CN111575554A - 一种高强度耐磨铝合金的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度耐磨铝合金的生产方法，具体公开了熔铸→挤压→退火→辊式矫直→锯切短料→离线淬火→人工时效的高强度耐磨铝合金生产工艺流程；铝合金经过有效变质处理和热处理后,具有优良的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。铝合金中Si元素高达到10％～12％,再配以Cu、Mn、Mg、Sb等元素，使组织中存在较多的共晶体、初晶Si及强化相，这些共晶体、初晶Si晶粒脆硬，大大提高了合金的耐磨性和力学性能，同时耐高温性能，以及强度和塑韧性也大大提高，铝合金可以广泛应于用内燃机、汽车、空调、焊条以及航空等领域；社会效益和经济效益好。

Description

一种高强度耐磨铝合金的生产方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，特别地是一种高强度耐磨铝合金的生产方法。
背景技术
4Y32铝合金中主要合金元素为Si，属于4000系变形铝合金。其Si含量在10％-11％，非常接近Al-Si共晶点12.5％，4Y32铝合金属于Al-Si系变形铝合金,Si为主要合金元素,由于Si比重和线膨胀系数都比铝小,同为面心立方晶体,熔化潜热大；因而具有流动性好、铸造收缩小、疏松缩孔较小等优点。
根据Al-Si二元相图可知，共晶温度为577℃，共晶点的成分为12.6％或11.7％。在共晶温度下，Si在Al中的最大溶解度是1.65％，而在常温下仅为0.05％，其主要组成成分为α(Al)+<α(Al)+Si>共晶，<α(Al)+Si>共晶，初晶Si+<α(Al)+Si>共晶。铸态下未经变质的共晶硅相呈现粗大的针片状；共晶和过共晶组织的初晶Si相呈现多边形块状，这种粗大的多边形状初晶Si硬脆，再加上尖锐的棱角，使其对基体的割裂作用异常显著，从而恶化了合计的塑性和强度。硅含量超过8％的Al-Si合金不进行变质处理塑韧性非常差。对于那些添加了Cu、Mg等合金元素的4000合金因析出了Mg2Si、CuAl2和S(Al2MgCu)相从而可进行离线固溶+人工时效的方式来大幅提高力学性能。研究表明，4000合金的线膨胀系数随硅含量的增加而减小；共晶硅和初晶硅都是软基体上分布很多硬质点的耐磨材料，其耐磨性也是与硅含量成正比关系的。需要提供一种4Y32合金的生产方法，可大大改善合金的挤压工艺性能，可保证挤压材料的最终工艺性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨性好，高强度，耐高温的铝合金的生产方法。
本发明通过以下技术方案实现的：
一种高强度耐磨铝合金的生产方法，包括以下步骤：
步骤(1)，熔铸工序；
配料：按照化学成分质量分数为：Si 10-11％；Fe 0.11-0.25％，Cu 2.5-3.5％，Mn0.35-0.64％，Mg 0.40-0.60％，Cr 0.10％，Zn 0.25％，Ti 0.05％，Sb 0.15-0.20％，其他元素每种少于0.05％，总计不超过0.15％；余量为AI；
投料：先在熔铸炉炉底铺一层结晶硅；接着往熔铸炉加入废料及铝锭，废料和铝锭比例为2:3；
熔炼：将废料及铝锭加入熔铸炉后升温至800℃进行熔炼，保温一小时后采用人工压漂浮的硅，再采用电磁搅拌0.5h，待熔铸炉内的温度下降到740℃时即开始进行合金化；
合金化：将镁锭、铁剂、电解铜、锰剂放进专用的合金化加料框，将合金化加料框沉浸在熔铸炉的液面以下进行合金化，期间采用电磁持续不停搅拌，并且辅之以30min的人工搅拌；
精炼：合金化完成后，取样品分析成分，若样品成分合格则进行第一次精炼；通过氩气吹送40kg 6AB精炼剂进入熔炼炉精炼20min，精炼完成后再取样品成分分析；若样品成分合格，则添加锑锭再进行精炼15min后起铸；若样品成分分析不合格，则补充合金辅料和锑锭再度精炼20min后起铸；
铸造：设定除气箱转速390±5r/min，氩气压力0.28-0.32MPa，流量2.8-3.5标准立方，过滤板为派罗特克40ppi+80ppi，铸造前对与铝水接触的流槽、工具等喷上涂料并进行充分烘烤，至少提前1个小时进行，直到起铸；将精炼后的铝合金铸造成铸棒；铸造出口温度为730-740℃；除气箱熔池铝液温为720-730℃；模盘尾端温度为695-705℃；起铸速度为50mm/min；铸造速度为80-90mm/min；对铸棒取样检测；铸棒头尾取样送检成分、低倍组织和金相组织；在对铸棒进行均质处理，保温温度490℃，保温时间16h；
步骤(2)，挤压工序；
短棒锯切：根据ERP系统BOM表配方将铸棒锯切下上机短棒；
挤压：设置挤压模具，外模φ106.1±0.02mm、内模φ85.6±0.02mm，采用φ95mm穿心杆，设置棒温430±10℃、挤压主缸速度3.0-3.5mm/s、吹风冷却，对短棒进行挤压，挤压完成后挤压素材尺寸为：外径φ105(+0.5，-0.3)mm、内径φ85(+0.3，-0.5)mm；
步骤(3)，挤压素材退火，保温温度300℃，保温时间3h；
步骤(4)，矫直工序；退火出来的挤压素材经辊式矫直机矫直，再锯切出短料；
步骤(5)，热处理工序，短料进行离线淬火，保温温度510-520℃，保温时间2.5h；短料进行人工时效处理，保温温度175℃，保温时间12h。
进一步地，在所述步骤(1)中，除气箱熔池铝液温度的高低通过调节加热棒温度来实现。
进一步地，在所述步骤(1)中,过滤箱加热温度主要是控制铸盘温度来调节，若铸盘铝液温度偏高，将加热温度调整至730℃，若铝液温度偏低，加热温度可调整至900℃。
进一步地，在所述步骤(1)中，铸棒的铸造长度为200mm之前需要打捞和过滤掉流槽表面浮渣，铸棒铸造平稳后，严禁破坏过滤箱后铝液表面的氧化膜；打捞和过滤掉流槽表面浮渣后横盘面上盖上盖子做好保温措施；铸造稳定时，在除气箱后，过滤盆前取样测试氢含量。
进一步地，在所述步骤(5)中，所述短料进行离线淬火时，保温温度510℃，保温时间2.5h。
进一步地，在所述步骤(5)中，所述短料进行离线淬火时，保温温度520℃，保温时间2.5h。
进一步地，在所述步骤(1)中，所述废料为4000系列铝合金。
本发明的有益效果：
本发明的铝合金经过有效变质处理和热处理后,具有优良的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。铝合金中Si元素高达到10％～12％,再配以Cu、Mn、Mg、Sb等元素，使组织中存在较多的共晶体、初晶Si及强化相，这些共晶体、初晶Si晶粒脆硬，大大提高了合金的耐磨性和力学性能，同时耐高温性能，以及强度和塑韧性也大大提高。得益于4Y32铝合金可塑性变形且热膨胀系数较小、抗蠕变和抗疲劳，常用来加工成锻件，其被广泛应于用内燃机、汽车、空调、焊条以及航空等领域；社会效益和经济效益好。
附图说明
图1为本发明实施例1的铸棒取样检测的低倍组织成像图；
图2为本发明实施例1的铸棒取样检测的金相组织成像图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此以本发明的示意性实施例及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、上端、下端、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1，一种高强度耐磨铝合金的生产方法，包括以下步骤：
步骤(1)，熔铸工序；
配料：按照化学成分质量分数为：Si 10-11％；Fe 0.11-0.25％，Cu 2.5-3.5％，Mn0.35-0.64％，Mg 0.40-0.60％，Cr 0.10％，Zn 0.25％，Ti 0.05％，Sb 0.15-0.20％，其他元素每种少于0.05％，总计不超过0.15％；余量为AI；
根据4Y32成分设定炉前配料值为：
Figure BDA0002552756590000061
投料：先在熔铸炉炉底铺一层结晶硅；接着往熔铸炉加入废料及铝锭，废料和铝锭比例为2:3；需要说明的是，在熔铸炉炉底铺设的结晶硅要确保一次性加足；废料和铝锭的比例为不能少于2:3。
熔炼：将废料及铝锭加入熔铸炉后升温至800℃进行熔炼，保温一小时后采用人工压漂浮的硅，再采用电磁搅拌0.5h，待熔铸炉内的温度下降到740℃时即开始进行合金化；
合金化：将镁锭、铁剂、电解铜、锰剂放进专用的合金化加料框，将合金化加料框沉浸在熔铸炉的液面以下进行合金化，期间采用电磁持续不停搅拌，并且辅之以30min的人工搅拌；
精炼：合金化完成后，取样品分析成分，若样品成分合格则进行第一次精炼；通过氩气吹送40kg 6AB精炼剂进入熔炼炉精炼20min，精炼完成后再取样品成分分析；若样品成分合格，则添加锑锭再进行精炼15min后起铸；若样品成分分析不合格，则补充合金辅料和锑锭再度精炼20min后起铸；
铸造：设定除气箱转速390±5r/min，氩气压力0.28-0.32MPa，流量2.8-3.5标准立方，过滤板为派罗特克40ppi+80ppi，铸造前对与铝水接触的流槽、工具等喷上涂料并进行充分烘烤，至少提前1个小时进行，直到起铸；检查水帘喷水是否均匀，水孔是否有堵塞，确保水冷均匀。铸造过程，流槽与过滤、除气箱做好保温措施。铸造过程，除气箱、过滤箱温度需指定人时刻监控温度；将精炼后的铝合金铸造成铸棒；铸造出口温度为730-740℃；除气箱熔池铝液温为720-730℃；模盘尾端温度为695-705℃；起铸速度为50mm/min；铸造速度为80-90mm/min；在对铸棒进行均质处理，保温温度490℃，保温时间16h；
铸造工艺参数如下：
Figure BDA0002552756590000071
对铸棒取样检测；铸棒头尾取样送检成分、低倍组织和金相组织；
成分：
Figure BDA0002552756590000072
低倍组织：参考图1。
金相组织：参考图2。
步骤(2)，挤压工序；
短棒锯切：根据ERP系统BOM表配方将铸棒锯切下上机短棒；
挤压：设置挤压模具，外模φ106.1±0.02mm、内模φ85.6±0.02mm，采用φ95mm穿心杆，设置棒温430±10℃、挤压主缸速度3.0-3.5mm/s、吹风冷却，对短棒进行挤压，挤压完成后挤压素材尺寸为：外径φ105(+0.5，-0.3)mm、内径φ85(+0.3，-0.5)mm；
步骤(3)，挤压素材退火，保温温度300℃，保温时间3h；
步骤(4)，矫直工序；退火出来的挤压素材经辊式矫直机矫直，再锯切出短料；
步骤(5)，热处理工序，短料进行离线淬火，保温温度510-520℃，保温时间2.5h；短料进行人工时效处理，保温温度175℃，保温时间12h。
具体的，本实施例方案中，在所述步骤(1)中，除气箱熔池铝液温度的高低通过调节加热棒温度来实现。
具体的，本实施例方案中，在所述步骤(1)中,过滤箱加热温度主要是控制铸盘温度来调节，若铸盘铝液温度偏高，将加热温度调整至730℃，若铝液温度偏低，加热温度可调整至900℃。
具体的，本实施例方案中，在所述步骤(1)中，铸棒的铸造长度为200mm之前需要打捞和过滤掉流槽表面浮渣，铸棒铸造平稳后，严禁破坏过滤箱后铝液表面的氧化膜(严禁人为搅动液面，过滤箱至模盘段测温最多测三次，尽可能少动液面)；打捞和过滤掉流槽表面浮渣后横盘面上盖上盖子做好保温措施；铸造稳定时，在除气箱后，过滤盆前取样测试氢含量。
测试样品尺寸和力学性能
尺寸测量：
Mm 外径 内径 同轴度 圆度 垂直度 直线度
标准 105(+0.5，-0.3) 85(+0.3，-0.5) ＜0.8 ＜0.5 ＜0.5 1/1000
实际平均值 105.24 84.66 0.76 0.47 0.44 0.8
力学性能测试：
抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断后伸长率(％) 硬度(HRB)
455 332 7.5 82
具体的，本实施例方案中，在所述步骤(5)中，所述短料进行离线淬火时，保温温度520℃，保温时间2.5h。
具体的，本实施例方案中，在所述步骤(1)中，所述废料为4000系列铝合金。
实施例2，实施例2与实施例1的生产方法基本相同，实施例2与实施例1不同的地方在于：实施例2的步骤(5)中，所述短料进行离线淬火时，保温温度510℃，保温时间2.5h。
样品的测试数据如下：
Mm 外径 内径 同轴度 圆度 垂直度 直线度
标准 105(+0.5，-0.3) 85(+0.3，-0.5) ＜0.8 ＜0.5 ＜0.5 1/1000
实际平均值 105.28 85.22 0.77 0.46 0.40 0.75
抗拉强度(MPa) 屈服强度(MPa) 断后伸长率(％) 硬度(HRB)
433 391 8.5 80
实施例2制作的样品比实施例1的样品尺寸和力学性能更佳，因此，确定4Y32高强度耐磨铝合金生产工艺流程为：
熔铸→挤压→退火(300℃保温3h)→辊式矫直→锯切短料→离线淬火(510℃保温2.5h)→人工时效(175℃保温12h)。
本发明的铝合金经过有效变质处理和热处理后,具有优良的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。铝合金中Si元素高达到10％～12％,再配以Cu、Mn、Mg、Sb等元素，使组织中存在较多的共晶体、初晶Si及强化相，这些共晶体、初晶Si晶粒脆硬，大大提高了合金的耐磨性和力学性能，同时耐高温性能，以及强度和塑韧性也大大提高。得益于4Y32铝合金可塑性变形且热膨胀系数较小、抗蠕变和抗疲劳，常用来加工成锻件，其被广泛应于用内燃机、汽车、空调、焊条以及航空等领域；社会效益和经济效益好。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种高强度耐磨铝合金的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，熔铸工序；
配料：按照化学成分质量分数为：Si 10-11％；Fe 0.11-0.25％，Cu 2.5-3.5％，Mn0.35-0.64％，Mg 0.40-0.60％，Cr 0.10％，Zn 0.25％，Ti 0.05％，Sb 0.15-0.20％，其他元素每种少于0.05％，总计不超过0.15％；余量为AI；
投料：先在熔铸炉炉底铺一层结晶硅；接着往熔铸炉加入废料及铝锭，废料和铝锭比例为2:3；
熔炼：将废料及铝锭加入熔铸炉后升温至800℃进行熔炼，保温一小时后采用人工压漂浮的硅，再采用电磁搅拌0.5h，待熔铸炉内的温度下降到740℃时即开始进行合金化；
合金化：将镁锭、铁剂、电解铜、锰剂放进专用的合金化加料框，将合金化加料框沉浸在熔铸炉的液面以下进行合金化，期间采用电磁持续不停搅拌，并且辅之以30min的人工搅拌；
精炼：合金化完成后，取样品分析成分，若样品成分合格则进行第一次精炼；通过氩气吹送40kg 6AB精炼剂进入熔炼炉精炼20min，精炼完成后再取样品成分分析；若样品成分合格，则添加锑锭再进行精炼15min后起铸；若样品成分分析不合格，则补充合金辅料和锑锭再度精炼20min后起铸；
铸造：设定除气箱转速390±5r/min，氩气压力0.28-0.32MPa，流量2.8-3.5标准立方，过滤板为派罗特克40ppi+80ppi，铸造前对与铝水接触的流槽、工具等喷上涂料并进行充分烘烤，至少提前1个小时进行，直到起铸；将精炼后的铝合金铸造成铸棒；铸造出口温度为730-740℃；除气箱熔池铝液温为720-730℃；模盘尾端温度为695-705℃；起铸速度为50mm/min；铸造速度为80-90mm/min；对铸棒取样检测；铸棒头尾取样送检成分、低倍组织和金相组织；在对铸棒进行均质处理，保温温度490℃，保温时间16h；
步骤(2)，挤压工序；
短棒锯切：根据ERP系统BOM表配方将铸棒锯切下上机短棒；
挤压：设置挤压模具，外模φ106.1±0.02mm、内模φ85.6±0.02mm，采用φ95mm穿心杆，设置棒温430±10℃、挤压主缸速度3.0-3.5mm/s、吹风冷却，对短棒进行挤压，挤压完成后挤压素材尺寸为：外径φ105(+0.5，-0.3)mm、内径φ85(+0.3，-0.5)mm；
步骤(3)，挤压素材退火，保温温度300℃，保温时间3h；
步骤(4)，矫直工序；退火出来的挤压素材经辊式矫直机矫直，再锯切出短料；
步骤(5)，热处理工序，短料进行离线淬火，保温温度510-520℃，保温时间2.5h；短料进行人工时效处理，保温温度175℃，保温时间12h。
2.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨铝合金的生产方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，除气箱熔池铝液温度的高低通过调节加热棒温度来实现。
3.根据权利要求2所述的一种高强度耐磨铝合金的生产方法，其特征在于：在所述步骤(1)中,过滤箱加热温度主要是控制铸盘温度来调节，若铸盘铝液温度偏高，将加热温度调整至730℃，若铝液温度偏低，加热温度可调整至900℃。
4.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨铝合金的生产方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，铸棒的铸造长度为200mm之前需要打捞和过滤掉流槽表面浮渣，铸棒铸造平稳后，严禁破坏过滤箱后铝液表面的氧化膜；打捞和过滤掉流槽表面浮渣后横盘面上盖上盖子做好保温措施；铸造稳定时，在除气箱后，过滤盆前取样测试氢含量。
5.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨铝合金的生产方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述短料进行离线淬火时，保温温度510℃，保温时间2.5h。
6.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨铝合金的生产方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，所述短料进行离线淬火时，保温温度520℃，保温时间2.5h。
7.根据权利要求1所述的一种高强度耐磨铝合金的生产方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，所述废料为4000系列铝合金。
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