CN111020415A - 一种超高强度铝合金型材 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超高强度铝合金型材，该铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：铬3％‑6％、铜2％‑3％、锰2％‑4％、锆0.05％‑0.15％、钕0.03％‑0.09％、钒0.04％‑0.08％、锗0.5％‑1.5％、纳米硼化硅0.5％‑0.9％、纳米二氧化硅0.5％‑1.5％、纳米氮化硅0.4％‑0.9％、镍0.1％‑0.3％、钛0.05％‑0.08％、铁0.8％‑1.6％、钯0.03％‑0.05％、镧0.01％‑0.03％、钴0.1％‑0.5％、碳纤维1.5％‑3.5％，余量为铝；本发明通过在铝金属中添加常量元素、微量元素，保证了铝合金在具有超高强度的同时，提高了铝合金型材的综合力学性能。

Description

一种超高强度铝合金型材
技术领域
本发明涉及铝合金型材设计技术领域，具体涉及一种超高强度铝合金型材。
背景技术
随着我国大规模的基建投资和工业化进程的快速推进，铝型材全行业的产量和消费量迅猛增长，而我国也一跃成为世界上最大的铝型材生产基地和消费市场，经过长达近10年的高速增长，我国铝型材行业步入了新的发展阶段，并展现出了诸多新的发展趋势。
2012年国内工业铝型材市场需求将超过400万吨。未来，铝型材在工业领域的应用空间将十分巨大，在我国现有的124个产业部门中，有113个部门使用铝制品，比重为91％。铝型材是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝型材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝型材的需求量骤减，铝工业界便着手开发民用铝型材，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。
现在，铝型材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。但是现有技术下，很多铝型材存在制作工艺复杂、成品率不高、产品质量不稳定等现象。目前我国的铝合金型材的强度并不是特别高，在长期使用后容易扭曲或变形，这一缺点局限了铝合金型材在一些对与强度要求高的市场上的应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种超高强度铝合金型材，通过添加高强度、高硬度、耐腐蚀的金属及二氧化硅、氮化硅以及碳纤维，目的在于解决铝合金型材强度、刚度、硬度以及耐磨耐腐蚀不够的缺陷。
为实现本发明目的，采用的技术方案是：
一种超高强度铝合金型材，该铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：铬3％-6％、铜2％-3％、锰2％-4％、锆0.05％-0.15％、钕0.03％-0.09％、钒0.04％-0.08％、锗0.5％-1.5％、纳米硼化硅0.5％-0.9％、纳米二氧化硅0.5％-1.5％、纳米氮化硅0.4％-0.9％、镍0.1％-0.3％、钛0.05％-0.08％、铁0.8％-1.6％、钯0.03％-0.05％、镧0.01％-0.03％、钴0.1％-0.5％、碳纤维1.5％-3.5％，余量为铝。
优选的，所述超高强度铝合金型材的制备方法为：
(1).升温熔融：按照所述铝合金型材中各元素组成的质量百分比对各元素进行配料；将余量铝投入熔炼炉在1000-1500℃下进行熔炼，熔化后搅拌20-30min，搅拌的同时进行超声；
再升温至1900-1950℃，加入配料好的其他金属元素、纳米硼化硅、纳米二氧化硅和纳米氮化硅进行熔融，搅拌30-60min，搅拌的同时进行超声，检测合金成分并调整；
(2).过滤杂质：将步骤(1)所得到的合金混合熔液保持在1900-1950℃的状态下进行过滤，过滤掉合金混合熔液所混有的未熔化的杂质，得到相对纯净的合金混合熔液；
再将碳纤维剪切为所需长度，投入到1900-1950℃的合金混合熔液中，搅拌20-40min，搅拌的同时进行超声，检测合金成分并调整；
(3).水冷铸造：采用金属型水冷半连续铸造技术对步骤(2)所得到的合金混合熔液进行处理，控制合金混合熔液出炉温度为700-750℃,铸造温度为650-700℃,铸造速度为90-100mm/min,冷却水压为0.3-0.5MPa，得到铝合金铸锭；
(4).多级热处理：对步骤(3)得到的铝合金铸锭进行多级热处理：
第一级：升温至250-350℃，保温3-5h；
第二级：升温至450-480℃，保温4-6h；
第三级：降温至200-250℃，保温2-3h，空冷至室温；
第四级：升温至150-250℃，保温2-3h；
第五级：升温至450-500℃，保温6-8h；
第六级：降温至150-200℃，保温1-2h，空冷至室温；
第七级：升温至300-350℃，保温2-4h，出炉空冷至室温；
(5).挤压成型：将挤压模具预热到400℃-450℃，模筒预热到350℃-450℃，将步骤(4)得到的铝合金铸锭送入模筒中，将模筒放入挤压模具内，以挤压压力为110N/mm2-120N/mm2、挤压速度为0.5m/s-0.6m/s进行挤压，得到铝合金型材；
(6).淬火校直：将步骤(5)中挤压出来的铝合金型材进行淬火处理，随后进行校直处理，得到成品铝合金型材；
将成品铝合金型材放入退火炉中，设定温度为80-100℃，保温10-13h；
再设定温度为150-200℃，保温6-12h；
然后设定温度为50-80℃，保温12-20h；
空冷至室温后再设定温度为95-105℃，保温8-12h，空冷至室温；
经表面处理、精整、检查验收、包装即得成品。
优选的，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤3中的水冷：冷却水进水口温度不高于20℃,出水口水温不高于45℃。
优选的，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤4中的多级热处理：第一级以100-150℃/h升温；第二级以50-80℃/h升温；第三级以强风风冷降温；第四级以80-120℃/h升温；第五级以100-150℃/h升温；第六级以150-180℃/h降温至150-180℃，以水冷方式冷至室温；第七级以100-150℃/h升温至320-350℃，保温2-3h，出炉空冷至室温。
优选的，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤5中的淬火处理：通过将铝合金型材缓慢通过温度为45℃-55℃的水槽内进行。
优选的，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤5中得到的铝合金型材的厚度为30-40mm。
优选的，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤6中得到的铝合金型材的厚度为25-35mm。
优选的，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤3、4和5中水冷或淬火所使用的冷却水为浓度为2-10％的碱性食盐水。
优选的，所述碱性食盐水中的原料组成的质量百分比为：氯化钠2-5％、碳酸钠1-2％、氢氧化钠0.5-1.5％，余量为水。
本发明的有益效果为：本发明采用铬、锰、铜、铁、钴、锗和镍为主要元素制成的铝合金型材，加入适当比例的锆、钕、钒、钛、钯、镧等微量元素，而且还加入了纳米硼化硅、纳米二氧化硅、纳米氮化硅以及碳纤维材料，可大大提高铝合金的强度、硬度和刚度；适当比例的铜的加入，保证了铝合金在具有超高强度的同时，可对合金产生附加的强化效果，提高合金的耐腐蚀和疲劳性能；通过加入微量铬元素、锆元素、钕元素和锆锰元素，在铝合金中形成复合强化相，对晶界的钉扎作用更强，能更有效地抑制再结晶；采用微量钕、镧等稀土元素，在铝合金中起到净化、变质作用，同时细化铸态组织，易填补铝相表面缺陷，改善合金的热塑性，提高铝合金力学性能；添加锰元素可细化晶粒，降低合金淬火敏感性，提高铝合金型材的应力腐蚀性能，提高材料的韧性；加入碳纤维，进一步地提升铝合金的刚度、强度和硬度，提升其抗拉伸性能。在制造过程，对热处理及时效处理采用多级处理方式，可改善超高强度铝合金型材的抗应力腐蚀性。综上所述，本发明不仅保证了铝合金型材具有超高强度，同时提高了铝合金型材的综合力学性能。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种超高强度铝合金型材，该铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：铬6％、铜3％、锰4％、锆0.15％、钕0.09％、钒0.08％、锗1.5％、纳米硼化硅0.9％、纳米二氧化硅1.5％、纳米氮化硅0.9％、镍0.3％、钛0.08％、铁1.6％、钯0.05％、镧0.03％、钴0.5％、碳纤维3.5％，余量为铝。
实施例2
一种超高强度铝合金型材，该铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：铬3％、铜2％、锰2％、锆0.05％、钕0.03％、钒0.04％、锗0.5％、纳米硼化硅0.5％、纳米二氧化硅0.5％、纳米氮化硅0.4％、镍0.1％、钛0.05％、铁0.8％、钯0.03％、镧0.01％、钴0.1％、碳纤维1.5％，余量为铝。
实施例3
一种超高强度铝合金型材，该铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：铬6％、铜2％、锰4％、锆0.05％、钕0.09％、钒0.04％、锗1.5％、纳米硼化硅0.5％、纳米二氧化硅1.5％、纳米氮化硅0.4％、镍0.3％、钛0.05％、铁1.6％、钯0.03％、镧0.03％、钴0.1％、碳纤维3.5％，余量为铝。
实施例4
一种超高强度铝合金型材，该铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：铬3％、铜3％、锰2％、锆0.15％、钕0.03％、钒0.08％、锗0.5％、纳米硼化硅0.9％、纳米二氧化硅0.5％、纳米氮化硅0.9％、镍0.1％、钛0.08％、铁0.8％、钯0.05％、镧0.01％、钴0.5％、碳纤维1.5％，余量为铝。
实施例5
一种超高强度铝合金型材，该铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：铬5％、铜2％、锰3％、锆0.08％、钕0.05％、钒0.04％、锗1.0％、纳米硼化硅0.6％、纳米二氧化硅0.8％、纳米氮化硅0.7％、镍0.2％、钛0.06％、铁0.9％、钯0.04％、镧0.02％、钴0.2％、碳纤维2.5％，余量为铝。
一种根据实施例1-4中所述超高强度铝合金型材的制备方法，所述超高强度铝合金型材的制备方法的具体步骤为：
(1).升温熔融：按照所述铝合金型材中各元素组成的质量百分比对各元素进行配料；将余量铝投入熔炼炉在1000-1500℃下进行熔炼，熔化后搅拌20-30min，搅拌的同时进行超声；
再升温至1900-1950℃，加入配料好的其他金属元素、纳米硼化硅、纳米二氧化硅和纳米氮化硅进行熔融，搅拌30-60min，搅拌的同时进行超声，检测合金成分并调整；
(2).过滤杂质：将步骤(1)所得到的合金混合熔液保持在1900-1950℃的状态下进行过滤，过滤掉合金混合熔液所混有的未熔化的杂质，得到相对纯净的合金混合熔液；
再将碳纤维剪切为所需长度，投入到1900-1950℃的合金混合熔液中，搅拌20-40min，搅拌的同时进行超声，检测合金成分并调整；
(3).水冷铸造：采用金属型水冷半连续铸造技术对步骤(2)所得到的合金混合熔液进行处理，控制合金混合熔液出炉温度为700-750℃,铸造温度为650-700℃,铸造速度为90-100mm/min,冷却水压为0.3-0.5MPa，得到铝合金铸锭；
(4).多级热处理：对步骤(3)得到的铝合金铸锭进行多级热处理：
第一级：升温至250-350℃，保温3-5h；
第二级：升温至450-480℃，保温4-6h；
第三级：降温至200-250℃，保温2-3h，空冷至室温；
第四级：升温至150-250℃，保温2-3h；
第五级：升温至450-500℃，保温6-8h；
第六级：降温至150-200℃，保温1-2h，空冷至室温；
第七级：升温至300-350℃，保温2-4h，出炉空冷至室温；
(5).挤压成型：将挤压模具预热到400℃-450℃，模筒预热到350℃-450℃，将步骤(4)得到的铝合金铸锭送入模筒中，将模筒放入挤压模具内，以挤压压力为110N/mm2-120N/mm2、挤压速度为0.5m/s-0.6m/s进行挤压，得到铝合金型材；
(6).淬火校直：将步骤(5)中挤压出来的铝合金型材进行淬火处理，随后进行校直处理，得到成品铝合金型材；
将成品铝合金型材放入退火炉中，设定温度为80-100℃，保温10-13h；
再设定温度为150-200℃，保温6-12h；
然后设定温度为50-80℃，保温12-20h；
空冷至室温后再设定温度为95-105℃，保温8-12h，空冷至室温；
经表面处理、精整、检查验收、包装即得成品。
更进一步地，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤3中的水冷：冷却水进水口温度不高于20℃,出水口水温不高于45℃。
更进一步地，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤4中的多级热处理：第一级以100-150℃/h升温；第二级以50-80℃/h升温；第三级以强风风冷降温；第四级以80-120℃/h升温；第五级以100-150℃/h升温；第六级以150-180℃/h降温至150-180℃，以水冷方式冷至室温；第七级以100-150℃/h升温至320-350℃，保温2-3h，出炉空冷至室温。
更进一步地，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤5中的淬火处理：通过将铝合金型材缓慢通过温度为45℃-55℃的水槽内进行。
更进一步地，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤5中得到的铝合金型材的厚度为30-40mm。
更进一步地，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤6中得到的铝合金型材的厚度为25-35mm。
更进一步地，所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤3、4和5中水冷或淬火所使用的冷却水为浓度为2-10％的碱性食盐水。
更进一步地，所述碱性食盐水中的原料组成的质量百分比为：氯化钠2-5％、碳酸钠1-2％、氢氧化钠0.5-1.5％，余量为水。
在本发明中，本发明采用铬、锰、铜、铁、钴、锗和镍为主要元素制成的铝合金型材，加入适当比例的锆、钕、钒、钛、钯、镧等微量元素，而且还加入了纳米硼化硅、纳米二氧化硅、纳米氮化硅以及碳纤维材料，可大大提高铝合金的强度、硬度和刚度；适当比例的铜的加入，保证了铝合金在具有超高强度的同时，可对合金产生附加的强化效果，提高合金的耐腐蚀和疲劳性能；通过加入微量铬元素、锆元素、钕元素和锆锰元素，在铝合金中形成复合强化相，对晶界的钉扎作用更强，能更有效地抑制再结晶；采用微量钕、镧等稀土元素，在铝合金中起到净化、变质作用，同时细化铸态组织，易填补铝相表面缺陷，改善合金的热塑性，提高铝合金力学性能；添加锰元素可细化晶粒，降低合金淬火敏感性，提高铝合金型材的应力腐蚀性能，提高材料的韧性；加入碳纤维，进一步地提升铝合金的刚度、强度和硬度，提升其抗拉伸性能。
在制造过程，对热处理及时效处理采用多级处理方式，可改善超高强度铝合金型材的抗应力腐蚀性。综上所述，本发明不仅保证了铝合金型材具有超高强度，同时提高了铝合金型材的综合力学性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种超高强度铝合金型材，其特征在于：该铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：铬3％-6％、铜2％-3％、锰2％-4％、锆0.05％-0.15％、钕0.03％-0.09％、钒0.04％-0.08％、锗0.5％-1.5％、纳米硼化硅0.5％-0.9％、纳米二氧化硅0.5％-1.5％、纳米氮化硅0.4％-0.9％、镍0.1％-0.3％、钛0.05％-0.08％、铁0.8％-1.6％、钯0.03％-0.05％、镧0.01％-0.03％、钴0.1％-0.5％、碳纤维1.5％-3.5％，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的超高强度铝合金型材，其特征在于：所述超高强度铝合金型材的制备方法为：
(1).升温熔融：按照所述铝合金型材中各元素组成的质量百分比对各元素进行配料；将余量铝投入熔炼炉在1000-1500℃下进行熔炼，熔化后搅拌20-30min，搅拌的同时进行超声；
再升温至1900-1950℃，加入配料好的其他金属元素、纳米硼化硅、纳米二氧化硅和纳米氮化硅进行熔融，搅拌30-60min，搅拌的同时进行超声，检测合金成分并调整；
(2).过滤杂质：将步骤(1)所得到的合金混合熔液保持在1900-1950℃的状态下进行过滤，过滤掉合金混合熔液所混有的未熔化的杂质，得到相对纯净的合金混合熔液；
再将碳纤维剪切为所需长度，投入到1900-1950℃的合金混合熔液中，搅拌20-40min，搅拌的同时进行超声，检测合金成分并调整；
(3).水冷铸造：采用金属型水冷半连续铸造技术对步骤(2)所得到的合金混合熔液进行处理，控制合金混合熔液出炉温度为700-750℃,铸造温度为650-700℃,铸造速度为90-100mm/min,冷却水压为0.3-0.5MPa，得到铝合金铸锭；
(4).多级热处理：对步骤(3)得到的铝合金铸锭进行多级热处理：
第一级：升温至250-350℃，保温3-5h；
第二级：升温至450-480℃，保温4-6h；
第三级：降温至200-250℃，保温2-3h，空冷至室温；
第四级：升温至150-250℃，保温2-3h；
第五级：升温至450-500℃，保温6-8h；
第六级：降温至150-200℃，保温1-2h，空冷至室温；
第七级：升温至300-350℃，保温2-4h，出炉空冷至室温；
(5).挤压成型：将挤压模具预热到400℃-450℃，模筒预热到350℃-450℃，将步骤(4)得到的铝合金铸锭送入模筒中，将模筒放入挤压模具内，以挤压压力为110N/mm2-120N/mm2、挤压速度为0.5m/s-0.6m/s进行挤压，得到铝合金型材；
(6).淬火校直：将步骤(5)中挤压出来的铝合金型材进行淬火处理，随后进行校直处理，得到成品铝合金型材；
将成品铝合金型材放入退火炉中，设定温度为80-100℃，保温10-13h；
再设定温度为150-200℃，保温6-12h；
然后设定温度为50-80℃，保温12-20h；
空冷至室温后再设定温度为95-105℃，保温8-12h，空冷至室温；
经表面处理、精整、检查验收、包装即得成品。
3.根据权利要求2所述的超高强度铝合金型材，其特征在于：所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤3中的水冷：冷却水进水口温度不高于20℃,出水口水温不高于45℃。
4.根据权利要求2所述的超高强度铝合金型材，其特征在于：所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤4中的多级热处理：第一级以100-150℃/h升温；第二级以50-80℃/h升温；第三级以强风风冷降温；第四级以80-120℃/h升温；第五级以100-150℃/h升温；第六级以150-180℃/h降温至150-180℃，以水冷方式冷至室温；第七级以100-150℃/h升温至320-350℃，保温2-3h，出炉空冷至室温。
5.根据权利要求2所述的超高强度铝合金型材，其特征在于：所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤5中的淬火处理：通过将铝合金型材缓慢通过温度为45℃-55℃的水槽内进行。
6.根据权利要求2所述的超高强度铝合金型材，其特征在于：所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤5中得到的铝合金型材的厚度为30-40mm。
7.根据权利要求2所述的超高强度铝合金型材，其特征在于：所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤6中得到的铝合金型材的厚度为25-35mm。
8.根据权利要求2所述的超高强度铝合金型材，其特征在于：所述超高强度铝合金型材的制备方法步骤3、4和5中水冷或淬火所使用的冷却水为浓度为2-10％的碱性食盐水。
9.根据权利要求8所述的超高强度铝合金型材，其特征在于：所述碱性食盐水中的原料组成的质量百分比为：氯化钠2-5％、碳酸钠1-2％、氢氧化钠0.5-1.5％，余量为水。
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