CN111455225A - 一种基于熔体处理与循环强化机制的高强韧铝合金型材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于熔体处理与循环强化机制的高强韧铝合金型材，铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：镁0.6％～1.6％、纳米硅0.5％～1.5％、锰0.4％～0.8％、铍0.05％～0.15％、钕0.03％～0.09％、钒0.04％～0.08％、镧0.05％～0.08％、铜0.2％～0.5％、纳米硼化硅0.5％～0.9％、纳米氮化硅0.4％～0.9％、锌0.1％～0.3％、铬0.1％～0.3％、钛0.1％～0.6％、铁0.5％～1.1％、铝合金孕育剂0.1％～0.5％、钌0.02％～0.05％、石墨烯1.5％～3.5％，余量为铝；通过熔体处理以及循环加强机制处理，提高了铝合金的刚强度及韧性。

Description

一种基于熔体处理与循环强化机制的高强韧铝合金型材

技术领域

本发明涉及铝合金型材加工技术领域，具体涉及一种基于熔体处理与循环强化机制的高强韧铝合金型材。

背景技术

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前铝合金是应用最多的合金。

铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。硬铝合金属AI-Cu-Mg系，一般含有少量的Mn，可热处理强化.其特点是硬度大，但塑性较差。超硬铝属Al-Cu-Mg-Zn系，可热处理强化，是室温下强度最高的铝合金，但耐腐蚀性差，高温软化快。锻铝合金主要是Al-Zn-Mg-Si系合金，虽然加入元素种类多，但是含量少，因而具有优良的热塑性，适宜锻造，故又称锻造铝合金。

铝合金熔体结晶范围宽，氧化、吸气严重，易含气夹杂,成分宏/微观分布均匀性难以控制。传统的铝合金铸锭冶金制备技术常出现粗大的粒状晶和羽毛组织，难以得到合格的铝合金铸锭。而铝合金铸锭的质量直接决定挤压铝型材的质量和性能。如何通过成分控制和熔体处理得到合格的铝合金熔体是得到高品质铸锭的关键，也是得到高强韧铝合金型材的关键。而且常规的人工时效处理耗时较长，能耗较高，铝合金型材的强化处理效果有限，达不到高要求铝合金型材的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种基于熔体处理与循环强化机制的高强韧铝合金型材，将普通的铝合金行型材进行改良，引入熔体处理工艺配合熔体净化和细晶处理，再结合循环加强处理，在提高铝合金型材强刚度的同时，进一步地提高其韧性，缩短处理时间，减少处理能耗。

为实现本发明目的，采用的技术方案是：

一种基于熔体处理与循环强化机制的高强韧铝合金型材，所述高强韧铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：镁0.6％～1.6％、纳米硅0.5％～1.5％、锰0.4％～0.8％、铍0.05％～0.15％、钕0.03％～0.09％、钒0.04％～0.08％、镧0.05％～0.08％、铜0.2％～0.5％、纳米硼化硅0.5％～0.9％、纳米氮化硅0.4％～0.9％、锌0.1％～0.3％、铬0.1％～0.3％、钛0.1％～0.6％、铁0.5％～1.1％、铝合金孕育剂0.1％～0.5％、钌0.02％～0.05％、石墨烯1.5％～3.5％，余量为铝。

一种高强韧铝合金型材的熔体处理与循环强化机制的工艺，所述工艺具体包括有以下步骤：

1).升温熔融：将熔炼炉抽真空，并充入足够量的氩气，采用梯度升温的方式，温度梯度首尾温差相差为20～80℃，将熔炼炉温度升至750～850℃，将金属原材料精确配料加入到熔炼炉中；

2).控温熔炼：控制熔炼炉的温度为800～850℃，加入40～60％的铝合金孕育剂，采用交变的涡流电磁场搅拌熔炼1～10h至熔体完全混合均匀，并保温5～10h，往熔体中加入精确配料的纳米硅、纳米氮化硅、纳米硼化硅、石墨烯，再次加入剩余的铝合金孕育剂，采用涡流电磁场搅拌熔炼2～5h至熔体完全混合均匀，并保温3～8h；

3).熔体处理：实时监测熔体的电阻率，采用梯度降温的方式降温至熔体完全固化，再采用梯度升温的方式升温至固化合金完全至熔体，温度梯度首尾温差相差为20～50℃，反复转变合金熔体结构至电阻率最小并稳定不变，在此温度下恒温1～10h，使用除渣装置过滤出漂浮于熔体表面的氧化物及夹杂物，匀质处理得到处理后的铝合金熔体浆料；

将活性气体氯气、或惰性气体氩气/氮气、或载气熔剂氯化铝喷射入铝熔体内部，形成气泡，通过吸附作用和化学反应进行除碱、除杂；

4).循环强化：在氩气作为保护气的情况下，将熔体处理后的合金熔体浆料采用水冷的方式梯度冷却至室温，再恒温2～5min，再梯度升温至电阻率最小时的熔融温度，恒温3～8min，温度梯度首尾温差相差为20～80℃；采用水冷的方式将铝合金梯度降温至室温，恒温2～5min，再梯度升温至电阻率最小时的熔融温度，恒温3～8min，温度梯度首尾温差相差为20～50℃；采用水冷的方式将铝合金梯度降温至室温，恒温3～20min，温度梯度首尾温差相差为20～30℃；得到循环强化的高强韧铝合金型材，再对铝合金型材进行切割、打磨和抛光即可。

作为优选的技术方案，所述工艺中步骤2的铝合金孕育剂包括有锶0.03％～0.05％、铈0.01％～0.03％、钪0.05％～0.08％、钡0.05％～0.08％，余量为铝。

作为优选的技术方案，所述工艺中步骤3匀质处理的具体步骤为：

1).维持匀质处理的熔体温度为熔体电阻率最小时的熔融温度，采用交变的涡流电磁场对熔体进行垂直方向的搅动；

2).在熔融熔体浆料的四周通入正交错位的匀速变化的交变电磁场对熔体进行水平面方向上的搅动，对熔体浆料进行匀质处理；

3).在铝合金半固化熔体浆料进行交变电磁场匀质处理的同时，启动超声波对熔体浆料进行超声处理。

作为优选的技术方案，所述正交错位分布的交变电磁场的相位相差π+2(n-1)π(n≥0，且n为正整数)。

作为优选的技术方案，所述正交错位的交变电磁场当横向为交变电场时，纵向为交变磁场，且交变电场与交变磁场的相位相差π+2(n-1)π(n≥0，且n为正整数)。

作为优选的技术方案，所述匀质处理的超声波的频率为20～40KHz，每超声45～60min间隔5～10min。

本发明的有益效果为：本发明在原有基础上进一步地对铝合金型材进行补强，不仅提高了铝合金型材的耐腐蚀性，也进一步地提高了铝合金型材的刚度、强度和硬度，而且，而不能发明对一般铝合金型材的材质进行了改进，添加了适当比例的铍、钕、钒、钛、钯、镧等微量元素，而且还加入了纳米硼化硅、纳米氮化硅以及石墨烯材料，可大大提高铝合金的强度、硬度和刚度；适当比例的铜、铬、锌、铁的加入，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、锆、钕和锰，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；再通过合理科学的熔体处理以及循环加强机制的进一步处理，显著地提高了铝合金型材的强度以及韧性,且耗时较短，能耗较小，经济效益高。

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

一种基于熔体处理与循环强化机制的高强韧铝合金型材，所述高强韧铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：镁1.6％、纳米硅1.5％、锰0.8％、铍0.15％、钕0.09％、钒0.08％、镧0.08％、铜0.5％、纳米硼化硅0.9％、纳米氮化硅0.9％、锌0.3％、铬0.3％、钛0.6％、铁1.1％、铝合金孕育剂0.5％、钌0.05％、石墨烯3.5％，余量为铝。

一种高强韧铝合金型材的熔体处理与循环强化机制的工艺，所述工艺具体包括有以下步骤：

1).升温熔融：将熔炼炉抽真空，并充入足够量的氩气，采用梯度升温的方式，温度梯度首尾温差相差为80℃，将熔炼炉温度升至850℃，将金属原材料精确配料加入到熔炼炉中；

2).控温熔炼：控制熔炼炉的温度为850℃，加入60％的铝合金孕育剂，采用交变的涡流电磁场搅拌熔炼5h至熔体完全混合均匀，并保温5h，往熔体中加入精确配料的纳米硅、纳米氮化硅、纳米硼化硅、石墨烯，再次加入剩余的铝合金孕育剂，采用涡流电磁场搅拌熔炼5h至熔体完全混合均匀，并保温3h；

3).熔体处理：实时监测熔体的电阻率，采用梯度降温的方式降温至熔体完全固化，再采用梯度升温的方式升温至固化合金完全至熔体，温度梯度首尾温差相差为50℃，反复转变合金熔体结构至电阻率最小并稳定不变，在此温度下恒温5h，使用除渣装置过滤出漂浮于熔体表面的氧化物及夹杂物，匀质处理得到处理后的铝合金熔体浆料；

将活性气体氯气、或惰性气体氩气/氮气、或载气熔剂氯化铝喷射入铝熔体内部，形成气泡，通过吸附作用和化学反应进行除碱、除杂；

4).循环强化：在氩气作为保护气的情况下，将熔体处理后的合金熔体浆料采用水冷的方式梯度冷却至室温，再恒温5min，再梯度升温至电阻率最小时的熔融温度，恒温8min，温度梯度首尾温差相差为80℃；采用水冷的方式将铝合金梯度降温至室温，恒温5min，再梯度升温至电阻率最小时的熔融温度，恒温8min，温度梯度首尾温差相差为50℃；采用水冷的方式将铝合金梯度降温至室温，恒温20min，温度梯度首尾温差相差为30℃；得到循环强化的高强韧铝合金型材，再对铝合金型材进行切割、打磨和抛光即可。

更进一步地，所述工艺中步骤2的铝合金孕育剂包括有锶0.05％、铈0.03％、钪0.08％、钡0.08％，余量为铝。

更进一步地，所述工艺中步骤3匀质处理的具体步骤为：

1).维持匀质处理的熔体温度为熔体电阻率最小时的熔融温度，采用交变的涡流电磁场对熔体进行垂直方向的搅动；

2).在熔融熔体浆料的四周通入正交错位的匀速变化的交变电磁场对熔体进行水平面方向上的搅动，对熔体浆料进行匀质处理；

3).在铝合金半固化熔体浆料进行交变电磁场匀质处理的同时，启动超声波对熔体浆料进行超声处理。

更进一步地，所述正交错位分布的交变电磁场的相位相差π+2(n-1)π(n≥0，且n为正整数)。

更进一步地，所述正交错位的交变电磁场当横向为交变电场时，纵向为交变磁场，且交变电场与交变磁场的相位相差π+2(n-1)π(n≥0，且n为正整数)。

更进一步地，所述匀质处理的超声波的频率为20KHz，每超声60min间隔10min。

实施例2

一种基于熔体处理与循环强化机制的高强韧铝合金型材，所述高强韧铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：镁1.6％、纳米硅1.5％、锰0.4％、铍0.05％、钕0.03％、钒0.04％、镧0.05％、铜0.2％、纳米硼化硅0.5％、纳米氮化硅0.4％、锌0.1％、铬0.1％、钛0.1％、铁0.5％、铝合金孕育剂0.1％、钌0.02％、石墨烯1.5％，余量为铝；

一种高强韧铝合金型材的熔体处理与循环强化机制的工艺，所述工艺具体包括有以下步骤：

1).升温熔融：将熔炼炉抽真空，并充入足够量的氩气，采用梯度升温的方式，温度梯度首尾温差相差为20℃，将熔炼炉温度升至750℃，将金属原材料精确配料加入到熔炼炉中；

2).控温熔炼：控制熔炼炉的温度为800℃，加入40％的铝合金孕育剂，采用交变的涡流电磁场搅拌熔炼10h至熔体完全混合均匀，并保温10h，往熔体中加入精确配料的纳米硅、纳米氮化硅、纳米硼化硅、石墨烯，再次加入剩余的铝合金孕育剂，采用涡流电磁场搅拌熔炼5h至熔体完全混合均匀，并保温8h；

3).熔体处理：实时监测熔体的电阻率，采用梯度降温的方式降温至熔体完全固化，再采用梯度升温的方式升温至固化合金完全至熔体，温度梯度首尾温差相差为20℃，反复转变合金熔体结构至电阻率最小并稳定不变，在此温度下恒温10h，使用除渣装置过滤出漂浮于熔体表面的氧化物及夹杂物，匀质处理得到处理后的铝合金熔体浆料；

将活性气体氯气、或惰性气体氩气/氮气、或载气熔剂氯化铝喷射入铝熔体内部，形成气泡，通过吸附作用和化学反应进行除碱、除杂；

4).循环强化：在氩气作为保护气的情况下，将熔体处理后的合金熔体浆料采用水冷的方式梯度冷却至室温，再恒温5min，再梯度升温至电阻率最小时的熔融温度，恒温3min，温度梯度首尾温差相差为20℃；采用水冷的方式将铝合金梯度降温至室温，恒温5min，再梯度升温至电阻率最小时的熔融温度，恒温3min，温度梯度首尾温差相差为20℃；采用水冷的方式将铝合金梯度降温至室温，恒温20min，温度梯度首尾温差相差为20℃；得到循环强化的高强韧铝合金型材，再对铝合金型材进行切割、打磨和抛光即可。

更进一步地，所述工艺中步骤2的铝合金孕育剂包括有锶0.03％、铈0.01％、钪0.05％、钡0.05％，余量为铝。

更进一步地，所述工艺中步骤3匀质处理的具体步骤为：

1).维持匀质处理的熔体温度为熔体电阻率最小时的熔融温度，采用交变的涡流电磁场对熔体进行垂直方向的搅动；

2).在熔融熔体浆料的四周通入正交错位的匀速变化的交变电磁场对熔体进行水平面方向上的搅动，对熔体浆料进行匀质处理；

3).在铝合金半固化熔体浆料进行交变电磁场匀质处理的同时，启动超声波对熔体浆料进行超声处理。

更进一步地，所述正交错位分布的交变电磁场的相位相差π+2(n-1)π(n≥0，且n为正整数)。

更进一步地，所述正交错位的交变电磁场当横向为交变电场时，纵向为交变磁场，且交变电场与交变磁场的相位相差π+2(n-1)π(n≥0，且n为正整数)。

更进一步地，所述匀质处理的超声波的频率为20～40KHz，每超声45～60min间隔5～10min。

本发明在原有基础上进一步地对铝合金型材进行补强，不仅提高了铝合金型材的耐腐蚀性，也进一步地提高了铝合金型材的刚度、强度和硬度，而且，而不能发明对一般铝合金型材的材质进行了改进，添加了适当比例的铍、钕、钒、钛、钯、镧等微量元素，而且还加入了纳米硼化硅、纳米氮化硅以及石墨烯材料，可大大提高铝合金的强度、硬度和刚度；适当比例的铜、铬、锌、铁的加入，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、锆、钕和锰，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；再通过合理科学的熔体处理以及循环加强机制的进一步处理，显著地提高了铝合金型材的强度以及韧性,且耗时较短，能耗较小，经济效益高。

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 (7)

1.一种基于熔体处理与循环强化机制的高强韧铝合金型材，其特征在于：所述高强韧铝合金型材中各元素组成的质量百分比为：镁0.6％～1.6％、纳米硅0.5％～1.5％、锰0.4％～0.8％、铍0.05％～0.15％、钕0.03％～0.09％、钒0.04％～0.08％、镧0.05％～0.08％、铜0.2％～0.5％、纳米硼化硅0.5％～0.9％、纳米氮化硅0.4％～0.9％、锌0.1％～0.3％、铬0.1％～0.3％、钛0.1％～0.6％、铁0.5％～1.1％、铝合金孕育剂0.1％～0.5％、钌0.02％～0.05％、石墨烯1.5％～3.5％，余量为铝。

2.一种如权利要求1所述的高强韧铝合金型材的熔体处理与循环强化机制的工艺，其特征在于：所述工艺具体包括有以下步骤：

1).升温熔融：将熔炼炉抽真空，并充入足够量的氩气，采用梯度升温的方式，温度梯度首尾温差相差为20～80℃，将熔炼炉温度升至750～850℃，将金属原材料精确配料加入到熔炼炉中；

2).控温熔炼：控制熔炼炉的温度为800～850℃，加入40～60％的铝合金孕育剂，采用交变的涡流电磁场搅拌熔炼1～10h至熔体完全混合均匀，并保温5～10h，往熔体中加入精确配料的纳米硅、纳米氮化硅、纳米硼化硅、石墨烯，再次加入剩余的铝合金孕育剂，采用涡流电磁场搅拌熔炼2～5h至熔体完全混合均匀，并保温3～8h；

3).熔体处理：实时监测熔体的电阻率，采用梯度降温的方式降温至熔体完全固化，再采用梯度升温的方式升温至固化合金完全至熔体，温度梯度首尾温差相差为20～50℃，反复转变合金熔体结构至电阻率最小并稳定不变，在此温度下恒温1～10h，使用除渣装置过滤出漂浮于熔体表面的氧化物及夹杂物，匀质处理得到处理后的铝合金熔体浆料；

将活性气体氯气、或惰性气体氩气/氮气、或载气熔剂氯化铝喷射入铝熔体内部，形成气泡，通过吸附作用和化学反应进行除碱、除杂；

4).循环强化：在氩气作为保护气的情况下，将熔体处理后的合金熔体浆料采用水冷的方式梯度冷却至室温，再恒温2～5min，再梯度升温至电阻率最小时的熔融温度，恒温3～8min，温度梯度首尾温差相差为20～80℃；采用水冷的方式将铝合金梯度降温至室温，恒温2～5min，再梯度升温至电阻率最小时的熔融温度，恒温3～8min，温度梯度首尾温差相差为20～50℃；采用水冷的方式将铝合金梯度降温至室温，恒温3～20min，温度梯度首尾温差相差为20～30℃；得到循环强化的高强韧铝合金型材，再对铝合金型材进行切割、打磨和抛光即可。

3.根据权利要求1所述的高强韧铝合金型材的熔体处理与循环强化机制的工艺，其特征在于：所述工艺中步骤2的铝合金孕育剂包括有锶0.03％～0.05％、铈0.01％～0.03％、钪0.05％～0.08％、钡0.05％～0.08％，余量为铝。

4.根据权利要求2所述的高强韧铝合金型材的熔体处理与循环强化机制的工艺，其特征在于：所述工艺中步骤3匀质处理的具体步骤为：

1).维持匀质处理的熔体温度为熔体电阻率最小时的熔融温度，采用交变的涡流电磁场对熔体进行垂直方向的搅动；

2).在熔融熔体浆料的四周通入正交错位的匀速变化的交变电磁场对熔体进行水平面方向上的搅动，对熔体浆料进行匀质处理；

3).在铝合金半固化熔体浆料进行交变电磁场匀质处理的同时，启动超声波对熔体浆料进行超声处理。

5.根据权利要求4所述的高强韧铝合金型材的熔体处理与循环强化机制的工艺，其特征在于：所述正交错位分布的交变电磁场的相位相差π+2(n-1)π(n≥0，且n为正整数)。

6.根据权利要求5所述的高强韧铝合金型材的熔体处理与循环强化机制的工艺，其特征在于：所述正交错位的交变电磁场当横向为交变电场时，纵向为交变磁场，且交变电场与交变磁场的相位相差π+2(n-1)π(n≥0，且n为正整数)。

7.根据权利要求4所述的高强韧铝合金型材的熔体处理与循环强化机制的工艺，其特征在于：所述匀质处理的超声波的频率为20～40KHz，每超声45～60min间隔5～10min。