CN111304473B - 一种无粗晶环易切削铝合金挤压棒材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无粗晶环易切削铝合金挤压棒材的制备方法，依次包括以下步骤：按铝合金的成分组成及质量百分比进行配料、电磁搅拌熔化成铝合金液、炉内喷粉精炼除气除杂、在线晶粒细化处理、在线除气过滤处理、超声波振动半连续铸造、铸棒均匀化处理、铸棒加热、挤压成形、拉拔矫直和人工时效处理。本发明通过优化设计铝合金挤压棒材的制备工艺及参数，抑制再结晶晶粒的长大，消除挤压棒材的粗晶环组织缺陷，使挤压棒材获得细小均匀的晶粒组织，提高挤压棒材组织性能的均匀性，铝合金挤压棒材具有优异的力学性能和切削加工性能。
Description
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体是涉及一种无粗晶环易切削铝合金挤压棒材的制备方法。
背景技术
易切削铝合金是指切屑易断、不粘刀、不缠刀、排屑方便的铝合金。易切削铝合金可以采用更高的切屑加工速度或者更大的进刀量进行切削加工，显著提高切削加工的生产效率，同时还有利于获得表面更光洁、尺寸精度更高的铝合金零部件。因此，易切削铝合金广泛应用于电子通讯、交通运输、机械装备、航空航天和武器装备等领域，用于制造各种精密铝合金零部件。
现有易切削铝合金通常是先熔铸成铝合金圆棒，然后再挤压成各种尺寸的铝合金挤压棒材，经过分切后，最后再用于制造各种精密铝合金零部件。在生产实践中发现，采用传统方法制备的易切削铝合金挤压棒材时，棒材表层容易出现粗晶环组织缺陷。
粗晶环是铝合金挤压棒材断面周边形成一层环状粗大晶粒组织，是铝合金挤压棒材中常见一种组织缺陷。粗晶环会降低铝合金挤压棒材的强度、硬度和塑性，恶化铝合金挤压棒材的疲劳性能，使铝合金挤压棒材内部的组织和性能产生不均匀，造成使用过程产生材料过早失效风险。粗晶环还会使铝合金挤压棒材的切削加工性能变坏，使加工后铝合金的表面粗糙。粗晶环还会使铝制品氧化着色后产生花斑和色差等质量问题。在生产实践中，当铝合金挤压棒材出现粗晶环组织缺陷时，通常不得不将表层的粗晶层去除，但这样处理的后果是大大降低了材料的利用率。
随着电子通讯、交通运输、机械装备、航空航天和武器装备等的迅速发展，对易切削铝合金挤压棒材的质量要求是越来越高，既要求易切削铝合金挤压棒材无粗晶组织缺陷，又要求易切削铝合金挤压棒材具有优良的力学性能和切屑加工性能。因此，现有易切削铝合金挤压棒材的制备方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明针对上述存在问题和不足，提供一种无粗晶环易切削铝合金挤压棒材的制备方法，通过优化设计铝合金挤压棒材的制备工艺及参数，抑制再结晶晶粒的长大，消除铝合金挤压棒材的粗晶环组织缺陷，提高铝合金挤压棒材的组织性能均匀性，使铝合金挤压棒材具有优异的力学性能和切削加工性能。
本发明是通过如下技术方案得以实现的：
本发明第一方面提供了一种无粗晶环易切削铝合金挤压棒材的制备方法，包括如下步骤：
（1）按铝合金的成分组成及质量百分比选择原材料进行配料，所述原材料包括铝锭、镁锭、锌锭、Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金、Al-10Ba合金和Al-5Nb-1C合金丝；
（2）将铝锭加入至炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉中加热熔化，随后加入除Al-5Nb-1C合金丝以外的其他原材料，在电磁场的搅拌作用下熔化成铝合金液；
（3）采用氩气和六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼进行除气除杂处理，扒渣后再静置；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入Al-5Nb-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金圆棒；
（7）将铝合金圆棒进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
（8）将铝合金圆棒加热并挤压成铝合金挤压棒材，然后穿水冷却至室温；
（9）将铝合金挤压棒材进行拉拔矫直；
（10）将铝合金挤压棒材进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述无粗晶环易切削铝合金挤压棒材。
作为优选地，步骤（1）中所述铝锭的铝含量为99.85%，镁锭的镁含量为99.9%，锌锭的锡含量为99.9%。
为了保证铝合金挤压棒材的纯净度，应尽量选择纯度高的原材料进行配料，以避免其他杂质元素影响铝合金挤压棒材的性能。但是也要强调的是，原材料的纯度越高，价格也会越贵，会使铝合金挤压棒材的生产成本升高。
作为优选地，步骤（2）中所述铝锭的熔化温度为780-790℃，最优选为785℃；电磁场的功率为40-50kW，最优选为45kW；电磁场的频率为10-15Hz，最优选为12kHz。
由于易切削铝合金挤压棒材的元素较多、含量较高，为了防止熔炼过程发生元素比重偏析，因此需要在熔炼过程加强搅拌，优选使用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉进行熔炼配制铝合金液。发明人的大量实验研究发现，通过提高熔炼温度有利于提高铝合金液的流动性，采用大功率、低频电磁场对铝合金的搅拌渗透能力更强，更有利防止元素偏析，在780-790℃加热熔化铝锭，在功率为40-50kW、频率为10-15kHz磁场条件下电磁搅拌熔化成铝合金液，可以有效防止元素比重偏析，获得成分均匀的铝合金液。
作为优选地，步骤（3）中所述氩气的纯度为99.9%，六氯乙烷精炼剂占原材料总重量0.5%。
作为优选地，步骤（3）中所述铝合金液喷粉精炼时间为5-7分钟，最优选为6分钟；扒渣后再静置的时间为60分钟。
为了消除气孔、非金属夹杂物的存在而恶化铝合金挤压棒材的性能，首先必须在炉内对铝合金液进行喷粉精炼除气除杂处理，优选的，使用纯度99.99%的氩气和占原材料总重量0.5%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼5-7分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟，可有效除去铝合金液中大部分的气孔和非金属夹杂物，再配合后续在线除气过滤处理，最后可获得高纯净的铝合金液。
作为优选地，步骤（4）中Al-5Nb-1C合金丝的添加量为占原材料总重量0.2-0.4%，最优选为0.3%；铝合金铸棒中含有0.0015%的Nb，0.003%的C。
为了改善铸造铝合金圆棒的组织均匀性，提高铸造铝合金圆棒的挤压加工性能，必须对铝合金液进行晶粒细化处理。发明人通过大量实验研究发现，Al-5Nb-1C合金丝是本发明易切削铝合金的高效晶粒细化剂，Al-5Nb-1C合金丝中含有大量NbC粒子，在铝合金液可起到异质形核作用，细化铸造铝合金圆棒的晶粒组织，添加占原材料总重量0.2-0.4%的Al-5Nb-1C合金丝，可将铸造铝合金圆棒的组织细化为细小均匀的晶粒组织，显著改善铸造铝合金圆棒的组织均匀性，提高铸造铝合金圆棒的挤压加工性能。
作为优选地，步骤（5）中所述除气机中的石墨转子旋转速度为680-720转/分钟，最优选为700转/分钟，除气机内氩气流量为2.5-2.7立方米/小时，最优选为2.6立方米/小时。
作为优选地，步骤（5）中所述泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为90ppi。
为了进一步除去铝合金液中的气孔和非金属夹杂物，获得高洁净度的铝合金液，除了前面炉内喷粉精炼外，还必须再采用在线除气过滤处理，将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为680-720转/分钟、氩气流量为2.5-2.7立方米/小时的除气机和孔隙率为90ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理，最终可获得高洁净的铝合金液，消除气孔、非金属夹杂物的存在而恶化铝合金挤压棒材的性能。
作为优选地，步骤（6）中所述超声波振动条件为：超声波频率为30-40kHz、超声波功率为60-70kW、铸造温度为740-760℃、铸造速度为130-150毫米/分钟，冷却水压力为2.4-2.6MPa；最优选为：超声波频率为35kHz、超声波功率为65kW、铸造温度为750℃、铸造速度为140毫米/分钟，冷却水压力为2.5MPa。
常规半连续铸造过程中，由于铝合金液的非平衡凝固原因，会导致元素发生宏微观偏析。为了防止铝合金液在铸造凝固过程发生元素的偏析，同时细化铸造铝合金圆棒的晶粒组织，发明人通过实验研究后发现，采用大功率、高频超声波振动半连续铸造，再结合快速铸造和冷却水强冷工艺，在超声波频率为30-40kHz、超声波功率为60-70kW、铸造温度为740-760℃、铸造速度为130-150毫米/分钟，冷却水压力为2.4-2.6MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金圆棒，防止铝合金液在铸造凝固过程发生元素的偏析，同时细化铸造铝合金圆棒的晶粒组织，显著改善铸造铝合金圆棒的组织均匀性，提高铝合金圆棒的挤压加工性能。
作为优选地，步骤（7）中所述双级均匀化处理条件为：先加热至450-470℃保温1小时，接着继续升温到550-560℃保温3-4小时；最优选为：先加热至460℃保温1小时，接着继续升温到556℃保温3.5小时。
铸造铝合金圆棒均匀化处理的目的是消除铝合金圆棒的元素宏微观偏析，溶解粗大的第二相，消除铝合金圆棒的应力。发明人通过大量实验研究还发现，铝合金圆棒的均匀化处理对铝合金挤压棒材是否产生粗晶环有重要影响，如果铝合金圆棒均匀化处理不彻底，铝合金圆棒存在严重的元素宏微观偏析，未能充分溶解粗大的第二相，铝合金挤压棒材就容易出现粗晶环，这是因为铸造铝合金圆棒表层容易形成元素负偏析，使得表层起抑制再结晶晶粒长大的弥散相减少，这也是目前常规生产工艺中易切削铝合金挤压棒材出现粗晶环的重要原因。
发明人通过大量实验研究发现，将铝合金圆棒加热至450-470℃保温1小时，接着继续升温到550-560℃保温3-4小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温，可消除铝合金圆棒内部元素宏微观偏析，彻底溶解粗大的第二相，非常有利于后续挤压过程中抑制铝合金发生再结晶的晶粒长大，消除铝合金挤压棒材产生粗晶环组织缺陷。
作为优选地，步骤（8）中所述铝合金圆棒加热至300-320℃，最优选为310℃；挤压条件为：模具温度510-530℃、挤压筒温度480-500℃、挤压速度为2-3米/分钟、挤压比为5-8；最优选为：模具温度520℃、挤压筒温度490℃、挤压速度为2.5米/分钟、挤压比为6。
易切削铝合金挤压棒材产生粗晶环的本质是由于挤压过程中，铝合金在料筒和模具内发生了不均匀变形，其中与料筒和模具接触的铝合金由于摩擦作用，流动速度慢，变形量大，使得铝合金挤压棒材表层组织发生了再结晶晶粒的长大和粗化。
发明人通过大量实验研究发现，提高挤压料筒和模具的温度，能够有效减弱铝合金与挤压料筒和模具内壁之间的摩擦，从而改善挤压过程中铝合金流动速度的均匀性，同时降低铝合金圆棒的加热温度、挤压比和挤压速度，挤压完成后立即进行穿水冷却，可以有效抑制再结晶晶粒的长大，防止粗晶环的产生。发明人的大量实验研究数据表明，将铝合金圆棒加热至300-320℃，然后在模具温度510-530℃、挤压筒温度480-500℃、挤压速度为2-3米/分钟、挤压比为5-8的条件下，将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压棒材，然后立即穿水冷却至室温，可以彻底消除粗晶环，使铝合金挤压棒材获得细小均匀的晶粒组织。
作为优选地，步骤（9）中拉拔变形量为2-4%，最优选为3%。
作为优选地，步骤（10）中双级时效处理条件为：加热至240-250℃保温1-2小时，然后再降温至210-220℃保温3-4小时；最优选为：加热至240℃保温1.5小时，然后再降温至215℃保温3.5小时。
对铝合金挤压棒材进行时效热处理是进一步提高铝合金挤压棒材力学性能有效措施。发明人通过对本发明铝合金挤压棒材的时效工艺进大量实验研究后发现，时效温度太高或者时效时间太长，会导致铝合金挤压棒材出现过时效，时效温度太低或者时效时间太短，又会导致铝合金挤压棒材出现欠时效，都无法提高铝合金挤压棒材的力学性能。将铝合金挤压棒材加热至240-250℃保温1-2小时，然后再降温至210-220℃保温3-4小时进行双级时效处理，可显著提高铝合金挤压棒材的力学性能，同时还能显著缩短时效热处理的时间，有利于提高生产效率和降低生产成本。
作为优选地，所述无粗晶环易切削铝合金挤压棒材包括如下质量百分比的成分：Cu 1.9-2.2%，Mg 1.7-1.9%，Zn 2.7-3.2%，Sn 0.15-0.25%，Bi 0.35-0.45%，V 0.14-0.17%，Ba 0.08-0.12%，Nb 0.01-0.02%，C 0.002-0.004%，Fe 0.13-0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
作为优选地，所述无粗晶环易切削铝合金挤压棒材包括如下质量百分比的成分：Cu 2.1%，Mg 1.8%，Zn 2.9%，Sn 0.19%，Bi 0.41%，V 0.15%，Ba 0.09%，Nb 0.015%，C0.003%，Fe 0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
本发明第二方面提供了一种由上述方法制备得到的无粗晶环易切削铝合金挤压棒材。
作为优选地，所述无粗晶环易切削铝合金挤压棒材包括如下质量百分比的成分：Cu 1.9-2.2%，Mg 1.7-1.9%，Zn 2.7-3.2%，Sn 0.15-0.25%，Bi 0.35-0.45%，V 0.14-0.17%，Ba 0.08-0.12%，Nb 0.01-0.02%，C 0.002-0.004%，Fe 0.13-0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
作为优选地，所述无粗晶环易切削铝合金挤压棒材包括如下质量百分比的成分：Cu 2.1%，Mg 1.8%，Zn 2.9%，Sn 0.19%，Bi 0.41%，V 0.15%，Ba 0.09%，Nb 0.015%，C0.003%，Fe 0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
其中，Mg、Cu、Zn是铝合金挤压棒材的强化元素，Mg与Zn可形成Mg2Zn强化相，Cu与Al可形成Al2Cu强化相，提高铝合金挤压棒材的强度。Zn、Mg、Cu的含量越高，铝合金挤压棒材的强度也越高，但铝合金挤压棒材的塑形也会逐渐下降。
发明人通过大量实验研究后发现，Cu含量选择为1.9-2.2%，Mg含量选择为1.7-1.9%，Zn含量选择为2.7-3.2%，铝合金挤压棒材兼具强度高和塑性好的特性，满足实际应用需要。
Sn和Bi的作用是提高铝合金挤压棒材的切削加工性能。Sn和Bi均属于低熔点金属元素，Sn元素的熔点为231.89℃，Bi元素的熔点为271.3℃，在高速切削加工过程中，铝合金挤压棒材与刀具之间的发生高速摩擦，机械能转变成热能，使铝合金挤压棒材的温度升高，当与刀具接触点附近的铝合金挤压棒材的切屑温度达到或接近低熔点金属元素Sn和Bi的熔点时，这些低熔点金属元素发生熔化，从而使铝合金挤压棒材的切屑发生断裂，达到切屑不粘刀、不缠刀、排屑方便的效果。
发明人通过大量的实验研究发现，Sn和Bi的含量对切屑加工性能有着重要的影响，当添加0.15-0.25%的Sn和0.35-0.45%的Bi时，铝合金挤压棒材可获得优良的切屑加工性能。
V的作用主要是通过弥散强化抑制铝合金在挤压过程发生再结晶晶粒的长大。V在铝合金中可形成与铝基体共格的Al3V弥散相，增大基体内位错运动的阻力，阻碍晶界的滑移和位错的运动，有利于抑制铝合金在挤压过程发生再结晶晶粒的长大。
发明人通过大量实验研究后发现，添加0.14-0.17%的V，有助于抑制铝合金在挤压过程发生再结晶晶粒的长大，以利于铝合金挤压棒材粗晶环的消除。
Ba在铝合金挤压棒材的作用主要是细化变质粗大针状富Fe相。Fe是铝合金中不可避免的杂质元素，通常以粗大针状的FeAl3、FeSiAl3等富Fe相形式存在于铝合金挤压棒材中，会严重割裂铝合金挤压棒材的基体，恶化铝合金挤压棒材的强度和塑性。
发明人通过大量实验研究发现，Ba对粗大针状富Fe相都有细化变质作用，添加0.08-0.12%的Ba，可完全细化变质粗大针状富Fe相，使粗大针状富Fe相转变为细小颗粒状弥散分布在铝合金挤压棒材基体上，不仅可以消除粗大针状富Fe相对强度和塑形的危害，细化变质形成的细小颗粒状富Fe相弥散分布在铝基体上，还对铝合金再结晶晶粒的长大具有很好的抑制作用，有助于消除铝合金挤压棒材产生粗晶环组织缺陷。
Nb和C是以Al-5Nb-1C合金丝的形式在线加入到铝合金液中。Al-5Nb-1C合金丝中含有大量NbC粒子，在铝合金液可起到异质形核作用，细化铸造铝合金圆棒的晶粒组织，改善铸造铝合金圆棒的组织均匀性，提高铸造铝合金圆棒的挤压加工性能。
发明人通过大量实验研究后发现，添加占原材料总重量0.2-0.4%的Al-5Nb-1C合金丝，铝合金挤压棒材中含有0.01-0.02%的Nb，0.002-0.004%的C，可将铸造铝合金圆棒的组织细化为细小均匀的晶粒组织，显著改善铸造铝合金圆棒的组织均匀性，提高铸造铝合金圆棒的挤压加工性能。
与现有技术相比，本发明能够有效抑制挤压过程中易切削铝合金发生再结晶晶粒的长大，从而消除易切削铝合金挤压棒材的粗晶环组织缺陷，使易切削铝合金挤压棒材内部获得细小均匀的晶粒组织，显著提高易切削铝合金挤压棒材的组织性能均匀性。
附图说明
图1为实施例1易切削铝合金挤压棒材表层的显微组织。
图2为实施例2易切削铝合金挤压棒材表层的显微组织。
图3为实施例3易切削铝合金挤压棒材表层的显微组织。
图4为对比例1易切削铝合金挤压棒材表层的显微组织。
图5为对比例2易切削铝合金挤压棒材表层的显微组织。
图6为对比例3易切削铝合金挤压棒材表层的显微组织。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种易切削铝合金挤压棒材，由以下质量百分比的成分组成：Cu 2.1%，Mg 1.8%，Zn 2.9%，Sn 0.19%，Bi 0.41%，V 0.15%，Ba 0.09%，Nb 0.015%，C 0.003%，Fe 0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
其制备方法依次包括如下步骤：
（1）按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.85%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金、Al-10Ba合金和Al-5Nb-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在785℃加热熔化铝锭，再加入Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金和Al-10Ba合金，在功率为45kW、频率为12kHz磁场条件下电磁搅拌熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.99%的氩气和占原材料总重量0.5%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼6分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入占原材料总重量0.3%的Al-5Nb-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为700转/分钟、氩气流量为2.6立方米/小时的除气机和孔隙率为90ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为35kHz、超声波功率为65kW、铸造温度为750℃、铸造速度为140毫米/分钟，冷却水压力为2.5MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金圆棒；
（7）将铝合金圆棒加热至460℃保温1小时，接着继续升温到555℃保温3.5小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
（8）将铝合金圆棒加热至310℃，然后在模具温度520℃、挤压筒温度490℃、挤压速度为2.5米/分钟、挤压比为6的条件下，将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压棒材，然后穿水冷却至室温；
（9）将铝合金挤压棒材进行拉拔矫直，拉拔变形量为3%；
（10）将铝合金挤压棒材加热至240℃保温1.5小时，然后再降温至215℃保温3.5小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述易切削铝合金挤压棒材。
实施例2
一种易切削铝合金挤压棒材，由以下质量百分比的成分组成：Cu 2.2%，Mg 1.7%，Zn 3.2%，Sn 0.15%，Bi 0.45%，V 0.14%，Ba 0.08%，Nb 0.02%，C 0.004%，Fe 0.13%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
其制备方法依次包括如下步骤：
（1）按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.85%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金、Al-10Ba合金和Al-5Nb-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在780℃加热熔化铝锭，再加入Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金和Al-10Ba合金，在功率为50kW、频率为10kHz磁场条件下电磁搅拌熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.99%的氩气和占原材料总重量0.5%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼5分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入占原材料总重量0.4%的Al-5Nb-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为720转/分钟、氩气流量为2.5立方米/小时的除气机和孔隙率为90ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为30kHz、超声波功率为70kW、铸造温度为760℃、铸造速度为130毫米/分钟，冷却水压力为2.4MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金圆棒；
（7）将铝合金圆棒加热至470℃保温1小时，接着继续升温到560℃保温3小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
（8）将铝合金圆棒加热至300℃，然后在模具温度530℃、挤压筒温度500℃、挤压速度为2米/分钟、挤压比为5的条件下，将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压棒材，然后穿水冷却至室温；
（9）将铝合金挤压棒材进行拉拔矫直，拉拔变形量为2%；
（10）将铝合金挤压棒材加热至250℃保温1小时，然后再降温至220℃保温3小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述易切削铝合金挤压棒材。
实施例3
一种易切削铝合金挤压棒材，由以下质量百分比的成分组成：Cu 1.9%，Mg 1.9%，Zn 2.7%，Sn 0.25%，Bi 0.35%，V 0.17%，Ba 0.12%，Nb 0.01%，C 0.002%，Fe 0.13-0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
其制备方法依次包括如下步骤：
（1）按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.85%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金、Al-10Ba合金和Al-5Nb-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在790℃加热熔化铝锭，再加入Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金和Al-10Ba合金，在功率为40kW、频率为15kHz磁场条件下电磁搅拌熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.99%的氩气和占原材料总重量0.5%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼7分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入占原材料总重量0.2%的Al-5Nb-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为680转/分钟、氩气流量为2.7立方米/小时的除气机和孔隙率为90ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为40kHz、超声波功率为60kW、铸造温度为740℃、铸造速度为150毫米/分钟，冷却水压力为2.6MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金圆棒；
（7）将铝合金圆棒加热至450℃保温1小时，接着继续升温到550℃保温4小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
（8）将铝合金圆棒加热至320℃，然后在模具温度510℃、挤压筒温度480℃、挤压速度为3米/分钟、挤压比为8的条件下，将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压棒材，然后穿水冷却至室温；
（9）将铝合金挤压棒材进行拉拔矫直，拉拔变形量为4%；
（10）将铝合金挤压棒材加热至240℃保温2小时，然后再降温至210℃保温4小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述易切削铝合金挤压棒材。
对比例1
一种铝合金挤压棒材，由以下质量百分比的成分组成：Cu 2.1%，Mg 1.8%，Zn2.9%，Sn 0.19%，Bi 0.41%，V 0.15%，Ba 0.09%，Nb 0.015%，C 0.003%，Fe 0.14%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
其制备方法依次包括如下步骤：
（1）按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.85%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金、Al-10Ba合金和Al-5Nb-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在785℃加热熔化铝锭，再加入Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金和Al-10Ba合金，在功率为45kW、频率为12kHz磁场条件下电磁搅拌熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.99%的氩气和占原材料总重量0.5%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼6分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入占原材料总重量0.3%的Al-5Nb-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为700转/分钟、氩气流量为2.6立方米/小时的除气机和孔隙率为90ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为35kHz、超声波功率为65kW、铸造温度为750℃、铸造速度为140毫米/分钟，冷却水压力为2.5MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金圆棒；
（7）将铝合金圆棒加热至460℃保温1小时，接着继续升温到555℃保温3.5小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
（8）将铝合金圆棒加热至410℃，然后在模具温度520℃、挤压筒温度490℃、挤压速度为2.5米/分钟、挤压比为6的条件下，将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压棒材，然后穿水冷却至室温；
（9）将铝合金挤压棒材进行拉拔矫直，拉拔变形量为3%；
（10）将铝合金挤压棒材加热至240℃保温1.5小时，然后再降温至215℃保温3.5小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压棒材。
对比例2
一种易切削铝合金挤压棒材，由以下质量百分比的成分组成：Cu 2.2%，Mg 1.7%，Zn 3.2%，Sn 0.15%，Bi 0.45%，V 0.14%，Ba 0.08%，Nb 0.02%，C 0.004%，Fe 0.13%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
其制备方法依次包括如下步骤：
（1）按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.85%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金、Al-10Ba合金和Al-5Nb-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在780℃加热熔化铝锭，再加入Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金和Al-10Ba合金，在功率为50kW、频率为10kHz磁场条件下电磁搅拌熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.99%的氩气和占原材料总重量0.5%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼5分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入占原材料总重量0.4%的Al-5Nb-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为720转/分钟、氩气流量为2.5立方米/小时的除气机和孔隙率为90ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为30kHz、超声波功率为70kW、铸造温度为760℃、铸造速度为130毫米/分钟，冷却水压力为2.4MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金圆棒；
（7）将铝合金圆棒加热至470℃保温1小时，接着继续升温到560℃保温3小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
（8）将铝合金圆棒加热至300℃，然后在模具温度430℃、挤压筒温度400℃、挤压速度为2米/分钟、挤压比为5的条件下，将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压棒材，然后穿水冷却至室温；
（9）将铝合金挤压棒材进行拉拔矫直，拉拔变形量为2%；
（10）将铝合金挤压棒材加热至250℃保温1小时，然后再降温至220℃保温3小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压棒材。
对比例3
一种易切削铝合金挤压棒材，由以下质量百分比的成分组成：Cu 1.9%，Mg 1.9%，Zn 2.7%，Sn 0.25%，Bi 0.35%，V 0.17%，Ba 0.12%，Nb 0.01%，C 0.002%，Fe 0.13-0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%；
其制备方法依次包括如下步骤：
（1）按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝含量99.85%的铝锭、镁含量99.9%的镁锭、锌含量99.9%的锌锭、Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金、Al-10Ba合金和Al-5Nb-1C合金丝为原材料进行配料；
（2）采用炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉在790℃加热熔化铝锭，再加入Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金和Al-10Ba合金，在功率为40kW、频率为15kHz磁场条件下电磁搅拌熔化成铝合金液；
（3）用纯度99.99%的氩气和占原材料总重量0.5%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼7分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入占原材料总重量0.2%的Al-5Nb-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为680转/分钟、氩气流量为2.7立方米/小时的除气机和孔隙率为90ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为40kHz、超声波功率为60kW、铸造温度为740℃、铸造速度为150毫米/分钟，冷却水压力为2.6MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金圆棒；
（7）将铝合金圆棒加热至450℃保温1小时，接着继续升温到550℃保温4小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
（8）将铝合金圆棒加热至320℃，然后在模具温度510℃、挤压筒温度480℃、挤压速度为3米/分钟、挤压比为15的条件下，将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压棒材，然后穿水冷却至室温；
（9）将铝合金挤压棒材进行拉拔矫直，拉拔变形量为4%；
（10）将铝合金挤压棒材加热至240℃保温2小时，然后再降温至210℃保温4小时进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述铝合金挤压棒材。
验证例1
为了检验易切削铝合金挤压棒材的显微组织，在实施例1-3和对比例1-3的铝合金挤压棒材的表层位置上取试样，试样经磨制、抛光和腐蚀后，在LEICA2500型金相显微镜上进行组织观察，图1-3分别为实施例1-3铝合金挤压棒材表层放大200倍后的金相显微组织，图4-6分别为对比例1-3铝合金挤压棒材表层放大200倍后的金相显微组织。从图1-3可看到，实施例1-3铝合金挤压棒材的表层显微组织为细小均匀的等轴状晶粒组织，晶粒细小均匀。从图4-6可看到，对比例1由于铝合金圆棒加热温度太高，对比例2由于挤压模具和挤压筒的温度太低，而对比例3由于挤压比太大，均导致铝合金挤压棒材的表层产生了粗晶环，晶粒特别粗大，且不均匀。通过实施例和对比例的比较可以看到，本发明通过优化设计易切削铝合金挤压棒材的制备工艺，严格控制制备工艺参数，可有效消除粗晶环，是易切削铝合金挤压棒材获得细小均匀的晶粒组织。
验证例2
为了检验易切削铝合金挤压棒材的性能均匀性，按国家标准GB/T16865-2013《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》，在实施例1-3和对比例1-3的铝合金挤压棒材的表层和心部分别取样并加工成标准拉伸试样，在WRIM100型电子拉伸试验机上进行室温拉伸实验，拉伸速率为2毫米/分钟，检测铝合金挤压棒材的抗拉强度和伸长率，检测结果如表1所示。
表1 实施例和对比例铝合金挤压棒材的室温拉伸力学性能
从表1可看到，实施例1-3铝合金挤压棒材心部和表层的抗拉强度和伸长率数值都比较接近，说明实施例1-3铝合金挤压棒材横截面上的力学性能均匀，其抗拉强度都是大于560MPa，伸长率大于15%。而对比例1-3的铝合金挤压棒表层和心部的抗拉强度和伸长率数值则相差比较大，抗拉强度大约相差30MPa，伸长率大约相差2%，表层由于是粗大晶粒的粗晶环，导致表层的抗拉强度和伸长率都低于心部的抗拉强度和伸长率，说明对比例1-3铝合金挤压棒材横截面上的力学性能不均匀。
以上具体实施方式部分对本发明所涉及的分析方法进行了具体的介绍。应当注意的是，上述介绍仅是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明的方法及思路，而不是对相关内容的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可以对本发明进行适当的调整或修改，上述调整和修改也应当属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种无粗晶环易切削铝合金挤压棒材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按铝合金的成分组成及质量百分比选择原材料进行配料，所述原材料包括铝锭、镁锭、锌锭、Al-20Cu合金、Al-5Sn合金、Al-5Bi合金、Al-10V合金、Al-10Ba合金和Al-5Nb-1C合金丝；
（2）将铝锭加入至炉底带电磁搅拌功能的熔铝炉中,在780-790℃加热熔化铝锭，随后加入除Al-5Nb-1C合金丝以外的其他原材料，在功率为40-50kW、频率为10-15Hz的电磁场搅拌作用下熔化成铝合金液；
（3）采用纯度为99.9%的氩气和占原材料总重量0.5%的六氯乙烷精炼剂对铝合金液喷粉精炼5-7分钟进行除气除杂处理，扒渣后再静置60分钟；
（4）将铝合金液导入流槽，然后加入占原材料总重量0.2-0.4%的Al-5Nb-1C合金丝进行在线晶粒细化处理；
（5）将铝合金液依次流过设置在流槽上石墨转子旋转速度为680-720转/分钟、氩气流量为2.5-2.7立方米/小时的除气机和孔隙率为90ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
（6）在超声波频率为30-40kHz、超声波功率为60-70kW、铸造温度为740-760℃、铸造速度为130-150毫米/分钟，冷却水压力为2.4-2.6MPa条件下，将铝合金液在超声波振动下半连续铸造成铝合金圆棒；
（7）将铝合金圆棒先加热至450-470℃保温1小时，接着继续升温到550-560℃保温3-4小时进行双级均匀化处理，然后水雾强制冷却至室温；
（8）将铝合金圆棒加热至300-320℃，在模具温度510-530℃、挤压筒温度480-500℃、挤压速度为2-3米/分钟、挤压比为5-8条件下，将铝合金圆棒挤压成铝合金挤压棒材，然后穿水冷却至室温；
（9）将铝合金挤压棒材进行拉拔矫直，拉拔变形量为2-4%；
（10）将铝合金挤压棒材加热至240-250℃保温1-2小时，然后再降温至210-220℃保温3-4小时%进行双级时效处理，随炉冷却至室温后得到所述无粗晶环易切削铝合金挤压棒材，所述无粗晶环易切削铝合金挤压棒材包括如下质量百分比的成分：Cu 1.9-2.2%，Mg1.7-1.9%，Zn 2.7-3.2%，Sn 0.15-0.25%，Bi 0.35-0.45%，V 0.14-0.17%，Ba 0.08-0.12%，Nb 0.01-0.02%，C 0.002-0.004%，Fe 0.13-0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
2.根据权利要求1所述制备方法制备得到的无粗晶环易切削铝合金挤压棒材，其特征在于，所述无粗晶环易切削铝合金挤压棒材包括如下质量百分比的成分：Cu 1.9-2.2%，Mg1.7-1.9%，Zn 2.7-3.2%，Sn 0.15-0.25%，Bi 0.35-0.45%，V 0.14-0.17%，Ba 0.08-0.12%，Nb 0.01-0.02%，C 0.002-0.004%，Fe 0.13-0.16%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.05%，杂质元素总量≤0.15%。
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