CN113061788A - 一种高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其化学成分包括：Si，Fe，Cu，Mn，Mg，Cr，Zn，Zr，RE，Ti，余量为Al；制备方法包括以下步骤：将配好的高强度高韧性铝合金原材料加热熔化，经过净化处理后，将熔体浇铸成铸锭用于后续加工。本发明为Al‑Zn‑Mg‑Cu系合金，通过优化合金成分设计，以实现合金强度及韧性的最大化，生产铸锭各位置成分均匀，内应力较小，无需进行去应力退火，添加过渡族元素Zr及镧系元素(La、Ce)，有助于细化显微晶粒组织，提高合金的强度及韧性。

Description

一种高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属材料开发技术领域，具体涉及一种高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料及其制备方法。

背景技术

眼镜镜架是眼镜的重要组成部分，主要起到支撑眼镜片的作用，镜架材质主要为：金属、塑料或树脂、天然材料等。金属材料具有较高的抗断裂强度，同时兼具足够的塑性、韧性、良好的弹性及耐腐蚀性，具有极长的使用寿命。

目前用于眼镜架的金属材料主要为铜合金、镍合金及钛合金。他们的特点如下：①铜合金镜架较沉重，弹性较差、易脱镀，易氧化后生成绿色的氧化铜，影响美观；②镍合金冷拉伸性能好，质地轻，耐腐蚀，镀层劳，但由于镍离子容易造成皮肤过敏，限制了其使用范围；③钛合金质量较轻、化学稳定性好、耐腐蚀，不会引起皮肤过敏，但材料硬度仍比较大，质地显得脆，容易在冷拉伸或镜架调整时断裂。近年来，铝及铝合金在合金轻量化的应用得到了广泛关注，相较于传统眼镜镜架用金属材料，铝合金具有镀层劳、密度小、耐蚀性好、比强度高、易加工、可回收再利用、可热处理强化等特点，在自然环境中来源广泛，经济使用价值高。相较于传统眼镜镜架用合金，现有牌号铝合金具有屈服强度较低，抵抗变形能力差的特点，因而限制了铝合金在眼镜镜架中的使用。本发明通过铝合金成分优化设计，开发一种高强度、高韧性眼镜镜架用铝合金材料十分必要。

发明内容

本发明的目的在于相较于传统眼镜镜架用合金，现有牌号铝合金具有屈服强度较低，抵抗变形能力差的特点，因而限制了铝合金在眼镜镜架中的使用。针对现有铝合金存在的问题，本发明设计了一种具有强度高、韧性高的特点，适用于眼镜镜架的制作的高强度高韧性的铝合金材料。该材料为Al-Zn-Mg-Cu系合金，通过优化合金成分设计，以实现合金强度及韧性的最大化。其次，添加过渡族元素Zr及镧系元素(La、Ce)，有助于细化显微晶粒组织，提高合金的强度及韧性。

本发明的另一目的在于提供一种简单有效，所生产铸锭各位置成分均匀，内应力较小，无需进行去应力退火的高强度高韧性铝合金的制备方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

一种高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其化学成分质量百分计数包括：Si的含量为0.25-0.30％，Fe的含量为0.22-0.27％，Cu的含量为1.5-2.1％，Mn的含量为0.25-0.40％，Mg的含量为2.2-3.2％，Cr的含量为0.10-0.20％，Zn的含量为4.7-5.6％，Zr的含量为0.07-0.15％，RE的含量为0.07-0.15％，Ti的含量为0.27-0.35％，余量为Al。

进一步地，上述高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料中，所述RE为混合稀土，由La、Ce混合组成。

进一步地，上述高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料中，所述Cu的含量为1.8-2.1％。

进一步地，上述高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料中，所述Mg的含量为2.7-3.2％。

进一步地，上述高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料中，所述Zn的含量为5.1-5.6％。

进一步地，上述高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料中，铝合金材料还包括其他杂质元素，所述其他杂质元素总量≤0.15％。

进一步地，上述高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料中，制备方法包括以下步骤：将配好的高强度高韧性铝合金原材料加热熔化，经过净化处理后，将熔体浇铸成铸锭用于后续加工。

进一步地，上述高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料中，铸锭制备过程包括以下步骤：

①投料时依次投入纯铝锭、锌锭、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Si中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金，开始进行加热；

②充分搅拌后采用喷粉精炼方法精炼；

③升高熔体温度，加入镁锭及RE混合稀土，进行搅拌；

④取炉内成分式样进行检测，成分合格后进行下一步，如成分不合格，根据实际情况补充或冲淡后再重复上述步骤，直至成分合适；

⑤充分搅拌后采用气体精炼方法精炼；

⑥精炼完成后扒去表面浮渣，熔体进行静置；

⑦熔体温度合适后开始进行铸造，熔体进入结晶器前经过在线净化系统；

⑧熔体在线净化处理后进入铸盘结晶器内，开始铸造；

⑨铸造结束。

进一步地，上述高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料中，步骤⑦中的在线净化系统包括添加变质剂细化、除气箱除气、过滤箱除杂等熔体净化方法。

进一步地，上述高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料中，步骤⑨中铸造结束后立即关闭冷却水，进行回火处理。

本发明的有益效果是：

本发明的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，该合金在Al-Zn-Mg-Cu系合金的基础上，添加Fe、Si元素减少热裂倾向，同时增大了熔体的流动性，利于熔体排气脱渣，降低夹渣及氢气对铸锭性能的影响；添加Mn、Cr元素细化再结晶晶粒，同时Mn同AlFeSi相结合，使第二相边缘变得光滑，降低针状相带来的危害；添加Zr元素形成弥散分布的Al3Zr粒子，起到弥散强化效果，补充了合金的强度，提升合金韧性；添加Ti元素细化铸态晶粒组织，提升合金的塑性，补充了合金的强度；添加RE混合稀土，可以起到细化晶粒的作用，净化熔体的作用，进而提高合金韧性。该合金具有以下优点：

①使用该成分成生产铸锭，显微组织致密，晶粒细化，第二相边缘光滑、尺寸小。

②该成分合金具有强度高、韧性好的特点，与同为Al-S-Mg-Cu系合金，且Zn、Mg、Cu比例近似的7075合金做对比，抗拉强度上升12.4％，屈服强度上升16.2％，延伸率上升17.2％，韧性上升72.8％。

③高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料使用材料均为市售材料，原料来源广泛。

使用高强度高韧性铝合金材料其制备方法，采用两次精炼、三次扒渣，确保熔体内部各成分均匀，减少成分偏析；采用无Na精炼剂，减少Na脆对合金性能的影响；在线净化过程包含晶粒细化、除气、除渣，严格控制合金铸锭内部质量。使用该制备方法所生产铸锭具有以下优点：

①铸锭内部无气孔、夹渣、疏松等缺陷。

②铸锭T端/W端、边部/心部化学成分保持一致，不存在径向偏析及轴向偏析。

③使用高强度高韧性眼镜镜架用铝合金制备方法生产铸锭显微组织致密、晶粒组织细小。

④使用高强度高韧性眼镜镜架用铝合金制备方法生产铸锭合金偏析倾向小、内部组织均匀，铸锭内应力较小，无需进行去应力退火。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

说明书附图

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明铸锭显微组织；

图2为本发明铸锭显微晶粒组织；

图3为本发明铸锭SEM图像。

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。实施例中所有材料及试剂均为可通过市场销售购买获得的常规产品，未注明的具体操作细节，均按照一般生产条件进行。

实施例

本发明提供了一种高强度高韧性的眼镜镜架用铝合金材料，其化学成分质量百分计数包括：Si的含量为0.25-0.30％，Fe的含量为0.22-0.27％，Cu的含量为1.5-2.1％，Mn的含量为0.25-0.40％，Mg的含量为2.2-3.2％，Cr的含量为0.10-0.20％，Zn的含量为4.7-5.6％，Zr的含量为0.07-0.15％，RE的含量为0.07-0.15％，Ti的含量为0.27-0.35％，余量为Al。

高强度高韧性的眼镜镜架用铝合金实施例包含合金主要元素Zn、Mg、Cu，属于7系合金超硬铝合金，可热处理强化，具有良好的耐磨性、焊接性及较高的屈服强度，是用于眼镜镜架的优质基体金属。合金中具有MgZn2、S相(Al2CuMg)、T相(AlCuMgZn)等多种强化相。

实施例中包含通常在铝合金中的杂质元素Fe、Si，容易在熔体中形成针状的β-AlFeSi相，一般作为杂质相。Al-Zn-Mg-Cu合金在铸造过程中具有热裂倾向，少量AlFeSi相会降低热裂裂口敏感性，有利于提升产品的成品率，同时Si可改善熔体的流动性，有利于熔体脱气排渣，降低合金内部出现夹渣、气孔的风险。

实施例中包含过渡族元素Mn、Cr，其中Mn元素可以同AlFeSi相结合，成为Al(Fe、Mn)Si化合物，该相边缘光滑，降低了AlFeSi相对性能的不利影响，同时过渡族元素形成的第二相粒子具有提高再结晶温度、细化晶粒的作用。

实施例中包含晶粒细化元素Zr、Ti，其中Zr在铝合金中生成弥散分布的Al₃Zr粒子，具有阻碍晶粒长大的效果，同时对合金具有弥散强化的作用；Ti在铝合金中以Al3Ti粒子形式存在，在合金凝固过程中可以作为异质形核核心，从而达到细化铸态晶粒组织的作用。

合金中添加含量为0.07-0.15％的RE混合稀土，RE元素具有很强的化学活性及表面活性，不仅可以有效净化熔体的内部质量，同时对组织细化，第二相形貌改善也有一定的有益效果。RE混合稀土选用La、Ce混合，其储存量大，经济使用价值高，在RE中La与Ce的配比不做限制，可根据实际情况进行调整。

合金中的杂质元素含量合计≤0.15％。

该合金为贴近人体皮肤使用，严格控制重金属(如铅、汞、镉、砷)含量，避免对身体造成危害。

合金中各元素的增加或减少均会对合金组织及性能产生影响，在上述各元素合金范围中，发明人根据长期研究及产品跟踪，不断进行选择及调整，以下合金中主要成分为高强度高韧性眼镜镜架用铝合金的优选含量：Cu优选含量为1.8-2.1％；Mg优选含量为2.7-3.2％；Zn优选含量为5.1-5.6％。

一种高强度高韧性的眼镜镜架用铝合金材料的制备方法，其包括：将配好成分的高强度高韧性铝合金原材料加热熔化，经过净化处理后，将熔体浇铸成铸锭用于后续加工。具体操作方法如下：

①投料时先投入纯铝锭，将锌锭及Al-Cu中间合金放置于铝锭上方，开始进行加热；

②熔体加热熔化至710-730℃，使用电磁搅拌，进行第一次搅拌，搅拌扒渣后依次加入Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、工业硅、Al-Fe中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金(加入量为Ti元素总量-0.015％)；

③进行第二次电磁搅拌，熔体升至730-740℃时进行熔体精炼，采用喷粉精炼方法，使用气体为纯氩气(99.9％)，精炼剂为无Na精炼剂，精炼时间为10-20min；

④升高熔体温度至720-740℃，加入镁锭及RE混合稀土，搅拌熔炼成为熔体，在加入镁锭及RE混合稀土时，通过将镁锭及RE混合稀土压入熔体的方式加入，避免合金烧损；

⑤取炉内熔体2个不同位置成分式样进行检测，成分合格后进行下一步，如成分不合格，根据实际情况补充或冲淡后再重复上述步骤，直至成分合适；

⑥进行第三次电磁搅拌，熔体升高温度至720-730℃，进行第二次熔体精炼，采用气体精炼，使用气体为纯氩气(99.9％)，精炼时间为10-20min；

⑦精炼完成后扒去表面浮渣，熔体静置20-30min；

⑧熔体温度为725-750℃时开始进行铸造，熔体进入结晶器前先经过在线净化系统，包括添加变质细化剂AlTiB丝、除气箱除气、过滤箱除杂等熔体净化方法。具体方法如表1所示：

表1在线净化

⑨熔体在线净化处理后进入铸盘结晶器内，开始铸造，铸造温度(铸盘盘首)为695-705℃；

⑩铸造结束后立即关闭冷却水，进行回火处理，避免产生浇口裂纹。

检测实验：

(1)化学成分检测

对实施例铸锭T端/W端的边部及心部进行化学成分检测，检测结果显示，合金除少量Mg烧损，其它成分基本不变，由表2可以看出，合金铸锭主要元素偏析量≤0.06％，其他元素偏析量≤0.02％，偏析程度小。

表2化学成分检测结果(wt％)

(2)显微组织检测

对实施例铸锭进行显微组织检测，如图1-2所示。由图可以看出，铸锭显微晶粒组织均匀细小，晶粒尺寸均匀，没有发现疏松、气孔、夹渣等缺陷。

(3)SEM测试

对实施例铸锭进行SEM检测，如图3所示，EDS分析结果如表3所示。

表3各点能谱分析结果(AT％)

(4)力学检测

检测实施例铸锭的硬度、屈服强度、抗拉强度与冲击韧性等主要力学性能指标，与同为Al-S-Mg-Cu系合金，且Zn、Mg、Cu比例近似的7075合金做对比，结果如表4所示。相比于传统7系合金，高强度高韧性眼睛架用铝合金改善了合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率及断裂韧性，相较于传统牌号铝合金，具有更好的机械性能，是眼镜镜架材料的优质铝合金。

表4铸锭力学性能对比

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于，其化学成分质量百分计数包括：Si的含量为0.25-0.30％，Fe的含量为0.22-0.27％，Cu的含量为1.5-2.1％，Mn的含量为0.25-0.40％，Mg的含量为2.2-3.2％，Cr的含量为0.10-0.20％，Zn的含量为4.7-5.6％，Zr的含量为0.07-0.15％，RE的含量为0.07-0.15％，Ti的含量为0.27-0.35％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于：所述RE为混合稀土，由La、Ce混合组成。

3.根据权利要求1所述的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于：所述Cu的含量为1.8-2.1％。

4.根据权利要求1所述的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于：所述Mg的含量为2.7-3.2％。

5.根据权利要求1所述的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于：所述Zn的含量为5.1-5.6％。

6.根据权利要求1所述的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于：铝合金材料还包括其他杂质元素，所述其他杂质元素总量≤0.15％。

7.根据权利要求1所述的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于：制备方法包括以下步骤：将配好的高强度高韧性铝合金原材料加热熔化，经过净化处理后，将熔体浇铸成铸锭用于后续加工。

8.根据权利要求7所述的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于，铸锭制备过程包括以下步骤：

①投料时依次投入纯铝锭、锌锭、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Si中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Ti中间合金，开始进行加热；

②充分搅拌后采用喷粉精炼方法精炼；

③升高熔体温度，加入镁锭及RE混合稀土，进行搅拌；

④取炉内成分式样进行检测，成分合格后进行下一步，如成分不合格，根据实际情况补充或冲淡后再重复上述步骤，直至成分合适；

⑤充分搅拌后采用气体精炼方法精炼；

⑥精炼完成后扒去表面浮渣，熔体进行静置；

⑦熔体温度合适后开始进行铸造，熔体进入结晶器前经过在线净化系统；

⑧熔体在线净化处理后进入铸盘结晶器内，开始铸造；

⑨铸造结束。

9.根据权利要求8所述的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于：步骤⑦中的在线净化系统包括添加变质剂细化、除气箱除气、过滤箱除杂等熔体净化方法。

10.根据权利要求8所述的高强度高韧性眼镜镜架用铝合金材料，其特征在于：步骤⑨中铸造结束后立即关闭冷却水，进行回火处理。

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