CN111910108B - 一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法 - Google Patents

一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，制备方法包括亚快速凝固组织控制和边部控型局部控温轧制两个步骤，首先采用亚快速凝固组织控制技术，使合金冷却速度在105‑160K/s，以此可实现合金各组分充分固溶并减弱合金元素宏观偏析等铸态组织缺陷。随后通过边部控型局部控温轧制方法制备出具有成形性好、高强塑性能的高镁含量铝合金板材。相比传统轧制工艺，本发明方法制备的铝合金板材具有更高的屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率，并且板材还具有成形性好，加工硬化高等优点；本发明的方法工艺简单、可靠，适用于批量生产。

Description

一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法
技术领域
本发明涉及有色金属材料领域，特别是涉及一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法。
背景技术
铝合金具有密度低、比强度高、成型性能好、焊接性能好和抗疲劳、腐蚀能力强等优点，在交通运输、航海、航空航天等工业领域有着广泛应用前景。随着市场的需要，人们对铝合金强度和塑性有了更高的要求。通过高压扭转、等通道径角挤压、机械冶金等大塑性变形方法制备的高合金含量铝合金虽然强度高，但通常加工硬化能力低，难以同时具备高强度和高塑性，严重限制了高强塑铝合金的发展。本发明使用铝-镁合金作为实验材料，结合深冷处理，给出了一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，解决了高镁含量铝合金轧制过程成形难、加工步骤繁琐和边裂现象严重等问题，实现短流程制备高强塑高镁含量的铝-镁合金。该技术解决了高合金含量铝合金变形过程中过早发生局部变形和加工硬化能力差的问题，在获得高强度的同时提高了高合金含量铝合金材料的塑性变形能力。本发明涉及方法简单、成本低廉、可重复性好，也可以用于合金元素含量更高、成形更难的铝合金体系及镁合金等难变形轻合金材料的加工。
发明内容
本发明目的是提供一种方法简单、成本低廉、可重复性好的难变形高合金含量铝合金板材的短流程制备方法。
一种高合金含量铝合金板材的成形制备方法，该方法通过亚快速凝固组织控制、边部控型局部控温轧制获得成形性好的高强塑铝合金板材。通过亚快速凝固技术减弱或消除铸造组织缺陷；通过样品与轧辊之间加入钢制薄板的边部控形技术改变轧制板材边缘应力分布，同时采用液氮深冷控制样品局部温度，显著提高了高合金含量铝合金的加工成形性能，解决了高合金含量铝合金在轧制变形过程中过早发生局部变形失效的问题，实现高合金含量铝合金强度和塑性同时提高。本发明的技术路线包括以下步骤：
(1)亚快速凝固组织控制技术：将高合金含量铝合金坯料在电阻炉中加热后获得熔融态铝合金，然后将熔融态铝合金在亚快速水冷铜模具中进行浇铸冷却至室温，通过调整冷却水流量，冷却速度为105-160K/s，使合金各组分充分固溶，获得亚快速凝固后的板材；
(2)边部控型局部控温轧制技术：将步骤(1)经亚快速凝固后的板材加工成20mm×40mm×5mm长方体轧制样品，在样品上下表面分别使用厚度为0.9mm的钢板进行夹持固定，再将样品和钢板一同完全浸没在液氮中保温15-20min后，再取出样品和钢板进行2-6道次轧制，每道次压下量为40-90％，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15-20min，样品总压下量在50-95％，2-6道次轧制后去掉钢板获得厚度为0.7-2mm的轧制铝合金板材。
优选的，上述高合金含量铝合金板材的成形制备方法中，所述步骤(1)所述的高合金含量铝合金为铝镁合金或铝镁钪合金或铝镁钪锆合金中的任意一种。优选的，上述高合金含量铝合金板材的成形制备方法中，所述步骤(1)所述的高合金含量铝合金为镁含量为9wt％的铝镁合金或镁含量7wt％、钪含量0.3wt％的铝镁钪合金或镁含量7wt％、钪含量0.4wt％的铝镁钪合金或镁含量7wt％、钪含量0.3wt％、锆0.1wt％的铝镁钪锆合金中的任意一种。
优选的，上述高合金含量铝合金板材的成形制备方法中，步骤(1)所述的冷却速度为105-143K/s。
优选的，上述高合金含量铝合金板材的成形制备方法中，其特征在于，步骤(2)所述的轧制次数为2-3道次。
优选的，上述高合金含量铝合金板材的成形制备方法中，步骤(2)所述的2-6道次轧制后去掉钢板获得厚度为0.7-1.2mm的轧制铝合金板材。
优选的，上述高合金含量铝合金板材的成形制备方法中，步骤(2)所述将样品和钢板一同完全浸没在液氮中保温15min后，再取出样品和钢板进行两道次轧制，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15min，第一道次压下量40％，第二道次压下量60％，样品总压下量达到76％，两道次轧制后去掉钢板获得厚度为1.2mm轧制铝合金板材。
优选的，上述高合金含量铝合金板材的成形制备方法中，步骤(2)所述将样品和钢板一同完全浸没在液氮中保温15min后，再取出样品和钢板进行三道次轧制，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15min，第一道次压下量40％，第二道次压下量40％，第三道次压下量60％，样品总压下量达到86％，三道次轧制后去掉钢板获得厚度为0.7mm轧制铝合金板材。
优选的，上述高合金含量铝合金板材的成形制备方法中，步骤(2)所述的液氮保温箱温度为-180～-200℃。
优选的，上述高合金含量铝合金板材的成形制备方法中，步骤(2)所述的液氮保温箱温度为-196℃。
本发明提供一种方法简单、成本低廉、可重复性好的难变形高合金含量铝合金板材的短流程制备方法，适用于大尺寸变形板材的制备，工艺简单，生产效率高，有利于改善高合金含量铝合金轧制过程中的边裂现象，同时提高材料的强度和成形性。
采用上述技术方法生产的铝合金板材主要具有以下优点：
(1)本发明采用了亚快速凝固技术，获得的高固溶凝固组织中高含量的固溶合金元素在后续轧制等变形过程中有助于促进位错等缺陷的积累和相互作用，从而提高了铝合金加工硬化能力和塑性；
(2)亚快速凝固技术可以有效改善铸态组织，有利于减少或消除铸态组织的宏观偏析和铸态材料的内应力，有利于减弱或防止材料在后续轧制过程中的边裂；
(3)采用边部控形技术既控制轧制过程中的应力分布，缓解轧制板材边缘部分的局部应力集中；同时采用液氮深冷技术控制样品局部温度有效抑制了轧制变形过程中的动态回复，促进再结晶形核，有利于获得具有细晶组织的板材。该方法可以有效的提高轧制板材成形率，增加变形量，有效防止轧板边部裂纹产生；
(4)本发明制备的铝-镁合金轧制板材同传统轧制工艺相比，晶界强化和位错强化效果更明显，提高了轧制板材强度。同时，高固溶镁含量提高了加工硬化能力，实现了铝合金板材强度和塑性同时提高；
(5)该方法步骤简单、节能，相对传统加工工艺，省略了热处理步骤、降低消耗。同时适用于制备镁合金等其它难变形轻合金。
附图说明
图1为实施例2Al-9Mg、实施例3Al-7Mg-0.3Sc(wt.％)轧制过程中的合金应力应变曲线；
图2为常规单道次轧制以及边部控型局部控温单道次轧制Al-9Mg获得的轧制板效果图。
具体实施方式
实施例1
(1)亚快速凝固组织控制技术：使用工业纯铝、纯镁制备镁含量为9wt％的铸态铝-镁合金坯料(以下简称Al-9Mg)，再在电阻炉中将镁含量为9wt％的铸态铝-镁合金坯料加热后获得熔融态铝-镁合金，然后将熔融态铝-镁合金在亚快速水冷铜模具中进行浇铸冷却至室温，通过调整冷却水流量，冷却速度为105K/s，使合金各组分充分固溶，获得亚快速凝固后的板材；
(2)边部控型局部控温轧制技术：将步骤(1)经亚快速凝固后的板材加工成20mm×40mm×5mm长方体轧制样品，在样品上下表面分别使用厚度为0.9mm的钢板进行夹持固定，再将样品和钢板一同完全浸没在－196℃的液氮中保温15min后，再取出样品和钢板进行两道次轧制，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15min，第一道次压下量40％，第二道次压下量60％，样品总压下量达到76％，两道次轧制后去掉钢板获得厚度为1.2mm轧制板，轧制板没有产生裂纹。
最终获得轧制板的屈服强度为442MPa，抗拉强度为522MPa，断裂延伸率为12％。
实施例2
(1)亚快速凝固组织控制技术：使用工业纯铝、纯镁制备镁含量为9wt％的铸态铝-
镁合金坯料(以下简称Al-9Mg)，再在电阻炉中将镁含量为9wt％的铸态铝-镁合金坯料加热后获得熔融态铝-镁合金，然后将熔融态铝-镁合金在亚快速水冷铜模具中进行浇铸冷却至室温，通过调整冷却水流量，冷却速度为143K/s，使合金各组分充分固溶，获得亚快速凝固后的板材；
(2)边部控型局部控温轧制技术：将步骤(1)经亚快速凝固后的板材加工成20mm×40mm×5mm长方体轧制样品，在样品上下表面分别使用厚度为0.9mm的钢板进行夹持固定，再将样品和钢板一同完全浸没在－196℃的液氮中保温15min后，再取出样品和钢板进行三道次轧制，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15min，第一道次压下量40％，第二道次压下量40％，第三道次压下量60％。样品总压下量达到86％，三道次轧制后去掉钢板获得厚度为0.7mm轧制板，轧制板没有产生裂纹。
最终获得轧制板的屈服强度为508MPa，抗拉强度为587MPa，断裂延伸率为9％。
实施例3
(1)亚快速凝固组织控制技术：使用工业纯铝、纯镁和铝-钪中间合金制备镁含量7wt％、钪含量0.3wt％的铸态铝-镁-钪合金料(以下简称Al-7Mg-0.3Sc)。再在电阻炉中将镁含量为7wt％的铸态铝-镁-钪合金料加热后获得熔融态铝-镁-钪合金料，然后将熔融态铝-镁-钪合金料在亚快速水冷铜模具中进行浇铸冷却至室温，通过调整冷却水流量，冷却速度为120K/s，使合金各组分充分固溶，获得亚快速凝固后的板材；
(2)边部控型局部控温轧制技术：将步骤(1)经亚快速凝固后的板材加工成20mm×40mm×5mm长方体轧制样品，在样品上下表面分别使用厚度为0.9mm的钢板进行夹持固定，再将样品和钢板一同完全浸没在－196℃的液氮中保温15min后，再取出样品和钢板进行二道次轧制，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15min，第一道次压下量40％，第二道次压下量60％，样品总压下量达到76％，两道次轧制后去掉钢板获得厚度为1.2mm轧制板，轧制板没有产生裂纹。
最终获得轧制板的屈服强度为432MPa，抗拉强度为510MPa，断裂延伸率为10％。
实施例4
(1)亚快速凝固组织控制技术：使用工业纯铝、纯镁、铝-钪中间合金和铝-锆中间合金制备镁含量7wt％，钪含量0.3wt％，锆含量0.1wt％的铸态铝-镁-钪-锆合金料(以下简称Al-7Mg-0.3Sc-0.1Zr)，再在电阻炉中将镁含量为7wt％的铸态铝-镁-钪-锆合金料加热后获得熔融态铸态铝-镁-钪-锆合金料，然后将熔融态铸态铝-镁-钪-锆合金料在亚快速水冷铜模具中进行浇铸冷却至室温，通过调整冷却水流量，冷却速度为135K/s，使合金各组分充分固溶，获得亚快速凝固后的板材；
(2)将步骤(1)经亚快速凝固后的板材加工成20mm×40mm×5mm长方体轧制样品，在样品上下表面分别使用厚度为0.9mm的钢板进行夹持固定，再将样品和钢板一同完全浸没在－196℃的液氮中保温15min后，再取出样品和钢板进行二道次轧制，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15min，第一道次压下量40％，第二道次压下量60％，样品总压下量达到76％，两道次轧制后去掉钢板获得厚度为1.2mm轧制板，轧制板没有产生裂纹。
最终获得轧制板的屈服强度为495MPa，抗拉强度为555MPa，断裂延伸率为9％。
实施例5
(1)亚快速凝固组织控制技术：使用工业纯铝、纯镁和铝-钪中间合金制备镁含量7wt％，钪含量0.4wt％的铸态铝-镁-钪合金料(以下简称Al-7Mg-0.4Sc)，再在电阻炉中将镁含量为7wt％的铸态铝-镁-钪合金料加热后获得熔融态铸态铝-镁-钪合金料，然后将熔融态铸态铸态铝-镁-钪合金料在亚快速水冷铜模具中进行浇铸冷却至室温，通过调整冷却水流量，冷却速度为128K/s，使合金各组分充分固溶，获得亚快速凝固后的板材；
(2)将步骤(1)经亚快速凝固后的板材加工成20mm×40mm×5mm长方体轧制样品，在样品上下表面分别使用厚度为0.9mm的钢板进行夹持固定，再将样品和钢板一同完全浸没在－196℃的液氮中保温15min后，再取出样品和钢板进行二道次轧制，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15min，第一道次压下量40％，第二道次压下量60％，样品总压下量达到76％，两道次轧制后去掉钢板获得厚度为1.2mm轧制板，轧制板没有产生裂纹。
最终获得轧制板的屈服强度为488MPa，抗拉强度为540MPa，断裂延伸率为11％。
本发明提供了一种高合金含量铝合金板材的低成本、短流程制备方法，主要是通过亚快速凝固组织控制方法使合金各组分充分固溶，减弱了铸态组织中的宏观元素偏析；再通过边部控型局部控温轧制方法制备出成形性好的高强塑铝合金板材。相比传统轧制工艺，本发明制备的铝-镁合金板材具有成形性好、高强塑性等优点。另外，本发明采用的边部控形局部控温的轧制方案既控制轧制过程中的应力分布，缓解局部应力集中，同时液氮控温有助于减少变形过程中的动态回复和再结晶，获得晶粒尺寸更为细小的轧制板材,边部控型局部控温轧制方法可以有效缓解轧制过程中的边裂问题，局部控温的液氮轧制条件可以有效的细化晶粒，晶界强化效果进一步增强，同时增加位错密度，有利于位错的运动和积累，最终获得强度塑性高的轧制板材。
将实施例1-5铝镁合金料，按照本发明制备方法、常规冷却和轧制结合以及亚快速凝固组织控制方法与常规轧制结合获得的轧制板材制备参数及相应性能见下表1。
表1实施例1-5铝-镁合金制备参数及相应性能
Figure BDA0002629125220000051
Figure BDA0002629125220000061
注：冷却速度常规表示不使用亚快速水冷铜模具，使用常规铁模具冷却。常规轧制指不使用液氮冷却且不使用钢板控制的普通轧制方法。液氮控温条件下衬板辅助大压下量控制轧制过程中，1P、2P、3P表示第一、二、三道次，P40、P60分别表示压下量为40和60。
图2为常规单道次轧制以及边部控型局部控温单道次轧制Al-9Mg获得的轧制板效果对比图，将实施例1步骤(1)获得的亚快速凝固后的板材分别经常规单道次轧制(压下量为60％)和边部控型局部控温单道次轧制(压下量为60％)获得两块轧制板，结果表明实施例1步骤(1)获得的亚快速凝固后的板材经常规单道次轧制获得的轧制板具有裂缝，而实施例1步骤(1)获得的亚快速凝固后的板材经边部控型局部控温单道次轧制获得的板材无裂缝；Rollingreduction代表轧制压下量，CR代表常规单道次轧制，HPR代表边部控型局部控温单道次轧制。

Claims (9)

1.一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）亚快速凝固组织控制技术：将高合金含量铝合金坯料在电阻炉中加热后获得熔融态铝合金，然后将熔融态铝合金在亚快速水冷铜模具中进行浇铸冷却至室温，通过调整冷却水流量，冷却速度为105-160K/s，使合金各组分充分固溶，获得亚快速凝固后的板材；
（2）边部控型局部控温轧制技术：将步骤（1）经亚快速凝固后的板材加工成20 mm ×40 mm × 5 mm长方体轧制样品，在样品上下表面分别使用厚度为0.9 mm的钢板进行夹持固定，再将样品和钢板一同完全浸没在液氮中保温15-20 min后，再取出样品和钢板进行2-6道次轧制，每道次压下量为40-90%，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15-20 min，样品总压下量在50-95%，2-6道次轧制后去掉钢板获得厚度为0.7-2mm的轧制铝合金板材;
步骤（1）所述的高合金含量铝合金为铝镁合金或铝镁钪合金或铝镁钪锆合金中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的高合金含量铝合金为镁含量为9 wt%的铝镁合金或镁含量为7 wt%、钪含量0.3wt%的铝镁钪合金或镁含量7 wt%、钪含量0.4 wt%的铝镁钪合金或镁含量7 wt%、钪含量0.3wt%、锆0.1wt%的铝镁钪锆合金中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的冷却速度为105-143K/s。
4.根据权利要求1所述的一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的轧制次数为2-3道次。
5.根据权利要求1所述的一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的2-6道次轧制后去掉钢板获得厚度为0.7-1.2 mm的轧制铝合金板材。
6.根据权利要求1所述的一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，其特征在于，步骤（2）所述将样品和钢板一同完全浸没在液氮中保温15 min后，再取出样品和钢板进行两道次轧制，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15 min，第一道次压下量40%，第二道次压下量60%，样品总压下量达到76%，两道次轧制后去掉钢板获得厚度为1.2 mm轧制铝合金板材。
7.根据权利要求1所述的一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，其特征在于，步骤（2）所述将样品和钢板一同完全浸没在液氮中保温15 min后，再取出样品和钢板进行三道次轧制，每道次轧制完成后，立即将样品和钢板放入液氮保温箱再冷却保温15 min，第一道次压下量40%，第二道次压下量40%，第三道次压下量60%，样品总压下量达到86%，三道次轧制后去掉钢板获得厚度为0.7 mm轧制铝合金板材。
8.根据权利要求1所述的一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的液氮保温箱温度为-180～-200℃。
9.根据权利要求1所述的一种高合金含量铝合金板材的成型制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的液氮保温箱温度为-196℃。
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