CN111304563A - 一种铝合金型材的加工方法及由其制备的铝合金型材 - Google Patents

一种铝合金型材的加工方法及由其制备的铝合金型材 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种铝合金型材的加工方法及由其制备的铝合金型材，所述加工方法包括步骤：(1)均匀化处理：将包括0.42‑0.52％的Mg、0.28‑0.38％的Si、≤0.025％的Mn、≤0.18％的Fe、≤0.018％的Zn、≤0.012％的Cr、≤0.03％的Ti、余量为Al，且Si/Mg的质量比为0.538‑0.905的铝棒从室温以50‑220℃/h的升温速率升温至530‑580℃，然后保温5‑20h，然后以＞100℃/h的冷却速率冷却，冷却至＜100℃；(2)挤压处理：铝棒挤压温度为450‑480℃，模具温度450‑470℃，挤压杆速度为3.0‑4.0mm/s，控制型材出口温度在500‑540℃；(3)在线强风冷却处理；(4)拉伸矫直处理；以及(5)人工时效处理：保温温度为185‑195℃，保温时间为2‑3h。通过上述新的加工方法制备的铝合金型材的屈服强度和抗拉强度波动小且弯曲加工性能好，弯曲加工一次合格率≥95％，降低生产成本。

Description

一种铝合金型材的加工方法及由其制备的铝合金型材
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及一种铝合金型材的加工方法及由该方法制备的铝合金。
背景技术
6063铝合金是Al-Mg-Si系可热处理强化的变形铝合金，其具有较高强度、良好的塑性和耐蚀性等优点，被广泛应用于门窗、货柜架、汽车、火车等的构件上。由于构建的形状结构多种多样，常常需要对铝合金型材进行弯曲加工以获得特定形状结构的构件。其中，随着汽车轻量化的发展，铝合金型材在汽车上的应用越来越广泛，对铝合金型材的要求也越来越高，特别是一些需要一定弧度的弯曲型材，例如汽车天窗导轨用铝型材。现有技术中，铝挤压型材的强度标准参照GB/T 6892，以6063铝挤压型材为例，其屈服强度控制范围在130-220Mpa，波动范围较大，因抗拉强度与屈服强度理论上存在对应关系，只要屈服强度的稳定性差，则抗拉强度稳定性必然也差。尤其，如果不同铝型材的屈服强度和抗拉强度波动大，针对已设置好用于弯曲加工的固定参数的某一弯曲加工设备而言，会降低铝型材的弯曲加工的一次合格率，需返工的铝型材比例较大，极大的浪费工时，且生产成本高。其中，弯曲加工一次合格率＝订单批次弯曲加工合格的数量/订单总数量。例如，对弯曲加工曲率要求高的汽车天窗导轨型材来说，型材弯曲加工一次合格率低于80％，整体成品率低。对于6063合金而言，汽车天窗用高弯曲铝型材实际生产成品率提升难度较大。
因此，现有技术中的铝型材主要有以下缺点：铝型材屈服强度和抗拉强度的稳定性差且铝型材弯曲加工成品率低。为改善传统6063铝合金的劣势，有必要开发出一种更适宜的铝合金，以便控制型材的屈服强度范围，并提高铝型材弯曲加工的一次合格率，降低产品的生产成本。
发明内容
为解决现有技术中6063铝合金的屈服强度波动范围较大导致的铝型材弯曲加工的一次合格率低的问题，本发明的第一个方面提供一种铝合金型材的加工方法，包括步骤：
(1)均匀化处理：将包括0.42-0.52％的Mg、0.28-0.38％的Si、≤0.025％的Mn、≤0.18％的Fe、≤0.018％的Zn、≤0.012％的Cr、≤0.03％的Ti、余量为Al，且Si/Mg的质量比为0.538-0.905的铝棒从室温以50-220℃/h的升温速率升温至530-580℃，然后保温，保温温度为530-580℃，保温时间为5-20h，然后以＞100℃/h的冷却速率冷却，冷却至＜100℃；
(2)挤压处理：铝棒挤压温度为450-480℃，模具温度450-470℃，挤压杆速度为3.0-4.0mm/s，控制型材出口温度在500-540℃；
(3)在线强风冷却处理；
(4)拉伸矫直处理；以及
(5)人工时效处理：保温温度为185-195℃，保温时间为2-3h。
进一步地，在所述步骤(1)中，所述升温速率为80-180℃/h，所述保温温度为550-570℃，所述保温时间为6-12h。
进一步地，在所述步骤(1)中，所述冷却为强风和水雾冷却。
进一步地，在所述步骤(1)中，所述铝棒在燃气加热炉中从室温以50-220℃/h的升温速率升温至530-580℃，然后保温，保温温度为530-580℃，保温时间为5-20h，然后所述铝棒从燃气加热炉转移至冷却炉中以＞100℃/h的冷却速率冷却至＜100℃。
进一步地，在所述步骤(3)中，冷却速率为＞80℃/min。
进一步地，在所述步骤(4)中，拉伸矫直率为0.1％-0.3％。
进一步地，所述铝棒进一步包括≤0.04％的Cu。
进一步地，所述铝棒包括0.45-0.49％的Mg、0.31-0.35％的Si、≤0.015％的Mn、≤0.15％的Fe、≤0.010％的Zn、≤0.010％的Cr、0.010-0.020％的Ti、余量为Al，且Si/Mg的质量比为0.633-0.778。
进一步地，所述铝棒进一步包括≤0.035％的Cu。
本发明的第二个方面提供一种采用上述铝合金型材的加工方法制备的铝合金型材。
与现有技术相比较，本发明的优势在于：
本发明通过调整铝合金中各个成分的含量，尤其是调低了Mg、Si合金元素的含量，严格控制这两个元素的波动范围以及两者的质量百分比，以及其它微量元素Fe、Ti等的管控，同时结合与该铝合金相匹配的特殊的加工工艺，尤其是均匀化处理过程中冷却速率的控制和人工时效工艺的优化。通过上述新的加工方法制备的铝合金型材的屈服强度和抗拉强度稳定于理想范围内(理想范围：屈服强度为130-160MPa，抗拉强度为175-205MPa，且延伸率≥8％)且波动小(≤30MPa)，同时弯曲加工性能好，能使铝合金型材在后道弯曲、折弯等弯曲加工中的一次合格率≥95％，降低生产成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例，详细阐述本发明的优势。
本发明的第一个方面提供一种铝合金型材的加工方法，包括步骤：
(1)均匀化处理：
调整铝棒的成分及其含量：铝棒包括以下质量百分比含量的成分：0.42-0.52％的Mg、0.28-0.38％的Si、≤0.025％的Mn、≤0.18％的Fe、≤0.018％的Zn、≤0.012％的Cr、≤0.03％的Ti、余量为Al，且Si/Mg的质量比为0.538-0.905。可选地，所述铝棒进一步包括≤0.04％的Cu。本申请中的铝棒成分含量的％均是指质量百分比含量。本发明以美标6063合金为依据，美标6063的铝棒成分包括：0.45-0.90％的Mg、0.2-0.6％的Si、≤0.1％的Cu、≤0.1％的Mn、≤0.35％的Fe、≤0.1％的Zn、≤0.1％的Cr、≤0.1％的Ti、余量为Al。Cu元素可一定限度的提高材料的强度以及加工硬化能力，本发明的合金主要通过Mg、Si元素控制强度，Cu相对成本高，因而尽量不添加该元素。本申请铝棒成分不包括Mo元素，Mo元素会造成铝合金的通用性较差，比如无法满足美标6063。而本发明的铝合金型材则可通用美标6063。
优选地，铝棒包括以下质量百分比含量的成分：0.45-0.49％的Mg、0.31-0.35％的Si、≤0.015％的Mn、≤0.15％的Fe、≤0.010％的Zn、≤0.010％的Cr、0.010-0.020％的Ti、余量为Al，且Si/Mg的质量比为0.633-0.778。可选地，所述铝棒进一步包括≤0.035％的Cu。Mg、Si为主要强化相，为了保证合金性能的稳定性，Mg、Si合金元素各自含量的范围严格控制，并且偏差在0.04wt.％，同时满足Si/Mg质量比(wt.％)在0.633-0.778。Fe、Zn一般为材料中的杂质元素，Fe控制在0.15wt.％，Zn控制在0.01wt.％以下。Mn、Cr微量元素在一定程度上可控制晶粒尺寸，但其细化晶粒的效果不及Ti元素，因而Mn、Cr元素控制在很低范围，Mn:≤0.015wt.％，Cr:≤0.010wt.％添加Ti主要起细化铸态晶粒作用，以不超过0.03wt.％为宜，为了有效细化合金铸态晶粒组织，Ti的成分范围尽可能小，控制在0.01-0.02wt.％。
均匀化处理：将所述铝棒从室温以50-220℃/h的升温速率升温至530-580℃，然后保温，保温温度为530-580℃，保温时间为5-20h，然后以＞100℃/h的冷却速率冷却，冷却至＜100℃；所述升温速率为80-180℃/h，所述保温温度为550-570℃，所述保温时间为6-12h。优选地，所述升温速率为80-180℃/h，所述保温温度为550-570℃，所述保温时间为6-12h。优选地，所述铝棒在燃气加热炉中从室温以50-220℃/h的升温速率升温至530-580℃，然后在燃气加热炉中保温，保温温度为530-580℃，保温时间为5-20h，然后所述铝棒从燃气加热炉快速转移至冷却炉以＞100℃/h的冷却速率冷却至＜100℃。优选地，所述冷却为强风和水雾冷却。例如，从保温温度560℃冷却至＜100℃，所用时间约2.5h，平均冷却速率约180℃/h。
(2)挤压处理：铝棒挤压温度为450-480℃，模具温度450-470℃，挤压杆速度为3.0-4.0mm/s，控制型材出口温度在500-540℃。优选地，采用挤压吨位为1800UST挤压机进行挤压。一旦挤压机台确定，铸棒挤压温度、模具温度、挤压筒温度、挤压杆速度控制在要求的范围，则型材出口温度自然而然就在限定范围。对型材出口温度有限定，目的是为了保证强化相的有效固溶。优选地，通过燃气炉+永磁炉加热的方式控制铝棒挤压温度。
(3)在线强风冷却处理：优选地，冷却速率为＞80℃/min。
(4)拉伸矫直处理：优选地，拉伸矫直率为0.1％-0.3％。
(5)人工时效处理：保温温度为185-195℃，保温时间为2-3h。本申请的整个加工方法的重点是人工时效温度及保温时间的控制。为了保证屈服强度的稳定于130-160MPa，本申请专利时效温度必须管控在185-195℃，人工时效温度的波动对性能的影响较大。首先，如果人工时效温度过高，如200℃以上，则屈服强度超上限，弯曲加工一次合格率降低；如果人工时效温度过低，如180℃以下，虽然可满足弯曲加工一次合格率，但是屈服强度过低，力学性能不达标。其次，如果采用长时间的保温时间，如保温时间4-8h，屈服强度虽然升高，但是力学性能波动性较大，超过30MPa，降低弯曲加工一次合格率；如果保温时间过短，例如2小时以下，但是抗拉强度和屈服强度过低，力学性能不达标。
综上，本申请的铝合金型材的整个生产过程的工艺参数均进行优化改进，即前道工艺参数均满足的情况下，并采用本发明的人工时效工艺，才是获得高稳定性以及高弯曲加工性能的铝合金型材的最优工艺。
本发明的第二个方面提供一种采用上述铝合金型材的加工方法制备的铝合金型材，其屈服强度为130-160MPa，抗拉强度为175-205MPa，且延伸率≥8％，该铝合金型材不仅屈服强度和抗拉强度的波动小，而且弯曲加工性能好，能使铝合金型材在后道弯曲、折弯等弯曲加工中的一次合格率≥95％，降低生产成本，还能满足一定的承重要求，例如，能够满足天窗材料的承重要求。本申请的铝型材可应用于所有要求力学性能波动小，且需要后续弯曲、折弯等弯曲加工的铝型材生产。
实施例及比较例
铝棒配料：将实施例1-6及比较例1-9按照下列表1中的成分及其含量进行配料以熔铸得到不同的铝棒。
表1各个实施例及比较例中铝棒的成分及其含量配比
Figure BDA0002427445000000051
加工方法：将表1中的实施例1-6及比较例1-9的铝棒根据本申请的铝合金型材的加工方法的步骤(1)～步骤(5)，并按照下列表2中的参数条件进行加工，最终制备出不同力学性能的铝合金型材。然后对该铝合金型材进行弯曲加工。为了简化表2，表2中省略了步骤(3)在线强风冷却处理：冷却速率为＞80℃/min；以及步骤(4)拉伸矫直处理：拉伸矫直率为0.1％-0.3％。
以实施例1的加工方法为例：
(1)均匀化处理：将包括0.478％的Mg、0.323％的Si、0.032％的Cu、0.005％的Mn、0.144％的Fe、0.002％的Zn、0.001％的Cr、0.012％的Ti、余量为Al，且Si/Mg的质量比为0.676的铝棒从室温以120℃/h的升温速率升温至560℃，然后保温，保温温度为560℃，保温时间为8h，然后以＞150℃/h的冷却速率冷却，冷却至＜100℃；
(2)挤压处理：铝棒挤压温度为470℃，模具温度465℃，挤压杆速度为3.5mm/s，控制型材出口温度在527℃；
(3)在线强风冷却处理：冷却速率为＞80℃/min；
(4)拉伸矫直处理：拉伸矫直率为0.1％-0.3％；
(5)人工时效处理：保温温度为190℃，保温时间为2.5h。人工时效后进行弯曲加工。
实施例2-6以及比较例1-9的加工方法按照表1和表2的参数并参照实施例1的上述加工方法即可。
表2各个实施例及比较例中加工工艺参数
Figure BDA0002427445000000061
效果结论：
力学性能测试：实施例1-2及比较例1-9结合表1和表2的条件制备得到的铝合金型材按照GB/T 228.1-2010进行室温拉伸试验，检测仪器为电子万能拉伸试验机(UTM5105)。
弯曲加工一次合格率测试：将所有铝型材经过同一专用加工设备进行弯曲加工后，用专用检具或者卡尺测量弯曲加工后的尺寸，若弯曲加工后的尺寸在公差范围内则判定为合格。最后，根据公式：弯曲加工一次合格率＝订单批次弯曲加工合格的数量/订单总数量，计算弯曲加工一次合格率。
其力学性能及弯曲加工一次合格率见下列表3。
表3各个实施例及比较例的力学性能及弯曲加工一次合格率
Figure BDA0002427445000000071
通过实施例1至实施例6可知，铝合金元素控制在本发明成分范围内，并且通过合适的均匀化工艺、挤压工艺以及人工时效工艺的控制，产品的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及弯曲加工一次合格率可控制在理想范围内，所述理想范围是指抗拉强度(Rm)为175-205Mpa、屈服强度(Rp0.2)为130-160Mpa、延伸率(A50)为≥8％、弯曲加工一次合格率≥95％。如果抗拉强度和屈服强度过低，则无法满足一定的承重要求，例如汽车天窗材料的承重要求，材料容易失效。如果强度抗拉强度和屈服强度过高，且波动范围大，则容易导致弯曲加工一次合格率低，生产成本大幅增加。实施例1、实施例2对比了时效保温时间对产品各项性能的影响，随着人工时效保温时间的增加，抗拉强度和屈服强度增强，但是，实施例1和实施例2的抗拉强度、屈服强度、以及弯曲加工一次合格率均处于理想范围内。
通过实施例1与比较例3或比较例5，以及实施例2与比较例4可知，当合金加工工艺且合金元素相同，但是合金元素的含量不同时，例如比较例3、比较例4和比较例5中的Mg和Si的含量均大于本申请的数值范围，导致比较例3、比较例4和比较例5的铝合金型材的力学性能稳定性较差，抗拉强度和屈服强度均高于理想范围，弯曲加工一次合格率低于理想范围。
通过实施例1和比较例6可知，当合金加工工艺且合金元素相同，但是合金元素的含量及Si/Mg质量比不同时，例如，虽然比较例6的Mg的含量落入本申请的范围内，但是比较例6中的Si含量和Si/Mg质量比均大于本申请的数值范围，导致比较例6的力学性能稳定性较差，抗拉强度和屈服强度均高于理想范围，弯曲加工一次合格率低于理想范围。
通过实施例1和比较例7可知，当合金加工工艺且合金元素相同，但是合金元素的含量及Si/Mg质量比不同时，例如，虽然比较例7的Mg含量和Si/Mg质量比落入本申请的范围内，但是比较例7中的Si含量小于本申请的数值范围，导致比较例7抗拉强度和屈服强度均低于理想范围，无法满足一定的承受要求。
综上可知，当合金加工工艺且合金元素相同，但是合金元素的含量及Si/Mg比不同时，本申请通过调整合金元素的含量及Si/Mg比，尤其是通过调整Mg、Si和Si/Mg质量比的数值范围，具体地，Mg为0.42-0.52％，Si为0.28-0.38％，Mg、Si的偏差在1.0％，同时保证Si/Mg质量比在0.538-0.905，从而使Al-Mg-Si合金的抗拉强度、屈服强度均处于理想范围内且波动小于30MPa，不仅能够满足铝型材的承重要求，还能使铝合金型材在后道弯曲、折弯等弯曲加工中的一次合格率≥95％，降低生产成本。
通过实施例2与比较例1、比较例2对比可知，当合金元素控制相同、采用相同的均质工艺以及挤压工艺，人工时效温度过低或者过高，即便时效时间控制在本发明的2-3h内，其综合性能仍然不达标，例如，比较例1的人工时效温度过低，力学性能不达标，这种铝合金型材无法满足一定的承重要求，例如无法满足汽车天窗材料的承重要求，铝合金型材容易失效。比较例2的人工时效温度过高，弯曲加工一次合格率不达标，未达到95％以上。
通过实施例1和实施例2以及比较例8可知，当合金元素控制相同、采用相同的均质工艺以及挤压工艺，人工时效时间过高，即便人工时效温度控制在本发明的范围内，其综合性能仍然不达标，抗拉强度和屈服强度高于理想范围，不同批次性能波动性较大，超过30MPa，会降低弯曲加工一次合格率。
通过实施例1和实施例2以及比较例9可知，当合金元素控制相同、采用相同的均质工艺以及挤压工艺，人工时效时间过低，即便人工时效温度控制在本发明的范围内，但是抗拉强度和屈服强度低于理想范围，会导致铝型材的承重性能差。
综上，本发明通过调整铝合金中各个成分的含量，同时结合特定的加工工艺，使得铝合金型材的屈服强度控制在130-160MPa，抗拉强度为175-205MPa，且延伸率≥8％，波动小于30MPa，稳定性好，因此，本申请得到的铝合金型材不仅能满足一定的承重要求，而且弯曲加工性能好，能使铝合金型材在后道弯曲、折弯等弯曲加工中的一次合格率≥95％，无需返工，降低生产成本。
综上所述，本发明通过调整铝合金中各个成分的含量，尤其是调低了Mg、Si合金元素的含量，严格控制这两个元素的波动范围以及两者的质量百分比，以及其它微量元素Fe、Ti等的管控，同时结合与该铝合金相匹配的特殊的加工工艺，尤其是均匀化处理过程中冷却速率的控制和人工时效工艺的优化，通过上述新的加工方法制备的铝合金型材的屈服强度和抗拉强度波动范围小且稳定于理想范围内，同时弯曲加工性能好，能使铝合金型材在后道弯曲、折弯等弯曲加工中的一次合格率≥95％，降低生产成本，而且还能满足一定的承重要求。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种铝合金型材的加工方法，其特征在于，包括步骤：
(1)均匀化处理：将包括0.42-0.52％的Mg、0.28-0.38％的Si、≤0.025％的Mn、≤0.18％的Fe、≤0.018％的Zn、≤0.012％的Cr、≤0.03％的Ti、余量为Al，且Si/Mg的质量比为0.538-0.905的铝棒从室温以50-220℃/h的升温速率升温至530-580℃，然后保温，保温温度为530-580℃，保温时间为5-20h，然后以＞100℃/h的冷却速率冷却，冷却至＜100℃；
(2)挤压处理：铝棒挤压温度为450-480℃，模具温度450-470℃，挤压杆速度为3.0-4.0mm/s，控制型材出口温度在500-540℃；
(3)在线强风冷却处理；
(4)拉伸矫直处理；以及
(5)人工时效处理：保温温度为185-195℃，保温时间为2-3h。
2.如权利要求1所述的铝合金型材的加工方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述升温速率为80-180℃/h，所述保温温度为550-570℃，所述保温时间为6-12h。
3.如权利要求1所述的铝合金型材的加工方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述冷却为强风和水雾冷却。
4.如权利要求1所述的铝合金型材的加工方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述铝棒在燃气加热炉中从室温以50-220℃/h的升温速率升温至530-580℃，然后保温，保温温度为530-580℃，保温时间为5-20h，然后所述铝棒从燃气加热炉转移至冷却炉中以＞100℃/h的冷却速率冷却至＜100℃。
5.如权利要求1所述的铝合金型材的加工方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，冷却速率为＞80℃/min。
6.如权利要求1所述的铝合金型材的加工方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，拉伸矫直率为0.1％-0.3％。
7.如权利要求1所述的铝合金的加工方法，其特征在于，所述铝棒进一步包括≤0.04％的Cu。
8.如权利要求1所述的铝合金型材的加工方法，其特征在于，所述铝棒包括0.45-0.49％的Mg、0.31-0.35％的Si、≤0.015％的Mn、≤0.15％的Fe、≤0.010％的Zn、≤0.010％的Cr、0.010-0.020％的Ti、余量为Al，且Si/Mg的质量比为0.633-0.778。
9.如权利要求8所述的铝合金型材的加工方法，其特征在于，所述铝棒进一步包括≤0.035％的Cu。
10.一种采用上述权利要求1-9中任一所述铝合金型材的加工方法制备的铝合金型材。
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