CN111041291A - 一种高强度的铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度的铝合金材料及其制备方法，通过Al‑Mn中间合金以及Al‑Cr中间合金共同作用用于细化α‑Al晶胚、共晶硅团簇以及富铁相，能有效解决铁相在铝合金中粗大条状以及共晶硅团簇过多，总体晶粒粗大导致铝合金性能差的问题；另一方面可提高富铁相的形成温度，改变了富铁相的凝固顺序，使富铁相的形成温度由原来的α‑Al和共晶硅形成温度之间提高至略高于α‑Al基体，还能形成的大量Al(MnFe)Si四元高温质点可充当α‑Al的异质形核的核心，两种中间合金共同作用，能降低共晶点的成分，而且热稳定性更高，具有最小的聚集倾向性；另外，本发明制备的铝合金能满足各种车辆制造商对铝合金轻量化及高强度的要求。

Description

一种高强度的铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金制备领域，具体而言，涉及一种高强度的铝合金材料及其制备方法。
背景技术
在汽车领域，车辆设计者和制造商正在不断努力提高整体燃油效率，而提高燃油效率最直接的一种方法就是减轻车辆的结构重量。据统计，如果汽车重量减轻35％，则可节省燃料30％以上，发动机输出功率提高30％以上，同时能减少二氧化碳排放量，既可节省能源，又减少了环境污染。如果车重减轻25％，可使汽车加速到100KM/小时的时间从原来的10秒钟减少到8秒钟；使用铝制车轮，使震动变小，可以许可使用更轻的反弹缓冲器；由于铝是在不减少汽车容积的情况下减轻汽车自重，因而使汽车更稳定，乘客空间变大，在受到冲击时铝结构能吸收分散更多的能量，将乘客受到的冲击减少到最小，因而使乘客更安全和舒适。6XXX合金具有良好的成形性且可焊接，而且也有较好的耐腐蚀性能和表面处理能力而被广泛应用，但该类合金在薄壁型材挤压时挤压速度非常缓慢，因此会导致挤压生产效率的显着降低，另外，制备铝合金的过程中组织的细化与变质，组织中的晶粒的细化程度会直接影响铝合金的屈服强度、脆性以及塑性等性能，因此。需要仍需开发满足各种车辆制造商要求的高强度6XXX合金。
如专利号为CN106414782A的专利公开了一种具有改善的特性组合的新型6xxx铝合金；又如专利号为美国专利No.7,182,825、美国专利申请公开No.2014/0000768和美国专利申请公开No.2014/036998中对6XXX合金的连续铸造有所描述，但是这些制备的6XXX合金并没有针对α-Al晶胚、共晶硅团簇以及富铁相作更多细化的处理。
综合上，在制备铝合金领域，其实际应用中的亟待处理的实际问题还有很多未提出具体的解决方案。
发明内容
本发明提出了一种高强度的铝合金材料及其制备方法以解决所述问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度的铝合金材料，按质量百分比包括如下元素：Si 0.7-1.3wt％、Fe≤0.50wt％、Cu 0.05-0.25wt％、Mn≤0.5wt％、Mg 0.6-1.2wt％、Cr≤0.05wt％、Zn≤0.2wt％、Ti≤0.1wt％，余量为Al和不可避免的其它杂质；其中，所述Mn元素以Al-Mn中间合金形式添加，所述Cr元素以Al-Cr中间合金形式添加，且所述Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金共同作用用于细化α-Al晶胚、共晶硅团簇以及富铁相。
另外，本发明还提供一种高强度的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用内生法分别制备Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金；
b.将铝铸锭添加至熔炼炉中，待铝铸锭加热熔融后将含元素Si、Fe、Cu、Mg、Zn、Ti的原材料依次加入至熔炼炉中，待原材料全部熔化后，降低熔炼炉的温度，待炉温稳定后，扒去熔渣；
c.继续往熔炼炉中添加Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金，熔化后缓慢搅拌铝熔体使其均匀分布并保温在550-700℃的温度下15-30min后撇渣；
d.将均匀分布的铝熔体引入铸锭机或中间包，制备得到铝合材料铸锭；
e..将铝合金材料铸锭在540-580℃温度下保温6-12h进行均匀化热处理；
f.对均匀化热处理后的铝合金材料铸锭在3600T挤压机上做挤压处理，挤压系数为40，得到壁厚为4.0的铝合金型材，后以不低于6℃/s的冷却速度进行在线淬火；
g.将铝合金材料在160-190℃下保温4-12h进行时效处理，出炉冷却至室温后得到高强度的铝合金材料。
优选地，所述内生法制备Al-Mn中间合金的方法为按照重量份为1:3的Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为45-75r/min的条件下，混料3-8h，将混均匀后的Mn粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为45-100MPa，并保压1-5min，后加热至850-1000℃，冷却至室温得到Al-Mn中间合金。
优选地，所述内生法制备Al-Cr中间合金的方法为按照重量份为1:3-5的Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为30-50r/min的条件下，混料2-8h后将混合均匀的Cr粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为40-100MPa，并保压1-5min，后加热至900-1200℃，冷却至室温得到Al-Cr中间合金。
优选地，步骤b中的铝铸锭加热熔的温度为700-800℃，所述降低熔炼炉的温度为600-700℃。
优选地，步骤f所述挤压机的挤压出口温度大于或等于520℃。
优选地，所述Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为10-45μm。
优选地，所述Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为10-30μm。
与现有技术相比，本发明所取得的有益技术效果是：
1、本发明中Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金同时添加至熔炼炉的铝熔体中，不仅能置换富铁相中的Fe原子，从而改变富铁相的晶体结构和生长方向，改善富铁相的形态；另一方面可提高富铁相的形成温度，改变了富铁相的凝固顺序，使富铁相的形成温度由原来的α-Al和共晶硅形成温度之间提高至略高于α-Al基体，还能形成的大量Al(MnFe)Si四元高温质点可充当α-Al的异质形核的核心，两种中间合金共同作用，能降低共晶点的成分，而且热稳定性更高，具有最小的聚集倾向性。
2、本发明的铝合金的制备方法不仅能够细化α-Al基体、细化共晶硅团簇，还能细化铝合金中的主要杂质相，这对提高铸造铝合金的强度以及韧性具有显著的作用。
3、本发明制备的铝合金为6XXX合金，制备的过程中挤压速度达到10-40m/min，不仅能保证生产效率，还能制备满足各种车辆制造商要求的轻量化的高强度的铝合金。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。
图1是本发明实施例之一中一种高强度的铝合金材料及其制备方法的显微组织示意图；
图2是本发明实施例之一中一种高强度的铝合金材料及其制备方法的显微组织示意图；
图3是本发明实施例之一中一种高强度的铝合金材料及其制备方法的显微组织示意图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。实施例仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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。
本发明为一种高强度的铝合金材料及其制备方法，根据图所示讲述以下实施例：
实施例1：
一种高强度的铝合金材料，所述铝合金材料按质量百分比包括如下元素：Si0.7wt％、Fe≤0.50wt％、Cu 0.05wt％、Mn≤0.5wt％、Mg 1.2wt％、Cr≤0.05wt％、Zn≤0.2wt％、Ti≤0.1wt％，余量为Al和不可避免的其它杂质；其中，所述Mn元素以Al-Mn中间合金形式添加，所述Cr元素以Al-Cr中间合金形式添加，且所述Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金共同作用用于细化α-Al晶胚、共晶硅团簇以及富铁相。
另外，所述一种高强度的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用内生法分别制备Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金；在本实施例中，所述内生法制备Al-Mn中间合金的方法为按照重量份为1:3的Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为45r/min的条件下，混料3h，将混均匀后的Mn粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为45MPa，并保压1min，后加热至850℃，冷却至室温得到Al-Mn中间合金，且所述Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为10μm；所述内生法制备Al-Cr中间合金的方法为按照重量份为1:3的Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为30r/min的条件下，混料8h后将混合均匀的Cr粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为40MPa，并保压1min，后加热至1200℃，冷却至室温得到Al-Cr中间合金，且所述Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为10μm；
b.将铝铸锭添加至熔炼炉中，待铝铸锭加热熔融后将含元素Si、Fe、Cu、Mg、Zn、Ti的原材料依次加入至熔炼炉中，待原材料全部熔化后，降低熔炼炉的温度，待炉温稳定后，扒去熔渣；而且在本实施例中，铝铸锭加热熔的温度为700℃，所述降低熔炼炉的温度为600℃；
c.继续往熔炼炉中添加Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金，熔化后缓慢搅拌铝熔体使其均匀分布并保温在550℃的温度下15min后撇渣；
d.将均匀分布的铝熔体引入铸锭机或中间包，制备得到铝合材料铸锭；
e..将铝合金材料铸锭在540℃温度下保温6h进行均匀化热处理；
f.对均匀化热处理后的铝合金材料铸锭在3600T挤压机上做挤压处理，挤压系数为40，得到壁厚为4.0nm的铝合金型材，后以不低于6℃/s的冷却速度进行在线淬火；在本实施例中，所述挤压机的挤压出口温度大于或等于520℃，所述挤压机的挤压速度为10m/min；
g.将铝合金材料在160℃下保温4h进行时效处理，出炉冷却至室温后得到高强度的铝合金材料，标记为样品1。
实施例2：
一种高强度的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用内生法分别制备Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金；在本实施例中，所述内生法制备Al-Mn中间合金的方法为按照重量份为1:3的Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为75r/min的条件下，混料8h，将混均匀后的Mn粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为100MPa，并保压5min，后加热至1000℃，冷却至室温得到Al-Mn中间合金，且所述Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为45μm；所述内生法制备Al-Cr中间合金的方法为按照重量份为1:5的Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为30-50r/min的条件下，混料8h后将混合均匀的Cr粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为40MPa，并保压1min，后加热至900℃，冷却至室温得到Al-Cr中间合金，且所述Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为10μm；
b.将铝铸锭添加至熔炼炉中，待铝铸锭加热熔融后将含元素Si、Fe、Cu、Mg、Zn、Ti的原材料依次加入至熔炼炉中，待原材料全部熔化后，降低熔炼炉的温度，待炉温稳定后，扒去熔渣；而且在本实施例中，铝铸锭加热熔的温度为700℃，所述降低熔炼炉的温度为600；
c.继续往熔炼炉中添加Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金，熔化后缓慢搅拌铝熔体使其均匀分布并保温在550℃的温度下15min后撇渣；
d.将均匀分布的铝熔体引入铸锭机或中间包，制备得到铝合材料铸锭；
e..将铝合金材料铸锭在540℃温度下保温6h进行均匀化热处理；
f.对均匀化热处理后的铝合金材料铸锭在3600T挤压机上做挤压处理，挤压系数为40，得到壁厚为4.0nm的铝合金型材，后以不低于6℃/s的冷却速度进行在线淬火；在本实施例中，所述挤压机的挤压出口温度大于或等于520℃，所述挤压机的挤压速度为10m/min；
g.将铝合金材料在160℃下保温4h进行时效处理，出炉冷却至室温后得到高强度的铝合金材料，标记为样品2。
其中，在本实施例中，所述铝合金材料按质量百分比包括如下元素：Si 1.3wt％、Fe≤0.50wt％、Cu 0.25wt％、Mn≤0.5wt％、Mg 1.2wt％、Cr≤0.05wt％、Zn≤0.2wt％、Ti≤0.1wt％，余量为Al和不可避免的其它杂质；其中，所述Mn元素以Al-Mn中间合金形式添加，所述Cr元素以Al-Cr中间合金形式添加，且所述Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金共同作用用于细化α-Al晶胚、共晶硅团簇以及富铁相。
实施例3：
一种高强度的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.采用内生法分别制备Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金；在本实施例中，所述内生法制备Al-Mn中间合金的方法为按照重量份为1:3的Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为60r/min的条件下，混料5h，将混均匀后的Mn粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为65MPa，并保压3min，后加热至960℃，冷却至室温得到Al-Mn中间合金，且所述Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为35μm；所述内生法制备Al-Cr中间合金的方法为按照重量份为1:4的Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为45r/min的条件下，混料6h后将混合均匀的Cr粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为60MPa，并保压3min，后加热至1000℃，冷却至室温得到Al-Cr中间合金，且所述Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为20μm；
b.将铝铸锭添加至熔炼炉中，待铝铸锭加热熔融后将含元素Si、Fe、Cu、Mg、Zn、Ti的原材料依次加入至熔炼炉中，待原材料全部熔化后，降低熔炼炉的温度，待炉温稳定后，扒去熔渣；而且在本实施例中，铝铸锭加热熔的温度为750℃，所述降低熔炼炉的温度为600℃；
c.继续往熔炼炉中添加Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金，熔化后缓慢搅拌铝熔体使其均匀分布并保温在600℃的温度下20min后撇渣；
d.将均匀分布的铝熔体引入铸锭机或中间包，制备得到铝合材料铸锭；在本实施例中，还能通过半连续铸造获得直径为320mm的原铸锭；
e..将铝合金材料铸锭在560℃温度下保温8h进行均匀化热处理；
f.对均匀化热处理后的铝合金材料铸锭在3600T挤压机上做挤压处理，挤压系数为40，得到壁厚为4.0nm的铝合金型材，后以不低于6℃/s的冷却速度进行在线淬火；在本实施例中，所述挤压机的挤压出口温度大于或等于520℃，所述挤压机的挤压速度为30m/min；
g.将铝合金材料在170℃下保温6h进行时效处理，出炉冷却至室温后得到高强度的铝合金材料，标记为样品3。
其中，在本实施例中，所述铝合金材料按质量百分比包括如下元素：Si1.02 wt％、Fe 0.23wt％、Cu 0.17wt％、Mn0.21wt％、Mg 0.85wt％、Cr 0.03wt％、Zn 0.1wt％、Ti0.04wt％，余量为Al和不可避免的其它杂质；其中，所述Mn元素以Al-Mn中间合金形式添加，所述Cr元素以Al-Cr中间合金形式添加，且所述Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金共同作用用于细化α-Al晶胚、共晶硅团簇以及富铁相。
实施例4：
与实施例3相同的设备条件下进行制备6082合金，并进行挤压，挤压的速度为6m/min，将制备的6082合金标记为样品4。
实施例5：
一种高强度的铝合金材料按质量百分比包括如下元素：Si1.02 wt％、Fe0.23wt％、Cu 0.17wt％、Mn0.21wt％、Mg 0.85wt％、Cr 0.03wt％、Zn 0.1wt％、Ti0.04wt％，余量为Al和不可避免的其它杂质。
一种高强度的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
a.将铝铸锭添加至熔炼炉中，待铝铸锭加热熔融后将含元素Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn、Ti的原材料依次加入至熔炼炉中，待原材料全部熔化后，降低熔炼炉的温度，待炉温稳定后，扒去熔渣；而且在本实施例中，铝铸锭加热熔的温度为750℃，所述降低熔炼炉的温度为600℃；熔化后缓慢搅拌铝熔体使其均匀分布并保温在600℃的温度下20min后撇渣；
b.将均匀分布的铝熔体引入铸锭机或中间包，制备得到铝合材料铸锭；在本实施例中，还能通过半连续铸造获得直径为320mm的原铸锭；
c.将铝合金材料铸锭在560℃温度下保温8h进行均匀化热处理；
d.对均匀化热处理后的铝合金材料铸锭在3600T挤压机上做挤压处理，挤压系数为40，得到壁厚为4.0nm的铝合金型材，后以不低于6℃/s的冷却速度进行在线淬火；在本实施例中，所述挤压机的挤压出口温度大于或等于520℃，所述挤压机的挤压速度为30m/min；
e.将铝合金材料在170℃下保温6h进行时效处理，出炉冷却至室温后得到高强度的铝合金材料，标记为样品5。
对制备的样品1-样品5的铝合金材料进行性能测试，测试结果如下表1：
表1
Figure BDA0002335195060000101
由表1的数据分析可知，利用本技术方案制得的铝合金材料总体抗拉强度≥330Mpa，屈服强度≥300Mpa，延伸率≥11％，在保证铝合金材料性能的同时，挤压速度能达到30m/min，有助于提高生产效率以及生产质量，而且本申请中还具有轻量化的优点的铝合金材料能满足车辆生产商的要求。结合附图分析，相对于样品4以及样品5，本发明制备的铝合金组织形态更加均匀。
对铝合金制备过程中，添加中间合金后，结合显微组织图得到组织特征数据统计记录如表2：
表2
Figure BDA0002335195060000111
由表2中的显微组织形态分析数据可知，本发明的铝合金的制备方法Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金同时添加至熔炼炉的铝熔体中，有助于提高熔体整体的均匀性，促进铝合金获得更佳的综合性能。
综合上，本发明的了铝合金制备的过程中挤压速度达到10-40m/min，不仅能保证生产效率，其能细化α-Al基体、细化共晶硅团簇，还能细化Al-Si合金中的主要杂质相，使得制备的铝合金能满足车辆生产的需求。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。
综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种高强度的铝合金材料，其特征在于，按质量百分比包括如下元素：Si 0.7-1.3wt％、Fe≤0.50wt％、Cu 0.05-0.25wt％、Mn≤0.5wt％、Mg 0.6-1.2wt％、Cr≤0.05wt％、Zn≤0.2wt％、Ti≤0.1wt％，余量为Al和不可避免的其它杂质；其中，所述Mn元素以Al-Mn中间合金形式添加，所述Cr元素以Al-Cr中间合金形式添加，且所述Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金共同作用用于细化α-Al晶胚、共晶硅团簇以及富铁相。
2.一种制备如权利要求1所述的高强度的铝合金材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.采用内生法分别制备Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金；
b.将铝铸锭添加至熔炼炉中，待铝铸锭加热熔融后将含元素Si、Fe、Cu、Mg、Zn、Ti的原材料依次加入至熔炼炉中，待原材料全部熔化后，降低熔炼炉的温度，待炉温稳定后，扒去熔渣；
c.继续往熔炼炉中添加Al-Mn中间合金以及Al-Cr中间合金，熔化后缓慢搅拌铝熔体使其均匀分布并保温在550-700℃的温度下15-30min后撇渣；
d.将均匀分布的铝熔体引入铸锭机或中间包，制备得到铝合材料铸锭；
e.将铝合金材料铸锭在540-580℃温度下保温6-12h进行均匀化热处理；
f.对均匀化热处理后的铝合金材料铸锭在3600T挤压机上做挤压处理，挤压系数为40，得到壁厚为4.0-10nm的铝合金型材，后以不低于6℃/s的冷却速度进行在线淬火；
g.将铝合金材料在160-190℃下保温4-12h进行时效处理，出炉冷却至室温后得到高强度的铝合金材料。
3.根据权利要求之2所述的高强度的铝合金材料的方法，其特征在于，所述内生法制备Al-Mn中间合金的方法为按照重量份为1:3的Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为45-75r/min的条件下，混料3-8h，将混均匀后的Mn粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为45-100MPa，并保压1-5min，后加热至850-1000℃，冷却至室温得到Al-Mn中间合金。
4.根据权利要求之2所述的高强度的铝合金材料的方法，其特征在于，所述内生法制备Al-Cr中间合金的方法为按照重量份为1:3-5的Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨，在转速为30-50r/min的条件下，混料2-8h后将混合均匀的Cr粉以及铝粉使用铝箔包好，放入至模具中，施加单向轴向压力为40-100MPa，并保压1-5min，后加热至900-1200℃，冷却至室温得到Al-Cr中间合金。
5.根据权利要求之2所述的高强度的铝合金材料的方法，其特征在于，步骤b中的铝铸锭加热熔的温度为700-800℃，所述降低熔炼炉的温度为600-700℃。
6.根据权利要求之2所述的高强度的铝合金材料的方法，其特征在于，步骤f所述挤压机的挤压出口温度大于或等于520℃。
7.根据权利要求之3所述的高强度的铝合金材料的方法，其特征在于，所述Mn粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为10-45μm。
8.根据权利要求之4所述的高强度的铝合金材料的方法，其特征在于，所述Cr粉以及铝粉放入球磨机中进行球磨后的平均粒径为10-30μm。
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