CN112746201A - 一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能稀土Al‑Mg‑Si铝合金挤压材料，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.5～0.8％，Mg：0.4～0.6％，Cu：0.02～0.21％，Mn：0.1～0.5％，Cr：0.02～0.3％，Ti：0.02～0.03％，稀土元素0.1～0.4％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合。本发明中，通过科学合理地优化合金成分，并添加稀土元素Er、Sc在铝合金体系中形成一种二元金属间化合物Al3Er、Al3Sc，不仅在凝固过程中可起到晶粒细化作用，而且在经T6处理后可均匀地析出大量沉淀物，起到强烈的沉淀强化作用，因此显著提升了铝合金的性能；另外，本发明的高性能稀土Al‑Mg‑Si铝合金挤压材料及其制备方法简单，节约成本和工艺便捷。

Description

一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，尤其涉及一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法。
背景技术
随着国防军工、轨道交通、航空航天等高端技术领域对铝合金挤压型材需求的增加，对其性能也提出了更高的要求。而轨道交通及车辆提出的高速、安全、节能、舒适、环保等要求，是国内现代化建设面临的重大课题之一。Al-Mg-Si系铝合金因具有中等强度、良好的焊接性和挤压成型性，已被广泛的应用于轨道交通及车辆的制造中，尤其可以挤压出断面形状复杂的不同厚薄壁空心型材。目前，Al-Mg-Si系铝合金的各项研究已经被广泛报道，但多集中在挤压性能、焊接性能和腐蚀性能等方面的研究，在铸造工艺方面却研究较少，在合金中添加微量稀土元素更是鲜有报道。现有技术中铝合金主要采用传统半连续铸造方法生产的铸锭，通常存在晶粒粗大，组织不均匀，铸造缺陷明显，铸锭质量差等问题。
由于金属的凝固组织在很大程度上决定了它的机械性能，因此铸锭晶粒细化可有效提高铸锭的力学性能。现有技术中主要有：添加细化剂和微合金、铸造工艺优化等方法来细化晶粒，改善铸锭的力学性能。但随着高端产品对材料质量要求的日益提升，对晶粒的细化程度和力学性能提出了更高的要求，目前的控制方法已无法满足材料更高性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决Al-Mg-Si系铝合金铸锭晶粒细化存在的问题，而提出的一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.5～0.8％，Mg：0.4～0.6％，Cu：0.02～0.21％，Mn：0.1～0.5％，Cr：0.02～0.3％，Ti：0.02～0.03％，稀土元素0.1～0.4％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，其余单个杂质含量≤0.04％，杂质合计≤0.12％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合。
作为上述技术方案的进一步描述：
一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照重量百分比称取以下元素：Si：0.5～0.8％，Mg：0.4～0.6％，Cu：0.02～0.21％，Mn：0.1～0.5％，Cr：0.02～0.3％，Ti：0.02～0.03％，稀土元素0.1～0.4％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合；将Al单质投入工业熔炉内，将熔炉内温度提升到730℃～850℃，将Al分为五份，其中四份将Al熔化后分别加入Cr、Cu、Mn和Ti制成铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和铝钛中间合金，剩下的一份为铝单质；
步骤二：计算各铝合金原料用量并将配制好的铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、工业硅块和铝锭分别转入熔炼炉内，熔炼炉内由上到下依次放置铝锭、铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和工业硅块，熔炼温度为710℃～770℃；
步骤三：在10min后，向炉内熔体中心加入铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块；再5min后，向熔体中心加入镁锭，并将其按压沉于铝液液面以下，两次熔炼温度均为720℃～740℃；
步骤四：在加热10min后，通过搅拌机构对熔炼炉内部进行搅拌，随后对炉内熔体进行炉前成分检测，若成分不合格，则相应补充对应的中间合金，待成分合格后，进行炉内精炼处理，成分合格后向炉内熔体通入氩气和精炼剂进行炉内精炼，精炼温度为710℃～730℃，时间为20min～30min，精炼处理后再进行扒渣，静置20min～30min，得到半连续铸造的铝合金熔液；
步骤五：进行半连续铸造过程中，向铝合金液中均匀在线的添加铝钛硼丝0.01～0.02％，铸造温度为700℃～730℃，铸造速度为50mm/min～85mm/min，冷却水压为0.05MPa～0.10MPa，得到高性能稀土铝合金材料铸棒；
步骤六：将稀土铝合金铸棒均匀化退火处理后，去头尾切割成500mm～600mm定尺长度铝合金短铸锭，车皮后将铝合金短铸锭行挤压，挤压参数为：铸锭加热温度为480℃～520℃，挤压速度为4m/min～5m/min，淬火前温度≥500℃，采用水罐在线淬火的方式，最终挤压成所需的薄壁空管；
步骤七：将挤压成型的薄壁空管室温停放24h后进行180℃～210℃×5h～8h的人工时效，随后空冷至室温，得到高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压型材。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤二中硅块和铝锭的纯度均需要保持在99.9％以上，且每块体积≤55cm3。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤三中铝钛中间合金、稀土铝中间合金和镁锭均采用铝箔进行包裹，防止其与空气接触氧化和烧损。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤四中氩气的纯度≥99.9％。
作为上述技术方案的进一步描述：
所述步骤六中均匀退火处理温度为570℃-600℃，保温时间为8h-10h。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，通过合理的优化成分设计，添加稀土元素，开发出一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料；稀土元素Er、Sc在铝合金中可起到提高性能的作用；通过科学合理地优化合金成分，并添加稀土元素Er、Sc在铝合金体系中形成一种二元金属间化合物Al3Er、Al3Sc，不仅在凝固过程中可起到晶粒细化作用，而且在经T6处理后可均匀地析出大量沉淀物，起到强烈的沉淀强化作用，因此显著提升了铝合金的性能；另外，本发明的高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法简单，节约成本和工艺便捷。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.5～0.8％，Mg：0.4～0.6％，Cu：0.02～0.21％，Mn：0.1～0.5％，Cr：0.02～0.3％，Ti：0.02～0.03％，稀土元素0.1～0.4％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，其余单个杂质含量≤0.04％，杂质合计≤0.12％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合；
一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照重量百分比称取以下元素：Si：0.6％，Mg：0.5％，Cu：0.15％，Mn：0.4％，Cr：0.15％，Ti：0.03％，稀土元素0.4％，Zn：0.01％，Fe：0.12％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合；将Al单质投入工业熔炉内，将熔炉内温度提升到750℃，将Al分为五份，其中四份将Al熔化后分别加入Cr、Cu、Mn和Ti制成铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和铝钛中间合金，剩下的一份为铝单质；
步骤二：计算各铝合金原料用量并将配制好的铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、工业硅块和铝锭分别转入熔炼炉内，熔炼炉内由上到下依次放置铝锭、铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和工业硅块，熔炼温度为750℃，硅块和铝锭的纯度均需要保持在99.9％以上，且每块体积≤55cm3；
步骤三：在10min后，向炉内熔体中心加入铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块；再5min后，向熔体中心加入镁锭，并将其按压沉于铝液液面以下，两次熔炼温度均为730℃，铝钛中间合金、稀土铝中间合金和镁锭均采用铝箔进行包裹，防止其与空气接触氧化和烧损；
步骤四：在加热10min后，通过搅拌机构对熔炼炉内部进行搅拌，随后对炉内熔体进行炉前成分检测，若成分不合格，则相应补充对应的中间合金，待成分合格后，进行炉内精炼处理，成分合格后向炉内熔体通入氩气和精炼剂进行炉内精炼，精炼温度为720℃，时间为25min，精炼处理后再进行扒渣，静置20min，得到半连续铸造的铝合金熔液，氩气的纯度≥99.9％；
步骤五：进行半连续铸造过程中，向铝合金液中均匀在线的添加铝钛硼丝0.01％，铸造温度为700℃，铸造速度为50mm/min，冷却水压为0.05MPa，得到高性能稀土铝合金材料铸棒；
步骤六：将稀土铝合金铸棒均匀化退火处理后，去头尾切割成500mm定尺长度铝合金短铸锭，车皮后将铝合金短铸锭行挤压，挤压参数为：铸锭加热温度为480℃，挤压速度为4m/min，淬火前温度≥500℃，采用水罐在线淬火的方式，最终挤压成所需的薄壁空管，均匀退火处理温度为570℃，保温时间为8h；
步骤七：将挤压成型的薄壁空管室温停放24h后进行180℃×5h的人工时效，随后空冷至室温，得到高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压型材。
实施例二，一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.5～0.8％，Mg：0.4～0.6％，Cu：0.02～0.21％，Mn：0.1～0.5％，Cr：0.02～0.3％，Ti：0.02～0.03％，稀土元素0.1～0.4％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，其余单个杂质含量≤0.04％，杂质合计≤0.12％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合；
一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料制备方法，包括如下步骤：
步骤一：按照重量百分比称取以下元素：Si：0.45％，Mg：0.4％，Cu：0.05％，Mn：0.1％，Cr：0.02％，Ti：0.02％，稀土元素0.1％，Zn：0.01％，Fe：0.12％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合；将Al单质投入工业熔炉内，将熔炉内温度提升到850℃，将Al分为五份，其中四份将Al熔化后分别加入Cr、Cu、Mn和Ti制成铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和铝钛中间合金，剩下的一份为铝单质；
步骤二：计算各铝合金原料用量并将配制好的铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、工业硅块和铝锭分别转入熔炼炉内，熔炼炉内由上到下依次放置铝锭、铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和工业硅块，熔炼温度为770℃，硅块和铝锭的纯度均需要保持在99.9％以上，且每块体积≤55cm3；
步骤三：在10min后，向炉内熔体中心加入铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块；再5min后，向熔体中心加入镁锭，并将其按压沉于铝液液面以下，两次熔炼温度均为740℃，铝钛中间合金、稀土铝中间合金和镁锭均采用铝箔进行包裹，防止其与空气接触氧化和烧损；
步骤四：在加热10min后，通过搅拌机构对熔炼炉内部进行搅拌，随后对炉内熔体进行炉前成分检测，若成分不合格，则相应补充对应的中间合金，待成分合格后，进行炉内精炼处理，成分合格后向炉内熔体通入氩气和精炼剂进行炉内精炼，精炼温度为730℃，时间为30min，精炼处理后再进行扒渣，静置30min，得到半连续铸造的铝合金熔液，氩气的纯度≥99.9％；
步骤五：进行半连续铸造过程中，向铝合金液中均匀在线的添加铝钛硼丝0.02％，铸造温度为730℃，铸造速度为85mm/min，冷却水压为0.10MPa，得到高性能稀土铝合金材料铸棒；
步骤六：将稀土铝合金铸棒均匀化退火处理后，去头尾切割成600mm定尺长度铝合金短铸锭，车皮后将铝合金短铸锭行挤压，挤压参数为：铸锭加热温度为520℃，挤压速度为5m/min，淬火前温度≥500℃，采用水罐在线淬火的方式，最终挤压成所需的薄壁空管，均匀退火处理温度为600℃，保温时间为10h；
步骤七：将挤压成型的薄壁空管室温停放24h后进行210℃×8h的人工时效，随后空冷至室温，得到高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压型材。
Figure BDA0002869121670000071
表1
Figure BDA0002869121670000081
表2
由表1可知，根据发明的方法制备得到的高性能稀土铝合金材料的化学成分与设计的化学成分相同，由此可见本发明的制备方法再现性好；
由表2可以看出，本发明实施例1～2得到的高性能稀土铝合金材料的铸态和挤压+T6处理力学性能显著提高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料，其特征在于，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si：0.5～0.8％，Mg：0.4～0.6％，Cu：0.02～0.21％，Mn：0.1～0.5％，Cr：0.02～0.3％，Ti：0.02～0.03％，稀土元素0.1～0.4％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，其余单个杂质含量≤0.04％，杂质合计≤0.12％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合。
2.根据权利要求1所述的一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：按照重量百分比称取以下元素：Si：0.5～0.8％，Mg：0.4～0.6％，Cu：0.02～0.21％，Mn：0.1～0.5％，Cr：0.02～0.3％，Ti：0.02～0.03％，稀土元素0.1～0.4％，Zn≤0.1％，Fe≤0.15％，余量为Al，稀土元素为Er、Sc中的任意一种或两种混合；将Al单质投入工业熔炉内，将熔炉内温度提升到730℃～850℃，将Al分为五份，其中四份将Al熔化后分别加入Cr、Cu、Mn和Ti制成铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和铝钛中间合金，剩下的一份为铝单质；
步骤二：计算各铝合金原料用量并将配制好的铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、工业硅块和铝锭分别转入熔炼炉内，熔炼炉内由上到下依次放置铝锭、铝铬中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金和工业硅块，熔炼温度为710℃～770℃；
步骤三：在10min后，向炉内熔体中心加入铝钛中间合金和稀土铝中间合金小块；再5min后，向熔体中心加入镁锭，并将其按压沉于铝液液面以下，两次熔炼温度均为720℃～740℃；
步骤四：在加热10min后，通过搅拌机构对熔炼炉内部进行搅拌，随后对炉内熔体进行炉前成分检测，若成分不合格，则相应补充对应的中间合金，待成分合格后，进行炉内精炼处理，成分合格后向炉内熔体通入氩气和精炼剂进行炉内精炼，精炼温度为710℃～730℃，时间为20min～30min，精炼处理后再进行扒渣，静置20min～30min，得到半连续铸造的铝合金熔液；
步骤五：进行半连续铸造过程中，向铝合金液中均匀在线的添加铝钛硼丝0.01～0.02％，铸造温度为700℃～730℃，铸造速度为50mm/min～85mm/min，冷却水压为0.05MPa～0.10MPa，得到高性能稀土铝合金材料铸棒；
步骤六：将稀土铝合金铸棒均匀化退火处理后，去头尾切割成500mm～600mm定尺长度铝合金短铸锭，车皮后将铝合金短铸锭行挤压，挤压参数为：铸锭加热温度为480℃～520℃，挤压速度为4m/min～5m/min，淬火前温度≥500℃，采用水罐在线淬火的方式，最终挤压成所需的薄壁空管；
步骤七：将挤压成型的薄壁空管室温停放24h后进行180℃～210℃×5h～8h的人工时效，随后空冷至室温，得到高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压型材。
3.根据权利要求1所述的一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤二中硅块和铝锭的纯度均需要保持在99.9％以上，且每块体积≤55cm3。
4.根据权利要求1所述的一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤三中铝钛中间合金、稀土铝中间合金和镁锭均采用铝箔进行包裹，防止其与空气接触氧化和烧损。
5.根据权利要求1所述的一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤四中氩气的纯度≥99.9％。
6.根据权利要求1所述的一种高性能稀土Al-Mg-Si铝合金挤压材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤六中均匀退火处理温度为570℃-600℃，保温时间为8h-10h。
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