CN111945046A - 一种紧固件用高强度铝合金及其加工工艺 - Google Patents

一种紧固件用高强度铝合金及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧固件用高强度铝合金及其加工工艺，其技术方案要点是包括以下质量百分比的元素：合金由Al、Zn、Mg、Mn、Cu、Sc、Ti、B、Li、Yb、Tb、Zr等组成，合金组分的质量为4.5～9.5wt.%的Zn，1.5～6wt.%的Mg，1.2～3.5wt.%的Mn，1.0～3wt.%的Cu，0.01～1.0wt.%的Sc，0.05～1.0%的Ti，0.02～0.1％的B，0.01～0.5％的Li，0.05～1wt.%的Yb，0.01～1wt.%的Tb，0.05～1.0wt.%的Zr，余量为Al；线材冷镦前均匀化退火处理工艺，可使材料冷顶锻75%不开裂，冷镦产品固溶时效处理后抗拉强度可达600MPa以上。

Description

一种紧固件用高强度铝合金及其加工工艺
技术领域
本发明涉及一种紧固件用高强度铝合金及其加工工艺。
背景技术
轻量化是汽车行业发展的重要趋势。铝合金材料具有如下优点：耐腐蚀性能强、强度大、密度小，抗冲击性能好，减重效果明显。ASF(AudiSpaceFrame)技术及全铝车身结构技术等轻量化技术，白车重量比同等钢制车身减轻了40%，刚性提高了60%，因此铝合金成为汽车轻量化应用最为广泛的轻质材料，应用位置包括车身、底盘、发动机、轮毂等，对应的上述应用位置的紧固连接采用传统的钢制紧固件连接或焊接都存在一系列不可避免的缺陷，因此，铝制紧固件，尤其是高强度铝制紧固件的应用大势所趋。
由于目前市场上现有高强度铝合金材料无法满足冷镦工艺的要求，存在室温条件下大塑性变形方面的不足，制约了冷镦技术在高强度铝合金紧固件领域的应用；当前在行业上多采用机加工成型方式进行生产加工，产生的废料多、能源消耗大、加工效率低、生产成本高。因此，如何高效加工高强度铝制紧固件，是目前行业上急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种紧固件用高强度铝合金及其加工工艺，制备得到的线材经过均匀化处理可使铝合金冷镦大变形不开裂，冷镦后固溶时效处理产品强度大幅提高。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种紧固件用高强度铝合金，包括以下质量百分比的元素：合金由Zn、Mg、Mn、Cu、Sc、Ti、B、Li、Yb、Tb、Zr、Al组成，合金组分的质量为4.5～9.5wt.%的Zn，1.5～6wt.%的Mg，1.2～3.5wt.%的Mn，1.0～3wt.%的Cu，0.01～1.0wt.%的Sc，0.05～1.0%的Ti，0.02～0.1％的B，0.01～0.5％的Li，0.05～1wt.%的Yb，0.01～1wt.%的Tb，0.05～1.0wt.%的Zr，余量为Al。
进一步的，一种紧固件用高强度铝合金的加工工艺，包括以下步骤：
步骤一：合金的熔炼过程：包括烘料、熔铝、加中间合金、精炼、浇注等过程；
步骤二：线材的制备：双级均匀化处理（450～550℃/10～15h，480～520℃/7～9h）、热挤压(460～500℃，挤压系数22～25，出料速度1.8～2.2m/min)、自然空冷；
步骤三：冷镦加工：制备得到的线材直接冷镦生产铝产品；
步骤四：冷镦后固溶+淬火处理：冷镦后铝产品在盐浴炉500～540℃保温30～50min，水淬；
步骤五：双级时效处理：将铝产品在70～100℃的温度下进行第一次人工时效处理20～40h，铝产品在130～160℃的温度下进行第二次人工时效处理4～8h，空冷。
进一步的，在步骤一中，包括以下合金的熔炼过程：
烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Ti-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间合金在120℃～180℃烘箱中预热烘干1～2h；
熔铝：将上述预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化；加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至720～750℃之间，加入Zn、Mg、Cu，保温20～25min；
加中间合金：温度升至740～780℃之间，依次加入Al-Mn、Al-Ti-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌6～15min，然后保温20～30min；
加Al-Zr：温度升至760～800℃之间，加入Al-Zr中间合金，然后在730～760℃之间保温5～15min；
精炼：对铝合金熔体进行吹氩气处理10～20min，然后在720～750℃之间保温20～30min；
浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为150℃～250℃的模具中，获得铝合金铸锭。
进一步的，在步骤二中，包括以下合金线材的制备过程：
所述均匀化退火处理方法为双级均匀化退火处理，先合金铸锭在450~550℃条件下均匀化退火处理10~15h，然后再自然冷却至室温，再在480~520℃第二次均匀化退火处理7~9h，然后自然冷却至室温；
所述热挤压处理是将均匀化处理后的铸锭在460~500℃条件下，用挤压机按挤压系数22~25，出料速度1.8~2.2m/min挤压成线材盘圆，然后自然空冷即可，挤压出的线材冷顶锻75%不开裂。
本发明的有益效果：
1、高强度铝合金经过添加Sc、Zr、Ti、B、稀土元素等，可形成TiB2、Al3(Sc、Zr)等异质形核质点，可显著细化晶粒组织，提供合金抗拉强度和延伸率；
2、通过双级均匀化处理工艺，可实现合金大压缩变形不开裂，满足紧固件冷镦生产要求，可避免高强度铝制紧固件靠机加工成型，大大提高生产效率和降低成本；
3、通过双级时效处理，组织中可形成大量η-MgZn2、Mg2Si、ZnYb、ZnTb、T-Mg2Al3Zn3等组织增强相，提高产品力学性能（抗拉强度达到600MPa以上），满足应用需求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，而不是以任何形式对本发明进行限制。应当指出的是，在本发明的构思前提下对本发明做简单的改进，都属于本发明要求保护的范围。
实施例1
一种紧固件用高强度铝合金，合金组分的质量百分比为4.9 wt.%的Zn，1.7wt.%的Mg，1.5wt.%的Mn，1.5wt.%的Cu，0.4wt.%的Sc，0.6wt.%的Ti， 0.3wt.％的B， 0.5wt.％的Li，1.0wt.%的Yb， 1.0wt.%的Tb， 0.5wt.%的Zr，余量为Al。
在上述实施例的基础上，一种紧固件用高强度铝合金的加工工艺，包括以下步骤：
步骤一：合金的熔炼过程：包括烘料、熔铝、加中间合金、精炼、浇注等过程；
步骤二：线材的制备：双级均匀化处理（450℃/12h， 500℃/7h）、热挤压(470℃，挤压系数23，出料速度1.8m/min)、自然空冷，所值得的材料冷顶锻可达77%不开裂；
步骤三：线材冷镦制备铝合金产品；
步骤四：冷镦后固溶+淬火处理：冷镦后铝产品在盐浴炉500℃保温45min，水淬；
步骤五：（双级）人工时效处理：将铝产品在85℃的温度下进行第一次人工时效处理35h，铝产品在145℃的温度下进行第二次人工时效处理6h，空冷，时效处理后产品的抗拉强度达到624MPa，硬度达166HV。
在上述实施例的基础上，在步骤一中，包括以下合金的熔炼过程：
烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Ti-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间合金在150℃烘箱中预热烘干1.5h；
熔铝：将上述预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化；加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至740℃，加入Zn、Mg、Cu，保温25min；
加中间合金：温度升至740℃之间，依次加入Al-Mn、Al-Ti-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌15min，然后保温25min；
加Al-Zr：温度升至760℃之间，加入Al-Zr中间合金，然后在750℃保温15min；
精炼：对铝合金熔体进行吹氩气处理15min，然后在750℃保温25min；
浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为200℃的模具中，获得铝合金铸锭。
实施例2
一种紧固件用高强度铝合金，合金组分的质量百分比为5.8wt.%的Zn，3.6wt.%的Mg，1.5wt.%的Mn，1.8wt.%的Cu，0.4wt.%的Sc，0.8wt.%的Ti， 0.4wt.％的B， 0.5wt.％的Li，0.8wt.%的Yb， 0.8wt.%的Tb， 0.6wt.%的Zr，余量为Al。
在上述实施例的基础上，一种紧固件用高强度铝合金的加工工艺，包括以下步骤：
步骤一：合金的熔炼过程：包括烘料、熔铝、加中间合金、精炼、浇注等过程；
步骤二：线材的制备：双级均匀化处理（480℃/10h， 500℃/8h）、热挤压(480℃，挤压系数22，出料速度1.8m/min)、自然空冷，所值得的材料冷顶锻可达78%不开裂；
步骤三：线材冷镦制备铝合金产品；
步骤四：冷镦后固溶+淬火处理：冷镦后铝产品在盐浴炉520℃保温48min，水淬；
步骤五：（双级）人工时效处理：将铝产品在90℃的温度下进行第一次人工时效处理40h，铝产品在150℃的温度下进行第二次人工时效处理7h，空冷，时效处理后产品的抗拉强度达到652MPa，硬度达186HV。
在上述实施例的基础上，在步骤一中，包括以下合金的熔炼过程：
烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Ti-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间合金在150℃烘箱中预热烘干1.5h；
熔铝：将上述预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化；加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至740℃，加入Zn、Mg、Cu，保温25min；
加中间合金：温度升至740℃之间，依次加入Al-Mn、Al-Ti-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌15min，然后保温25min；
加Al-Zr：温度升至760℃之间，加入Al-Zr中间合金，然后在750℃保温15min；
精炼：对铝合金熔体进行吹氩气处理15min，然后在760℃保温25min；
浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为200℃的模具中，获得铝合金铸锭。
实施例3
一种紧固件用高强度铝合金，合金组分的质量百分比为7.2wt.%的Zn，2.6wt.%的Mg，2.5wt.%的Mn，2.8wt.%的Cu，0.8wt.%的Sc，0.8wt.%的Ti， 0.4wt.％的B， 0.6wt.％的Li，0.7wt.%的Yb， 0.7wt.%的Tb， 0.6wt.%的Zr，余量为Al。
在上述实施例的基础上，一种紧固件用高强度铝合金的加工工艺，包括以下步骤：
步骤一：合金的熔炼过程：包括烘料、熔铝、加中间合金、精炼、浇注等过程；
步骤二：线材的制备：双级均匀化处理（540℃/14h， 520℃/9h）、热挤压(490℃，挤压系数22，出料速度1.8m/min)、自然空冷，所值得的材料冷顶锻可达75%不开裂；
步骤三：线材冷镦制备铝合金产品；
步骤四：冷镦后固溶+淬火处理：冷镦后铝产品在盐浴炉530℃保温48min，水淬；
步骤五：双级时效处理：将铝产品在95℃的温度下进行第一次人工时效处理40h，铝产品在160℃的温度下进行第二次人工时效处理8h，空冷，时效处理后产品的抗拉强度达到678MPa，硬度达192HV。
在上述实施例的基础上，在步骤一中，包括以下合金的熔炼过程：
烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Ti-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间合金在150℃烘箱中预热烘干1.5h；
熔铝：将上述预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化；加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至740℃，加入Zn、Mg、Cu，保温25min；
加中间合金：温度升至760℃之间，依次加入Al-Mn、Al-Ti-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌15min，然后保温25min；
加Al-Zr：温度升至770℃之间，加入Al-Zr中间合金，然后在750℃保温15min；
精炼：对铝合金熔体进行吹氩气处理15min，然后在760℃保温25min；
浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为200℃的模具中，获得铝合金铸锭。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种紧固件用高强度铝合金，其特征在于：包括以下质量百分比的元素：合金由Zn、Mg、Mn、Cu、Sc、Ti、B、Li、Yb、Tb、Zr、Al组成，合金组分的质量为4.5～9.5wt.%的Zn，1.5～6wt.%的Mg，1.2～3.5wt.%的Mn，1.0～3wt.%的Cu，0.01～1.0wt.%的Sc，0.05～1.0%的Ti，0.02～0.1％的B，0 .01～0 .5％的Li，0.05～1wt.%的Yb，0.01～1wt.%的Tb，0.05～1.0wt.%的Zr，余量为Al。
2.一种根据权利要求1所述的紧固件用高强度铝合金的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：合金的熔炼过程：包括烘料、熔铝、加中间合金、精炼、浇注等过程；
步骤二：线材的制备：双级均匀化处理（450～550℃/10～15h，480～520℃/7～9h）、热挤压(460～500℃，挤压系数22～25，出料速度1.8～2.2m/min)、自然空冷；
步骤三：铝产品冷镦：改制后的铝合金线材用冷镦机直接冷镦铝制产品；
步骤四：冷镦后固溶+淬火处理：冷镦后铝产品在盐浴炉500～540℃保温30～50min，水淬；
步骤五：双级工时效处理：将铝产品在70～100℃的温度下进行第一次人工时效处理20～40h，铝产品在130～160℃的温度下进行第二次人工时效处理4～8h，空冷。
3.根据权利要求2所述的一种紧固件用高强度铝合金加工工艺，其特征在于：在步骤一中，包括以下合金的熔炼过程：
烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Ti-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间合金在120℃～180℃烘箱中预热烘干1～2h；
熔铝：将上述预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化；加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至720～750℃之间，加入Zn、Mg、Cu，保温20～25min；
加中间合金：温度升至740～780℃之间，依次加入Al-Mn、Al-T-B、Al-B、Al-Li、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌6～15min，然后保温20～30min；
加Al-Zr：温度升至760～800℃之间，加入Al-Zr中间合金，然后在730～760℃之间保温5～15min；
精炼：对铝合金熔体进行吹氩气处理10～20min，然后在720～750℃之间保温20～30min；
浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为150℃～250℃的模具中，获得铝合金铸锭。
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