熔体中心加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Mn、Al-V合金，合金充分熔化混合后降温，温度下降到670℃时快速加入纯镁。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，步骤F中将拉伸矫直后的铝合金型材在24h内进行双级人工时效，第一级人工时效工艺为150℃×2h，第二级人工时效工艺为220℃×4h，得到高吸能性Al-Mg-Si-Cu铝合金挤压型材。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，步骤A中铝合金板材为6005A合金，各元素质量百分数配比如下：
元素 Si Fe Cu Mn Mg Cr V Ti 杂质 Al
含量 0.5～0.9 0.35 0.3 0.5 0.4～0.7 0.3 — 0.1 0.1 余量
将所有原料在200±10℃下进行预热，首先将熔炼炉内放入纯铝进行熔炼，熔炼温度为690±5℃，在纯铝开始熔化时加入Al-Si中间合金，待Al-Si合金熔化后依次向炉内熔体中心加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Mn、Al-V合金，合金充分熔化混合后降温，温度下降到670℃时快速加入纯镁。
步骤F中将拉伸矫直后的铝合金型材在24h内进行单级人工时效，人工时效工艺为175℃×8h，得到Al-Mg-Si-Cu铝合金挤压型材。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，步骤F中将拉伸矫直后的铝合金型材在24h内进行单级人工时效，人工时效工艺为175℃×8h，得到Al-Mg-Si-Cu铝合金挤压型材。
实施例1～3与对比例1～2所制备铝合金挤压型材的力学性能对比见表1：
表1
屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/％
实施例1 248 270 13
实施例2 250 272 14
实施例3 246 275 13
对比例1 231 256 15
对比例2 254 279 12
实施例1～3与对比例1～2所制备铝合金挤压型材的最大载荷和压缩吸收功的对比见表2：
表2
最大载荷/KN 压缩吸收功/KJ
实施例1 180 14
实施例2 185 14.5
实施例3 184 14.3
对比例1 147 10.5
对比例2 172 13.6
由表1和表2的对比可以看到，双级时效后新合金对比峰时效6005A合金抗拉强度增加5.5％，最大载荷增加22.4％，压缩吸收功增加33.3％，通过调整合金成分及后续生产工艺能够生产出力学性能和吸能性能良好的铝合金材料，通过过时效可以进一步提升合金的吸能性能，与现有技术相比对机械性能和吸能性能均有不同程度的提升。铝合金型材的吸能性能提高，能够提升铝合金作为吸能元件时的安全性，扩大铝合金在交通产品上的应用范围。
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 (4)

1.一种高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、计算各铝合金原料用量并将所有原料在200±10℃下进行预热，首先将熔炼炉内放入纯铝进行熔炼，熔炼温度为690±5℃，在纯铝开始熔化时加入Al-Si中间合金，待Al-Si合金熔化后依次向炉内熔体中心加入Al-Cu、Al-Cr、Al-Mn、Al-V合金，合金充分熔化混合后降温，温度下降到670℃时快速加入纯镁；铝合金原料由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.6~1.0％，Fe≤0.35%，Cu：0.4~0.7％，Mn≤0.3%，Mg：0.6~1.0％，Cr：0.1~0.3％，V：0.1~0.3％，Ti≤0.1%，其余单个杂质含量≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al；
B、待熔炼炉内的熔体完全熔化后，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，除气精炼后加入细化剂进行半连续铸造，铸造速度为130mm/min，冷却水进出口温差30℃，冷却水流量为200±10m3/h，得到铝合金铸锭；
C、将铝合金铸锭进行均匀化热处理，热处理温度为560±5℃，时间为7h，升温速率为80℃/h，加热过程中实时监控铸锭温度，以消除铸锭结构中的晶粒偏析，铝合金铸锭出炉后直接进行水冷，冷却速率＞10℃/min；
D、将均匀化热处理后的铝合金铸锭挤压成型，其中铝合金铸锭的加热温度为480~520℃，挤压速度为2.6~2.8m/min，挤压成型后的铝合金型材进行淬火冷却，其中进淬温度为450~490℃，出淬温度＜40℃，淬火冷却过程综合考虑型材的强度与塑性分两个阶段，第一阶段是水雾冷却，冷却速度为32℃/s，第二阶段为风冷，冷却速度为17℃/s；
E、将冷却后的铝合金型材拉伸矫直，型材拉伸矫直量为1.4~1.7%；
F、将拉伸矫直后的铝合金型材在24h内进行双级人工时效，第一级人工时效工艺为150±5℃×(1-2)h，第二级人工时效工艺为220±5℃×(4-5)h，得到高吸能性Al-Mg-Si-Cu铝合金挤压型材。
2.如权利要求1所述高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于，步骤A中纯镁为铝箔包裹的镁锭。
3.如权利要求1所述高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于，步骤B中氩气纯度为99.9%，细化剂为Al-Ti-B丝。
4.如权利要求1所述高吸能性Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于，步骤C将冷却后的铝合金铸锭车床车去5mm厚的外皮。
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