CN110951998B - 一种高温稳定6系铝合金型材的生产工艺 - Google Patents

一种高温稳定6系铝合金型材的生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金挤压技术领域，涉及一种高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，按照如下重量份数比配制6系铝合金原料：Mg：0.5％～0.7％，Si：0.6％～1.0％，Fe：0.16％～0.18％，Cu：0.05％～0.20％，Mn：0.05％～0.4％，Cr：0.12％～0.15％，Zn：0.03％～0.20％，Ti：0.05％～0.15％，单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，Mg和Si的质量比所在范围为：0.5～1.2，其优选范围为：0.85～1.15，且Mg与Si总重量份数所在范围为：1.1％～1.7％，其优选范围为：1.15％～1.45％，采用本发明所公开生产工艺获得的铝型材在温度稳定性方面有巨大优势，能够满足当前市场对于合金材料高温稳定性的需求，同时为今后开发更高稳定性合金奠定基础。

Description

一种高温稳定6系铝合金型材的生产工艺
技术领域
本发明属于铝合金挤压技术领域，涉及一种高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，尤其涉及一种高温稳定Al-Mg-Si铝合金型材的生产工艺。
背景技术
铝及铝合金作为轻量化材料已经在现代交通领域得到了广泛应用，与传统钢材相比，铝合金比强度高、重量轻、耐蚀性优良，因此铝合金在汽车和航空领域得到广泛应用。6系铝合金价格低，是一种应用最广的铝合金，其典型的热处理方法为T6处理：经铸造和均匀化处理后进行变形，然后进行固溶处理和淬火，最后在一定温度下进行时效强化处理。时效处理后铝合金中析出了均匀弥散的纳米尺度硬化颗粒阻碍位错运动使铝合金强化。
民用和军用交通运输的发展对铝合金板材都提出了更高要求，尤其是在服役安全和稳定性方面。目前使用的6系铝合金虽然具有较快的析出动力学，但这些合金有很多使用局限性。对于高铁、战斗机这种使用环境恶劣，需要暴露于较高温度的装备，铝合金在使用过程中，内部析出相易于粗化而强度降低，以至于使整个零件结构的稳定性降低，同时晶界处还易于形成粗大析出相和无析出带，抗腐蚀性能和疲劳寿命下降，这些因素会造成交通设备服役安全和寿命系数降低。
在国内的市场上，交通设备主要的承重结构件多采用6082合金。这种合金含有比较高的镁和硅，在通常的工业生产中，其抗拉强度一般为300～330MPa。此外，该合金含有大量的Mn，Mn在合金的均匀化过程中形成分散体。分散体的目的是在热-机械加工过程中控制微观结构，例如在挤压之后获得纤维状晶粒结构。然而，6082合金在150℃的长时间温度暴露后强度确实会显著衰减。综合以上分析，开发处一种在高温环境下更稳定的新型铝合金非常重要。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决上述现有6系铝合金高温暴露下强度降低，影响零件稳定性，造成所制备交通设备安全和使用寿命低的问题，提供一种高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，通过控制不同合金元素的含量及比例来使合金在高温下具有较好的力学性能，可提高合金服役状态下的热稳定性，同时通过对其热处理，使力学性能得到增强，该类铝合金板材具有更高的强度且高温暴露下性能稳定，增强轻量化铝合金板材的竞争力，促进铝合金在汽车和飞机上的广泛应用。
为达到上述目的，本发明提供一种高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，包括以下步骤：
A、按照如下重量份数比配制6系铝合金原料：Mg：0.5％～0.7％，Si：0.6％～1.0％，Fe：0.16％～0.18％，Cu：0.05％～0.20％，Mn：0.05～0.4％，Cr：0.12％～0.15％，Zn：0.03％～0.20％，Ti：0.05％～0.15％，单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，Mg和Si的质量比为0.5～1.2，且Mg与Si总重量份数范围为1.1％～1.7％，将配制好的6系铝合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
B、将熔铸后的铝合金铸锭在550～580℃均质化处理5～10h，优选均质在550～565℃处理5～8h消除铸锭结构中的晶粒偏析；
C、将均质化处理的铝合金铸锭置于挤压机挤压筒内的挤压模具中进行挤压，得到6系铝合金型材，其中挤压模具的加热温度为480～500℃，挤压筒的加热温度为440～460℃，铝合金铸锭的加热温度为470～490℃，挤压速度为10～12m/min；
D、将挤压后铝合金型材进行淬火处理，其中淬火方式为水冷，进淬温度≥500℃，出淬温度＜100℃；
E、将淬火后铝合金型材室温储存4h后进行人工时效，时效制度为185℃×6h；
F、将时效后铝合金型材在150℃温度下热处理0～1000h；
G、将热处理后铝合金型材进行表面质量、力学性能检验，对满足客户要求的产品进行包装。
进一步，步骤A中Mg和Si的质量比为0.85～1.15，Mg与Si总重量份数为1.15％～1.45％。
进一步，步骤A中铝合金熔炼过程为熔融、搅拌、扒渣、除气除杂、过滤、铸造的半连续铸造方法。
进一步，步骤B中均质化处理时间从铝合金铸锭温度达到550℃时开始计时。
进一步，步骤C中挤压机为1250T挤压机。
进一步，步骤D中淬火冷却速度为25～30℃/s。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，通过合理的优化Mg与Si质量比和总含量及成分设计，开发出一种高温稳定6系铝合金型材的生产工艺应用于铝合金挤压技术领域，根据大量研究表明，在Al-Mg-Si合金中时效析出序列主要为：过饱和固溶体→团簇→GP区→亚稳β”相→亚稳β'相→稳定β相，而Al-Mg-Si-Cu合金的时效析出序列主要为：过饱和固溶体→团簇→GP区→亚稳β”相+Q”相→亚稳β'相+Q'相+S、C(合金析出硬化至最大硬度时占主导地位的含铜析出类型)→稳定β相+Q相，且时效后期形成的相中的Q'相中含有Cu、Mg和Si元素，且Cu原子主要偏聚在Q'/α-Al界面附近，Mg和Si原子则分布在Q'的中心区域。由于Cu元素较低的扩散系数，这样的元素分布能够阻碍和延缓Q'相的粗化，因此显著提升了铝合金产品高温稳定性能，满足了当前市场对于合金材料高温稳定性的需求。另外，本发明的高温稳定6系铝合金型材的生产工艺制备方法简单，工艺便捷，为今后开发更高稳定性合金奠定基础。
2、本发明所公开的高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，通过调整合金成分的Mg/Si比值，使得合金的温度稳定性大幅度提升。经150℃×1000h热处理后，屈服强度和抗拉强度衰减＜10MPa。这说明与普通6082合金相比，采用本发明所公开生产工艺获得的铝型材在温度稳定性方面有巨大优势，能够满足当前市场对于合金材料高温稳定性的需求，同时为今后开发更高稳定性合金奠定基础。
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为实施例1人工时效后铝合金型材在150℃温度下热处理不同时间的力学性能图；
图2为实施例2人工时效后铝合金型材在150℃温度下热处理不同时间的力学性能图；
图3为实施例3人工时效后铝合金型材在150℃温度下热处理不同时间的力学性能图。
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。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
A、计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，6系铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Mg Si Fe Cu Mn Cr Zn Ti Mg/Si Al
含量 0.60 0.92 0.17 0.10 0.40 0.15 0.15 0.1 0.65 余量
将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
B、将熔铸后的铝合金铸锭在550±5℃均质化处理6h，消除铸锭结构中的晶粒偏析；
C、将均质化处理的铝合金铸锭置于挤压机挤压筒内的挤压模具中进行挤压，得到6系铝合金型材，其中挤压模具的加热温度为480～500℃，挤压筒的加热温度为440～460℃，铝合金铸锭的加热温度为470～490℃，挤压速度为10～12m/min；
D、将挤压后铝合金型材进行淬火处理，其中淬火方式为水冷，进淬温度≥500℃，出淬温度＜100℃；
E、将淬火后铝合金型材室温储存4h后进行人工时效，时效制度为185℃×6h；
F、将时效后铝合金型材在150℃温度下分别热处理0、240、480、720、1000h；
G、将热处理后铝合金型材进行表面质量、力学性能检验，对满足客户要求的产品进行包装。
实施例1人工时效后铝合金型材在150℃温度下热处理不同时间的力学性能数据见表1，数据变化趋势见图1。
表1
热处理0h 热处理240h 热处理480h 热处理720h 热处理1000h
屈服强度(MPa) 290.2 275.2 267.1 260.1 253.1
抗拉强度(MPa) 310.2 290.2 285.3 280.4 270.3
断裂伸长率(％) 12.0 11.0 13.0 12.0 12.0
由表1和图1可以看到，人工时效后铝合金型材在150℃温度下热处理1000h后，屈服强度衰减12.7％，抗拉强度衰减12.9％，断裂伸长率未衰减，高温稳定性较差，尤其屈服和抗拉强度。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，步骤A中6系铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Mg Si Fe Cu Mn Cr Zn Ti Mg/Si Al
含量 0.58 0.65 0.17 0.08 0.40 0.13 0.20 0.10 0.89 余量
实施例2人工时效后铝合金型材在150℃温度下热处理不同时间的力学性能数据见表2，数据变化趋势见图2。
表2
热处理0h 热处理240h 热处理480h 热处理720h 热处理1000h
屈服强度(MPa) 266.4 262.9 257.0 252.4 247.9
抗拉强度(MPa) 280.4 276.2 272.0 269.2 265.4
断裂伸长率(％) 10.0 10.0 10.5 11.0 10.5
由表2和图2可以看到，人工时效后铝合金型材在150℃温度下热处理1000h后，屈服强度衰减6.9％，抗拉强度衰减5.3％，断裂伸长率提高了5.0％，高温稳定性显著提高，其中屈服和抗拉强度衰减较为明显，而断裂伸长率未出现衰减反而所有提高。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，步骤A中6系铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Mg Si Fe Cu Mn Cr Zn Ti Mg/Si Al
含量 0.70 0.63 0.18 0.12 0.40 0.15 0.10 0.06 1.12 余量
实施例3人工时效后铝合金型材在150℃温度下热处理不同时间的力学性能数据见表3，数据变化趋势见图3。
表3
热处理0h 热处理240h 热处理480h 热处理720h 热处理1000h
屈服强度(MPa) 255.2 255.9 253.1 252.1 250.0
抗拉强度(MPa) 281.1 279.4 277.3 275.2 275.2
断裂伸长率(％) 12.0 11.5 12.0 12.5 11.5
由表3和图3可以看到，人工时效后铝合金型材在150℃温度下热处理1000h后，屈服强度衰减2.0％，抗拉强度衰减2.1％，断裂伸长率衰减4.2％，高温稳定性提高更为明显，其中屈服和抗拉强度衰减只有2.0％左右，而断裂伸长率也略有衰减。
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 (6)

1.一种高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，其特征在于，包括以下步骤：
A、按照如下重量份数比配制6系铝合金原料：Mg：0.5%～0.7%，Si：0.6%～1.0%，Fe：0.16%~0.18%，Cu：0.05%～0.20%，Mn：0.05～0.4%， Cr：0.12%~0.15%，Zn：0.03%～0.20%，Ti：0.05%～0.15%，单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al，Mg和Si的质量比为0.5～1.15，且Mg与Si总重量份数范围为1.1%～1.7%，将配制好的6系铝合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
B、将熔铸后的铝合金铸锭在550～565℃均质化处理5～8h，消除铸锭结构中的晶粒偏析；
C、将均质化处理的铝合金铸锭置于挤压机挤压筒内的挤压模具中进行挤压，得到6系铝合金型材，其中挤压模具的加热温度为480~500℃，挤压筒的加热温度为440~460℃，铝合金铸锭的加热温度为470~490℃，挤压速度为10~12m/min；
D、将挤压后铝合金型材进行淬火处理，其中淬火方式为水冷，进淬温度≥500℃，出淬温度＜100℃；
E、将淬火后铝合金型材室温储存4h后进行人工时效，时效制度为185℃×6h；
F、将时效后铝合金型材在150℃温度下热处理0~1000h；
G、将热处理后铝合金型材进行表面质量、力学性能检验，对满足客户要求的产品进行包装。
2.如权利要求1所述高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，其特征在于，步骤A中Mg和Si的质量比为0.85～1.15，Mg与Si总重量份数为1.15%～1.45%。
3.如权利要求1所述高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，其特征在于，步骤A中铝合金熔炼过程为熔融、搅拌、扒渣、除气除杂、过滤、铸造的半连续铸造方法。
4.如权利要求1所述高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，其特征在于，步骤B中均质化处理时间从铝合金铸锭温度达到550℃时开始计时。
5.如权利要求1所述高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，其特征在于，步骤C中挤压机为1250T挤压机。
6.如权利要求1所述高温稳定6系铝合金型材的生产工艺，其特征在于，步骤D中淬火冷却速度为25~30℃/s。
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