CN112251654A - 一种螺杆用高强度铝材及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铝合金材料技术领域，公开了一种螺杆用高强度铝材及制备方法，旨在解决钢质螺杆表现出的耐腐蚀性较差，循环可利用率低，会增加模板整体重量等问题。铝材中各成分的质量百分比分别为：Si：1.0～1.1％，Fe：0.18～0.25％，Cu：0.45～0.55％，Mn：0.46～0.48％，Mg：0.9～0.95％，Cr：0.06‑0.13％，Zn：0.17～0.23％，Ti：0.03～0.08％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.05％，杂质元素总含量≤0.15％，余量为Al。本发明通过合理的成分配比使得产出的铝合金螺杆从性能上能够满足铝模板拼装使用需求，很好的替代了原有的钢质螺杆，并具有强度高、重量轻、不易腐蚀、易加工且能再循环利用。

Description

一种螺杆用高强度铝材及制备方法
技术领域
本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种螺杆用高强度铝材及制备方法。
背景技术
铝合金模板是建筑生产模板之一，在模板拼装过程中需要采购大量的螺杆进行连接。目前市场中的螺杆多采用是钢材质，应用较广的有45号钢、40Cr、氮化钢等。其中45号钢耐磨耐腐蚀性差；40Cr需在表面镀Cr化层，工艺复杂且成本较大；氮化钢综合效果较好，但抵抗氯化氢腐蚀能力低，且价格昂贵。除此之外，钢螺杆重量大，会增加铝模板整体的负重量，且钢螺杆可循环利用率低，不易于节约成本。因此，亟待生产一种性能可满足实际需求的铝合金螺杆，从而代替钢螺杆，达到节约成本的目的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种螺杆用高强度铝材及制备方法，旨在解决钢质螺杆表现出的耐腐蚀性较差，循环可利用率低，会增加模板整体重量等问题。
为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种螺杆用高强度铝材，铝材中各成分的质量百分比分别为：Si：1.0～1.1％，Fe：0.18～0.25％，Cu：0.45～0.55％，Mn：0.46～0.48％，Mg：0.9～0.95％，Cr：0.06-0.13％，Zn：0.17～0.23％，Ti：0.03～0.08％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.05％，杂质元素总含量≤0.15％，余量为Al。
优选的，铝材由以下质量百分比的成分组成：Si：1.0％，Fe：0.25％，Cu：0.45％，Mn：0.48％，Mg：0.90％，Cr：0.06％，Zn：0.17％，Ti：0.08％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.02％，杂质元素总含量≤0.08％，余量为Al。
优选的，铝材由以下质量百分比的成分组成：Si：1.05％，Fe：0.2％，Cu：0.5％，Mn：0.47％，Mg：0.92％，Cr：0.09％，Zn：0.2％，Ti：0.05％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.04％，杂质元素总含量≤0.10％，余量为Al。
优选的，铝材由以下质量百分比的成分组成：Si：1.1％，Fe：0.19％，Cu：0.54％，Mn：0.46％，Mg：0.9％，Cr：0.12％，Zn：0.2％，Ti：0.07％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.05％，杂质元素总含量≤0.15％，余量为Al。
本发明还提供一种螺杆用高强度铝材制备方法，包括如下步骤：(1)按照上述的铝材的各成分质量百分比进行配料，并经熔炼、搅拌、除气精炼、清渣后铸造成铝合金锭；(2)将铸造出的所述铝合金锭进行连续的挤压、固溶处理及双级时效处理后得铝材成品。
进一步，铝合金锭的铸造采用铸造机进行成型铸造，其铸造过程中的熔炼时熔体温度为740-770℃，精炼温度为710-730℃，精炼后静置15min-35min，铸造温度为725-740℃，铸造出口温度为685-695℃，铸造速度为65～68mm/min。
进一步，铝合金锭在铸造成型后进行热处理，热处理包括预固溶处理和单级时效处理，其预固溶处理的温度为450℃，时长为6h；其单级时效处理的温度为120℃，时长为8h。
进一步，铝合金锭的挤压采用挤压机进行成型挤压，其挤压速度为3.0～3.5m/min，挤压比为40.5；挤压筒加热温度为420-440℃，模具加热温度为450～500℃，铝合金锭加热温度为470～490℃。
进一步，固溶处理的温度为550℃，时长为50min。
进一步，双级时效处理包括：一级时效的温度为120℃，时长为4h；二级时效的温度为175℃，时长为8h。
本发明的有益效果是：本发明通过合理的成分配比及最优热处理方法，使得生产出的铝合金螺杆从性能上能够满足铝模板拼装使用需求，其高强度性很好的替代了原有的钢质螺杆，其轻质量能够降低整体铝模板构件的重量，其不易腐蚀性能够延长使用寿命，其易加工性能够降低生产成本，其可回收性能够再循环利用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本实施例提及的螺杆用高强度铝材，其铝材中各成分的质量百分比分别为：Si：1.0～1.1％，Fe：0.18～0.25％，Cu：0.45～0.55％，Mn：0.46～0.48％，Mg：0.9～0.95％，Cr：0.06-0.13％，Zn：0.17～0.23％，Ti：0.03～0.08％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.05％，杂质元素总含量≤0.15％，余量为Al。
本铝材中涉及的硅元素和镁元素的合理配比可使得铝合金具有热膨胀系数小、热裂倾向小、流动性好等优点，使本铸造铝合金明显区别于其它铸造铝合金或变形铝合金。此外硅元素的添加能解决铝铜合金和铝镁合金不能固溶强化的现象，但用量不能远大于镁元素和铜元素的比例，不让会影响后续的拉伸性。镁元素和铝能有较高的互溶，对铝合金的物理性能有较大提高，采用本含量的镁元素能够使最终铸造铝合金在挤压及热处理后具有高速切削加工性能，且不会增加合金脆性。铜元素与铝元素一样具有面心立方结构，铜的熔点较高，在铸造铝合金中添加铜元素，不会形成任何三元化合物。铜和铝的晶格常数相差很大，但铜能溶于铝，因此加入铜元素后，使铝的点阵发生很大的畸变，产生很显著的强化作用，随着铜含量的提高，强度急剧升高而延伸率剧烈下降。为保证加工性能，需要较优良的强度及低延伸率，因此将铜元素的添加量控制在本含量范围内。铁元素和钛元素作为过渡族元素，其在平衡条件下几乎不固溶于铝，且以高温稳定高弹性模量弥散的金属间化合物存在，从强化基体和晶界，使得铝硅镁系铸造铝合金具有优良的高温综合力学性能。铁、钛元素含量需要合理选取，不能无限扩大其含量，因为铁元素含量过高会引起铸件产生裂纹，使铸件产生脆性，而钛元素需要与铁元素配合才能达到增强铝合金高温性能的效果。锰元素熔点高于铜元素，锰元素在铸造铝合金中起到两方面作用，一为中和铁元素的有害作用，使铁元素仅发挥其正面作用即提高高温性能的作用，因此铁元素和锰元素的配比也是选取锰元素含量的重要参考参数；二为提铸造铝合金的耐蚀性，添加锰元素可以细化材料组织，提高再结晶温度，增强铝合金的耐热性。单独添加锌元素对铝合金强度的提高十分有限，同时还存在应力腐蚀开裂倾向，但是锌元素和镁元素能形成强化相Mg/Zn2，能明显提高合金的抗拉强度和屈服强度，为了保证锌元素与镁元素结合产生适应于螺杆的抗拉强度和屈服强度的有利作用，因此将锌元素的添加量控制在本含量范围内。铬元素作为添加剂以提高铝合金的耐腐蚀性。而在铝合金成分中杂质元素主要是碳、硫等有害杂质元素。
具体的，如下面的表1所示的实施例1-3铝材的成分及其质量百分比。
表1：实施例1-3铝合金的成分及其质量百分比
Figure BDA0002753540200000031
实施1：
首先，按照表1中实施例1的铝材的各成分质量百分比进行配料，并经熔炼、搅拌、除气精炼、清渣后铸造成铝合金锭，其铸造采用铸造机进行成型铸造，其中，熔炼时熔体温度为740℃，精炼温度为710℃，精炼气体采用氩气；精炼后静置20min，铸造温度为725℃，出铝口用Al-Ti-B线杆在线细化晶粒；并使用三转子配置的铝熔体在线除气装置除去氢气及夹杂物；使用30ppi+40ppi配置的双级陶瓷过滤板进行在线除渣；将铝合金液放流到分配流槽，导入大规格气幕铸造结晶器进行铸造，铸造出口温度为685℃，铸造速度控制在65mm/min，铸造结束后立即关闭冷却水，进行回火处理，预固溶处理为450℃×6h和单级时效处理为120℃×8h，得到的铝合金锭成品直径为32mm；然后，再对铝合金锭进行连续的挤压、固溶处理及双级时效处理后得铝材，其挤压采用挤压机进行成型挤压，挤压速度为3m/min，挤压比为40.5；挤压筒加热温度为420℃，模具加热温度为450℃，铝合金锭加热温度为470℃；固溶处理为550℃×50min，双级时效处理为120℃×4h+175℃×8h；最后，对铝材进行车削机加工得铝合金螺杆成品，其螺纹参数为：大径18mm，小径16.5mm，螺距6.35mm，螺纹长度150mm，螺杆长度为800mm，旋转方向为右旋，旋转角度为30°。
将挤压-车削完成的铝合金螺杆进行拉伸试验，要求许用应力为60000N，并测出此时的拉伸变形量，保持1min，再加载载荷到80000N，并观察载荷到80000N时螺杆断裂情况，试验结果为表2所示。
表2：拉伸试验性能表
Figure BDA0002753540200000041
此铝合金螺杆用于在向铝模板内浇注水泥后，固定前后背楞与中间铝模板。经测算在保证铝模板平面度并不发生其他变形时，螺杆与背楞之间最大可达60000N(≈6吨)的张力。由表2可知：该合金螺杆拉伸承载力远远满足所需最大张力，最大载荷可达到80000N(≈8吨)。在许用应力为6吨的情况下，该铝合金螺杆安全系数(极限应力/许用应力)为1.33。该铝合金螺杆的各项性能指标均满足实际安装需求。
实施2：
首先，按照表1中实施例2的铝材的各成分质量百分比进行配料，并经熔炼、搅拌、除气精炼、清渣后铸造成铝合金锭，其铸造采用铸造机进行成型铸造，其中，熔炼时熔体温度为745℃，精炼温度为720℃，精炼气体采用氩气；精炼后静置25min，铸造温度为730℃，出铝口用Al-Ti-B线杆在线细化晶粒；并使用三转子配置的铝熔体在线除气装置除去氢气及夹杂物；使用30ppi+40ppi配置的双级陶瓷过滤板进行在线除渣；将铝合金液放流到分配流槽，导入大规格气幕铸造结晶器进行铸造，铸造出口温度为690℃，铸造速度控制在66mm/min，铸造结束后立即关闭冷却水，进行回火处理，预固溶处理为450℃×6h和单级时效处理为120℃×8h，得到的铝合金锭成品直径为32mm；然后，再对铝合金锭进行连续的挤压、固溶处理及双级时效处理后得铝材，其挤压采用挤压机进行成型挤压，挤压速度为3.2m/min，挤压比为40.5；挤压筒加热温度为430℃，模具加热温度为470℃，铝合金锭加热温度为480℃；固溶处理为550℃×50min，双级时效处理为120℃×4h+175℃×8h；最后，对铝材进行车削机加工得铝合金螺杆成品，其螺纹参数为：大径18mm，小径16.5mm，螺距6.35mm，螺纹长度150mm，螺杆长度为800mm，旋转方向为右旋，旋转角度为30°。
经过上述制备方法得到的铝合金螺杆的机械性能具有同实施例1一样的、能够满足实际安装需求。
实施例3：
首先，按照表1中实施例3的铝材的各成分质量百分比进行配料，并经熔炼、搅拌、除气精炼、清渣后铸造成铝合金锭，其铸造采用铸造机进行成型铸造，其中，熔炼时熔体温度为760℃，精炼温度为730℃，精炼气体采用氩气；精炼后静置25min，铸造温度为735℃，出铝口用Al-Ti-B线杆在线细化晶粒；并使用三转子配置的铝熔体在线除气装置除去氢气及夹杂物；使用30ppi+40ppi配置的双级陶瓷过滤板进行在线除渣；将铝合金液放流到分配流槽，导入大规格气幕铸造结晶器进行铸造，铸造出口温度为695℃，铸造速度控制在67mm/min，铸造结束后立即关闭冷却水，进行回火处理，预固溶处理为450℃×6h和单级时效处理为120℃×8h，得到的铝合金锭成品直径为32mm；然后，再对铝合金锭进行连续的挤压、固溶处理及双级时效处理后得铝材，其挤压采用挤压机进行成型挤压，挤压速度为3.5m/min，挤压比为40.5；挤压筒加热温度为440℃，模具加热温度为500℃，铝合金锭加热温度为490℃；固溶处理为550℃×50min，双级时效处理为120℃×4h+175℃×8h；最后，对铝材进行车削机加工得铝合金螺杆成品，其螺纹参数为：大径18mm，小径16.5mm，螺距6.35mm，螺纹长度150mm，螺杆长度为800mm，旋转方向为右旋，旋转角度为30°。
经过上述制备方法得到的铝合金螺杆的机械性能具有同实施例1一样的、能够满足实际安装需求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种螺杆用高强度铝材，其特征在于，所述铝材中各成分的质量百分比分别为：Si：1.0～1.1％，Fe：0.18～0.25％，Cu：0.45～0.55％，Mn：0.46～0.48％，Mg：0.9～0.95％，Cr：0.06-0.13％，Zn：0.17～0.23％，Ti：0.03～0.08％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.05％，杂质元素总含量≤0.15％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的螺杆用高强度铝材，其特征在于，该铝材由以下质量百分比的成分组成：Si：1.0％，Fe：0.25％，Cu：0.45％，Mn：0.48％，Mg：0.90％，Cr：0.06％，Zn：0.17％，Ti：0.08％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.02％，杂质元素总含量≤0.08％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的螺杆用高强度铝材，其特征在于，该铝材由以下质量百分比的成分组成：Si：1.05％，Fe：0.2％，Cu：0.5％，Mn：0.47％，Mg：0.92％，Cr：0.09％，Zn：0.2％，Ti：0.05％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.04％，杂质元素总含量≤0.10％，余量为Al。
4.根据权利要求1所述的螺杆用高强度铝材，其特征在于，该铝材由以下质量百分比的成分组成：Si：1.1％，Fe：0.19％，Cu：0.54％，Mn：0.46％，Mg：0.9％，Cr：0.12％，Zn：0.2％，Ti：0.07％，其他杂质元素中的单项杂质元素含量≤0.05％，杂质元素总含量≤0.15％，余量为Al。
5.一种螺杆用高强度铝材制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)按照如权利要求1-4任一项所述的铝材的各成分质量百分比进行配料，并经熔炼、搅拌、除气精炼、清渣后铸造成铝合金锭；(2)将铸造出的所述铝合金锭进行连续的挤压、固溶处理及双级时效处理后得铝材成品。
6.根据权利要求5所述的螺杆用高强度铝材制备方法，其特征在于，铝合金锭的铸造采用铸造机进行成型铸造，其铸造过程中的熔炼时熔体温度为740-770℃，精炼温度为710-730℃，精炼后静置15min-35min，铸造温度为725-740℃，铸造出口温度为685-695℃，铸造速度为65～68mm/min。
7.根据权利要求5或6所述的螺杆用高强度铝材制备方法，其特征在于，铝合金锭在铸造成型后进行热处理，热处理包括预固溶处理和单级时效处理，其预固溶处理的温度为450℃，时长为6h。
8.根据权利要求5所述的螺杆用高强度铝材制备方法，其特征在于，铝合金锭的挤压采用挤压机进行成型挤压，其挤压速度为3.0～3.5m/min，挤压比为40.5；挤压筒加热温度为420-440℃，模具加热温度为450～500℃，铝合金锭加热温度为470～490℃。
9.根据权利要求5所述的螺杆用高强度铝材制备方法，其特征在于，固溶处理的温度为550℃，时长为50min。
10.根据权利要求5所述的螺杆用高强度铝材制备方法，其特征在于，双级时效处理包括：一级时效的温度为120℃，时长为4h；二级时效的温度为175℃，时长为8h。
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