CN112853138A - 一种新型矿山用硫化机型材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硫化机型材技术领域，提供了一种新型矿山用硫化机型材及其制备方法，通过调整铝合金的合金含量，以及通过特定的条件加入相应的微量元素、稀土元素和变质剂，优化合金的微观组织，在保证材料强度、硬度的同时改善了合金的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能；达到硫化机减重目的的同时提高了该合金的耐腐蚀性能，降低其应力腐蚀敏感倾向，更有利硫化机在矿山矿井下服役使用；在不增加矿山用硫化机械生产成本的前提下，减少铝合金壁厚，降低硫化机械使用的铝合金型材单重，降低硫化机械的设备重量的同时提高合金的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配。

Description

一种新型矿山用硫化机型材及其制备方法
技术领域
本发明涉及硫化机型材技术领域，尤其涉及一种新型矿山用硫化机型材及其制备方法。
背景技术
目前，矿山用硫化机所用材料主要为6005/T5型材；现在产铝型材料机械性能为：
材质 状态 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
6005 T5 250 200 7
注：GB/T-6892-2015
近年来轻量化合金的应用得到了越来越多人们的关注，其中铝及铝合金的应用最为引人注目，此类矿山机械使用环境为矿山矿井内，在使用过程中需人工进行搬动；因此，降低矿山用硫化机单机重量，更利于硫化机械在井下的使用；铝合金型材是硫化机械的主要原材料，因此在保证矿山用硫化机械铝型材的机械性能的前提下，减小铝型材壁厚是硫化机械减重的重要方面。
现有技术中，有的企业使用Al-Zn-Mg系合金材料，可以减少目前硫化机械型材壁厚约为30％，使硫化机械减重约为30％；Al-Zn-Mg系合金属于可热处理强化合金，是一类挤压性能良好的中高强可焊铝合金，具有优异的比刚度、较高的断裂韧性、良好的可热变形性和可焊性而被广泛应用于航空航天、高速列车以及建筑用功能结构件；然而，该合金对应力腐蚀开裂敏感，限制了其应用于开发。
因此，需要提供一种新的技术方案来解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供了一种新型矿山用硫化机型材及其制备方法，本发明用新型7 系合金替代现有技术中6005生产矿山用硫化机型材，通过添加稀土元素SC/Ce 微合金化和热处理工艺改善合金组织，得到达到减重的同时保证材料具有较高的力学性能和耐腐蚀性能的铝合金。
一种新型矿山用硫化机型材制备方法，包括以下步骤：
S1：熔炼生产之前，先做洗炉处理；
S2：根据铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比配置熔炼原材料；
S3：在熔炼炉中加入铝锭，待铝锭完全熔化后，当熔炼温度为730-740℃时直接将锌锭直接分散加入熔体中，待锌锭完全熔化后，然后依次加入Al-Mn、Al-Ti、 Al-Cr、Al-Ce/Al-Sc，搅拌均匀后进行保温、扒渣处理；
S4：将炉温升至780℃时，加入Al-Cu中间合金，进行机械搅拌、保温、扒渣；
S5：待炉温降至720℃时加入镁锭，待其完全熔化后保温静置10min扒渣；
S6：使用高纯惰性气体和六氯乙烷进行精炼除气除杂处理，静置15min；
S7：将经过在线除气过滤处理的铝合金液，加入Al-Ti-B丝进行变质处理，在铸造温度730～750℃采用同水平热顶铸造方式，获得含Ce/Sc的Al-Zn-Mg合金铸锭；
S8：将含Ce/Sc的Al-Zn-Mg合金在箱式电阻炉中进行均匀化热处理形铸锭坯料，然后随炉空冷至室温；
S9：将均匀化热处理后的铸锭坯料在挤压设备上挤压成形及在线淬火，矫直拉伸；
S10：将挤压成形的铸锭坯料先进行低温峰时效处理，再进行一次高温短时间回归时效处理，最后再在低温下进行再时效处理，出炉冷却至室温，得到含 Sc/Ce的Al-Zn-Mg合金。
优选地，所述S2中熔炼原材料包括纯金属、中间合金、稀土元素和变质剂；所述纯金属成分组成包括纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭；中间合金包括Al-Cu、Al-Mn、 Al-Ti、Al-Cr，Cu元素及微量元素以Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr中间合金的形式添加；稀土元素以Al-Ce/Al-Sc中间合金形式添加；变质剂以Al-Ti-B丝的形式添加。
优选地，所述S2中各个元素的质量百分比为：Si≤0.20％、Fe≤0.25％、Cu0.10～0.20％、Mn0.20～0.30％、Mg2.0～2.8％、Cr0.15～0.25％、Zn4.4～4.8％、Ti0.15～0.18％、Ce0.2％/Sc0.3％余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
优选地，所述S2中所有元素添加前均需用铝箔包裹，避免熔炼过程中因熔体温度过高导致烧损严重。
优选地，所述S2中铝锭是铝含量≥99.9％的工业纯铝，镁锭是镁含量≥99.9 ％的工业纯镁，锌锭是锌含量≥99.9％的工业纯锌，Al-Cu中间合金是Al-49.8Cu 合金，铝钛合金是Al-5.1Ti合金，铝铬合金是Al-4.05Cr合金，铝锰合金是 Al-14.55Mn合金，铝钛硼丝是Al-Ti-5B合金丝，稀土元素Ce/Sc是Al-20Ce/Al-2.02Sc 合金。
优选地，所述铝锭采用高纯铝。
优选地，所述铝锭采用双零铝锭。
优选地，所述S6中高纯惰性气体是纯度≥99.99％的氮气。
优选地，在所述S8中，所述的均匀化热处理是将铝合金铸锭在460℃-470 ℃温度下保温12小时出炉空冷。
优选地，在所述S9中，所述的挤压成形及在线淬火工艺是将均匀化热处理后的铸锭坯料加热至470℃-480℃，在挤压机模具温度为490℃，挤压筒温度450 ℃，挤压比为19.27，挤压速度2.0m/min条件下挤压成形，然后在线风冷。
优选地，在所述S9中，矫直拉伸的延伸率为1.5％-3％。
优选地，在所述S10中是将挤压型材先加热至120℃，保温24h进行低温峰时效处理，随后在180℃下保温1h进行高温短时间回归时效处理，最后在120 ℃下保温24h进行再时效处理，出炉冷却至室温。
一种新型矿山用硫化机型材，包括纯金属、中间合金、稀土元素和变质剂；所述纯金属成分组成包括纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭；中间合金包括Al-Cu、Al-Mn、 Al-Ti、Al-Ct，Cu元素及微量元素以Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr中间合金的形式添加；稀土元素为Ce/Sc，稀土元素以Al-Ce/Al-Sc中间合金形式添加；变质剂以 Al-Ti-B丝的形式添加。
优选地，所述矿山用硫化机型材元素含量为：Si≤0.20％、Fe≤0.25％、Cu0.10～0.20％、Mn0.20～0.30％、Mg2.0～2.8％、Cr0.15～0.25％、Zn4.4～4.8％、Ti0.15～0.18％、Ce0.2％/Sc0.3％余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
本发明中通过在Al-Zn-Mg合金中添加稀土元素Sc/Ce并配合以多级时效的热处理工艺，可以降低矿山用硫化机械重量同时保证材料具有较高强度降低了该合金的应力腐蚀敏感倾向，更利于该设备在井下的使用；且该合金添加稀土元素 Sc，在非平衡凝固的条件下，形成的第二相质点Al3Sc为理想的形核剂会细化铸态组织晶粒；提高再结晶温度，抑制再结晶；Al3Sc有良好的沉淀析出强化效应及次生Al3Sc粒子起到弥散强化和亚晶强化作用，提高了合金的强度。另外，在 Al-Zn-Mg合金中添加稀土元素Sc，Sc会改变了晶界析出相的分布形态，抑制PFZ 的形成；形成的Al3Sc第二相质点其电极电位与铝基体间电位差小，Al3Sc不会优先腐蚀，提高铝合金的电化学稳定性，从而有利于提高Al-Zn-Mg合金的抗应力腐蚀能力；在Al-Zn-Mg合金中添加稀土元素Ce，Ce主要富集在晶界处，与杂质元素结合形成稀土化合物，净化了晶界，达到熔体净化的作用；稀土Ce会增大成分过冷，减少枝晶间距，细化铸态组织晶粒；AlCe第二相质点钉扎晶界阻碍位错运动和亚结构的迁移，抑制再结晶；稀土Ce添加到Al-Zn-Mg合金中，容易与主合金元素Zn、Mg形成化合物，使基体中的对合金起强化作用的η′第二相减少，会导致合金强度有所降低，但Ce能够细化晶粒，能够使合金元素分布相对均匀，减少偏析，提高综合力学性能；稀土Ce的加入，由于Ce活性高，易在铝合金表面生成致密的含稀土的氧化膜；另外，Ce会提高合金的自腐蚀电位、改变析出相的分布状态，提高了合金的耐腐蚀性能；另外Sc/Ce添加还可以大大降低成本；而且0.2wt％的Sc/0.3wt％的Ce能使抗拉强度增加至491Mpa，Sc/Ce的添加使合金的剥落腐蚀性能由EC提升至EA，应力腐蚀指数由0.411降低至0.299，大幅提高了该合金的耐腐蚀性能。同时Sc/Ce元素资源丰富具有良好的保供性，添加稀土元素Sc/Ce，可以降低矿山用硫化机械重量同时保证材料具有较高的力学性能和耐腐蚀性能。
综上所述，本发明提供一种新型矿山用硫化机型材及其制备方法，即用新型 7系合金替代6005生产矿山用硫化机型材及其制备方法，主要工艺步骤为熔铸 -均质-热挤压-在线淬火-矫直-时效；本发明中，通过调整铝合金的合金含量，以及通过特定的条件加入相应的微量元素、稀土元素和变质剂，可以进一步优化合金的微观组织，在保证材料强度、硬度的同时改善了合金的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配；达到硫化机减重目的的同时提高了该合金的合金耐腐蚀性能，降低其应力腐蚀敏感倾向，更有利硫化机在矿山矿井下服役使用；在不增加矿山用硫化机械生产成本的前提下，使用强度更高的Al-Zn-Mg合金添加稀土元素SC/Ce微合金化改善合金组织替代现有硫化机械使用的铝合金材料，减少铝合金壁厚，降低硫化机械使用的铝合金型材单重，降低硫化机械的设备重量的同时提高合金的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
(1)本发明通过优化设计合金元素成分，通过稀土元素微合金化改善合金组织，并在优化的时效热处理制度下，制备出达到减重的同时保证材料具有较高的力学性能和耐腐蚀性能的铝合金。
本发明在Al-Zn-Mg合金中添加稀土元素Sc，在非平衡凝固的条件下，Zn、 Mg元素会降低Sc的溶解度，生成面心立方AlCu3型结构的第二相粒子Al3Sc。该质点无论是晶体结构还是晶格常数都与Al基体极为相似，是理想的形核剂，可细化铸态组织晶粒；稀土Ce会增大成分过冷，减少枝晶间距，达到细化铸态组织晶粒的作用；另外，在Al-Zn-Mg合金中添加稀土元素Sc/Ce还可以高再结晶温度、抑制再结晶，可以全面提高铝合金强度、韧性、塑性、热加工性能、耐腐蚀性能。
(2)本发明采用多级时效的热处理工艺，溶质原子二次析出，晶界析出相粗化断续分布，晶内析出相体积分数增大，无PFZ宽化，在保证材料原来高强度的前提下提高了材料的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配。
(3)在Al-Zn-Mg合金中添加Sc/Ce稀土元素，同时配合以多级时效的热处理工艺，不仅可以降低成本，还可以在达到减重目的的同时保证材料具有较高强度，满足矿山用硫化机的使用性能。通过本发明可以降低矿山用硫化机械重量，更利于该设备在井下的使用。另外，还降低成本，具有推广意义。
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做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。
需要注意的是，本发明中提及的各安装方式及各技术术语，都是所属技术领域中早已明确知晓的技术用语，故不再做过多解释。
实施例一：
本发明提供了一种新型矿山用硫化机型材制备方法，包括以下步骤：
S1：熔炼生产之前，先做洗炉处理；清除熔炼炉内各处积存的金属或非金属残渣，防止熔体被金属杂质污染，影响材料性能；
S2：根据铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比配置熔炼原材料；具体地，所述S2中熔炼原材料包括纯金属、中间合金、稀土元素和变质剂；所述纯金属成分组成包括纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭；中间合金包括Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr，Cu 元素及微量元素以Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr中间合金的形式添加；稀土元素为 Ce/Sc，稀土元素以Al-Ce/Al-Sc中间合金形式添加；变质剂以Al-Ti-B丝的形式添加；更优选地，上述所有元素添加前均需用铝箔包裹，避免熔炼过程中因熔体温度过高导致烧损严重。
S3：在熔炼炉中加入铝锭，待铝锭完全熔化后，当熔炼温度为730-740℃时直接将锌锭直接分散加入熔体中，待锌锭完全熔化后，然后依次加入Al-Mn、Al-Ti、 Al-Cr、Al-Ce/Al-Sc，搅拌均匀后进行保温、扒渣处理；
S4：将炉温升至780℃时，加入Al-Cu中间合金，进行机械搅拌、保温、扒渣；
S5：待炉温降至720℃时加入镁锭，待其完全熔化后保温静置10min扒渣；
S6：使用高纯惰性气体和六氯乙烷进行精炼除气除杂处理，静置15min；
S7：将经过在线除气过滤处理的铝合金液，加入Al-Ti-B丝进行变质处理，在铸造温度730～750℃采用同水平热顶铸造方式，获得含Ce/Sc的Al-Zn-Mg合金铸锭；
S8：将含Ce/Sc的Al-Zn-Mg合金在箱式电阻炉中进行均匀化热处理形铸锭坯料，然后随炉空冷至室温；
S9：将均匀化热处理后的铸锭坯料在挤压设备上挤压成形及在线淬火，矫直拉伸；优选地，所述挤压设备采用卧式单动热挤压机(55MN)；
S10：将挤压成形的铸锭坯料先进行低温峰时效，再进行一次高温短时间回归时效处理，最后再在低温下进行再时效处理，出炉冷却至室温，得到含Sc/Ce的 Al-Zn-Mg合金。
优选地，所述S2中各个元素的质量百分比如下：Si≤0.20％、Fe≤0.25％、 Cu0.10～0.20％、Mn0.20～0.30％、Mg2.0～2.8％、Cr0.15～0.25％、Zn4.4～4.8％、Ti0.15～0.18％、Ce0.2％/Sc0.3％余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
优选地，所述S2中铝锭是铝含量≥99.9％的工业纯铝，所述铝锭可以采用高纯铝或者双零铝锭等，技术人员根据具体的情况进行选择即可；镁锭是镁含量≥99.9％的工业纯镁，锌锭是锌含量≥99.9％的工业纯锌，Al-Cu中间合金是 Al-49.8Cu中间合金，铝钛合金是Al-5.1Ti合金，铝铬合金是Al-4.05Cr合金，铝锰合金是Al-14.55Mn合金，铝钛硼丝是Al-Ti-5B-1P合金丝，稀土元素Ce/Sc是 Al-20Ce/Al-2.02Sc中间合金。
优选地，所述S6中高纯惰性气体是纯度≥99.99％的氮气。
优选地，在所述S8中，所述的均匀化热处理是将铝合金铸锭在460℃-470 ℃温度下保温12小时出炉空冷。
优选地，在所述S9中，所述的挤压成形及在线淬火工艺是将均匀化热处理后的铸锭坯料加热至470℃-480℃，在挤压机模具温度为490℃，挤压筒温度450 ℃，挤压比为19.27，挤压速度2.0m/min条件下挤压成形，然后在线风冷；风冷工艺为：强风量，风量开到最大极限。
优选地，在所述S9中，矫直拉伸的延伸率为1.5％-3％；以达到消除内应力的目的
优选地，所述S10中是将挤压型材先加热至120℃，保温24h进行低温峰时效处理，随后在180℃下保温1h进行高温短时间回归时效处理，最后在120℃下保温24h进行再时效处理，出炉冷却至室温；通过三级时效时材料的各方面性能达到最佳。
需要注意的是，注意熔炼的加料顺序为纯铝锭，配比所用的原材料按照熔点的高低依次加入，注意控制熔炼时间不得超过7h，熔化速率为6-8吨/小时，当熔料全部融化后，再进行下一步熔炼作业前，需扒渣，注意在熔体出炉前需进行充分搅拌，使合金化学成分和温度均匀。
实施例二：
本实施例提供了一种新型矿山用硫化机型材，包括纯金属、中间合金、稀土元素和变质剂；所述纯金属成分组成包括纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭；中间合金包括Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr，Cu元素及微量元素以Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr中间合金的形式添加；稀土元素为Ce/Sc，稀土元素以Al-Ce/Al-Sc中间合金形式添加；变质剂以Al-Ti-B丝的形式添加。
优选地，所述矿山用硫化机型材元素含量为：Si≤0.20％、Fe≤0.25％、Cu0.10～0.20％、Mn0.20～0.30％、Mg2.0～2.8％、Cr0.15～0.25％、Zn4.4～4.8％、Ti0.15～0.18％、Ce0.2％/Sc0.3％余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
下面以具体的实验数据对本发明的技术效果进行说明：
表1中为不同元素的质量百分比：
表1
Figure RE-GDA0003027263460000081
1-3为Al-Zn-Mg合金，4-6为本发明的新型矿山用硫化机型材，即新型的7系合金；
上述元素根据实施例一中的步骤进行加工，表2为对上述合金进行不同的时效处理：
表2
Figure RE-GDA0003027263460000091
表2中的通过反复实验、研究分析的实验数据可以得出，铝合金时效采用三级时效中先加热至120℃，保温24h进行低温时效处理，随后在180℃下保温1h进行高温短时间回归时效处理，最后在120℃下保温24h进行再时效处理，出炉冷却至室温；该种工艺的效果最佳，该种时效工艺能够在保证材料原来高强度的前提下，提高材料的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配。
上述实验数据说明该种工艺方法对本发明的新型矿山用硫化机型材进行三级时效处理出来的效果比Al-Zn-Mg合金的效果要好，其出时效炉空冷抗拉强度Rm可到491.2MPa，屈服强度Rp0.2可达455.1MPa，延伸率为9.8％。
表3为经过表2的时效处理后，合金的剥落腐蚀性能；
表3：
Figure RE-GDA0003027263460000092
表3中的通过反复实验、研究分析的实验数据可以得出，本发明经过三级时效处理的剥落腐蚀性能是最佳的；通过对铝合金做剥落腐蚀和慢速率拉伸试验可知，稀土元素Sc/Ce的添加使Al-Zn-Mg铝合金型材合金的剥蚀等级由EC提升至EA；应力腐蚀敏感指数由0.411降至0.299，添加了稀土元素Sc/Ce及采用合理的热处理制度，可以提高型材的耐腐蚀性能。
根据上述实验数据可知，本发明通过添加稀土元素微合金化、淬火工艺及时效方式的优化，可改善合金的综合性能，制备得到质量轻、高挤压性、腐蚀性能良好的矿山用硫化机型材，可以在保持力学性能的前提下显著提高了合金的抗腐蚀性能，使材料具有良好的综合使用性能，且生产效率高、生产成本低，有利于推广和实行。
Sc是到目前所发现的对铝合金力学性能和腐蚀性能改善最为有效的合金元素；合金中添加微量Sc，可表现出诸多优异性能，如改善铸态组织、抑制再结晶作用等，同时，可以全面提高铝合金强度、韧性、塑性、高温性能、耐腐蚀及焊接性能，Sc同时具有稀土金属和过渡族金属的有益作用，但其效果却比这两类金属都明显，另外，我国Sc资源丰富，具有良好的保供性，Sc已经成为国际材料界倍受重视的一种新型铝合金微合金化添加元素；现有技术中无法将Sc与铝合金进行特定条件的融合，无法使铝合金展现更优良的技术，本发明通过矿山用硫化机型材制备方法，通过特定的温度、时间、条件、步骤等将Sc与铝合金进行融合，以此提高铝合金的性能，并且保证不增加矿山用硫化机械生产成本。
Al-Zn-Mg系合金晶粒度等级极其严格，粗大晶粒会使型材的耐蚀性、强度及硬度显著下降，在铝合金中添加Sc元素，在非平衡凝固的条件下可以生成Al3Sc 第二相粒子，该质点为面心立方AlCu3型结构与Al的晶格常数仅相差1.5％，两者的晶格错配度小，无论是晶体结构还是晶格常数都与Al基体极为相似，该质点是fcc的理想晶核，而起到非均质形核的作用，提高形核率，具有明显的晶粒细化的作用；另外，在热加工的过程中，Al3Sc第二相粒子细小弥散的分布在铝基体中，其与基体共格，钉扎晶界和阻碍亚晶粒的长大，阻碍位错的运动，有效抑制合金的再结晶行为，提高合金再结晶温度，它比传统元素Zr、Mn和Cr具有更加明显的抑制再结晶的作用；Sc的添加会保证铝合金材料具有良好的力学性能主要得益于原生Al3Sc和次生Al3Sc相的强化作用：在非均匀形核的过程中形成原生Al3Sc，导致晶粒细化；而次生Al3Sc则在随后的固溶时效的过程中形成，其尺寸在2nm-100nm之间，有良好的沉淀析出强化效应及次生Al3Sc粒子起到弥散强化和亚晶强化作用。
向Al-Zn-Mg系合金中添加Sc元素可以提高合金的耐腐蚀性能，降低合金的应力腐蚀开裂倾向，Sc元素可以提高合金的耐腐蚀性能主要原因主要有以下几方面：
(1)Sc元素的添加细化了合金晶粒，增加了合金中的晶界面积；改变了晶界析出相的分布形态，由连续分布转变为断续分布，抑制了PFZ的形成，抑制腐蚀裂纹沿晶界扩展，从而提高了合金的耐腐蚀性能；
(2)Al3Sc电极电位与铝基体相近，两者之间电位差小，Al3Sc不会优先腐蚀，提高铝合金的电化学稳定性。
(3)Sc的添加会改变偏聚在晶界处杂质原子的浓度，改变晶界析出物的化学成分，提高某些沉淀物的化学惰性。
(4)铝合金的应力腐蚀开裂通常沿再结晶晶界发展，Sc的添加会提高再结晶温度，抑制再结晶亦可降低应力腐蚀开裂倾向。
通过上述描述，在Al-Zn-Mg系合金中添加适量的稀土元素Sc可以进一步优化合金的微观组织，在保证材料强度、硬度的同时改善了合金的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配；达到硫化机减重目的的同时提高了该合金的合金耐腐蚀性能，降低其应力腐蚀敏感倾向，更有利硫化机在矿山矿井下服役使用。
Al-Zn-Mg合金中添加Sc后，基体中会析出Al3Sc弥散相抑制再结晶，产生强化作用的同时提高合金的耐腐蚀性能，但是，Sc稀土元素的价格稍高，熔炼时烧损也较多；经过大量的研究实验，申请人发现可通过添加更便宜、烧损更少的稀土Ce与也可以显著提高Al-Zn-Mg铝合金的耐腐蚀性能；并且其形成的条件与 Sc相同，因此，本发明中的稀土元素可以添加Sc稀土元素或者Ce稀土元素，技术人员根据具体的情况进行选择即可；在Al-Zn-Mg铝合金中添加适量的稀土Ce 时，稀土Ce主要富集在晶界处，与杂质元素结合形成稀土化合物，净化了晶界，去除熔体中的氢和氧化夹杂，消除了杂质元素的有害作用，达到熔体净化的作用。在Al-Zn-Mg合金中添加适量Ce，稀土Ce会增大成分过冷，减少枝晶间距，达到细化铸态组织晶粒的作用；在Al-Zn-Mg铝合金中添加适量的稀土Ce元素，Ce 不溶于铝基体析出AlCe化合物，AlCe第二相质点钉扎晶界阻碍位错运动和亚结构的迁移，稳定变形组织的亚结构，抑制再结晶；微量Ce元素添加到Al-Zn-Mg 合金中，Ce能吸收大量的Zn、Mg等元素，从而形成一种白色多边形的大块状的脆性稀土相(AlxMgyZnz(TiCr)mCe)，该脆性稀土相属于难溶的结晶相，容易成为拉伸裂纹源，降低Al-Zn-Mg铝合金的强度；稀土Ce添加到Al-Zn-Mg合金中，容易与主合金元素Zn、Mg形成化合物，使基体中的对合金起强化作用的η′第二相减少，会导致合金强度有所降低，但Ce能够细化晶粒，又能够提高强度，而且Ce能够使合金元素分布相对均匀，减少偏析，提高综合力学性能，所以添加 Ce到铝合金中，在不牺牲合金强度的同时能提高合金的塑性，综合力学性能提高。
向Al-Zn-Mg合金中添加Ce元素可以提高合金的耐腐蚀性能，降低合金的应力腐蚀开裂倾向，Ce元素可以提高合金的耐腐蚀性能主要原因主要有以下几方面；
(1)稀土Ce的加入，由于Ce活性高，易在铝合金表面生成致密的含稀土的氧化膜，增加氧化膜的均匀性和致密性，减少出现活性溶解，提高合金的耐腐蚀性能。
(2)在Al-Zn-Mg合金中添加稀土Ce会提高合金的自腐蚀电位，增大电荷转移电阻(Rt)，使其耐腐蚀性能大大的提高。
(3)Al-Zn-Mg合金在固溶时效的过程中，晶界附近的Zn、Mg元素扩散到晶界上多以细小连续η(MgZn2)相析出，其具有更负的腐蚀电位在腐蚀介质中优先溶解。而在合金中添加稀土Ce元素，Ce元素能吸收主合金元素Zn、Mg元素，造成合金内η相的减少，晶界上更多地分布着不连续的η相，因此，合金在腐蚀过程中无法形成连续的阳极通道，这样就提高了合金的耐腐蚀性。
通过上述描述，在Al-Zn-Mg合金中添加适量的稀土元素Ce可以进一步优化合金的微观组织，在保证材料强度、硬度的同时改善了合金的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配。达到硫化机减重目的的同时提高了铝该合金的合金耐腐蚀性能，降低其应力腐蚀敏感倾向，更有利硫化机在矿山矿井下服役使用。
综上所述，本发明提供一种新型矿山用硫化机型材及其制备方法，即用新型 7系合金替代6005生产矿山用硫化机型材及其制备方法，主要工艺步骤为熔铸 -均质-热挤压-在线淬火-矫直-时效；本发明中，通过调整铝合金的合金含量，以及通过特定的条件加入相应的微量元素、稀土元素和变质剂，可以进一步优化合金的微观组织，在保证材料强度、硬度的同时改善了合金的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配；达到硫化机减重目的的同时提高了铝该合金的合金耐腐蚀性能，降低其应力腐蚀敏感倾向，更有利硫化机在矿山矿井下服役使用；在不增加矿山用硫化机械生产成本的前提下，使用强度更高的Al-Zn-Mg合金通过添加稀土元素SC/Ce微合金化改善合金组织替代现有硫化机械使用的铝合金材料，减少铝合金壁厚，降低硫化机械使用的铝合金型材单重，降低硫化机械的设备重量的同时提高合金的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
(1)本发明通过优化设计合金元素成分，通过稀土元素微合金化改善合金组织，并在优化的时效热处理制度下，制备出达到减重的同时保证材料具有较高的力学性能和耐腐蚀性能的铝合金。
本发明在Al-Zn-Mg合金中添加稀土元素Sc，在非平衡凝固的条件下，Zn、 Mg元素会降低Sc的溶解度，生成面心立方AlCu3型结构的第二相粒子AlSC3。该质点无论是晶体结构还是晶格常数都与Al基体极为相似，是理想的形核剂，可细化铸态组织晶粒；稀土Ce会增大成分过冷，减少枝晶间距，达到细化铸态组织晶粒的作用；另外，在Al-Zn-Mg合金中添加稀土元素Sc/Ce还可以高再结晶温度、抑制再结晶，可以全面提高铝合金强度、韧性、塑性、热加工性能、耐腐蚀性能。
(2)本发明采用多级时效的热处理工艺，溶质原子二次析出，晶界析出相粗化断续分布，晶内析出相体积分数增大，无PFZ宽化，在保证材料原来高强度的前提下提高了材料的耐腐蚀性能，使合金具有较高的力学性能和良好的耐腐蚀性能的综合性能匹配。
(3)在Al-Zn-Mg合金中添加Sc/Ce稀土元素，同时配合以多级时效的热处理工艺，不仅可以降低成本，还可以在达到减重目的的同时保证材料具有较高强度，满足矿山用硫化机的使用性能。通过本发明可以降低矿山用硫化机械重量，更利于该设备在井下的使用。另外，还降低成本，具有推广意义。
对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型矿山用硫化机型材制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：熔炼生产之前，先做洗炉处理；
S2：根据铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比配置熔炼原材料；
S3：在熔炼炉中加入铝锭，待铝锭完全熔化后，当熔炼温度为730-740℃时直接将锌锭直接分散加入熔体中，待锌锭完全熔化后，然后依次加入Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr、Al-Ce/Al-Sc，搅拌均匀后进行保温、扒渣处理；
S4：将炉温升至780℃时，加入Al-Cu中间合金，进行机械搅拌、保温、扒渣；
S5：待炉温降至720℃时加入镁锭，待其完全熔化后保温静置10min扒渣；
S6：使用高纯惰性气体和六氯乙烷进行精炼除气除杂处理，静置15min；
S7：将经过在线除气过滤处理的铝合金液，加入Al-Ti-B丝进行变质处理，在铸造温度730～750℃采用同水平热顶铸造方式，获得含Ce/Sc的Al-Zn-Mg合金铸锭；
S8：将含Ce/Sc的Al-Zn-Mg合金在箱式电阻炉中进行均匀化热处理形铸锭坯料，然后随炉空冷至室温；
S9：将均匀化热处理后的铸锭坯料在挤压设备上挤压成形及在线淬火，矫直拉伸；
S10：将挤压成形的铸锭坯料先进行低温峰时效处理，再进行一次高温短时间回归时效处理，最后再在低温下进行再时效处理，出炉冷却至室温，得到含Sc/Ce的Al-Zn-Mg合金。
2.根据权利要求1所述的一种新型矿山用硫化机型材制备方法，其特征在于，所述S2中熔炼原材料包括纯金属、中间合金、稀土元素和变质剂；所述纯金属成分组成包括纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭；中间合金包括Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr，Cu元素及微量元素以Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr中间合金的形式添加；稀土元素为Ce/Sc，稀土元素以Al-Ce/Al-Sc中间合金形式添加；变质剂以Al-Ti-B丝的形式添加。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型矿山用硫化机型材制备方法，其特征在于，所述S2中各个元素的质量百分比为：Si≤0.20％、Fe≤0.25％、Cu0.10～0.20％、Mn0.20～0.30％、Mg2.0～2.8％、Cr0.15～0.25％、Zn4.4～4.8％、Ti0.15～0.18％、Ce0.2％/Sc0.3％余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
4.根据权利要求1或2所述的一种新型矿山用硫化机型材制备方法，其特征在于，所述S2中所有元素添加前均需用铝箔包裹，避免熔炼过程中因熔体温度过高导致烧损严重。
5.根据权利要求1或2所述的一种新型矿山用硫化机型材制备方法，其特征在于，所述S2中铝锭是铝含量≥99.9％的工业纯铝，镁锭是镁含量≥99.9％的工业纯镁，锌锭是锌含量≥99.9％的工业纯锌，Al-Cu中间合金是Al-49.8Cu合金，铝钛合金是Al-5.1Ti合金，铝铬合金是Al-4.05Cr合金，铝锰合金是Al-14.55Mn合金，铝钛硼丝是Al-Ti-5B合金丝，稀土元素Ce/Sc是Al-20Ce/Al-2.02Sc合金。
6.根据权利要求1所述的一种新型矿山用硫化机型材制备方法，其特征在于，所述S8中，所述的均匀化热处理是将铝合金铸锭在460℃-470℃温度下保温12小时出炉空冷。
7.根据权利要求1所述的一种新型矿山用硫化机型材制备方法，其特征在于，所述S9中，所述的挤压成形及在线淬火工艺是将均匀化热处理后的铸锭坯料加热至470-℃-480℃，在挤压机模具温度为490℃，挤压筒温度450℃，挤压比为19.27，挤压速度2.0m/min条件下挤压成形，然后在线风冷。
8.根据权利要求1所述的一种新型矿山用硫化机型材制备方法，其特征在于，所述S10先将挤压型材先加热至120℃，保温24h进行低温峰时效处理，随后在180℃下保温1h进行高温短时间回归时效处理，最后在120℃下保温24h进行再时效处理，出炉冷却至室温。
9.一种新型矿山用硫化机型材，其特征在于，包括纯金属、中间合金、稀土元素和变质剂；所述纯金属成分组成包括纯铝锭、纯镁锭、纯锌锭；中间合金包括Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr，Cu元素及微量元素以Al-Cu、Al-Mn、Al-Ti、Al-Cr中间合金的形式添加；稀土元素为Ce/Sc，稀土元素以Al-Ce/Al-Sc中间合金形式添加；变质剂以Al-Ti-B丝的形式添加。
10.根据权利要求9所述的一种新型矿山用硫化机型材，其特征在于，所述矿山用硫化机型材元素含量为：Si≤0.20％、Fe≤0.25％、Cu0.10～0.20％、Mn0.20～0.30％、Mg2.0～2.8％、Cr0.15～0.25％、Zn4.4～4.8％、Ti0.15～0.18％、Ce0.2％/Sc0.3％余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
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