CN111004950A - 2000铝合金型材及其制造方法 - Google Patents

2000铝合金型材及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种2000铝合金型材及其制造方法，属于铝型材领域。通过按配比配制铝合金原料并熔铸为铝合金铸锭、均匀化、挤压、软化退火、冷加工、固溶处理以及人工时效几个步骤，使得加工出的铝合金材料具有优异的弯曲性，强度高，没有表面缺陷，可以在不进行矫直步骤的情况下生成制造，且弯曲加工不产生桔皮的等表面缺陷；该方案由于没有轿直步骤，故简化了制造工艺，节约了制造成本。

Description

2000铝合金型材及其制造方法
技术领域
本发明属于铝型材领域，具体涉及一种2000铝合金型材及其制造方法。
背景技术
高强度铝合金己广泛用于交通运输领域，以实现汽车轻量化。2000系列铝合金(如2017合金和2024合金)由于优异的疲劳强度而被广泛应用于结构构件。这些铝合金通常用作T3-回火材料、T4-回火材料、T6-回火材料，T8-回火材料等。用作交通工具结构构件的铝合金材料可根据具体应用情况进行弯曲。由2000系列铝合金形成的T3回火材料、T4回火材料、T6回火材料，T8回材料等由于强度过高，在经受弯曲时可能会出现裂纹，或者由于回弹量过大，可能会出现形状变化。
目前，2000系列铝合金通常经过回火、弯曲、然后进行固溶处理和淬火，以制备T3-回火材料，T4-回火材料，T6-回火材料，T8-回火材料等等。然而，由于在淬火期间发生变形，因此必须进行矫直，该工艺流程使得成本增加。因此，期望通过省略矫直来降低成本。
以2024合金形成的T4回火材料为例，若需要通过省略矫直过程来降低成本，该合金就用于形成挤压管并经受弯曲。由于由2024合金形成的挤压管具有这样的构造：材料的内部具有纤维结构(组织结构)并且材料的表面区域具有粗糙的再结晶结构，因此在弯曲期间可能发生桔皮，并且外部外观可能会恶化。因此，期望通过控制结构来抑制弯曲期间桔皮的发生。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种2000铝合金型材及其制造方法，该铝合金型材具有优异的弯曲性能，可不进行矫直，且弯曲加工过程不会产生桔皮等表面缺陷。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种2000铝合金型材的制造方法，依次包括以下步骤：
(1)按配比配制铝合金原料，并将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔铸为铝合金铸锭，其中铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Cu：1.0％～2.5％；Mg：0.5％～1.5％；Si：0.5％～1.5％；Mn：≤0.35％；Cr：≤0.30％；Zr：≤0.15％；V≤0.15％；Ti≤0.15％；余量为Al以及不可避免的杂质；
(2)均匀化：将步骤(1)制得的铝合金铸锭在520℃～560℃的温度范围内保温2小时以上，后将均匀化处理后的坯料冷却至室温；
(3)挤压：先将冷却至室温的坯料加热至300℃～500℃，再将加热后的坯料置于挤压机中进行热挤压以得到铝合金型材；
(4)软化退火：挤出得到的铝合金型材冷却至室温后再加热到350℃～400℃，加热并保温30分钟以上；或，直接将挤压得到的铝合金型材冷却至350℃～400℃，后加热并保温30分钟以上；
(5)冷加工：使退火后的铝合金型材在室温下以15％以上的加工率进行冷加工，得到基础型材；
(6)固溶处理：冷加工后得到的基础型材加热至530℃～560℃，恒温保持10分钟以上；固溶处理后，再将基础型材冷却至室温，在冷却至室温的过程中，温度从530℃～560℃降低至100℃之间的降温速率为10℃/秒以上；
(7)人工时效：在室温下自然时效至少7天。
进一步，步骤(3)中铝合金型材从挤压机中挤出的速度为10米/分钟以上，挤压比为30以上。
进一步，步骤(4)中，经过软化退火后的铝合金型材再结晶晶粒的平均尺寸小于200μm。
进一步，铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Cu：1.3％～2.2％；Mg：0.7％～1.3％；Si：0.6％～1.2％；Mn：≤0.2％；Cr：≤0.10％；Zr：≤0.08％；V≤0.07％；Ti≤0.10％；余量为Al以及不可避免的杂质。
进一步，铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Cu：1.3％～2.2％；Mg：0.7％～1.3％；Si：0.6％～1.2％；Mn：≤0.2％；Cr：≤0.10％；Zr：≤0.08％；V≤0.07％；Ti≤0.10％；B为20ppm以下；余量为Al以及不可避免的杂质。
进一步，铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Cu：1.3％～2.2％；Mg：0.7％～1.3％；Si：0.6％～1.2％；Mn：≤0.2％；Cr：≤0.10％；Zr：≤0.08％；V≤0.07％；Ti≤0.10％；B为20ppm以下；Fe＜0.5％以下；Zn＜0.2％以下；余量为Al以及不可避免的杂质。
一种2000铝合金型材，该2000铝合金型材是通过上述的2000铝合金型材的制造方法制备得到。
本发明的有益效果在于：
该铝合金材料具有优异的弯曲性，强度高，没有表面缺陷，可以在不进行矫直步骤的情况下生成制造，且弯曲加工不产生桔皮的等表面缺陷；由于没有轿直步骤，简化了制造工艺，节约了制造成本。
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。需要说明的是，以下实施例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。
实施例一
一种2000铝合金型材的制造方法，依次包括以下步骤：
(1)按配比配制铝合金原料，并将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔铸为铝合金铸锭，其中铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Figure BDA0002347752840000031
Cu是与Mg结合的元素，而Mg是与Cu和Si结合的元素，合适的含量既可有效提高铝合金材料的强度又能避免因铝合金材料强度过大造成弯曲期间可能发生的裂缝问题。
Mn、Cr、Zr和V可确保在挤出过程中均匀的再结晶，并细化晶粒。当铝合金材料中不包括Mn、Cr、Zr和V中的至少一种时，铝合金材料的晶粒可能会因Fe含量而变粗，并且在弯曲期间可能产生桔皮。合适的Mn、Cr、Zr和V含量可避免在铸造期间产生可能的粗结晶产物，同时又能避免弯曲期间可能发生的裂缝问题。Ti可细化铸造结构，并且在生产铝合金材料时能抑制铸造期间裂缝的发生。如果Ti含量超过上限，则粗大金属间化合物的数量可能增加，并且可能发生弯曲性的劣化。
(2)均匀化：将步骤(1)制得的铝合金铸锭在520℃～560℃的温度范围内保温2小时以上，后将均匀化处理后的坯料冷却至室温。
将铝合金铸锭在520℃至560℃下均匀化2小时或更长时间，并冷却至室温。在铸造过程中产生的结晶化合物由于均匀化而分解，使得最终产品的可弯曲性得到改善。如果均匀化温度低于520℃，或均匀化时间小于2小时，则在铸造期间产生的结晶化合物可能不会充分分解，并且由于延展性降低，最终产品可能不会表现出优异的弯曲性。如果均匀化温度超过560℃，则铝合金铸锭可能会局部熔化。
(3)挤压：先将冷却至室温的坯料加热至300℃～500℃，再将加热后的坯料置于挤压机中进行热挤压以得到铝合金型材。
均匀化后的坯料冷却至室温，便于搬运。然后再将坯料加热至300℃～500℃挤压；或，将均匀化后温度在520℃～560℃的铝合金铸锭直接冷却到300℃～500℃，然后直接进行挤压。
当挤压前坯料的温度较低时，最终产品的晶粒通常被细化。然而，如果挤出前坯料的温度低于300℃，则变形抗力可能在很大程度上增加，并且在挤出过程中可能发生堵塞。如果坯料的温度超过500℃，则由于挤出过程中产生的热量可能发生局部熔化，并且产品中可能出现裂缝。该温度范围既能保证挤出过程不发生堵塞，又能防止坯料局部熔化。
该挤压步骤中，铝合金型材从挤压机中挤出的速度为10米/分钟以上，挤压比为30以上。
在挤出过程中从挤压机压板中排出产品的速度影响最终产品的晶粒尺寸，为了确保产品内部具有平均晶粒尺寸为200μm或更小的微结构，优选将从挤压机的压板出来的产品的速度设定为l0m/min或更快。如果从挤压机的压板中出来的产品的速度小于10米分钟，则最终产品的平均晶粒尺寸可能超过200微米。在这种情况下，在弯曲期间可能发生桔皮，并且外观可能劣化。
挤出比也影响最终产品的晶粒尺寸。为了确保产品的内部具有平均晶粒尺寸为200μm或更小的微结构，优选将挤出比设定为30或更大。如果挤出比小于30，则最终产品的平均晶粒尺寸可能超过200μm。在这种情况下，在弯曲期间可能发生桔皮，并且外观可能劣化。
(4)软化退火：挤出得到的铝合金型材冷却至室温后再加热到350℃～400℃，加热并保温30分钟以上；或，直接将挤压得到的铝合金型材冷却至350℃～400℃，后加热并保温30分钟以上。
将挤出的型材材料冷却至室温以便于处理。然后加热至350℃至400℃，并在350℃至400℃下软化退火30分钟或更长时间，或者直接将挤出的产品冷却至350℃至400℃保温(软化退火)，然后再冷却至室温。如果软化退火温度低于350℃，则强度降低可能不足，并且在冷加工期间可能发生裂缝。如果软化退火温度超过400℃，则由于诸如Cu、Mg和Si的主要元素的溶解可能发生强度增加，并且在冷加工期间发生裂缝。软化退火时间优选为30分钟或更长。如果软化退火时间小于30分钟，则强度降低可能不足，并且在冷加工期间可能发生裂缝。
(5)冷加工：使退火后的铝合金型材在室温下以15％以上的加工率进行冷加工，得到基础型材。经过软化退火后的铝合金型材再结晶晶粒的平均尺寸小于200μm。
将软化退火过后的挤出材料冷却至室温，并进行冷加工。冷却方法可为炉外自然冷却、炉内冷却等。软化退火的挤出材料在室温下以15％或更高的加工率进行冷加工。在制造管材或圆棒状材料时，通常进行拉伸作为冷加工。在制造片状材料时，选择拉伸，轧制等作为冷加工。随着冷加工率的增加，最终产品的晶粒尺寸减小。
需要注意的是，冷加工后形成的铝合金材料内部的基质平均晶粒尺寸应为200μm或者更小的再结晶晶粒所形成的微结构。如果平均晶粒尺寸超过200μm，则在弯曲期间可能发生桔皮，并且外观可能劣化。
(6)固溶处理：冷加工后得到的基础型材加热至530℃～560℃，恒温保持10分钟以上；固溶处理后，再将基础型材冷却至室温，在冷却至室温的过程中，温度从530℃～560℃降低至100℃之间的降温速率为10℃/秒以上。
(7)人工时效：在室温下自然时效至少7天。
对冷加工的挤出材料进行固溶处理和自然时效，以获得T4回火材料。将经过固溶处理的挤出材料淬火至室温。此处优选对挤出材料进行淬火，使得从固溶处理温度到100℃的平均冷却速率为10℃/秒以上，避免晶粒边界处可能发生沉淀而导致弯曲性降低和强度降低。
需要说明的是：淬火后的挤出材料可以在室温下拉伸矫直3％或更小，以进一步改善/减少扭曲和弯曲情况。如果挤出材料经受拉伸矫直超过3％，则由于屈服强度的增加，“拉伸强度/屈服强度”的比率可能小于1.5，可能发生弯曲性的劣化。
为了有利地改善/减少扭曲和弯曲，优选将拉伸矫直量设定为0.5％至3％的范围，拉伸矫直时间优选在淬火后的24小时内进行。如果超过24小时后再进行拉伸矫直，则生产时间可能增加，并且拉伸矫直的负荷可能增加，且最终的材料性能也不一定得到改善。在淬火或拉伸矫直后，挤出的材料经受7天或更长时间的自然时效，以获得T4回火材料。
本实施例通过拉伸实验确定“拉伸强度/屈服强度”的比率为1.5以上。
实施例二
一种2000铝合金型材的制造方法，依次包括以下步骤：
(1)按配比配制铝合金原料，并将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔铸为铝合金铸锭，其中铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Figure BDA0002347752840000061
(2)均匀化：将步骤(1)制得的铝合金铸锭在540℃的温度范围内保温3小时以上，后将均匀化处理后的坯料冷却至室温。
(3)挤压：先将冷却至室温的坯料加热至350℃～450℃，再将加热后的坯料置于挤压机中进行热挤压以得到铝合金型材。
该挤压步骤中，铝合金型材从挤压机中挤出的速度为15米/分钟以上，挤压比为32以上。
(4)软化退火：挤出得到的铝合金型材冷却至室温后再加热到370℃，加热并保温40分钟以上；或，直接将挤压得到的铝合金型材冷却至370℃，后加热并保温40分钟以上。
(5)冷加工：使退火后的铝合金型材在室温下以15％以上的加工率进行冷加工，得到基础型材。经过软化退火后的铝合金型材再结晶晶粒的平均尺寸小于200μm。
(6)固溶处理：冷加工后得到的基础型材加热至550℃，恒温保持20分钟以上；固溶处理后，再将基础型材冷却至室温，在冷却至室温的过程中，温度从550℃降低至100℃之间的降温速率为10℃/秒以上。
(7)人工时效：在室温下自然时效至少10天。
实施例三
一种2000铝合金型材的制造方法，依次包括以下步骤：
(1)按配比配制铝合金原料，并将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔铸为铝合金铸锭，其中铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Figure BDA0002347752840000062
B同Ti一样均可细化铸造结构，并且在生产铝合金材料时抑制铸造期间裂缝的发生，合适的含量可防止粗大金属间化合物的数量的增加，还能防止可能发生弯曲性的劣化。其中B的含量更优选为20ppm以下。
需要说明的是，在该铝合金原料中，是包含有Fe、Zn等不可避免的杂质。当Fe含量高时，Fe会降低最终产品的晶粒尺寸。考虑到成本和弯曲性之间的平衡，允许的Fe含量为0.5％以下。当Zn含量高时，Zn会降低铝合金材料的耐腐蚀性，因此，允许的Zn含量为0.2％以下。
(2)均匀化：将步骤(1)制得的铝合金铸锭在540℃的温度范围内保温3小时以上，后将均匀化处理后的坯料冷却至室温。
(3)挤压：先将冷却至室温的坯料加热至350℃～450℃，再将加热后的坯料置于挤压机中进行热挤压以得到铝合金型材。
该挤压步骤中，铝合金型材从挤压机中挤出的速度为15米/分钟以上，挤压比为32以上。
(4)软化退火：挤出得到的铝合金型材冷却至室温后再加热到370℃，加热并保温40分钟以上；或，直接将挤压得到的铝合金型材冷却至370℃，后加热并保温40分钟以上。
(5)冷加工：使退火后的铝合金型材在室温下以15％以上的加工率进行冷加工，得到基础型材。经过软化退火后的铝合金型材再结晶晶粒的平均尺寸小于150μm以下，最优选为100um以下。
(6)固溶处理：冷加工后得到的基础型材加热至550℃，恒温保持20分钟以上；固溶处理后，再将基础型材冷却至室温，在冷却至室温的过程中，温度从550℃降低至100℃之间的降温速率为10℃/秒以上。
(7)人工时效：在室温下自然时效至少10天。
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2000铝合金型材的制造方法，其特征在于依次包括以下步骤：
(1)按配比配制铝合金原料，并将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔铸为铝合金铸锭，其中铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Cu：1.0％～2.5％；Mg：0.5％～1.5％；Si：0.5％～1.5％；Mn：≤0.35％；Cr：≤0.30％；Zr：≤0.15％；V≤0.15％；Ti≤0.15％；余量为Al以及不可避免的杂质；
(2)均匀化：将步骤(1)制得的铝合金铸锭在520℃～560℃的温度范围内保温2小时以上，后将均匀化处理后的坯料冷却至室温；
(3)挤压：先将冷却至室温的坯料加热至300℃～500℃，再将加热后的坯料置于挤压机中进行热挤压以得到铝合金型材；
(4)软化退火：挤出得到的铝合金型材冷却至室温后再加热到350℃～400℃，加热并保温30分钟以上；或，直接将挤压得到的铝合金型材冷却至350℃～400℃，后加热并保温30分钟以上；
(5)冷加工：使退火后的铝合金型材在室温下以15％以上的加工率进行冷加工，得到基础型材；
(6)固溶处理：冷加工后得到的基础型材加热至530℃～560℃，恒温保持10分钟以上；固溶处理后，再将基础型材冷却至室温，在冷却至室温的过程中，温度从530℃～560℃降低至100℃之间的降温速率为10℃/秒以上；
(7)人工时效：在室温下自然时效至少7天。
2.根据权利要求1所述的2000铝合金型材的制造方法，其特征在于：步骤(3)中铝合金型材从挤压机中挤出的速度为10米/分钟以上，挤压比为30以上。
3.根据权利要求1所述的2000铝合金型材的制造方法，其特征在于：步骤(4)中，经过软化退火后的铝合金型材再结晶晶粒的平均尺寸小于200μm。
4.根据权利要求1所述的2000铝合金型材的制造方法，其特征在于：铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Cu：1.3％～2.2％；Mg：0.7％～1.3％；Si：0.6％～1.2％；Mn：≤0.2％；Cr：≤0.10％；Zr：≤0.08％；V≤0.07％；Ti≤0.10％；余量为Al以及不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的2000铝合金型材的制造方法，其特征在于：铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Cu：1.3％～2.2％；Mg：0.7％～1.3％；Si：0.6％～1.2％；Mn：≤0.2％；Cr：≤0.10％；Zr：≤0.08％；V≤0.07％；Ti≤0.10％；B为50ppm以下；余量为Al以及不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的2000铝合金型材的制造方法，其特征在于：铝合金原料包括以下质量百分含量的组分：
Cu：1.3％～2.2％；Mg：0.7％～1.3％；Si：0.6％～1.2％；Mn：≤0.2％；Cr：≤0.10％；Zr：≤0.08％；V≤0.07％；Ti≤0.10％；B为50ppm以下；Fe＜0.5％以下；Zn＜0.2％以下；余量为Al以及不可避免的杂质。
7.一种2000铝合金型材，其特征在于：该2000铝合金型材是通过权利要求1-6任一所述的2000铝合金型材的制造方法制备得到。
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