CN112695233A - 一种铝合金制备方法 - Google Patents

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CN112695233A CN202011326144.8A CN202011326144A CN112695233A CN 112695233 A CN112695233 A CN 112695233A CN 202011326144 A CN202011326144 A CN 202011326144A CN 112695233 A CN112695233 A CN 112695233A
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Abstract

一种铝合金制备方法，包括以下步骤：S10：将纯度99.99%的精纯铝锭置入熔炼炉中以725‑758℃的温度融化成铝液，进行扒渣处理；S20：根据计算值添加补料：加入其他金属及元素，完全溶解后开启电磁搅拌充分均匀搅拌铝液，进行精炼扒渣处理；S30：对铝液进行成分检测，根据检测结果进行补料或补铝，使铝液成分配比符合要求；S40：铝液熔炼，熔炼工序中采用在线除气技术；S50：铝液静置，保持温度在745‑755℃，静置20‑50分钟后进行铸造，铸造工序中采用气滑铸造技术，将铝液铸造成铝棒；S60：在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm~2mm，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。本申请中提供了一种铝合金制备方法，提高了产品质量，产品具有较好的外观质量、抗蚀性和抗高温开裂性能。

Description

一种铝合金制备方法
技术领域
本发明属于铝合金生产制备领域，具体涉及一种铝合金制备方法。
背景技术
铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，也是地壳中含量最丰富的金属元素，主要以铝硅酸盐矿石存在。在金属品种中，铝制金属仅次于钢铁，为第二大类金属。
铝合金是目前广泛使用的金属合金材料，由其制成的铝合金型材品种规格繁多，用途广泛，在轧制生产中占有非常重要的地位。同时，铝合金也是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中都有大量应用，目前铝合金是应用最多的合金材料。
汽车气门嘴用于安装在轮胎上，是一种独立的阀体装置，打开时让气体进入轮胎中，然后自动关闭并密封，从而使轮胎中的气体产生气压，以防止气体逸出轮胎或内胎。
6063铝合金广泛用于建筑铝门窗、幕墙框架、汽车零部件等领域中，是一种常见的铝合金型号。6063标准的铝合金具有一个大致范围的金属组分配合，但具体应用到不同的领域和产品时，还需要根据实际需求对金属组分进行配比优化，使对应的产品符合高质量的要求。
目前，用于生产铝合金汽车零配件产品的6063铝合金棒材，还存在一些问题，如：素材成品率低，素材表面易出现划线、纹粗、杂质析出等问题；素材抛光后易产生流星状拖尾；素材氧化过后容易出现断续的白线、暗线等。
因此，针对以上还存在的一些问题，申请人对6063铝合金的制备方法进行了进一步的研究和优化。
发明内容
针对以上现有技术中的不足，本发明提供了一种铝合金制备方法，所制备的铝合金中断绝了纹粗的出现，减少了划线的出现，且杂质析出的问题发生极低；减少了流星状拖尾的产生；减少了氧化后白线和暗线的出现；显著提高了产品成品率，提高了产品质量。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决。
一种铝合金制备方法，包括以下步骤：S10：将纯度99.99%的精纯铝锭置入熔炼炉中以725-758℃的温度融化成铝液，进行扒渣处理；S20：根据计算值添加补料：加入其他金属及元素，完全溶解后开启电磁搅拌充分均匀搅拌铝液，进行精炼扒渣处理；S30：对铝液进行成分检测，根据检测结果进行补料或补铝，使铝液成分配比符合要求；S40：铝液熔炼，熔炼工序中采用在线除气技术；S50：铝液静置，保持温度在745-755℃，静置20-50分钟后进行铸造，铸造工序中采用气滑铸造技术，将铝液铸造成铝棒；S60：在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm~2mm，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
作为优选，步骤S40中，氩气压力为0.2-0.3MPA。
作为优选，步骤S50中，冷却水压为0.35-0.4MPA，35℃±3℃稳态，出水口720-740℃，分流盘660-715℃，铸造速度140-160mm/min。
作为优选，步骤S30中，铝液成分配比包括以下组分和重量分数：Si：0.35%~0.38%，Fe：0.1%~0.14%，Cu：0~0.01%，Mn：0~0.01%，Mg：0.5%~0.55%，Cr：0~0.01%，Zn：0~0.01%，Ti：0~0.01%，Ni：0~0.003%，稀土元素：0.001%~0.002%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本申请中提供了一种铝合金制备方法，通过对上传工艺的优化和组分的调整，所制备的铝合金中断绝了纹粗的出现，减少了划线的出现，且杂质析出的问题发生极低；减少了流星状拖尾的产生；减少了氧化后白线和暗线的出现；显著提高了产品成品率，提高了产品质量，产品具有较好的外观质量、抗蚀性和抗高温开裂性能。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
以下实施方式中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的原件或具有相同或类似功能的原件，以下实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本申请中的涉及的铝合金，包括以下组分及重量占比：Si：0.35%~0.38%，Fe：0.1%~0.14%，Cu：0~0.01%，Mn：0~0.01%，Mg：0.5%~0.55%，Cr：0~0.01%，Zn：0~0.01%，Ti：0~0.01%，Ni：0~0.003%，稀土元素：0.001%~0.002%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
具体的，本申请中，所述的铝合金为铝合金棒材，该铝合金棒材的熔炼工序中采用在线除气技术，该铝合金棒材的铸造工序中采用气滑铸造技术。该铝合金棒材在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm~2mm。该铝合金棒材在生产过程中，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
具体来看，本申请中，其中Si的存在会增加挤压型材的抗腐蚀能力，而Cu的存在正好相反，通过两者组分的协调，本申请的铝合金提高Si的含量以及降低Cu的含量来增加阳极氧化后型材的耐腐蚀性。并且上述成分中的Si能改变合金的铸造性能，提高合金的高温造型性，减少合金的收缩率，使制品无产生裂纹的倾向，因此，适量增加Si含量有利于产品性能提高，但过量Si会使产品的整体机械性能明显下降。而Cu能增加合金的金属流动性，但过高的成分又会降低合金的塑性，使制品热裂倾向加大，因此本申请中将Cu的含量严格控制在0.01%以内。
在铝合金中加入Mg有助于增加铝合金铸态组织的稳定性并使其得到细化，合金中的Mg与Si形成了Mg2Si相，该相沿晶界不规则分布，Mg在铝中有较高的固溶度能增加铝合金的固溶强化作用。同时，Mg2Si在基体中的弥散强化作用、热处理强化相的沉淀强化作用以及Mg元素富集于固溶界面前沿所造成额度成分过冷作用会细化二次支晶臂间距，这些因素加起来提升了铝合金基体的力学性能。
Fe是铝合金中的有害元素会造成铝合金力学性能降低，但是Fe又助于降低铝合金在压铸过程中的粘附效果，并且有助于提高型材在氧化后表面的光亮性，因此，Fe含量需要不断尝试调整至需要的含量。本申请中，经过多次实验将Fe的成分优选严格控制在0.1%-0.14%，保证了压铸时粘附效果的降低，提高了产品表面光亮性，同时也使铝合金力学性能的降低在可接受范围内。并且，进一步的，由于Mn的微量添加可以降低Fe对铝合金力学性能带来的伤害，因此本申请中优选了0.01%以内的Mn中和Fe对铝合金力学性能带来的伤害，使产品的整体性能得到提高。
除此之外，本申请中还增加了微量的轻稀土元素（镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕中的一种或多种），轻稀土元素的加入改变了铝合金的结晶条件，并改善其微观结构和力学性能。轻稀土元素在铝合金中可细化枝晶组织，抑制了铝合金中粗片状富铁相的产生。并且，稀土元素具有比铝元素大得多的原子半径，且稀土元素的晶体结构为密排六方，因此稀土元素几乎不溶于铝基体。由于稀土的电负性较大，具有很高的化学活性，稀土溶于铝液中，大部分聚集在晶界处，填补铝相的表面缺陷，形成表面活性膜，有效地抑制柱状晶和二次枝晶的生长，促进细小等轴晶的形成。进一步的，稀土元素可以吸附大量的氢，生成稳定的CeH2，LaH2等难熔化合物，减少气泡的形成，在冶炼过程中，均以残留物的形式析出，大大降低了铝合金的含氢量，实现了净化基体的作用。
此外，稀土元素和铝合金中的低熔点有害物质会发生反应生成高熔点、低密度、稳定性好的化合物，能够上浮成渣，可以捞除净化，消除合金中微量杂质的有害作用。当稀土元素的添加量不同时，铝合金中稀土元素的存在形式也不一样，本申请中，选择了微量的稀土元素添加，当稀土元素的质量分数小于0.1%时，稀土元素主要固溶在基体中或者偏聚在晶界处，起到有限固溶强化的作用，提高合金的强度。
本申请中的铝合金，在铝液熔炼过程中，采用了在线除气技术：在铝液熔炼过程中，工作中旋转的转子将吹入铝水中的惰性气体（氩气或氮气）破碎成大量的弥散气泡，并使其分散在铝液中；气泡在熔液中靠气体分压差和表面吸附原理，吸收熔液中的氢，吸附氧化夹渣，并随气泡上升而被带出熔液表面，使熔液得以净化；由于气泡细小弥散，与旋转熔液均匀混合，并随之转动呈螺旋形缓慢上浮，与熔液接触时不会形成连续直线上升产生的气流，从而显著提高了净化效果。
本申请中的铝合金，在铸造过程中，采用了气滑铸造技术：在结晶器上分别开孔，铸造油和压缩空气通过管道输送至结晶器上的相应的孔中；然后再进入石墨环中混合，在石墨环内表面形成油气膜。熔融铝液在石墨环处一次冷却凝固成壳，随着铸机下移，铝液不断充满凝壳；结晶器喷出的水对凝壳进行二次冷却，凝壳内部熔液逐渐固化，形成铝棒。石墨环内表面油气膜可使铝液快速固化，产生最低限度的合金偏析，从而减少凝壳厚度和液穴深度，获得晶粒更小、组织更均匀的铝棒。由于油气膜隔绝了铝液和结晶器接触，所以可获得更光滑的铝棒表面。有助于抑制和消除白线、麻点、色差等缺陷，具有较好的外观质量、抗蚀性和抗高温开裂性能。
此外，本申请中的铝合金生产过程中，还需要对模具进行处理：（1）增加渗氮第一阶段保温的温度，达到5-10摄氏度；（2）增加渗氮第一阶段保温时长，达到1小时左右；（3）渗氮第一阶段氨气流量为至2200L/h。以上工艺可以促进模具氮化层强度加固，使其充分渗氮。
在铝棒生产过程中，还采用了铝棒剥皮技术，剥去铝棒的表层。申请人从原本不剥皮到增加剥3mm左右进行试验，结果发现，增加1.5mm-2.0mm的剥皮效果更加良好，剥皮后的铝棒所生产的产品的质量缺陷少。
此外，申请人经过多次实验发现，氧化后的白线以及暗线形成断续是由于氧化铝的挤入形成的，且分流模的流量原理导致铝棒外表皮硬质铝优先挤入模腔存料室，影响产品质量。因此本申请中，经过多次验证将铝棒头部工艺余量锁定在3.5m进行切除，尾部工艺余量锁定在1m进行切除，同时验证压余厚度必须大于15mm，且修正了清缸频次，在最大程度上确保了产品的成品率和合格率。同时，本申请中，在模具中加入液氮进行冷却，以保护模具不因挤压过程中的摩擦产热而升温淬火。
以下为本申请中的具体实施例。
实施例一：铝合金棒材，包括以下组分及重量占比：Si：0.35%，Fe：0.1%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.55%，Cr：0%，Zn：0%，Ti：0.01%，Ni：0.003%，稀土元素：0.001%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
该铝合金棒材的熔炼工序中采用在线除气技术，该铝合金棒材的铸造工序中采用气滑铸造技术。该铝合金棒材在生产过程中采用剥皮工艺剥去2mm。该铝合金棒材在生产过程中，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
实施例二：铝合金棒材，包括以下组分及重量占比：Si：0.38%，Fe：0.14%，Cu：0.001%，Mn：0.001%，Mg：0.5%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0%，Ni：0%，稀土元素：0.002%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
该铝合金棒材的熔炼工序中采用在线除气技术，该铝合金棒材的铸造工序中采用气滑铸造技术。该铝合金棒材在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm。该铝合金棒材在生产过程中，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
实施例三：铝合金棒材，包括以下组分及重量占比：Si：0.36%，Fe：0.12%，Cu：0.005%，Mn：0.005%，Mg：0.52%，Cr：0.005%，Zn：0.005%，Ti：0.005%，Ni：0.003%，稀土元素：0.002%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
该铝合金棒材的熔炼工序中采用在线除气技术，该铝合金棒材的铸造工序中采用气滑铸造技术。该铝合金棒材在生产过程中采用剥皮工艺剥去2mm。该铝合金棒材在生产过程中，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
对比例一：铝合金棒材，包括以下组分及重量占比：Si：0.25%，Fe：0.25%，Cu：0.02%，Mn：0%，Mg：0.55%，Cr：0%，Zn：0%，Ti：0.01%，Ni：0.003%，稀土元素：0%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
该铝合金棒材的熔炼工序中采用在线除气技术，该铝合金棒材的铸造工序中采用气滑铸造技术。该铝合金棒材在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm。该铝合金棒材在生产过程中，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
对比例二：铝合金棒材，包括以下组分及重量占比：Si：0.5%，Fe：0.14%，Cu：0%，Mn：0.05%，Mg：0.55%，Cr：0%，Zn：0%，Ti：0.01%，Ni：0.003%，稀土元素：0.001%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
该铝合金棒材的熔炼工序中采用在线除气技术，该铝合金棒材的铸造工序中采用气滑铸造技术。该铝合金棒材在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm。该铝合金棒材在生产过程中，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
对比例三：铝合金棒材，包括以下组分及重量占比：Si：0.35%，Fe：0.13%，Cu：0.01%，Mn：0.01%，Mg：0.8%，Cr：0%，Zn：0%，Ti：0.01%，Ni：0.003%，稀土元素：0.001%，杂质：0~0.01%，其余为Al。该铝合金棒材的熔炼工序中采用在线除气技术，该铝合金棒材的铸造工序中采用气滑铸造技术。该铝合金棒材在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm。该铝合金棒材在生产过程中，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
对比例四：铝合金棒材，包括以下组分及重量占比：Si：0.38%，Fe：0.14%，Cu：0.001%，Mn：0.001%，Mg：0.5%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0%，Ni：0%，稀土元素：0.002%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
该铝合金棒材的熔炼工序中采用在线除气技术，该铝合金棒材的铸造工序中采用气滑铸造技术。该铝合金棒材在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm。
对比例五：铝合金棒材，包括以下组分及重量占比：Si：0.38%，Fe：0.14%，Cu：0.001%，Mn：0.001%，Mg：0.5%，Cr：0.01%，Zn：0.01%，Ti：0%，Ni：0%，稀土元素：0.002%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
该铝合金棒材的熔炼工序中采用在线除气技术，该铝合金棒材的铸造工序中采用气滑铸造技术。该铝合金棒材在生产过程中，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
以上实施例和对比例中的铝合金棒材，生产方法如下。
S10：将纯度99.99%的精纯铝锭置入熔炼炉中以725-758℃的温度融化成铝液，进行扒渣处理；S20：根据计算值添加补料：加入其他金属及元素，完全溶解后开启电磁搅拌充分均匀搅拌铝液，进行精炼扒渣处理；S30：对铝液进行成分检测，根据检测结果进行补料或补铝，使铝液成分配比符合要求；S40：铝液熔炼，熔炼工序中采用在线除气技术；S50：铝液静置，保持温度在745-755℃，静置20-50分钟后进行铸造，铸造工序中采用气滑铸造技术，将铝液铸造成铝棒；S60：在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm~2mm，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
本申请中，精炼过程在线除气大幅度减少滤液中氢气的含量，提高了铝棒的组织均匀度。避免在挤压过程中产生气泡和氢气的还原反应，有效的解决了型材氧化后产生白线的缺陷，此阶段氩气压力为0.2-0.3MPA。
本申请中，铸造过程采用气滑铸造使铝液快速固化，产生最低限度的合金偏析，从而减少凝壳厚度和液穴深度，获得晶粒更小、组织更均匀的铝棒，同时加强了铝棒表面的光滑度，避免挤压过程的压力不均。冷却水压为0.35-0.4MPA，35℃±3℃稳态，出水口720-740℃，分流盘660-715℃，铸造速度140-160mm/min。
模具处理方面：有效的增加了模具工作带氮化层的强度和深度，避免氮化层因为过量撞击和压力造成脱落，划伤型材表面，乃至挤入型材结构中。
生产工艺方面：1、剥去铝棒表皮，减少表面氧化铝挤入的风险。2、由于分流模的流量原理，铝棒表皮会优先挤入模具形成型材，加大头部工艺余量切除，避免挤压端不可识别的氧化铝流入后段氧化。3、保证压余最低15mm，控制铝棒表层氧化铝的挤入。4、增加清缸频率以减少缸内杂质和状态不佳的铝料挤入型材。5、利用液氮导入模具，避免因为挤压过程的摩擦作用造成模具升温过高，长时间过温状态造成模具淬火导致模具工作带状态变化影响型材表面质量。
以上实施例和对比例中的铝合金棒材的质量结果如下。
实施例一中，生产的铝合金棒材表面没有出现划线、纹粗、杂质析出的现象，棒材抛光后未产生流星状拖尾，棒材氧化后未出现白线和暗线。
实施例二中，生产的铝合金棒材表面没有出现划线、纹粗、杂质析出的现象，棒材抛光后未产生流星状拖尾，棒材氧化后未出现白线和暗线。
实施例三中，生产的铝合金棒材表面没有出现划线、纹粗、杂质析出的现象，棒材抛光后未产生流星状拖尾，棒材氧化后未出现白线和暗线。
对比例一中，生产的铝合金棒材的力学性能差，抗腐蚀性差，基底纯净度差，所制备的型材因为强度差导致不合格率高，
对比例二中，生产的铝合金棒材在制备过程中，流动性稍差，也会产生一定的不合格产品。
对比例三中，生产的铝合金棒材的性能基本与实施例中的相同，但Mg含量偏高。
对比例四中，生产的铝合金棒材由于为采取切头切尾工序，氧化铝含量偏高，出现划线、白线、暗线等缺陷的区域较多。
实施例五中，生产的铝合金棒材由于为采取剥皮工序，氧化铝含量偏高，出现划线、白线、暗线等缺陷的区域较多。
以上所述，本申请中通过对铝合金组分和生产工艺的调整，增加了阳极氧化后型材的耐腐蚀性，提高了合金的高温造型性，减少合金的收缩率，使制品无产生裂纹的倾向；提升了铝合金基体的力学性能，抑制和消除了铝棒上白线、麻点、色差等缺陷，具有较好的外观质量、抗蚀性和抗高温开裂性能。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种铝合金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：将纯度99.99%的精纯铝锭置入熔炼炉中以725-758℃的温度融化成铝液，进行扒渣处理；
S20：根据计算值添加补料：加入其他金属及元素，完全溶解后开启电磁搅拌充分均匀搅拌铝液，进行精炼扒渣处理；
S30：对铝液进行成分检测，根据检测结果进行补料或补铝，使铝液成分配比符合要求；
S40：铝液熔炼，熔炼工序中采用在线除气技术；
S50：铝液静置，保持温度在745-755℃，静置20-50分钟后进行铸造，铸造工序中采用气滑铸造技术，将铝液铸造成铝棒；
S60：在生产过程中采用剥皮工艺剥去1.5mm~2mm，挤出成型后切除头部3.5m和尾部1m的工艺余量。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金制备方法，其特征在于，步骤S40中，氩气压力为0.2-0.3MPA。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金制备方法，其特征在于，步骤S50中，冷却水压为0.35-0.4MPA，35℃±3℃稳态，出水口720-740℃，分流盘660-715℃，铸造速度140-160mm/min。
4.根据权利要求1~3任一项所述的一种铝合金制备方法，其特征在于，步骤S30中，铝液成分配比包括以下组分和重量分数：Si：0.35%~0.38%，Fe：0.1%~0.14%，Cu：0~0.01%，Mn：0~0.01%，Mg：0.5%~0.55%，Cr：0~0.01%，Zn：0~0.01%，Ti：0~0.01%，Ni：0~0.003%，稀土元素：0.001%~0.002%，杂质：0~0.01%，其余为Al。
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