CN112143948A - 一种高性能AlMgSi合金型材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能AlMgSi合金型材，其化学成分按重量百分比计为：Si：0.41‑0.45wt%，Fe：0.10‑0.18wt%，Cu：0.01‑0.05wt%，Mn：0.02‑0.05wt%，Mg：0.53‑0.58wt%，Cr：0.01‑0.05wt%，Zn：0.01‑0.05wt%，Ti：0.02‑0.05wt%，余量为Al及不可避免的杂质。本发明的高性能AlMgSi合金型材，通过合金成分优化，使用特定的熔铸、均质、挤压和时效加工工艺，使Al‑Mg‑Si合金具有较高的力学性能，表面处理性能好，并且无颗粒等缺陷；另一方面，挤压压力低，易成型，可以提高模具的挤压寿命，产品的尺寸公差精度等级高；此外，可采用高温短时时效工艺，铝合金型材达到性能要求，并大大提高生产效率，节约能耗。

Description

一种高性能AlMgSi合金型材及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金型材领域，尤其涉及高性能户外建筑和工程用铝合金结构型材领域，具体涉及一种高性能AlMgSi合金型材及其制备方法。

背景技术

绿色高性能铝合金结构型材具有质量轻、强度高、成形性好、可焊接性能好、可循环利用等特点，还可以大大减轻负重和降低运输成本等诸多优势。随着我国城镇化进程加快，强调绿色低碳发展和生态文明建设，建筑结构用铝型材使用量越来越多，特别是在大跨度土木工程中，如机场、车站、码头、会展中心和地下设施(隧道、地铁)或土质疏松，地面建筑部允许打很深的基础情况下，铝合金轻型结构可以减轻负重。

另外，在边远和交通运输十分困难的地区，运输建筑材料的成本占整个建筑投资比例很大的情况下，以铝代钢其经济性十分突出，对保护生态平衡具有十分重要意义，符合国家绿色施工发展方向，具有良好的发展前景。

发明内容

基于上述情况，本发明的目的在于提供一种高性能AlMgSi合金型材及其制备方法。本发明的高性能AlMgSi合金型材，通过合金成分优化，使用特定的熔铸、均质、挤压和时效加工工艺，使Al-Mg-Si合金具有较高的力学性能，表面处理性能好，并且无颗粒等缺陷；另一方面，挤压压力低，易成型，可以提高模具的挤压寿命，产品的尺寸公差精度等级高；此外，可采用高温短时时效工艺，铝合金型材达到性能要求，并大大提高生产效率，节约能耗。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是：

一种高性能AlMgSi合金型材，其化学成分按重量百分比计为：

Si：0.41-0.45wt％，Fe：0.10-0.18wt％，Cu：0.01-0.05wt％，Mn：0.02-0.05wt％，Mg：0.53-0.58wt％，Cr：0.01-0.05wt％，Zn：0.01-0.05wt％，Ti：0.02-0.05wt％，余量为Al及不可避免的杂质。

发明人经过大量试验发现：采用上述范围的微量的Mn、Cr和Ti元素可细化合金的晶粒度，上述范围的Fe可中和过剩的Si元素。

合金中Fe元素含量较低，Fe会与合金中的合金元素Si结合，形成有害的杂质相AlFeSi相，降低了合金中有效Si元素的作用，Si和Mg元素在型材时效过程中形成析出相Mg2Si，增强合金力学性能的最主要相。对于AlMgSi合金，Mg/Si之比理论为1.73，实际控制按照1.3-1.5进行配比，让Si元素过剩1.1％-1.3％。Si过剩太多，形成有害的杂质相AlFeSi相较多，又不利于成型，对型材表面产不利的影响；Si过剩太少，析出的Mg₂Si相较少，不利于力学性能。

至于晶相/晶粒对型材性能的影响，主要是通过加工工艺控制的，熔铸必须获得1级晶粒度铝合金铸棒，挤压工艺温度控制，不至于合金产生较多的再结晶相，降低合金的力学性能和伸长率。

本发明还提供一种所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法挤压出来的型材，能获得均匀细小的等轴晶粒，晶粒长均匀细小(微量的Mn、Cr、Ti元素有抑制再结晶作用)。

优选的，所述高性能AlMgSi合金型材的化学成分按重量百分比计为：

Si：0.43wt％，Fe：0.14wt％，Cu：0.03wt％，Mn：0.035wt％，Mg：0.555wt％，Cr：0.03wt％，Zn：0.03wt％，Ti：0.035wt％，余量为Al及不可避免的杂质。

本发明还提供一种所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法，包括下列步骤：

1)熔铸：

11)将纯度大于等于99.9％的原铝锭清洗干净，并把所述原铝锭叉到炉门前烘烤干燥；

12)将经步骤11)处理后的所述原铝锭送入熔炼炉，并加入铝硅中间合金锭、工业镁锭和铝钛硼丝(细化晶粒)，进行熔炼，精炼所需的氮气纯度要求达到99.99％以上；熔炼过程中，控制熔炼温度720℃-750℃，待金属熔化彻底，精炼2次，每次精炼至少25分钟以上，精炼剂使用量按照2.5kg/吨，扒渣；熔炼过程中炉膛温度控制在1100℃以下；

13)在铝合金熔液温度为740℃-750℃的条件下，搅拌控制成分均匀，并微调铝合金熔液的化学成分，使铝合金熔液的化学成分按重量百分比计为：

Si：0.41-0.45wt％，Fe：0.10-0.18wt％，Cu：0.01-0.05wt％，Mn：0.02-0.05wt％，Mg：0.53-0.58wt％，Cr：0.01-0.05wt％，Zn：0.01-0.05wt％，Ti：0.02-0.05wt％，余量为Al及不可避免的杂质；

14)静置30min后，然后在700℃-730℃温度下使用同水平半连续热顶铸造，铸成挤压需要的铝合金棒；

15)将步骤14)得到的所述铝合金棒进行均质处理；

2)将步骤1)得到的所述铝合金棒在1000吨的正向挤压机上进行挤压，所述挤压成型步骤中挤压速度12-18m/min，挤压成型时圆铸棒温度460℃-510℃，模具温度430℃-480℃，挤压筒温度420±20℃，出料口温度大于510℃；采用强风冷却工艺进行在线淬火，得到铝合金型材；

3)将步骤2)得到的所述铝合金型材，放置到铝合金时效炉内，进行人工时效，T5态，采用时效工艺为温度200±5℃保温1.5h-2h；T6或者T66态，采用时效工艺为温度200±5℃保温2h-4h。

优选的，步骤12)中，所述铝硅中间合金锭中Si含量为18-20wt％。

优选的，步骤13)中，所述搅拌使用电磁搅拌设备仪器对熔体进行顺/逆时针搅拌。

能有效控制成分均匀，主要Mg和Si元素的绝对偏差不超过±0.02％。

优选的，步骤14)中，所述铝合金棒为圆柱形的铝合金棒(Ф90mm、Ф127mm、Ф152mm、Ф178mm、Ф228mm或Ф330mm)。

优选的，步骤15)中，进行均质处理时，均质处理工艺的温度控制为570±10℃，保温时间6-8h。

对所述铝合金棒进行均质处理，发明人根据DSC差热分析实验得知该合金在605.7℃出现吸热峰，如将均质温度设定过高，实际生产中有出现熔棒的风险，对设备、人身安全的危害极大；如均质温度过低，则无法将合金中低熔点共晶相回熔基体，影响合金性能。发明人经过大量实验，并综合考虑，最终确定均质处理工艺，温度为570±10℃，保温时间6-8h。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明的高性能AlMgSi合金型材，通过合金成分优化，使用特定的熔铸、均质、挤压和时效加工工艺，使Al-Mg-Si合金具有较高的力学性能，表面处理性能好，并且无颗粒等缺陷；另一方面，挤压压力低，易成型，可以提高模具的挤压寿命，产品的尺寸公差精度等级高；此外，可采用高温短时时效工艺，铝合金型材达到性能要求，并大大提高生产效率，节约能耗。

现有的建筑用常规合金为6060和6063，6063的性能低但成型性好，6060的性能略高于6063，表处理性能较好，6060和6063合金各有其加工特点，生产需要做多种合金成分棒，来满足不同厂家对产品的性能要求，这样不利于生产计划和安排，型材挤压需要倒棒难题，严重影响挤压生产效率。本发明的高性能AlMgSi合金型材，可同时满足6060和6063的成分要求；另一方面，使用特定的熔铸、挤压和时效加工工艺，让新的Al-Mg-Si合金性能和表处理性能，完全达到并超过6060和6063合金性能，并可满足特殊6060-T66状态性能要求。

本发明的高性能AlMgSi合金型材，可6060和6063合金成分要求，可满足6063-T5、6063-T6、6060-T5、6060-T6和6060-T66态性能要求。铝合金抗拉强度可达到227MPa，屈服强度可达186MPa，伸长率11％，完全可满足6060-T66特殊性能要求(国标GB/T 6892-2015中规定的6060-T66状态，合金的抗拉强度≥215MPa，屈服强度≥160MPa，伸长率≥6％)。

2)本发明的高性能AlMgSi合金型材，可减少生产中合金的种类，本发明的高性能AlMgSi合金型材可完全替代6060和6063合金，减少了挤压生产时倒棒的难题，提高了挤压的生产效率。

6060和6063是属于两种不同的合金，由于合金元素有个重叠区间，将两种合金合并并通过多次反复验证和批量大生产，获得目前这种AlMgSi合金成分，可以满足6060和6063产品国标成分和性能要求，并可以满足多种合金状态，如T5、T6和T66。所以大生产，可以用这种AlMgSi合金棒生产6060和6063合金产品，减少了两种合金棒的使用，所以可以减少挤压倒棒的频次，不用来回变换6060和6063合金棒。

这种AlMgSi合金，属于中强合金，6060和6063合金为6系列合金中最好挤压合金，与6063合金国标成分中Si元素含量相比，Si含量较低，更利于成型。对于淬火的敏感性也不强，成型好体现在截面复杂的型材，在线淬火可以通过风冷保证型材的力学性能，风冷对挤压出来的型材变形影响小。不像中高强合金如6061或者6082等，对于淬火的敏感性也不强，必须通过水雾冷或者过水冷才能保证型材的力学性能，但是水雾冷或者过水冷，对于挤压出来的型材变形影响很大，截面复杂的异型材更加难以控制。

3)本发明的高性能AlMgSi合金型材的挤压性能良好，可实现快速挤压，挤压速度≥15m/min(传统的挤压速度≥10m/min)，而且型材的淬火敏感性低，风冷就可实现在线淬火，保证了型材的力学性能。

4)本发明的高性能AlMgSi合金型材可采用高温短时的时效工艺满足产品的力学性能，新的时效工艺200±5℃温度下保温1.5h-4h，与传统的时效工艺180±5℃温度下保温4h-6h相比，大大节约了时效时间，提高了时效的效率，降低了产品的能耗。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是不能理解为对本专利的限制。

下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。

实施例1：

一种高性能AlMgSi合金型材，其化学成分按重量百分比计为：

Si：0.41wt％，Fe：0.10wt％，Cu：0.01wt％，Mn：0.02wt％，Mg：0.53wt％，Cr：0.05wt％，Zn：0.01wt％，Ti：0.02wt％，余量为Al及不可避免的杂质。

在本实施例中，所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法，包括下列步骤：

1)熔铸：

11)将纯度大于等于99.9％的原铝锭清洗干净，并把所述原铝锭叉到炉门前烘烤干燥；

12)将经步骤11)处理后的所述原铝锭送入熔炼炉，并加入铝硅中间合金锭、工业镁锭和铝钛硼丝(细化晶粒)，进行熔炼，精炼所需的氮气纯度要求达到99.99％以上；熔炼过程中，控制熔炼温度720℃℃，待金属熔化彻底，精炼2次，每次精炼至少25分钟以上，精炼剂使用量按照2.5kg/吨，扒渣；熔炼过程中炉膛温度控制在1100℃以下；

13)在铝合金熔液温度为740℃的条件下，搅拌控制成分均匀，并微调铝合金熔液的化学成分；

14)静置30min后，然后在700℃温度下使用同水平半连续热顶铸造，铸成挤压需要的铝合金棒；

15)将步骤14)得到的所述铝合金棒进行均质处理；

2)将步骤1)得到的所述铝合金棒在1000吨的正向挤压机上进行挤压，所述挤压成型步骤中挤压速度12-m/min，挤压成型时圆铸棒温度460℃，模具温度430℃，挤压筒温度400℃，出料口温度大于510℃；采用强风冷却工艺进行在线淬火，得到铝合金型材；

3)将步骤2)得到的所述铝合金型材，放置到铝合金时效炉内，进行人工时效；T66态，采用时效工艺为温度195℃保温4h。

在本实施例中，步骤12)中，所述铝硅中间合金锭中Si含量为18wt％。

在本实施例中，步骤13)中，所述搅拌使用电磁搅拌设备仪器对熔体进行顺/逆时针搅拌。

在本实施例中，步骤14)中，所述铝合金棒为圆柱形的铝合金棒(Ф330mm)。

在本实施例中，步骤15)中，进行均质处理时，均质处理工艺的温度控制为560℃，保温时间8h。

实施例2：

一种高性能AlMgSi合金型材，其化学成分按重量百分比计为：

Si：0.45wt％，Fe：0.18wt％，Cu：0.05wt％，Mn：0.05wt％，Mg：0.58wt％，Cr：0.05wt％，Zn：0.05wt％，Ti：0.05wt％，余量为Al及不可避免的杂质。

在本实施例中，所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法，包括下列步骤：

1)熔铸：

11)将纯度大于等于99.9％的原铝锭清洗干净，并把所述原铝锭叉到炉门前烘烤干燥；

12)将经步骤11)处理后的所述原铝锭送入熔炼炉，并加入铝硅中间合金锭、工业镁锭和铝钛硼丝(细化晶粒)，进行熔炼，精炼所需的氮气纯度要求达到99.99％以上；熔炼过程中，控制熔炼温度750℃，待金属熔化彻底，精炼2次，每次精炼至少25分钟以上，精炼剂使用量按照2.5kg/吨，扒渣；熔炼过程中炉膛温度控制在1100℃以下；

13)在铝合金熔液温度为750℃的条件下，搅拌控制成分均匀，并微调铝合金熔液的化学成分；

14)静置30min后，然后在730℃温度下使用同水平半连续热顶铸造，铸成挤压需要的铝合金棒；

15)将步骤14)得到的所述铝合金棒进行均质处理；

2)将步骤1)得到的所述铝合金棒在1000吨的正向挤压机上进行挤压，所述挤压成型步骤中挤压速度18m/min，挤压成型时圆铸棒温度510℃，模具温度480℃，挤压筒温度440℃，出料口温度大于510℃；采用强风冷却工艺进行在线淬火，得到铝合金型材；

3)将步骤2)得到的所述铝合金型材，放置到铝合金时效炉内，进行人工时效；T66态，采用时效工艺为温度205℃保温2h。

在本实施例中，步骤12)中，所述铝硅中间合金锭中Si含量为20wt％。

在本实施例中，步骤13)中，所述搅拌使用电磁搅拌设备仪器对熔体进行顺/逆时针搅拌。

在本实施例中，步骤14)中，所述铝合金棒为圆柱形的铝合金棒(Ф330mm)。

在本实施例中，步骤15)中，进行均质处理时，均质处理工艺的温度控制为580℃，保温时间6h。

实施例3：

一种高性能AlMgSi合金型材，其化学成分按重量百分比计为：

Si：0.43wt％，Fe：0.14wt％，Cu：0.03wt％，Mn：0.035wt％，Mg：0.555wt％，Cr：0.03wt％，Zn：0.03wt％，Ti：0.035wt％，余量为Al及不可避免的杂质。

在本实施例中，所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法，包括下列步骤：

1)熔铸：

11)将纯度大于等于99.9％的原铝锭清洗干净，并把所述原铝锭叉到炉门前烘烤干燥；

12)将经步骤11)处理后的所述原铝锭送入熔炼炉，并加入铝硅中间合金锭、工业镁锭和铝钛硼丝(细化晶粒)，进行熔炼，精炼所需的氮气纯度要求达到99.99％以上；熔炼过程中，控制熔炼温度730℃，待金属熔化彻底，精炼2次，每次精炼至少25分钟以上，精炼剂使用量按照2.5kg/吨，扒渣；熔炼过程中炉膛温度控制在1100℃以下；

13)在铝合金熔液温度为745℃的条件下，搅拌控制成分均匀，并微调铝合金熔液的化学成分；

14)静置30min后，然后在715℃温度下使用同水平半连续热顶铸造，铸成挤压需要的铝合金棒；

15)将步骤14)得到的所述铝合金棒进行均质处理；

2)将步骤1)得到的所述铝合金棒在1000吨的正向挤压机上进行挤压，所述挤压成型步骤中挤压速度15m/min，挤压成型时圆铸棒温度485℃，模具温度455℃，挤压筒温度420℃，出料口温度大于510℃；采用强风冷却工艺进行在线淬火，得到铝合金型材；

3)将步骤2)得到的所述铝合金型材，放置到铝合金时效炉内，进行人工时效；T66态，采用时效工艺为温度200℃保温3h。

在本实施例中，步骤12)中，所述铝硅中间合金锭中Si含量为19wt％。

在本实施例中，步骤13)中，所述搅拌使用电磁搅拌设备仪器对熔体进行顺/逆时针搅拌。

在本实施例中，步骤14)中，所述铝合金棒为圆柱形的铝合金棒(Ф330mm)。

在本实施例中，步骤15)中，进行均质处理时，均质处理工艺的温度控制为570℃，保温时间7h。

下面对本发明实施例1至实施例3得到的高性能AlMgSi合金型材进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1

序号	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	伸长率(％)
				实施例1	225	181	11
实施例2	227	186	11
				实施例3	231	196	10

实施例4：

与实施例1相比，区别仅在于，

3)将步骤2)得到的所述铝合金型材，放置到铝合金时效炉内，进行人工时效，T5态，采用时效工艺为温度195℃保温2h。

实施例5：

与实施例2相比，区别仅在于，

3)将步骤2)得到的所述铝合金型材，放置到铝合金时效炉内，进行人工时效，T5态，采用时效工艺为温度205℃保温1.5h。

实施例6：

与实施例3相比，区别仅在于，

3)将步骤2)得到的所述铝合金型材，放置到铝合金时效炉内，进行人工时效，T5态，采用时效工艺为温度200℃保温1.8h。

下面对本发明实施例4至实施例6得到的高性能AlMgSi合金型材进行性能测试，测试结果如表2所示。

表2

序号	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	伸长率(％)
				实施例4	189	155	13
实施例5	193	161	12
				实施例6	195	173	12

从上表可以看出，本发明的高性能AlMgSi合金型材的综合力学性能优异。

国标GB/T 6892-2015中规定的6060-T66状态，合金的抗拉强度≥215MPa，屈服强度≥160MPa，伸长率≥6％；规定的6063-T5状态，合金的抗拉强度≥175MPa，屈服强度≥130MPa，伸长率≥6％。本发明的高性能AlMgSi合金型材，完全满足6063和6060不同状态下的力学性能要求。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高性能AlMgSi合金型材，其特征在于，其化学成分按重量百分比计为：

Si：0.41-0.45wt%，Fe：0.10-0.18wt%，Cu：0.01-0.05wt%，Mn：0.02-0.05wt%，Mg：0.53-0.58wt%，Cr：0.01-0.05wt%，Zn：0.01-0.05wt%，Ti：0.02-0.05wt%，余量为Al及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高性能AlMgSi合金型材，其特征在于，所述高性能AlMgSi合金型材的化学成分按重量百分比计为：

Si：0.43wt%，Fe：0.14wt%，Cu：0.03wt%，Mn：0.035wt%，Mg：0.555wt%，Cr：0.03wt%，Zn：0.03wt%，Ti：0.035wt%，余量为Al及不可避免的杂质。

3.一种如权利要求1至2任一项所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

1）熔铸：

11）将纯度大于等于99.9%的原铝锭清洗干净，并把所述原铝锭叉到炉门前烘烤干燥；

12）将经步骤11）处理后的所述原铝锭送入熔炼炉，并加入铝硅中间合金锭、工业镁锭和铝钛硼丝，进行熔炼，精炼所需的氮气纯度要求达到99.99％以上；熔炼过程中，控制熔炼温度720℃-750℃，待金属熔化彻底，精炼2次，每次精炼至少25分钟以上，精炼剂使用量按照2.5kg/吨，扒渣；熔炼过程中炉膛温度控制在1100℃以下；

13）在铝合金熔液温度为740℃-750℃的条件下，搅拌控制成分均匀，并微调铝合金熔液的化学成分，使铝合金熔液的化学成分按重量百分比计为：

Si：0.41-0.45wt%，Fe：0.10-0.18wt%，Cu：0.01-0.05wt%，Mn：0.02-0.05wt%，Mg：0.53-0.58wt%，Cr：0.01-0.05wt%，Zn：0.01-0.05wt%，Ti：0.02-0.05wt%，余量为Al及不可避免的杂质；

14）静置30min后，然后在700℃-730℃温度下使用同水平半连续热顶铸造，铸成挤压需要的铝合金棒；

15）将步骤14）得到的所述铝合金棒进行均质处理；

2）将步骤1）得到的所述铝合金棒在1000吨的正向挤压机上进行挤压，所述挤压成型步骤中挤压速度12-18m/min，挤压成型时圆铸棒温度460℃-510℃，模具温度430℃-480℃，挤压筒温度420±20℃，出料口温度大于510℃；采用强风冷却工艺进行在线淬火，得到铝合金型材；

3）将步骤2）得到的所述铝合金型材，放置到铝合金时效炉内，进行人工时效，T5态，采用时效工艺为温度200±5℃保温1.5h-2h；T6或者T66态，采用时效工艺为温度200±5℃保温2h-4h。

4.根据权利要求3所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法，其特征在于，步骤12）中，所述铝硅中间合金锭中Si含量为18-20wt%。

5.根据权利要求3所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法，其特征在于，步骤13）中，所述搅拌使用电磁搅拌设备仪器对熔体进行顺/逆时针搅拌。

6.根据权利要求3所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法，其特征在于，步骤14）中，所述铝合金棒为圆柱形的铝合金棒。

7.根据权利要求3所述的高性能AlMgSi合金型材的制备方法，其特征在于，步骤15）中，进行均质处理时，均质处理工艺的温度控制为570±10℃，保温时间6-8h。