CN113403509A - 一种高强度铝合金螺栓材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强度铝合金螺栓材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高强度铝合金螺栓材料及其制备方法。该合金材料的化学成分组成如下：Si：0.8—1.5％，Fe：0.1‑0.5％；Cu：Cu：0.3‑0.8％；Mn：0.2—0.6％；Mg：0.8—1.4％；Zn：0.2％；Ti：0.10‑0.2％；Cr：0.6—1.0％；V：0.05‑0.2％；Ni：0.08‑0.5％；Mo：0.03‑0.2％；Al：余量。它主要解决上述铝合金材料室温强度，高温强度，耐应力腐蚀和耐高温性等不足，为其提供一种用于汽车具有耐应力腐蚀、耐高温的高强度铝合金螺栓的合金材料及其制备方法。特别提供了一种新的热处理工艺，解决合金强度不足，使合金抗拉强度达到520Mpa，并且超出了国外顶尖水平。

Description

一种高强度铝合金螺栓材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度铝合金螺栓材料及其制备方法，特别是一种高强度铝合金材料能用于锻造、挤压和螺栓等领域。
背景技术
随着汽车工业的发展，汽车轻量化已经是发展趋势，发动机和变速箱的紧固件也需要轻量化，最好也从钢材改为铝合金。传统的铝合金材料6XXX系材料，可以通过锻造等工序制作螺栓，但是螺栓的抗拉强度380Mpa，无法满足高强度螺栓的强度和塑性要求。
现有6XXX系铝合金的耐热强度比钢差，可以通过热处理工艺的改善提高合金室温强度和高温强度，并且可以通过增加螺栓和产品的接触面积，增加螺栓的螺纹强度。
7XXXX系材料虽然在室温下高强度520Mpa，但其与6XXX系比较耐热性差，应力腐蚀严重，虽然可以通过热处理工艺来改善耐腐蚀性能，但是还是较差，需要进行阳极氧化处理，这样成本会提高，并且氧化膜脱落会出现应力腐蚀及晶间腐蚀。
汽车发动机和变速箱链接的螺栓是在复杂的交变应力，高温环境下工作，所有要求其具有高强度、耐高温、耐腐蚀等要求，为此寻找一种高强度耐高温的铝合金螺栓。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度铝合金螺栓材料及其制备方法，它主要解决上述现有铝合金材料室温强度，高温强度，耐应力腐蚀和耐高温性等不足，为其提供一种用于汽车具有耐应力腐蚀、耐高温的高强度铝合金螺栓的合金材料及其制备方法。特别提供了一种新的热处理工艺，解决合金强度不足，使合金抗拉强度达到520Mpa，并且超出了国外顶尖水平。
为实现上述发明目的，本发明是这样实现的：
一种高强度铝合金螺栓材料，其特征在于：该合金材料的化学成分组成如下：Si：0.8—1.5％，Fe：0.1-0.5％；Cu：Cu：0.3-0.8％；Mn：0.2—0.6％；Mg：0.8—1.4％；Zn：0.2％；Ti：0.10-0.2％；Cr：0.6—1.0％；V：0.05-0.2％；Ni：0.08-0.5％；Mo：0.03-0.2％；Al：余量。
一种高强度铝合金螺栓材料的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：
(1)按照如上所述的高强度铝合金螺栓材料进行组分配比和熔炼形成熔体；
(2)熔体转入静置炉后，用氮气和精炼剂进行精炼，精炼温度为720-750℃，时间为15-25分钟，精炼完后静置20-30分钟，通过此过程除气、除渣、净化熔体；熔铸时在铸模至炉口间有两道过滤板过滤，铸造前用14-30目玻璃纤维丝布过滤，充分滤去熔体中的氧化物、夹渣；
(3)将半连续铸锭随炉进行均匀化退火，均匀化温度：520-580℃，保温时间3-7小时，随炉冷却到420-450℃后进行空冷；能使相粒子弥散析出分布，控制弥散相粒子尺寸、数量和形态分布；
(4)然后将均匀化处理后的铝锭进行升温450-480℃进行挤压的棒材，然后再320-380℃进行拉丝成需要的直径；
(5)冷镦法兰，让后进行热处理工艺最后进行搓丝处理
热处理工艺为淬火先420-460℃/0.5-2H后再520-560℃保温1.5-4H水淬，时效160-200℃/10-16H。使合金的抗拉强度≥480Mpa，屈服强度≥430Mpa，延伸率≥10％。满足螺栓的使用要求。
附图说明
图1是本发明应用中的金相组织图(400X)。
具体实施方式
本发明公开了一种高强度铝合金螺栓材料，化学成分(质量百分数)Si：0.8—1.5％，Fe：0.1-0.5％；Cu：0.3-0.8％；Mn：0.2—0.6％；Mg：0.8—1.4％；Zn：0.2％；Ti：0.10-0.2％；Cr：0.5—1.0％；V：0.05-0.2％；Ni：0.08-0.5％；Mo：0.05-0.2％；Al：余量。通过特殊的均匀化工艺及挤压拉丝，经冷镦搓丝后再进行热处理后，使材料抗拉强度≥480Mpa，屈服强度≥430Mpa，延伸率≥10％。
1、本发明主要各种合金元素进行研究：
其中Mg和Si的作含量的变化对退火状态下，合金的抗拉强度和塑性影响不明显，但是淬火时效处理后，合金的强度大大提升，最大值处于三相区，但是合金中存在剩余的Si和Mg2Si时，随着数量的增加，耐腐蚀性能降低。只有让合金处于二相区及Mg2Si相全部固溶于基体的单相区内的合金，耐腐蚀性最好，并且无应力腐蚀破裂倾向。经研究：Si含量大于1.5％，耐应力腐蚀性较差，低于0.8％，形成的强化相少，强化不明显。同样为了配合Si含量形成Mg2Si强化相，Mg、Si比为1.73:1，Mg含量控制在0.8-1.4％为最佳。
Cu含量控制在0.3-0.8％，Cu含量低于0.3％合金强化效果不明显，Cu全部固溶基体中，没有更好的形成CuAl2强化相。随着Cu含量提高合金的热加工塑性，热处理强化效果明显，Cu含量高于0.8％，合金耐腐蚀性差。
Cr和Mn含量，Mn含量控制0.2-0.6％，可以提高合金强度，改善耐腐蚀性，冲击韧性。影响再结晶过程，细化晶粒，Mn含量过高会出现针状MnAl6相，降低合金塑性及强度。Cr控制在0.5-1.0％，Cr可以细化晶粒，提高合金的耐腐蚀性，更重要是提高合金耐热性，高温强度提升15％。
Ni、V、Mo元素对合金的耐热性均有很大影响，Ni对提高合金加入超过0.5％就出现粗大的夹杂物，这样会影响合金的耐应力腐蚀性能。Mo和V主要是提高合金耐热性，加入少量的Mo耐高温性能明显提高，并且对耐高低温蠕变能力明显显著，所以本发明控制Mo含量0.05％-0.2％。
Ti含量0.1-0.2％，对改善柱状晶组织，改善合金锻造性能，细化晶粒，有明显影响，如果加入量高于0.2％，杂质就多，降低合金的耐腐蚀性。
2、本发明采用均匀化温度：520-580℃，保温时间3-7小时，随炉冷却到420-450℃后进行空冷；能使相粒子弥散析出分布，控制弥散相粒子尺寸、数量和形态分布。然后在460-510℃进行挤压加工，加工成
Figure BDA0003129728730000041
等规格的棒材。
3、本发明采用的热处理工艺为淬火先420-460℃/0.5-2H后再520-550℃保温1.5-4H水淬，时效160-200℃/10-16H，在进行搓丝处理成需要的螺栓。
本发明的螺栓能发挥充分的耐热性，高温性能，耐腐蚀性能，和高强度的要求，能够实现发动机变速箱轻量化。
实际案例
成分表
Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Cr Ni Mo V
实例1 1.21 0.25 0.65 0.55 1.15 0.2 0.15 0.95 0.10 0.10 0.11
实例2 1.23 0.21 0.31 0.21 0.92 0.1 0.10 0.67 0.35 0.11 0.10
实例3 0.89 0.34 0.56 0.38 0.98 0.1 0.12 0.89 0.24 0.10 0.14
实例4 0.98 0.21 0.61 0.37 0.94 0.16 0.14 0.86 0.24 0.15 0.12
实例5 1.35 0.21 0.54 0.46 1.21 0.15 0.15 0.56 0.31 0.08 0.11
实例6 1.10 0.18 0.67 0.26 1.12 0.15 0.11 0.84 0.35 0.11 0.12
根据表的成分合金熔化并采用半连续铸造方式制成铝棒，然后将半连续铸棒随炉进行均匀化处理，均匀化温度：560℃，保温时间6小时，随炉冷却到420-450℃后进行空冷；
再将均匀化处理后的铝棒进行升温460℃进行挤压直径
Figure BDA0003129728730000051
然后进行360℃拉丝成直径
Figure BDA0003129728730000052
这几种实例在拉丝过程中没有出现断裂现象。
之后进行冷镦，然后进行热处理淬火430℃/1H后再550℃保温2H水淬，时效180℃/15H，搓丝处理成M10螺栓。
对上述实例进行性能及耐高温耐腐蚀性能测试，测试见下表：
Figure BDA0003129728730000053
Figure BDA0003129728730000061
按照本发明的合金配比实例1至实例6测试结果，室温下抗拉强度≥485Mpa，屈服强度≥430Mpa，延伸率≥10％。在200℃温度测试力学性能，结果抗拉强度≥400Mpa，延伸率≥12％，并且具有良好的耐应力腐蚀性。
案例1经均匀化处理棒材冷镦完热处理后取样进行金相组织分析，均没有出现复熔共晶球体、粗晶界、并局部呈纺锤形及晶界毛发，三角晶界或沿晶界淬火裂纹现象，共晶细小，强化相颗粒细小，弥散、均匀分布，出现亚共晶组织。具体见图1。
本发明优越性和积极意义是：
1、通过合金中加入Cr、Mn来提高合金的耐热性及耐应力腐蚀性能，并且能提高合金的强度，尤其降低Mn含量0.2—0.6％，提高Cr含量0.6—1.0％，有利于提高合金的再结晶温度，提高合金强度。
2、合金中增加Ni、Mo、V元素，使合金的耐热性和抗应力腐蚀性能。尤其能使应力损失大幅度降低。
3、本发明合金室温下测试力学性能，抗拉强度≥485Mpa，屈服强度≥430Mpa，延伸率≥10％。高温200℃测试力学性能，抗拉强度≥400Mpa，屈服强度≥330Mpa，延伸率≥12％。并且抗应力腐蚀性能良好。
4、冷镦法兰，后进行热处理淬火先420-460℃/0.5-2H后再520-550℃保温1.5-4H水淬，时效160-200℃/10-16H。最后进行搓丝。这样相当于在热处理完后又进行一个冷加工过程，有助于提高螺纹强度。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (2)

1.一种高强度铝合金螺栓材料，其特征在于：该合金材料的化学成分组成如下：Si：0.8—1.5％，Fe：0.1-0.5％；Cu：Cu：0.3-0.8％；Mn：0.2—0.6％；Mg：0.8—1.4％；Zn：0.2％；Ti：0.10-0.2％；Cr：0.6—1.0％；V：0.05-0.2％；Ni：0.08-0.5％；Mo：0.03-0.2％；Al：余量。
2.一种高强度铝合金螺栓材料的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：
(1)按照如权利要求1所述的高强度铝合金螺栓材料进行组分配比和熔炼形成熔体；
(2)熔体转入静置炉后，用氮气和精炼剂进行精炼，精炼温度为720-750℃，时间为15-25分钟，精炼完后静置20-30分钟，通过此过程除气、除渣、净化熔体；熔铸时在铸模至炉口间有两道过滤板过滤，铸造前用14-30目玻璃纤维丝布过滤，充分滤去熔体中的氧化物、夹渣；
(3)将半连续铸锭随炉进行均匀化退火，均匀化温度：520-580℃，保温时间3-7小时，随炉冷却到420-450℃后进行空冷；能使相粒子弥散析出分布，控制弥散相粒子尺寸、数量和形态分布；
(4)然后将均匀化处理后的铝锭进行升温450-480℃进行挤压的棒材，然后再320-380℃进行拉丝成需要的直径；
(5)冷镦法兰，让后进行热处理工艺最后进行搓丝处理
热处理工艺为淬火先420-460℃/0.5-2H后再520-560℃保温1.5-4H水淬，时效160-200℃/10-16H。
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