CN111471901A - 铝锰合金及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种铝锰合金及其生产方法，其中各组分的质量百分比为：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％‑1.8％、铜0.3％‑0.9％、锆0.1％‑0.3％、铈0.05％‑0.4％；镧0.1％‑0.4％，余量为铝和不可避免杂质；生产其合金步骤为：配料，然后进行熔炼精炼制得铝锰合金熔体，将铝锰合金熔体进行铸造形成铝锰合金铸锭，将铝锰合金铸锭进行铣面、热轧、冷轧以及成品退火处理得到不同厚度的铝锰合金板带材。与相关技术相比，本发明利用此生产方法制得的铝锰合金强度高，耐高温且成本低。

Description

铝锰合金及其生产方法
【技术领域】
本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种铝锰合金及其生产方法。
【背景技术】
铝合金材料具有热传导性能好、密度小、优良的可加工性和焊接性能、高耐腐蚀性以及低成本和可回收利用等特点，因此逐渐取代铜合金而被广泛应用于各种热交换装置中。但热交换装置在服役过程中会面临着服役温度高、压力大、工作时间长等问题，例如汽车和各种工程机械装备上的中冷器，这就需要制造热交换装置的材料在具有高强度同时也需要较好的耐高温性能。
相关技术中，用于热交换装置的铝合金一般以芯材的形式用于制造钎焊复合铝材，或直接以光料(非复合)的形式使用，主要起支撑和导热的作用。铝锰合金属于热处理不可强化型合金，其强度主要来源于形变强化、固溶强化。但由于钎焊式铝热交换器在制造过程中最后都会经历高温钎焊过程，因此合金的服役状态的组织是退火组织，不具有形变强化效果。目前，通过在铝锰合金中加入了一定量的锆，利用细小弥散的Al3Zr相对再结晶的抑制作用保留合金的变形组织，从而提高合金强度，但提高强度效果有限；也有通过添加的稀土元素钇和钐来提高合金的强度。但由于稀土元素钐和钐价格昂贵，难以实现应用，而且对合金性能提高也有限。
因此，实有必要提供一种新的铝锰合金及其生产方法解决上述技术问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种高强度，耐高温且成本低的铝锰合金及其生产方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种铝锰合金的生产方法，该生产方法包括以下步骤：
步骤S1，配料：按如下组份及质量百分比配制成铝锰合金原料：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质；
步骤S2，熔炼精炼：将所述铝锰合金原料置于熔炼炉中熔炼，制得铝锰合金熔体；将所述铝锰合金熔体转至精炼炉中精炼并进行电磁搅拌处理，其中所述铝锰合金熔体从熔炼炉转出时的温度为740℃-755℃，所述精炼炉的温度为730℃-740℃；
步骤S3，铸造：将精炼后的所述铝锰合金熔体进行铸造以形成铝锰合金铸锭；铸造时，铸造温度为685℃-695℃，冷却水温度为25℃-30℃；起铸速度为32mm/min-35mm/min，起铸水流量为60m3/h-75m3/h；起铸6分钟-10分钟，然后进入正常铸造，且正常铸造速度为44mm/min-50mm/min，正常铸造水流量为220m3/h-240m3/h；
步骤S4，铣面、热轧、冷轧、成品退火：将所述铝锰合金铸锭依次进行铣面、热轧、冷轧以及成品退火处理；其中所述热轧的开轧温度为460℃-500℃，所述热轧的终轧温度为280℃-340℃；所述热轧的总压下率≥90％，所述冷轧的总压下率≥70％；所述成品退火的温度为350℃-500℃，且保温时间为2h～6h，最后得到不同厚度的铝锰合金板带材。
优选的，所述步骤S3中，采用双排水孔结晶器进行冷却处理。
优选的，所述步骤S2中，所述铝锰合金熔体从熔炼炉转出时的温度为745℃，所述精炼炉的温度为735℃。
优选的，所述步骤S3中，所述铸造温度为690℃，所述冷却水温度为27℃；所述起铸速度为33mm/min，所述起铸水流量为68m3/h；所述正常铸造速度为47mm/min，所述正常铸造水流量为230m3/h。
优选的，所述步骤S4中，所述热轧的开轧温度为490℃，所述热轧的终轧温度为320℃；所述热轧的总压下率为98％，所述冷轧的总压下率为83％；所述成品退火的温度为400℃，且保温时间为3h，最后得到1mm厚度的所述铝锰合金板带材。
本发明还提供一种铝锰合金，所述铝锰合金的组分及质量百分比为：：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质。
优选的，所述铝锰合金为如上所述的铝锰合金的生产方法制得。
与相关技术相比，本发明的铝锰合金的生产方法中，含锆和含铜的铝锰合金基础上添加适量的混合稀土铈和镧以提高铝锰合金的强度，其成本较低；同时根据原子的电负性和尺寸因素，铈和镧能够增强铝和铜原子的相互作用，从而在合金的机械热处理的制造过程中形成弥散的第二相强化粒子，即AlCuCeLa相，这种相具有耐高温的特性，在高温服役时不会发生回溶或者粗化，对晶界具有有效的钉扎作用，能够抵抗材料因高温蠕变而发生的失效；且铈和镧可以促进Al6(Mn,Fe)相的析出，从而细化Al6(Mn,Fe)颗粒尺寸和提高其体积分数，进而通过弥散强化作用提高合金强度；即在高温下能够保持稳定并钉扎位错和晶界，从而提高铝锰合金材料的强度和耐高温性能。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明铝锰合金的生产方法的流程示意图；
图2为本发明铝锰合金中含硅量超过0.2％的铝锰合金板带材第二相颗粒扫描照片及能谱分析结果；
图3为本发明铝锰合金中含硅量小于0.2％的铝锰合金板带材第二相颗粒扫描照片及能谱分析结果。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1所示，本发明提供了一种铝锰合金的生产方法，该生产包括以下步骤：
步骤S1，配料：按如下组份及质量百分比配制成铝锰合金原料：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质。
本实施中严格把控硅含量不超过0.2％，因为过高的硅元素会与铈和镧结合，形成的第二相粒子尺寸较大，如附图2所示，附图2为含硅量超过0.2％的合金板材第二相颗粒扫描照片及能谱分析结果：(a)第二相颗粒扫描照片；(b)图为(a)中含稀土相能谱分析结果；(c)图为图(a)中Al6(Mn,Fe)相能谱分析结果。当硅含量超过0.2％时，形成的第二相粒子尺寸较大，不具有明显的强化作用，并且会消耗有效的铈和镧原子含量，从而抑制AlCuCeLa相的形成，进而会降低材料的耐高温性能。
因此，本实施例中硅含量小于0.2％，如附图3所示，附图3为Si含量小于0.2％的合金板材第二相颗粒扫描照片及能谱分析结果：(a)第二相颗粒扫描照片；(b)图(a)中含稀土相的能谱分析结果；(c)图(a)中Al6(Mn,Fe)相能谱分析结果。可见，当Si含量小于0.2％时，形成的第二相颗粒更加细小弥散，其中的稀土元素和铜原子结合形成的第二相颗粒具有高温稳定性。
根据原子的电负性和尺寸因素，铈和镧能够增强铝和铜原子的相互作用，从而在合金的机械热处理的制造过程中形成弥散的第二相强化粒子，即AlCuCeLa相，这种相具有耐高温的特性，在高温服役时不会发生回溶或者粗化，对晶界具有有效的钉扎作用，能够抵抗材料因高温蠕变而发生的失效；且铈和镧可以促进Al6(Mn,Fe)相的析出，从而细化Al6(Mn,Fe)颗粒尺寸和提高其体积分数，进而通过弥散强化作用提高合金强度；即在高温下能够保持稳定并钉扎位错和晶界，从而提高铝锰合金材料的强度和耐高温性能。
步骤S2，熔炼精炼：将所述铝锰合金原料置于熔炼炉中熔炼，制得铝锰合金熔体；将所述铝锰合金熔体转至精炼炉中精炼并进行电磁搅拌处理，其中所述铝锰合金熔体从熔炼炉转出时的温度为740℃-755℃，所述精炼炉的温度为730℃-740℃。
本发明中由于添加了稀土元素铈和镧，由于铈和镧的密度较大，容易下沉，为了保证熔体合金成分均匀，采用电磁搅拌处理，即通过电磁搅拌处理后的所述铝锰合金熔体成分更加均匀。
步骤S3，铸造：将精炼后的所述铝锰合金熔体进行铸造以形成铝锰合金铸锭；铸造时，铸造温度为685℃-695℃，冷却水温度为25℃-30℃；起铸速度为32mm/min-35mm/min，起铸水流量为60m3/h-75m3/h；起铸6分钟-10分钟，然后进入正常铸造，且正常铸造速度为44mm/min-50mm/min，正常铸造水流量为220m3/h-240m3/h。
为了提高铈和镧等溶质原子在铝基体中的过饱和度，以便在后续机械热处理过程中析出细小弥散的第二相强化粒子，需保证铸造过程中的冷却强度，本发明中采用双排水孔结晶器进行冷却处理，同时保证冷却水温小于30℃以保证铸造过程中的冷却强度，有利于后续形成AlCuCeLa相以提高耐高温性能。
步骤S4，铣面、热轧、冷轧、成品退火：将所述铝锰合金铸锭依次进行铣面、热轧、冷轧以及成品退火处理；其中所述热轧的开轧温度为460℃-500℃，所述热轧的终轧温度为280℃-340℃；所述热轧的总压下率≥90％，所述冷轧的总压下率≥70％；所述成品退火的温度为350℃-500℃，且保温时间为2h～6h，最后得到不同厚度的铝锰合金板带材。
因此，本发明通过在含锆和含铜的铝锰合金基础上添加适量的混合稀土铈和镧，在后续的加工过程中形成含稀土元素的第二相，这种相在高温下能够保持稳定并钉扎位错和晶界，从而提高铝锰合金的强度和耐高温性能，满足铝热交换装置的高温服役要求。
实施例一
本实施例提供了一种铝锰合金的生产方法，该生产包括以下步骤：
步骤S1，配料：按如下组份及质量百分比配制成铝锰合金原料：硅0.16％、铁0.23％、锰1.65％、铜0.32％、锆0.15％、铈0.36％；镧0.16％，余量为铝和不可避免杂质。
本实施例中严格把控硅含量不超过0.2％，因为过高的硅元素会与铈和镧结合，形成的第二相粒子尺寸较大，如附图2所示，附图2为含硅量超过0.2％的合金板材第二相颗粒扫描照片及能谱分析结果：(a)第二相颗粒扫描照片；(b)图为(a)中含稀土相能谱分析结果；(c)图为图(a)中Al6(Mn,Fe)相能谱分析结果。当硅含量超过0.2％时，形成的第二相粒子尺寸较大，不具有明显的强化作用，并且会消耗有效的铈和镧原子含量，从而抑制AlCuCeLa相的形成，进而会降低材料的耐高温性能。
因此，本实施例中硅含量小于0.2％，如附图3所示，附图3为Si含量小于0.2％的合金板材第二相颗粒扫描照片及能谱分析结果：(a)第二相颗粒扫描照片；(b)图(a)中含稀土相的能谱分析结果；(c)图(a)中Al6(Mn,Fe)相能谱分析结果。可见，当Si含量小于0.2％时，形成的第二相颗粒更加细小弥散，其中的稀土元素和铜原子结合形成的第二相颗粒具有高温稳定性。
步骤S2，熔炼精炼：将所述铝锰合金原料置于熔炼炉中熔炼，制得铝锰合金熔体；将所述铝锰合金熔体转至精炼炉中精炼并进行电磁搅拌处理，其中所述铝锰合金熔体从熔炼炉转出时的温度为745℃，所述精炼炉的温度为735℃。
本实施例中由于添加了稀土元素铈和镧，由于铈和镧的密度较大，容易下沉，为了保证熔体合金成分均匀，采用电磁搅拌处理，即通过电磁搅拌处理后的所述铝锰合金熔体成分更加均匀。
步骤S3，铸造：将精炼后的所述铝锰合金熔体进行铸造以形成铝锰合金铸锭；铸造时，所述铸造温度为690℃，所述冷却水温度为27℃；所述起铸速度为33mm/min，所述起铸水流量为68m3/h；起铸6分钟-10分钟，然后进入正常铸造，且所述正常铸造速度为47mm/min，所述正常铸造水流量为230m3/h。
为了提高铈和镧等溶质原子在铝基体中的过饱和度，以便在后续机械热处理过程中析出细小弥散的第二相强化粒子，需保证铸造过程中的冷却强度，本实施例中采用双排水孔结晶器进行冷却处理，同时保证冷却水温小于30℃以保证铸造过程中的冷却强度，有利于后续形成AlCuCeLa相以提高耐高温性能。
步骤S4，铣面、热轧、冷轧、成品退火：将所述铝锰合金铸锭依次进行铣面、热轧、冷轧以及成品退火处理；其中所述热轧的开轧温度为490℃，所述热轧的终轧温度为320℃；所述热轧的总压下率为98％，所述冷轧的总压下率为83％；所述成品退火的温度为400℃，且保温时间为3h，最后得到1mm厚度的所述铝锰合金板带材。
利用上述步骤生产出的所述铝锰合金中各组分的质量百分比为：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质。且所述铝锰合金可以用于热交换装置中，尤其是钎焊薄板或翅片或是钎焊复合铝材的芯材，在钎焊后屈服强度高于其他合金，并具有良好的室温强度和耐高温性能。
实施例二
实施例二与实施例一中的生产方法大致相同，不同之处在于，进行步骤S1时，所述铝锰合金原料中各组分的质量百分比还可以为：硅0.13％、铁0.33％、锰1.38％、铜0.58％、锆0.23％、铈0.26％；镧0.24％，余量为铝和不可避免杂质。
实施例二生产出的所述铝锰合金中各组分的质量百分比为：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质。且所述铝锰合金可以用于热交换装置中，尤其是钎焊薄板或翅片或是钎焊复合铝材的芯材，在钎焊后屈服强度高于其他合金，并具有良好的室温强度和耐高温性能。
实施例三
实施例三与实施例一中的生产方法大致相同，不同之处在于，进行步骤S1时，所述铝锰合金原料中各组分的质量百分比还可以为：硅0.11％、铁0.43％、锰1.15％、铜0.84％、锆0.28％、铈0.18％；镧0.35％，余量为铝和不可避免杂质。
实施例三生产出的所述铝锰合金中各组分的质量百分比为：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质。且所述铝锰合金可以用于热交换装置中，尤其是钎焊薄板或翅片或是钎焊复合铝材的芯材，在钎焊后屈服强度高于其他合金，并具有良好的室温强度和耐高温性能。
实施例四
实施例四与实施例一中的生产方法大致相同，不同之处在于，进行步骤S1时，所述铝锰合金原料中各组分的质量百分比还可以为：硅0.17％、铁0.26％、锰1.68％、铜0.34％、锆0.16％、铈0.18％；镧0.34％，余量为铝和不可避免杂质。
实施例四生产出的所述铝锰合金中各组分的质量百分比为：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质。且所述铝锰合金可以用于热交换装置中，尤其是钎焊薄板或翅片或是钎焊复合铝材的芯材，在钎焊后屈服强度高于其他合金，并具有良好的室温强度和耐高温性能。
实施例五
实施例五与实施例一中的生产方法大致相同，不同之处在于，进行步骤S1时，所述铝锰合金原料中各组分的质量百分比还可以为：硅0.09％、铁0.42％、锰1.14％、铜0.83％、锆0.27％、铈0.36％；镧0.17％，余量为铝和不可避免杂质。
实施例五生产出的所述铝锰合金中各组分的质量百分比为：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质。且所述铝锰合金可以用于热交换装置中，尤其是钎焊薄板或翅片或是钎焊复合铝材的芯材，在钎焊后屈服强度高于其他合金，并具有良好的室温强度和耐高温性能。
为了更好的说明本发明的铝锰合金的生产方法中添加铈和镧可以提高铝锰合金的耐高温性能和高强度，本次还提供现有技术中对比例一至对比例三进行对比说明，其对比例一至对比例三的组分及质量百分比进行配料时，其铝锰合金原料中各组分及质量百分比按表1进行配料。
表1
Figure BDA0002504827590000091
将上述实施例一至实施例五以及对比例一至对比例三所制得的1mm厚度的铝锰合金板带材进行模拟钎焊处理，600℃保温10min，再进行性能测试，结果如表2所述。其中室温拉伸试验按照国标GB/T 228.1-2010执行；高温拉伸试验按照国标GB/T 4338-2006执行，试验温度为300℃；蠕变试验按照国标GB/T 2039-2012执行，试验温度为300℃，恒定拉伸应力为25MPa。
表2
Figure BDA0002504827590000092
Figure BDA0002504827590000101
由上述实施例和对比例的结果可以看出，本发明在添加了稀土元素铈和镧后，明显提高了合金钎焊后的室温屈服强度和高温屈服强度以及抗高温蠕变性能，即提高铝锰合金材料的强度和耐高温性能。
与相关技术相比，本发明的铝锰合金的生产方法中，含锆和含铜的铝锰合金基础上添加适量的混合稀土铈和镧以提高铝锰合金的强度，其成本较低；同时根据原子的电负性和尺寸因素，铈和镧能够增强铝和铜原子的相互作用，从而在合金的机械热处理的制造过程中形成弥散的第二相强化粒子，即AlCuCeLa相，这种相具有耐高温的特性，在高温服役时不会发生回溶或者粗化，对晶界具有有效的钉扎作用，能够抵抗材料因高温蠕变而发生的失效；且铈和镧可以促进Al6(Mn,Fe)相的析出，从而细化Al6(Mn,Fe)颗粒尺寸和提高其体积分数，进而通过弥散强化作用提高合金强度；即在高温下能够保持稳定并钉扎位错和晶界，从而提高铝锰合金材料的强度和耐高温性能。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种铝锰合金的生产方法，其特征在于，该生产方法包括以下步骤：
步骤S1，配料：按如下组份及质量百分比配制成铝锰合金原料：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质；
步骤S2，熔炼精炼：将所述铝锰合金原料置于熔炼炉中熔炼，制得铝锰合金熔体；将所述铝锰合金熔体转至精炼炉中精炼并进行电磁搅拌处理，其中所述铝锰合金熔体从熔炼炉转出时的温度为740℃-755℃，所述精炼炉的温度为730℃-740℃；
步骤S3，铸造：将精炼后的所述铝锰合金熔体进行铸造以形成铝锰合金铸锭；铸造时，铸造温度为685℃-695℃，冷却水温度为25℃-30℃；起铸速度为32mm/min-35mm/min，起铸水流量为60m3/h-75m3/h；起铸6分钟-10分钟，然后进入正常铸造，且正常铸造速度为44mm/min-50mm/min，正常铸造水流量为220m3/h-240m3/h；
步骤S4，铣面、热轧、冷轧、成品退火：将所述铝锰合金铸锭依次进行铣面、热轧、冷轧以及成品退火处理；其中所述热轧的开轧温度为460℃-500℃，所述热轧的终轧温度为280℃-340℃；所述热轧的总压下率≥90％，所述冷轧的总压下率≥70％；所述成品退火的温度为350℃-500℃，且保温时间为2h～6h，最后得到不同厚度的铝锰合金板带材。
2.根据权利要求1所述的铝锰合金的生产方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用双排水孔结晶器进行冷却处理。
3.根据权利要求1所述的铝锰合金的生产方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述铝锰合金熔体从熔炼炉转出时的温度为745℃，所述精炼炉的温度为735℃。
4.根据权利要求1所述的铝锰合金的生产方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述铸造温度为690℃，所述冷却水温度为27℃；所述起铸速度为33mm/min，所述起铸水流量为68m3/h；所述正常铸造速度为47mm/min，所述正常铸造水流量为230m3/h。
5.根据权利要求1所述的铝锰合金的生产方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述热轧的开轧温度为490℃，所述热轧的终轧温度为320℃；所述热轧的总压下率为98％，所述冷轧的总压下率为83％；所述成品退火的温度为400℃，且保温时间为3h，最后得到1mm厚度的所述铝锰合金板带材。
6.一种铝锰合金，其特征在于，所述铝锰合金的组分及质量百分比为：硅<0.2％、铁<0.5％、锰1.0％-1.8％、铜0.3％-0.9％、锆0.1％-0.3％、铈0.05％-0.4％；镧0.1％-0.4％，余量为铝和不可避免杂质。
7.根据权利要求6所述的铝锰合金，其特征在于，所述铝锰合金为权利要求1-5任意一项所述的铝锰合金的生产方法制得。
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