CN111041294B - 具有高长期热稳定性的6系低合金成分及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铝合金生产工艺技术领域，涉及一种具有高长期热稳定性的6系低合金成分及其制备方法，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.44～0.50％、Fe≤0.15％、Cu：0.01～0.05％、Mn≤0.03％、Mg：0.48～0.53％、Zr：0.04～0.05％、Cr≤0.03％、Ti：0.03～0.08％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为Al，Mg/Si控制在0.95～1.15，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长期热稳定性的需求，同时为今后开发高端汽车零部件奠定基础。

Description

具有高长期热稳定性的6系低合金成分及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金生产工艺技术领域，涉及一种具有高长期热稳定性的6系低合金成分及其制备方法，尤其涉及一种提高6系铝合金长期热稳定性的低合金成分及其制备方法。
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。铝合金以其质量轻、耐腐蚀、易成型等特点逐渐受到汽车行业的青睐。目前各大汽车厂商都在逐步使用铝材替代钢材，但由于汽车长期经历暴晒、雨林、极寒等恶劣工况，对车用铝合金型材的长期热稳定性提出了较高要求。
现国外主要汽车厂商均对各自车用铝合金产品长期热稳定性制定了相应的标准，例如：宝马WS02002标准、奔驰DBL4919标准、大众TL116标准等。我国铝合金行业对汽车产品的长期热稳定性研究较少，目前没有专为该性能进行优化过的铝合金成分配比，现阶段生产的6系汽车型材在150℃温度中保温1000h的热处理条件下力学屈服强度偏低，很难稳定的达到宝马、奔驰等高端客户的标准要求，低合金成分方面仅能达到175-195Mpa(标准≥190Mpa)，绝大部分铝合金产品均不能满足国外车企对长期热稳定性的需求，严重影响了我国高端汽车零部件的出口。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有6系低合金成分制备的铝合金型材，力学性能达不到国外汽车厂商标准要求，制约高端汽车零部件出口的问题，提供一种具有高长期热稳定性的6系低合金成分及其制备方法。
为达到上述目的，本发明提供一种具有高长期热稳定性的6系低合金成分，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.44～0.50％、Fe≤0.15％、Cu：0.01～0.05％、Mn≤0.03％、Mg：0.48～0.53％、Zr：0.04～0.05％、Cr≤0.03％、Ti：0.03～0.08％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为Al，Mg/Si控制在0.95～1.15。
进一步，具有高长期热稳定性的6系低合金成分，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.44～0.50％、Fe≤0.15％、Cu：0.01～0.05％、Mn：0.03％、Mg：0.48～0.53％、Zr：0.04～0.05％、Cr：0.03％、Ti：0.03～0.08％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为Al。
一种6系低合金成分铝型材的制备方法，包括如下步骤：
A、将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉内精炼、在线除气、在线过滤后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸棒；
B、将步骤A制得的铝合金铸棒进行高温水冷均质处理，均质处理的温度为550～600℃，保温时间为3～6h；
C、将步骤B均匀化处理后的铝合金铸棒置于挤压机中进行挤压，得到所需要的铝合金型材，挤压模具的加热温度为500±10℃，挤压铸锭的加热温度为515±5℃，挤压筒的筒身温度为450±10℃，挤压过程中的挤压速度为4.0～4.5m/min；
D、将步骤C挤压后的铝合金型材在挤压模具出口通过牵引机牵引后进行淬火处理，保证铝合金型材的尺寸，其中牵引机的牵引速度为4.0～4.5m/min，淬火方式为穿水冷却；
E、将步骤D淬火后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸变形率为0.5～1.5％，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
F、将步骤E拉伸矫直后的铝合金型材进行双级人工时效处理，时效制度为175℃×5h+190℃×3h，得到具有高长期热稳定性低合金成分的6系铝合金型材。
进一步，步骤A配料遵循如下过程：将配料依次投入熔炼炉中进行熔炼，并使用熔剂进行精炼覆盖，投料后待炉内出现铝水时开始搅拌，再经过精炼、扒渣得到合格成分后，然后利用氯气和氩气混合气体将铝液中的氢及细小杂质带到表面，从而降低铝液中的氢含量。
进一步，步骤A铝合金铸棒铸造过程中使用40～50ppi泡沫陶瓷板+玻纤布过滤，控制纯洁度，用Al-Ti-B合金做细化处理，保证铝合金铸棒晶粒度，确保铝合金铸棒中无气孔、夹杂、裂纹缺陷。
进一步，步骤B铝合金铸棒均质化处理的温度为580℃，保温时间为4h。
进一步，步骤C中挤压机为卧式2150T挤压机。
进一步，步骤D中铝合金型材的淬火冷却速度为≥80℃/s。
进一步，步骤D中铝合金型材淬火后的温度应≤50℃。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开具有高长期热稳定性的6系低合金成分，合金中的Mg/Si控制在0.95～1.15，过剩Si控制在0.14-0.19％范围内，过剩Si在长期热处理条件下在晶界处偏聚，过剩Si的偏聚为脆性相，会削弱晶界的结合力。添加少量的Cu可以形成CuMgAl2相，可以减少停放效应的影响，进而提高性能。Ti作为铸棒的细化剂，细化铸棒晶粒，细小的晶粒使整体晶界增加进而使晶粒的结合力增加进而提高性能。Fe是杂质成分，考虑到经济性，控制在0.15％以下即可。低合金成分方面Mn与Cr的添加量由于国标限定，不进行添加，要求在0.03％以下即可。对于低成分6系铝合金来说Mn、Cr含量较少，因此本次成分设计中为获得更好的长期热稳定性，在低合金成分设计的基础上额外添加了0.04～0.05％的Zr元素。
Zr与Al形成ZrAl3相，该相与基体存在共格关系，可强化基体，同时具有一定的耐热性。α-Al固溶体的化学成分越复杂，组织结构越稳定，铝的耐热性也就越好；晶粒越细小，则越能阻滞α-Al固溶体在高温下的变形，合金的耐热性能就越好。耐热性能的高低在很大程度上取决于原子健的结合强度。在铝中添加锆可以大大提高原子健的结合强度。
2、本发明所公开的6系低合金成分铝型材的制备方法，铸棒采用580℃×4h的高温水冷均质制度，高温均质使晶界上的Mg2Si相及过剩Si充分溶解到α固溶体中，配合快速水冷，使析出的Mg2Si相细小且均匀分布，形成棒状亚稳六方结构的βMg2Si相，其形核温度低，扩散生长速度慢晶粒尺寸小。通过调整铸锭合金成分，使得优化后的合金配比符合GB/T3190或EN753-3成分标准，提高现有6系铝合金型材在150℃温度下保温1000h的热稳定性性能，确保产品在在高温、长时、苛刻工况下的力学性能的稳定。
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。
实施例1
一种6系低合金成分铝型材的制备方法，包括如下步骤：
A、计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，6系铝合金原料各元素质量百分数配比如下：
元素 Si Fe Cu Mn Mg Zr Cr Ti 杂质 Al
含量 0.45 0.10 0.04 0.03 0.50 0.04 0.03 0.07 0.02 余量
将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉内精炼、在线除气、在线过滤后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸棒，其中铝合金原料配料遵循如下过程：将配料依次投入熔炼炉中进行熔炼，并使用熔剂进行精炼覆盖，投料后待炉内出现铝水时开始搅拌，再经过精炼、扒渣得到合格成分后，然后利用氯气和氩气混合气体将铝液中的氢及细小杂质带到表面，从而降低铝液中的氢含量，铝合金铸棒铸造过程中使用40～50ppi泡沫陶瓷板+玻纤布过滤，控制纯洁度，用A1-Ti-B合金做细化处理，保证铝合金铸棒晶粒度，确保铝合金铸棒中无气孔、夹杂、裂纹缺陷；
B、将步骤A制得的铝合金铸棒进行高温水冷均质处理，均质处理的温度为580℃，保温时间为4h；
C、将步骤B均匀化处理后的铝合金铸棒置于卧式2150T挤压机中进行挤压，得到所需要的铝合金型材，挤压模具的加热温度为500±10℃，挤压铸锭的加热温度为515±5℃，挤压筒的筒身温度为450±10℃，挤压过程中的挤压速度为4.0～4.5m/min；
D、将步骤C挤压后的铝合金型材在挤压模具出口通过牵引机牵引后进行淬火处理，保证铝合金型材的尺寸，其中牵引机的牵引速度为4.5～5.0m/min，淬火方式为穿水冷却，淬火冷却速度为80℃/s，铝合金型材出淬火区温度为30℃；
E、将步骤D淬火后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸变形率为0.5～1.5％，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
F、将步骤E拉伸矫直后的铝合金型材进行双级人工时效处理，时效制度为175℃×5h+190℃×3h，得到具有高长期热稳定性低合金成分的6系铝合金型材。
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。
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) 220 218 211 208 205
抗拉强度(MPa) 233 230 228 226 220
断裂伸长率(％) 13.5 14.0 14.0 13.5 13.5
由表1可以看到，人工时效后低合金成分的铝合金型材在150℃温度下热处理1000h后，屈服强度衰减6.8％，抗拉强度衰减5.6％，断裂伸长率未衰减，长期热稳定性较好，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 Si Fe Cu Mn Mg Zr Cr Ti 杂质 Al
含量 0.49 0.09 0.05 0.02 0.52 0.04 0.03 0.08 0.02 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。
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) 225 220 213 208 209
抗拉强度(MPa) 240 234 230 228 224
断裂伸长率(％) 14.0 14.0 13.5 13.5 14.0
由表2可以看到，人工时效后低合金成分的铝合金型材在150℃温度下热处理1000h后，屈服强度衰减7.1％，抗拉强度衰减6.7％，断裂伸长率未衰减，长期热稳定性较好，尤其屈服和抗拉强度。
对比例1
对比例1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 Si Fe Cu Mn Mg Cr Ti 杂质 Al
含量 0.53 0.01 0.02 0.03 0.48 0.03 0.01 0.05 余量
对比例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) 226 219 208 190 185
抗拉强度(MPa) 242 231 228 209 204
断裂伸长率(％) 12.8 13.0 12.5 12.3 12.5
由表3可以看到，人工时效后低合金成分的铝合金型材在150℃温度下热处理1000h后，屈服强度衰减18.1％，抗拉强度衰减15.7％，断裂伸长率未衰减，长期稳定性较差，尤其屈服和抗拉强度。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，步骤B将制得的铝合金铸棒进行中温水冷均质处理，均质处理的温度为480℃，保温时间为10h。
对比例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4。
表4
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) 223 218 206 190 182
抗拉强度(MPa) 239 233 227 209 203
断裂伸长率(％) 12.5 13.0 13.0 12.8 12.5
由表4可以看到，人工时效后低合金成分的铝合金型材在150℃温度下热处理1000h后，屈服强度衰减18.3％，抗拉强度衰减15.1％，断裂伸长率未衰减，长期稳定性较差，尤其屈服和抗拉强度。
由实施例1～2与对比例1～2制备铝合金型材的对比可以看到，低合金成分配比适用于6063、6060、6106等铝合金牌号，型材在150℃温度下保温1000h后力学屈服性能可以达到190-200MPa，比优化前提高10-20MPa，制备的6系低合金成分铝合金型材可满足汽车行业特别是高端汽车对铝合金长期热稳定性的要求，填补了我国在此技术领域中的空白。
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6系低合金成分制备铝型材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉内精炼、在线除气、在线过滤后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸棒，其中铝合金原料由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.44~0.50％、Fe≤0.15％、Cu：0.01~0.05％、Mn≤0.03％、Mg：0.48~0.53％、Zr：0.04~0.05％、Cr≤0.03％、Ti：0.03~0.08％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为Al，Mg/Si控制在0.95~1.15；
B、将步骤A制得的铝合金铸棒进行高温水冷均质处理，均质处理的温度为580℃，保温时间为4h；
C、将步骤B均匀化处理后的铝合金铸棒置于挤压机中进行挤压，得到所需要的铝合金型材，挤压模具的加热温度为500±10℃，挤压铸锭的加热温度为515±5℃，挤压筒的筒身温度为450±10℃，挤压过程中的挤压速度为4.0~4.5m/min；
D、将步骤C挤压后的铝合金型材在挤压模具出口通过牵引机牵引后进行淬火处理，保证铝合金型材的尺寸，其中牵引机的牵引速度为4.0~4.5m/min，淬火方式为穿水冷却；
E、将步骤D淬火后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸变形率为0.5~1.5%，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
F、将步骤E拉伸矫直后的铝合金型材进行双级人工时效处理，时效制度为175℃×5h+190℃×3h，得到具有高长期热稳定性低合金成分的6系铝合金型材。
2.如权利要求1所述铝型材的制备方法，其特征在于，步骤A铝合金原料由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.44~0.50％、Fe≤0.15％、Cu：0.01~0.05％、Mn：0.03％、Mg：0.48~0.53％、Zr：0.04~0.05％、Cr：0.03％、Ti：0.03~0.08％、单个杂质≤0.03％，杂质合计≤0.10％，余量为Al。
3.如权利要求1所述铝型材的制备方法，其特征在于，步骤A配料遵循如下过程：将配料依次投入熔炼炉中进行熔炼，并使用熔剂进行精炼覆盖，投料后待炉内出现铝水时开始搅拌，再经过精炼、 扒渣得到合格成分后，然后利用氯气和氩气混合气体将铝液中的氢及细小杂质带到表面，从而降低铝液中的氢含量。
4.如权利要求1所述铝型材的制备方法，其特征在于，步骤A铝合金铸棒铸造过程中使用40~50ppi泡沫陶瓷板+玻纤布过滤，控制纯洁度，用Al-Ti-B合金做细化处理，保证铝合金铸棒晶粒度，确保铝合金铸棒中无气孔、夹杂、裂纹缺陷。
5.如权利要求1所述铝型材的制备方法，其特征在于，步骤C中挤压机为卧式2150T挤压机。
6.如权利要求1所述铝型材的制备方法，其特征在于，步骤D中铝合金型材的淬火冷却速度为≥80℃/s。
7.如权利要求1所述铝型材的制备方法，其特征在于，步骤D中铝合金型材淬火后的温度应≤50℃。
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