CN112941379A - 一种用于生产模具的铝合金板及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本申请涉及铝基合金领域，具体公开了一种用于生产模具的铝合金板及其制备工艺。一种用于生产模具的铝合金板，按质量百分比计，包括以下组分：Si，Fe，Cu，Mn，Mg，Cr，Zn，Ti，其余为Al以及不可除去的杂质；其制备工艺为：根据最终产品的组分称取原料进行熔炼，将配料完成的熔体进行精炼，将熔体加入挤压机后进行挤压，对挤压后的挤压材进行固溶处理，对固溶处理后的挤压材进行淬火处理，对淬火处理后的挤压材进行拉伸处理，对拉伸处理后的挤压材进行时效处理，将经过时效处理的挤压材进行机械加工制成铝合金板。本申请的铝合金板可用于橡胶圈的模具，其具有良好的耐腐蚀性能。

Description

一种用于生产模具的铝合金板及其制备工艺

技术领域

本申请涉及铝基合金领域，更具体地说，它涉及一种用于生产模具的铝合金板及其制备工艺。

背景技术

模具是用来制作成型物品的工具，这种工具由各种零件构成，不同的模具由不同的零件构成，模具主要通过所成型材料物理状态的改变来实现物品外形的加工。

目前生产橡胶圈时，使用的模具材质均为45号钢。45号钢抗拉强度600MPa、屈服强度355MPa、热轧硬度229HBS、退火硬度197HBS因含硫、磷等有害杂质较少，因而质量较高，其强度、塑性、韧性均比碳素结构钢好，综合力学性能较好，常用于制造较为重要的机械零件。

但是45号钢在长期的使用过程中，模具由于长期接触空气，会发生氧化锈蚀，从而使生产得到的橡胶圈尺寸不稳定，无法达到客户需求。

发明内容

为了提高模具的耐腐蚀性能，本申请提供一种用于生产模具的铝合金板及其制备工艺。

第一方面，本申请提供一种用于生产模具的铝合金板，采用如下的技术方案：

一种用于生产模具的铝合金板，按质量百分比计，包括以下组分：Si≤0.25％，Fe≤0.41％，Cu1.26-1.71％，Mn≤0.3％，Mg2.1-2.5％，Cr0.18-0.28％，Zn5.1-6.0％，Ti≤0.16％，Zr0.1-0.2％，其余为Al以及不可除去的杂质；其中，Zn/Mg比为2.3-2.5。

通过采用上述技术方案，采用铝合金板代替45号钢的方式，使得模具不易生锈，保证了橡胶圈的尺寸稳定性。

Zn、Mg元素形成强化相(MgZn2)η相及它的亚稳态相η＇，Al和Zn、Mg元素形成三元固溶体T(AlMg2Zn3)强化相，在合金温度降低的同时，这些相的溶解度也随之大幅度下降，在晶体内会析出弥散强化相从而提高铝合金的强度。

随着铝合金强度的增加，其韧性、塑性以及抗应力腐蚀性能显著减小，所以需要合理的控制铝合金中Zn和Mg元素的含量及二者的质量比，从而控制铝合金的性能。Zn/Mg比为2.3-2.5时，铝合金综合性能最佳。Zn含量大于6.0％时，合金的塑性、断裂韧性及疲劳性能明显下降，耐蚀性能也较差。Mg含量大于2.5％，会促使应力腐蚀开裂，降低抗应力腐蚀性能。

Cu元素能够与Al、Mg结合形成Al2CuMg相，从而改善Zn、Mg含量过高时降低的抗腐蚀性能及塑性等问题，同时提高铝合金的强度。在Zn含量高的铝合金中，Cu原子能够溶入GP区域，在GP区温度范围得到稳定的同时，还起到了减缓时效析出的作用。Cu原子还能溶入η及η＇强化相中，晶界和晶内的电位差因此得到降低，从而减弱了合金的应力腐蚀开裂。

少量的Cr、Ti、Zr和Mn元素，有利于铝合金的热处理和加工工艺，能够提高铝合金的抗应力腐蚀性能以及力学性能。

其中，Mn、Zr、Cr元素是弥散相形成元素，在合金中形成的弥散相大小为0.01-0.lμm，这种弥散相能够抑制铝合金晶粒的长大和再结晶的发生，在提高铝合金强度的同时还能改善其韧性。

铝合金中含有0.18％～0.28％Cr，能够使得铝合金晶粒中形成一些弥散强化相，从而细化晶粒。

微量元素在Al-Zn-Mg-Cu系合金中加入的量都很少，对合金热处理强化的效果影响很小，但由于对固溶体组织及分解动力学的影响较大，在热变形和高温加热过程中，这些微量元素一部分留在过饱和固溶体中，另一部分会以弥散的金属间化合物析出，这些弥散相能够影响到合金组织和性能的变化，同时也提高了合金再结晶的温度。

Ti元素也能够细化铝合金的晶粒，将少量的钛加入铝合金中，在熔体降温时，会发生如下包晶反应：L+TiAl3→αAl。αAl合金晶粒细化是由于Al3Ti相提供的形核核心的作用，提高了铝合金的韧性、热稳定性以及抗疲劳性能。这是因为随着Ti含量的增大，生成的TiAl3粒子作为形核核心增多，固溶体过冷度增加，使得晶粒变细。但如果钛含量过高，合金凝固时会出现粗大的TiAl3粒子，合金晶粒长大，合金的强韧性能明显下降，因此铝合金中Ti元素的添加一般为微量。

Zr能够与Al结合形成Al3Zr化合物，该化合物存在2种形态和结构：一种是四方结构的Al3Zr，可抑制晶粒长大，使得铸态晶粒得到显著的细化效果；另一种为球形粒子，呈LI2结构，和基体成共格关系，能够很好的抑制合金的再结晶，在时效当中，次生的Al3Zr粒子可促使η＇(MgZn2)相的析出。因此，Zr元素的添加不仅提高了合金的强度，还改善了塑性及伸长率。同时0.2％锆的添加能够显著提高合金的可焊性,减小焊接裂纹。

适量Ce元素的加入对铝合金铸态晶粒细化、晶内偏析及净化铝合金晶界，去除晶界夹杂物都有很好的改善作用，能很好的提高铝合金力学性能及韧性。Ce的含量为0.15-0.25％时，Ce能够在铝合金中产生大量的位错对，导致铝合金断裂过程中扩展途径和裂纹萌生的位置发生改变，从而提高铝合金的韧性。

当Ce的添加量为0.15-0.25％时，Ce主要聚集在铝合金的晶界处，并与Fe、Si等杂质元素结合形成稀土化合物，降低了杂质元素对铝合金性能的影响，从而起到净化晶界的作用。此外，Ce还会与铝合金中的其他元素形成金属化合物，改变合金中相成分，时效后在基体中会析出弥散分布的新相，从而对铝合金起到弥散强化的作用。

Ce在α-A1中的固溶度能够达到0.05％，溶解度有限，分配系数K0<1，当熔体发生凝固时，在结晶前沿会有大量的溶质聚集，枝晶延伸受到阻碍，有利于枝晶的熔断，从而使得晶粒得到细化，稀土与铝形成的化合物(CeAl4)与α相有很好的共格关系，能够起到异质形核的作用，进而细化晶粒。

当Ce的添加量过多，使得铝合金中Ce的含量超过0.25％时，Ce会先在铝合金内部先形成许多球状化合物，导致Ce在固液界面前沿的富集量大大减少，从而导致生成的组织粗大，经时效后由于晶界处块状化合物难以熔化，导致应力集中，从而降低了铝合金的韧性。

优选的，还包括0.1-0.2％Sc。

通过采用上述技术方案，0.1-0.2％的Sc，能够使得铝合金的微观组织和结构都发生改变，从而可以有效提高合金的力学性能、抗应力腐蚀性能和耐腐蚀性能。

这是由于铝合金熔体中加入Sc元素之后，可以形成大量稳定的A13Sc初生相，该相的点阵常数与铝非常接近，可以作为铝合金异质形核的核心，在铝合金凝固过程中，作为结晶的晶核，因此可以有效细化铝合金的晶粒，提高合金的力学性能。细化晶粒可以在合金变形中发生更多的均匀滑移，从而降低Al-Zn-Mg-Cu合金的应力腐蚀敏感性。

其次Sc对铝合金的再结晶有明显的影响，Al-Zn-Mg-Cu中添加Sc、Zr等微量元素之后，再结晶得到有效抑制，从而使合金的耐蚀性得到提高。

最后，Sc的加入还可以对合金的晶界析出相产生影响。Sc的添加，可以使AI-Zn-Mg-Cu合金晶界析出相的体积分数减小，晶界析出相之间的间距变大，分布更加离散，从而提高了合金的抗应力腐蚀性能，也能够改善合金的晶间腐蚀性能。

第二方面，本申请提供一种用于生产模具的铝合金板的制备工艺，采用如下的技术方案：

一种用于生产模具的铝合金板的制备工艺，包括如下制备步骤：

S1、根据最终产品的组分称取原料进行熔炼；

S2、将配料完成的熔体进行精炼，精炼过程中采用炉内自动精炼的方式对熔体进行除气、除渣作业，精炼所用气体为氩气；

S3、将熔体加入挤压机后进行挤压；

S4、对挤压后的挤压材进行固溶处理；

S5、对固溶处理后的挤压材进行淬火处理；

S6、对淬火处理后的挤压材进行拉伸处理；

S7、对拉伸处理后的挤压材进行时效处理；

S8、将经过时效处理的挤压材进行机械加工制成铝合金板。

通过采用上述技术方案，经过上述工艺制备的铝合金板具有耐腐蚀、受热稳定性好的优点。

在铝合金板的生产过程中会产生粗大晶粒组织即粗晶环，根据粗晶环出现的时间，将其分为两类：第一类是在挤压过程中已形成的粗晶环，这类粗晶环的形成是由于挤压模具工作带的长度以及入口的形状和摩擦力的作用造成金属流动不均匀。

在反向挤压过程中，加热炉加热后会使得外层温度高，中心温度低，外层金属所承受的变形程度比内层大，晶粒受到剧烈的剪切变形，晶格畸变严重，再加上高温，从而使外层金属再结晶温度降低，发生再结晶长大，形成粗晶环，而内层金属保持纤维晶组织。

第二类粗晶环是在淬火过程形成的，铝合金在淬火后常常会出现较为严重的粗晶组织，这类粗晶环的形成一方面与挤压过程的挤压比(即不均匀变形)有关，还与合金中的元素Fe、Ti、Zr元素以及铸造晶粒组织有关。

上述粗晶环经过拉伸以及时效处理后，含量大大降低，从而提高了铝合金的力学性能。

优选的，S2中，精炼温度为730℃-750℃，精炼温度10-15min。

通过采用上述技术方案，精炼的过程对熔体进行除气、除渣，去除熔体的杂质。

优选的，S4中固溶温度为470-476℃，保温时间为1.0-2.5h。

通过采用上述技术方案，固溶处理是为接下来的时效处理做准备，固溶温度为470-476℃时，铝合金中的连续分布颗粒和粗大相溶解，尤其是η相，使得析出相的分布变得不连续，从而提高了铝合金的耐蚀性和抗应力腐蚀性能。

若固溶温度超过476℃，保温时间超过2.5h，随着固溶温度的提高和保温时间的延长，铝合金中Al3(Sc，Zr)颗粒的平均直径增大，体积分数增加，数量密度减小，合金的屈服强度降低。

优选的，S5中淬火处理具体包括将固溶处理后的挤压材快速放入水中进行冷却，冷却水的温度控制在50℃以下。

优选的，S6中拉伸处理具体包括将淬火处理后的挤压材沿其长度方向进行拉伸，拉伸率为3-4％。

通过采用上述技术方案，将淬火处理后的挤压材沿其长度方向进行拉伸，能够破坏铝合金板内部淬火残余应力原有的内力平衡状态，使得拉伸应力与原来的淬火残余应力叠加后发生新的塑性变形，使残余应力得以释放和消减，从而消除淬火残余应力。拉伸后的铝合金板，保留了热处理加强铝合金所具有的高强度和高性能，同时实现了优异的机械性能和加工性能。

优选的，S7中的时效处理采用RRA工艺，具体为在120℃的温度下保温16h，再在190℃的温度下保温10min，最后在160℃的温度下保温30h。

通过采用上述技术方案，RRA工艺是一种三级时效工艺，能够使得铝合金获得接近于T73处理的抗应力腐蚀性能和接近于T6处理的强度。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、本申请中采用铝合金板代替45号钢的方式，使得模具具有良好的耐蚀性，不易发生锈蚀，且铝合金具有良好的力学性能和受热稳定性，保证了橡胶圈的尺寸稳定性。

2、本申请中Ce的含量为0.15-0.25％，由于Ce能够在铝合金中产生大量的位错对，且能够与Fe、Si等杂质元素结合形成稀土化合物，在降低杂质元素对铝合金性能影响、净化晶界的同时，导致铝合金断裂过程中扩展途径和裂纹萌生的位置发生改变，提高了铝合金的韧性。

3、本申请中Sc的含量为0.1-0.2％，由于铝合金熔体中加入Sc元素之后，可以形成大量稳定的A13Sc初生相，在铝合金凝固过程中，A13Sc初生相作为结晶的晶核，因此可以有效细化铝合金的晶粒，提高铝合金的力学性能。

4、本申请的方法，优选采用将淬火处理后的挤压材沿其长度方向进行拉伸，能够破坏铝合金板内部淬火残余应力原有的内力平衡状态，消除了淬火残余应力。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例1

一种用于生产模具的铝合金板的制备工艺，包括如下制备步骤：

S1、根据最终产品的组分称取原料进行熔炼；

S2、将配料完成的熔体进行精炼，精炼温度为730℃，精炼时间为15min，精炼过程中采用炉内自动精炼的方式对熔体进行除气、除渣作业，精炼所用气体为氩气；

S3、将熔体加入挤压机后进行挤压；

S4、对挤压后的挤压材进行固溶处理，固溶温度为470℃，保温时间为2.5h；

S5、对固溶处理后的挤压材进行淬火处理，淬火处理具体包括将固溶处理后的挤压材快速放入水中进行冷却，冷却水的温度控制在50℃以下；

S6、对淬火处理后的挤压材进行拉伸处理，拉伸处理具体包括将淬火处理后的挤压材沿其长度方向进行拉伸，拉伸率为3％；

S7、对拉伸处理后的挤压材进行时效处理，采用RRA工艺，具体为在120℃的温度下保温16h，再在190℃的温度下保温10min，最后在160℃的温度下保温30h；

S8、将经过时效处理的挤压材进行机械加工制成铝合金板；

其中，铝合金板内，各组分按质量百分比计为：Si0.21％，Fe0.35％，Cu1.62％，Mn0.25％，Mg2.3％，Cr0.23％，Zn5.71％，Ti0.11％，Zr0.1％，Ce0.18％，Sc0.15％，其余为Al以及不可除去的杂质；其中，Zn/Mg比为2.3-2.5。

实施例2-5

实施例2-5用于生产模具的铝合金板的制备工艺与实施例1相同，区别仅在于如表1-2所示：

表1实施例1-5中铝合金板的组分及含量

元素	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						Si	0.21	0.19	0.25	0.13	0.18
Fe	0.35	0.31	0.39	0.41	0.36
						Cu	1.62	1.38	1.26	1.49	1.71
Mn	0.25	0.19	0.24	0.26	0.3
						Mg	2.3	2.1	2.3	2.5	2.1
Cr	0.23	0.18	0.26	0.17	0.28
						Zn	5.71	5.2	5.9	5.83	5.1
Ti	0.11	0.16	0.13	0.12	0.09
						Zr	0.1	0.16	0.17	0.2	0.14
Ce	0.18	0.15	0.19	0.25	0.16
						Sc	0.15	0.11	0.2	0.1	0.18

表2实施例1-5中铝合金板的各参数

实施例6

实施例6用于生产模具的铝合金板的制备工艺与实施例1相同，区别仅在于铝合金板的组分中不包括Zr。

实施例7

实施例7用于生产模具的铝合金板的制备工艺与实施例1相同，区别仅在于铝合金板的组分中不包括Ce。

实施例8

实施例8用于生产模具的铝合金板的制备工艺与实施例1相同，区别仅在于铝合金板的组分中不包括Sc。

对比例1

对比例1采用普通的45号钢。

性能检测试验

晶间腐蚀性能：采用《GB/T 7998-2005铝合金晶间腐蚀测定方法》；

晶间腐蚀试样尺寸为：10mm×10mm×15mm，依次用80、400、800、2000、5000目砂纸打磨平整后进行抛光，再经过酒精清洗和超声波清洗之后备用。

按照57gNaCl、1000ml水和10ml双氧水配制腐蚀液，腐蚀温度为35℃，腐蚀时间为6h，面容比为不超过15mm²/ml；腐蚀结束后，试样用去离子水在超声波中清洗，吹干。在垂直于主变形方向的一端切掉5mm，研磨抛光，用酒精在超声波中振荡清洗，吹干。使用金相显微镜测量晶间腐蚀的最大腐蚀深度，并评定晶间腐蚀等级。

表3实施例1-8的检测结果

	腐蚀深度/μm	腐蚀等级
			实施例1	133.6	3
实施例2	141.8	3
			实施例3	131.6	3
实施例4	134.2	3
			实施例5	147.6	3
实施例6	267.3	4
			实施例7	233.1	4
实施例8	369.8	4
			对比例1	463.7	5

结合实施例1-5并结合表3可以看出，实施例1-5的铝合金板不易发生腐蚀，其腐蚀深度较小，且腐蚀等级较低，说明本申请制得的铝合金板具有良好的耐蚀性能。

结合实施例1和实施例6-8并结合表3可以看出，实施例6-8的腐蚀等级较实施例1降低了一个等级，说明Zr、Ce和Sc元素能够提高铝合金板的耐蚀性能，同时实施例8的腐蚀深度大于实施例6和实施例7的腐蚀深度，说明Zr元素对铝合金板耐蚀性能的提升效果较Ce元素和Sc元素而言更加明显。

结合实施例1和对比例1并结合表3可以看出，45钢容易腐蚀现象明显，而实施例1的腐蚀深度明显小于对比例1的腐蚀深度，且腐蚀等级降低了两个等级，说明本申请的铝合金板具有良好的耐蚀性能。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种用于生产模具的铝合金板，其特征在于，按质量百分比计，包括以下组分：Si≤0.25%，Fe≤0.41%，Cu1.26-1.71%，Mn≤0.3%，Mg2.1-2.5%，Cr0.18-0.28%，Zn5.1-6.0%，Zr0.1-0.2%，Ti≤0.16%，Ce0.15-0.25%，其余为Al以及不可除去的杂质；其中，Zn/Mg比为2.3-2.5。

2.根据权利要求1所述的一种用于生产模具的铝合金板，其特征在于：还包括0.1-0.2%Sc。

3.如权利要求1-2任一项所述的一种用于生产模具的铝合金板的制备工艺，其特征在于，包括如下制备步骤：

S1、根据最终产品的组分称取原料进行熔炼；

S2、将配料完成的熔体进行精炼，精炼过程中采用炉内自动精炼的方式对熔体进行除气、除渣作业，精炼所用气体为氩气；

S3、将熔体加入挤压机后进行挤压；

S4、对挤压后的挤压材进行固溶处理；

S5、对固溶处理后的挤压材进行淬火处理；

S6、对淬火处理后的挤压材进行拉伸处理；

S7、对拉伸处理后的挤压材进行时效处理；

S8、将经过时效处理的挤压材进行机械加工制成铝合金板。

4.根据权利要求3所述的一种用于生产模具的铝合金板的制备工艺，其特征在于：S2中，精炼温度为730℃-750℃，精炼时间10-15min。

5.根据权利要求3所述的一种用于生产模具的铝合金板的制备工艺，其特征在于：S4中固溶温度为470-476℃，保温时间为1.0-2.5h。

6.根据权利要求3所述的一种用于生产模具的铝合金板的制备工艺，其特征在于：S5中淬火处理具体包括将固溶处理后的挤压材快速放入水中进行冷却，冷却水的温度控制在50℃以下。

7.根据权利要求3所述的一种用于生产模具的铝合金板的制备工艺，其特征在于：S6中拉伸处理具体包括将淬火处理后的挤压材沿其长度方向进行拉伸，拉伸率为3-4%。

8.根据权利要求3所述的一种用于生产模具的铝合金板的制备工艺，其特征在于：S7中的时效处理采用RRA工艺，具体为在120℃的温度下保温16h，再在190℃的温度下保温10min，最后在160℃的温度下保温30h。