CN111534766A - 一种铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明属冶金技术领域，具体的说是一种铝合金；该材料由以下重量百分比的各组分组成：0.25wt％～0.6wt％的Fe，1wt％～2wt％的Mg，7wt％～7.5wt％的Zn，0.05wt％～0.15wt％的Cr，0.1wt％～0.2wt％的Ca，0.05wt％～0.15wt％的Ti，0.15wt％～0.25wt％的Ce，0.1wt％～0.2wt％的Y，0.1wt％～0.2wt％的Si，0.1wt％～0.2wt％的Mn，2wt％～6wt％的碳素纤维，余量为铝，该铝合金杂质含量低，具有一定的抗冲击力，用于门窗的生产，可有效保证其安装使用过程中的稳定性，且可保证在铝合金门窗破裂时，不会产生碎片飞出，伤及他人。
Description
技术领域
本发明属冶金技术领域，具体的说是一种铝合金。
背景技术
铝合金，是以铝为基体元素，然后加入一种或多种合金元素组成的合金。铝合金的密度低，但强度比较高，而且具有优良的导电性、导热性和抗蚀性等，目前家用门窗窗框多用铝合金材料制成，但在日常生活中，铝合金材料刚度较大，弹性不足，因此在生活中若遇到冲击会断裂，且铝合金材料会蹦出可能会导致人员划伤。
在前期家庭装修安装铝合金窗框过程中，由于工人的操作失误，导致窗框破裂，碎片飞出划伤一位工人，针对于此萌发了对于门窗铝合金材料改进的想法；并查阅了大量资料，
其中查阅到一种关于门窗铝合金材料的材料，确定了改进的目的，如专利号为：2013102233834的一项中国专利，该专利公开了一种门窗用铝合金材料，该材料由以下重量百分比的各组分组成：铁0.15％～0.5％，镁0.85％～1.5％，锌5％～6％，铬0.05％～0.15％，钛0.05％～0.15％，铈0.1％～0.2％，钇0.1％～0.2％，硅0.1％～0.2％，锰0.1％～0.2％，余量为铝；通过合金材料中的铬、钛、铈、钇等元素提高了合金的抗腐蚀能力，通过铈、钇等元素提高合金的常、低温韧性、断裂性，改善加热工性和焊接件的牢固性；但虽然提高了低温韧性，依旧无法提高该铝合金材料的弹性，强度过大，失去了具有抗冲击的柔性，且破裂的碎片极易飞出，存在危险。
因此本人在此问题上进行研究，来解决目前门窗铝合金材料柔性不足，抗冲击性差，受冲击断裂易飞出的问题；据此，本发明提出了一种铝合金。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种铝合金，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铝合金，该材料由以下重量百分比的各组分组成：0.25wt％～0.6wt％的Fe，1wt％～2wt％的Mg，7wt％～7.5wt％的Zn，0.05wt％～0.15wt％的Cr，0.1wt％～0.2wt％的Ca，0.05wt％～0.15wt％的Ti，0.15wt％～0.25wt％的Ce，0.1wt％～0.2wt％的Y，0.1wt％～0.2wt％的Si，0.1wt％～0.2wt％的Mn，2wt％～6wt％的碳素纤维，余量为铝。
加入Fe后以Al3Fe的形式析出，增加抗张强度和屈服极限，使铝合金的强度和塑性得到显著的改善，可提高铝合金的延生率，提高铝合金柔性；当含量超过一定值，铝合金强度虽然上升了，但会导致延伸率的降低；
Mg可提高铝合金的抗拉强度；Zn具有防腐作用，也可以提高合金强度；
Ca加入合金中，能抑制再结晶，防止由于结晶多导致的铝合金材料脆，可变相提高铝合金柔性；
碳素纤维的添加，首先对于铝合金生产来说，碳素纤维吸附杂质，避免杂质在铝合金中散乱分布，在铝合金熔炼过滤中不易清除，碳素纤维不仅耐高温且可吸附杂质，将杂质集中，也便于杂质过滤；同时铝合金材料中加入了碳素纤维，当发生断裂时，碳素纤维可将断裂部分拉扯住防止飞出，且碳素纤维的添加，减少了金属的含量，可提高铝合金材料的柔性。
优选的，所述碳素纤维为长度为5-10mm的丝状碳素纤维；在铝合金熔炼后期进行铸造过程中加入碳素纤维，与铝液完全混合，使得到的铝合金铸胚中均匀分布碳素纤维，在后续生产铝合金门窗时，有效提高铝合金门窗的柔性，且铝合金发生断裂可由碳素纤维拉扯防止飞出。
优选的，该铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.配料：计算铝合金原料用量并按照配比准备铝合金原料，将准备的铝合金原料，分别放入在底层铺有过滤网的超声波振动设备中，进行超声振荡20-30min，边振荡边高压无水乙醇冲击铝合金原料，最终得到表面纯净的铝合金原料；通过边振荡边使用高压无水乙醇冲击铝合金原料，可将铝合金原料表面附着的不必要的杂质进行清理，减少熔炼过程中杂质的含量，提高铝合金性能，且使用无水乙醇，在后续熔炼过程中可快速挥发，不会产生残留；
S2.熔炼：将步骤S1配制好表面纯净的铝合金原料除碳素纤维外均置于电阻炉中熔炼，熔炼温度为720-760℃，电阻炉内铝合金原料完全熔化后进行电磁搅拌；
S3.精炼：将电阻炉中加入精炼剂进行精炼，精炼温度为750±5℃，精炼时间为5～8min，精炼的同时加入碳素纤维，精炼后的铝液静置10min，精炼过程中同时通过电磁搅拌装置均匀搅拌；采用电阻炉进行精炼，同时加入碳素纤维，通过搅拌可将碳素纤维充分与铝液混合，碳素纤维具有耐高温的特性，同时具有吸附杂质的特性，可有效将铝液内部由于精炼产生的杂质吸附集中，提高后续杂质清理效果。
S4.除气：从电阻炉的底部通入高纯惰性气体，利用惰性气体除去铝液中的杂质气体；
S5.除渣：将除气后的铝液通过带陶瓷过滤板的流槽过滤铝液中的杂质，其中陶瓷过滤板提前进行烘烤；由于S3中碳素纤维的使用，可有效将杂质吸附集中，避免由于杂质颗粒过小导致无法过滤掉的情况，大大提高了铝液的纯度，避免由于铝合金中含有杂质导致其易断裂的情况发生，提高其使用特性。
S6.铸造：将S5中除渣后的铝液置于熔铸静置炉中，再次加入未使用的碳素纤维，同时通过电磁搅拌装置搅拌5-10min，当铝液与碳素纤维充分混合后，将电磁搅拌装置移走，对静置炉中的铝液采用半连续铸造法进行铸造，铸造温度为690～700℃，铸造速度为20～30mm/min，其中铝液铸造前所使用的引锭头上铺纯铝屑，铸造开始时先放少量铝液进入结晶器，当纯铝屑与铝液呈现半凝固状态时开始铸造；铸造前再加入碳素纤维，并进行搅拌，使其充分与铝液混合，均匀分布在铝液中，使其生产的铝合金材料柔性提升，且不易发生断裂，也不会产生断裂飞出的问题。
优选的，所述S2中铝合金原料添加顺序为先将Mg、Zn、Ca、Si和Ti加入电阻炉底部为底部层，Fe和Mn放入底部层上方为中下层，铝锭放入中下层上部，最后将剩余原料覆盖于铝锭上部，完成原料装填，由于铝合金生产中Mg、Zn、Ca、Si和Ti一般为粉末状或者薄片状，首先加入电阻炉底部，可不会砸坏设备，且可作为设备保护垫，防止大块重量较大的金属在加入时砸坏设备，中下层添加Fe和Mn由于其均为易氧化金属，放在中下层可有效防止其在熔炼过程中发生氧化，减少了杂质产生，之后加入铝锭，再最上层放入剩余原料进行覆盖，避免易氧化物质在熔炼过程中氧化，避免杂质生成，提高铝合金纯度，提高其屈服强度和拉伸强度与柔性。
优选的，所述S2中添加的铝合金原料高度距离电阻炉中电阻丝距离不得小于100mm，避免金属与电阻丝接触，且由于铝合金生产过程中多次需要搅拌，防止铝液飞溅接触电阻丝造成短路。
优选的，所述铝合金用于门窗。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明中使用的Fe，Mg，Zn，Cr，Ca，Ti，Ce，Y，Si，Mn，碳素纤维，可有效提高铝合金材料的屈服强度与抗拉强度，提高铝合金柔性，具有抗冲击的特性，且保证门窗使用该铝合金发生冲击断裂时碎片不易飞溅伤人。
2、本发明铝合金制备方法中，采用无水乙醇与振动配合，有效清理铝合金原料表面杂质，减少铝合金中杂质含量，同时在铝合金铝液过滤前加入碳素纤维，可有效吸附铝液中大小杂质，使其过滤充分，不会存在杂质残留，同时将不同原料分层设置，不仅可以保护使用设备同时也能减少铝合金中杂质，提高铝合金强度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是添加7wt％的Zn制备的铝合金的热力学函数变化曲线；
图2是添加7wt％的Zn制备的铝合金的铸造强度变化曲线；
图3是添加10wt％的Zn制备的铝合金的热力学函数变化曲线；
图4是添加7wt％的Zn制备的铝合金的铸造强度变化曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
由图1到图4可知，本发明所述的一种铝合金，该材料由以下重量百分比的各组分组成：0.25wt％～0.6wt％的Fe，1wt％～2wt％的Mg，7wt％～7.5wt％的Zn，0.05wt％～0.15wt％的Cr，0.1wt％～0.2wt％的Ca，0.05wt％～0.15wt％的Ti，0.15wt％～0.25wt％的Ce，0.1wt％～0.2wt％的Y，0.1wt％～0.2wt％的Si，0.1wt％～0.2wt％的Mn，2wt％～6wt％的碳素纤维，余量为铝。
加入Fe后以Al3Fe的形式析出，增加抗张强度和屈服极限，使铝合金的强度和塑性得到显著的改善，可提高铝合金的延生率，提高铝合金柔性；当含量超过一定值，铝合金强度虽然上升了，但会导致延伸率的降低；
Mg可提高铝合金的抗拉强度；Zn具有防腐作用，也可以提高合金强度；
Ca加入合金中，能抑制再结晶，防止由于结晶多导致的铝合金材料脆，可变相提高铝合金柔性；
为验证本申请中铝合金的各项数据的有效性，结合该铝合金生产过程中所做了系列实验及数据，给出下面两组实施例：
实施例1：
0.5wt％的Fe，1.5wt％的Mg，7wt％的Zn，0.1wt％的Cr，0.15wt％的Ca，0.1wt％的Ti，0.2wt％的Ce，0.15wt％的Y，0.15wt％的Si，0.15wt％的Mn；
如图1所示，Zn在铝液中极易溶解，且溶解较快，在内氧化温度范围内，Zn溶解反应的很彻底，这就确保了固熔态的MgZn2能够充分脱熔，还极大了提高了铝合金强度，提高其抗冲击性。
如图2所示，由于Zn的加入，铝合金的拉伸强度(Tensile stress)与硬度(Hardness)均有同步提高，具有较高的抗冲击性。
实施例2：
0.5wt％的Fe，1.5wt％的Mg，10wt％的Zn，0.1wt％的Cr，0.15wt％的Ca，0.1wt％的Ti，0.2wt％的Ce，0.15wt％的Y，0.15wt％的Si，0.15wt％的Mn；
如图3所示，当当其余成分不变，仅增加Zn成分含量，Zn在铝液中极易溶解，且溶解较快，在未达到内氧化温度范围时，Zn溶解反应的很彻底，破坏了整个熔炼过程中合金属含量的熔炼平衡，会导致铝合金硬度降低，无法进行门窗的使用。
如图4所示，当其余成分不变，仅增加Zn成分含量，虽然拉伸强度(Tensilestress)得到提高，但铝合金硬度(Hardness)降低，易导致铝合金断裂，不适宜正常使用。
综上实施例1与实施例2对比可知，对于本申请中Zn含量保持在7-7.5wt％最佳，当超过该含量范围，必然导致铝合金硬度降低。
碳素纤维的添加，首先对于铝合金生产来说，碳素纤维吸附杂质，避免杂质在铝合金中散乱分布，在铝合金熔炼过滤中不易清除，碳素纤维不仅耐高温且可吸附杂质，将杂质集中，也便于杂质过滤；同时铝合金材料中加入了碳素纤维，当发生断裂时，碳素纤维可将断裂部分拉扯住防止飞出，且碳素纤维的添加，减少了金属的含量，可提高铝合金材料的柔性。
优选的，所述碳素纤维为长度为5-10mm的丝状碳素纤维；在铝合金熔炼后期进行铸造过程中加入碳素纤维，与铝液完全混合，使得到的铝合金铸胚中均匀分布碳素纤维，在后续生产铝合金门窗时，有效提高铝合金门窗的柔性，且铝合金发生断裂可由碳素纤维拉扯防止飞出。
作为本发明的一种实施方式，该铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.配料：计算铝合金原料用量并按照配比准备铝合金原料，将准备的铝合金原料，分别放入在底层铺有过滤网的超声波振动设备中，进行超声振荡20-30min，边振荡边高压无水乙醇冲击铝合金原料，最终得到表面纯净的铝合金原料；通过边振荡边使用高压无水乙醇冲击铝合金原料，可将铝合金原料表面附着的不必要的杂质进行清理，减少熔炼过程中杂质的含量，提高铝合金性能，且使用无水乙醇，在后续熔炼过程中可快速挥发，不会产生残留；
S2.熔炼：将步骤S1配制好表面纯净的铝合金原料除碳素纤维外均置于电阻炉中熔炼，熔炼温度为720-760℃，电阻炉内铝合金原料完全熔化后进行电磁搅拌；
S3.精炼：将电阻炉中加入精炼剂进行精炼，精炼温度为750±5℃，精炼时间为5～8min，精炼的同时加入碳素纤维，精炼后的铝液静置10min，精炼过程中同时通过电磁搅拌装置均匀搅拌；采用电阻炉进行精炼，同时加入碳素纤维，通过搅拌可将碳素纤维充分与铝液混合，碳素纤维具有耐高温的特性，同时具有吸附杂质的特性，可有效将铝液内部由于精炼产生的杂质吸附集中，提高后续杂质清理效果。
S4.除气：从电阻炉的底部通入高纯惰性气体，利用惰性气体除去铝液中的杂质气体；
S5.除渣：将除气后的铝液通过带陶瓷过滤板的流槽过滤铝液中的杂质，其中陶瓷过滤板提前进行烘烤；由于S3中碳素纤维的使用，可有效将杂质吸附集中，避免由于杂质颗粒过小导致无法过滤掉的情况，大大提高了铝液的纯度，避免由于铝合金中含有杂质导致其易断裂的情况发生，提高其使用特性。
S6.铸造：将S5中除渣后的铝液置于熔铸静置炉中，再次加入未使用的碳素纤维，同时通过电磁搅拌装置搅拌5-10min，当铝液与碳素纤维充分混合后，将电磁搅拌装置移走，对静置炉中的铝液采用半连续铸造法进行铸造，铸造温度为690～700℃，铸造速度为20～30mm/min，其中铝液铸造前所使用的引锭头上铺纯铝屑，铸造开始时先放少量铝液进入结晶器，当纯铝屑与铝液呈现半凝固状态时开始铸造；铸造前再加入碳素纤维，并进行搅拌，使其充分与铝液混合，均匀分布在铝液中，使其生产的铝合金材料柔性提升，且不易发生断裂，也不会产生断裂飞出的问题。
优选的，所述S2中铝合金原料添加顺序为先将Mg、Zn、Ca、Si和Ti加入电阻炉底部为底部层，Fe和Mn放入底部层上方为中下层，铝锭放入中下层上部，最后将剩余原料覆盖于铝锭上部，完成原料装填，由于铝合金生产中Mg、Zn、Ca、Si和Ti一般为粉末状或者薄片状，首先加入电阻炉底部，可不会砸坏设备，且可作为设备保护垫，防止大块重量较大的金属在加入时砸坏设备，中下层添加Fe和Mn由于其均为易氧化金属，放在中下层可有效防止其在熔炼过程中发生氧化，减少了杂质产生，之后加入铝锭，再最上层放入剩余原料进行覆盖，避免易氧化物质在熔炼过程中氧化，避免杂质生成，提高铝合金纯度，提高其屈服强度和拉伸强度与柔性。
作为本发明的一种实施方式，所述S2中添加的铝合金原料高度距离电阻炉中电阻丝距离不得小于100mm，避免金属与电阻丝接触，且由于铝合金生产过程中多次需要搅拌，防止铝液飞溅接触电阻丝造成短路。
作为本发明的一种实施方式，所述铝合金用于门窗。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种铝合金，其特征在于：该材料由以下重量百分比的各组分组成：0.25wt％～0.6wt％的Fe，1wt％～2wt％的Mg，7wt％～7.5wt％的Zn，0.05wt％～0.15wt％的Cr，0.1wt％～0.2wt％的Ca，0.05wt％～0.15wt％的Ti，0.15wt％～0.25wt％的Ce，0.1wt％～0.2wt％的Y，0.1wt％～0.2wt％的Si，0.1wt％～0.2wt％的Mn，2wt％～6wt％的碳素纤维，余量为铝。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金，其特征在于：所述碳素纤维为长度为5-10mm的丝状碳素纤维。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金，其特征在于：该铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.配料：计算铝合金原料用量并按照配比准备铝合金原料，将准备的铝合金原料，分别放入在底层铺有过滤网的超声波振动设备中，进行超声振荡20-30min，边振荡边高压无水乙醇冲击铝合金原料，最终得到表面纯净的铝合金原料；
S2.熔炼：将步骤S1配制好表面纯净的铝合金原料除碳素纤维外均置于电阻炉中熔炼，熔炼温度为720-760℃，电阻炉内铝合金原料完全熔化后进行电磁搅拌；
S3.精炼：将电阻炉中加入精炼剂进行精炼，精炼温度为750±5℃，精炼时间为5～8min，精炼的同时加入碳素纤维，精炼后的铝液静置10min，精炼过程中同时通过电磁搅拌装置均匀搅拌；
S4.除气：从电阻炉的底部通入高纯惰性气体，利用惰性气体除去铝液中的杂质气体；
S5.除渣：将除气后的铝液通过带陶瓷过滤板的流槽过滤铝液中的杂质，其中陶瓷过滤板提前进行烘烤；
S6.铸造：将S5中除渣后的铝液置于熔铸静置炉中，再次加入未使用的碳素纤维，同时通过电磁搅拌装置搅拌5-10min，当铝液与碳素纤维充分混合后，将电磁搅拌装置移走，对静置炉中的铝液采用半连续铸造法进行铸造，铸造温度为690～700℃，铸造速度为20～30mm/min，其中铝液铸造前所使用的引锭头上铺纯铝屑，铸造开始时先放少量铝液进入结晶器，当纯铝屑与铝液呈现半凝固状态时开始铸造。
4.根据权利要求3所述的一种铝合金，其特征在于：所述S2中铝合金原料添加顺序为先将Mg、Zn、Ca、Si和Ti加入电阻炉底部为底部层，Fe和Mn放入底部层上方为中下层，铝锭放入中下层上部，最后将剩余原料覆盖于铝锭上部，完成原料装填。
5.根据权利要求3所述的一种铝合金，其特征在于：所述S2中添加的铝合金原料高度距离电阻炉中电阻丝距离不得小于100mm。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金，其特征在于：所述铝合金用于门窗。
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