CN113502406A - 一种低合金化易挤压易回收铝合金及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低合金化易挤压易回收铝合金及其制备工艺，通过对6系铝合金的成份及热处理工艺进行优化，从而开发出一种新的、更低合金化程度的、但又具备一定强度的新型铝合金。该合金不仅可以满足一般的6系铝合金使用要求，而且更方便于消费使用后进行回收重熔，减少废料的挑选动作，减少回收铝棒降级的风险，有效限制了产业链的碳排放，为碳中和作出贡献。经实际生产验证，与同样铝含量的1系铝合金相比，本发明提供的低合金化易挤压易回收6系铝合金其抗拉强度提升1.5倍以上，屈服强度更是提升3倍以上。

Description

一种低合金化易挤压易回收铝合金及其制备工艺
技术领域
本发明涉及铝合金的加工制造技术领域，尤其涉及一种低合金化易挤压易回收6系铝合金，涵括合金成分、热处理生产工艺、挤压工艺。
背景技术
与其他类合金相比，铝合金具备以下优点：1）重量轻（钢铁的1/3）、不生锈不易腐蚀、具有非常优秀的可回收再生性。2）铝可以通过加工硬化或者热处理提高强度，从而实现高的强度-重量比。3）铝合金加工性能好，适合于铸造、挤压、冲压、锻造和机械加工等不同的生产工艺。4）铝合金也可以添加不同合金元素及通过热处理工艺，获得不同程度的强化。5）铝合金表面易于形成致密的氧化膜而耐蚀性能良好。6）铝合金还具有良好的导电性和导热性，且无磁性等特点。鉴于铝合金的诸多优点，所以铝合金材料在各类工业材应用中也逐步壮大发展。
在各系列铝合金中，6系Al-Mg-Si合金因为具备中高强度，且挤压变形抗力较小，易生产复杂截面，而且添加的合金化元素含量较少，因而得到最为广泛的使用。但是，使用最广泛的较低合金化的6063合金，其铝含量一般也在99%以下，而且不同厂家因为要求不同，配比存在较大差异，最低的铝含量甚至不足98.5%。这造成在回收重熔使用过程中，合金元素难以调配，而且因为合金化元素过多，一般还是只能用于6系合金铝棒生产，混入其他系列铝合金中可能出现额外产生杂质的问题。另外，市场上进行使用后的铝材回收因为设备受限，也很难进行精准区分，造成回收铝因为成份差异只能增加挑选成本，或者干脆降级使用，进而导致产业链的碳排放被动增加。而且，因为本身规模化及设备工艺原因，熔炼铝棒时使用的镁锭碳排放较电解铝更高，所以降低其用量也可以减少整体碳排放量。
有鉴于此，开发一种新的更低合金化程度，但是又具备一定强度的新型6系铝合金具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种低合金化但是仍具备一定强度的易挤压生产且易于回收的铝合金制备工艺。
本发明还提供一种利用上述制备工艺制得的低合金化易挤压易回收铝合金。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：Mg 0.25%～0.28%，Si 0.27%~0.30%，Mg/Si≤1，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.01%~0.015%，B 0.003%~0.005%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al≥99.3%；2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料熔解为铝液，并在搅拌均匀、精炼除气后静置30分钟以上，随后过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭；3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭置于均质炉内，使用双级均质工艺均质化处理，一级均值温度为520~540℃，保温时间2~4h，二级均值温度为580~600℃，保温时间4~8小时；4）挤压成型；5）时效处理，对挤压型材进行双级时效处理，一级时效温度为80-100℃，时效保温1-3小时，二级时效温度为170℃-180℃，时效保温6-10小时。
更为优选的是，在步骤1）中，铝合金原料按重量百分比包括：Mg 0.25%，Si 0.27%，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.01%，B 0.004%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.36%。
更为优选的是，在步骤1）中，铝合金原料按重量百分比包括：Mg 0.25%，Si 0.29%，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.015%，B 0.005%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.34%。
更为优选的是，在步骤1）中，铝合金原料按重量百分比包括：：Mg 0.26%，Si0.27%，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.013%，B0.003%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.38%。
更为优选的是，在步骤1）中，Al原材料为铝含量在99.8%以上的铝锭，Al原材料中，V元素含量需≤0.15%，Zn元素含量需≤0.1%。
更为优选的是，在步骤2）中，搅拌使用电磁搅拌设备进行，精炼除气使用精炼剂进行，过滤通过陶瓷过滤板过滤。
更为优选的是，在步骤3）中，均质化处理后，将铝合金铸锭转移至冷却室，使用风机冷却。
更为优选的是，在步骤4）中，挤压成型时，出料口温度≥500℃，挤压成型后，淬火冷却速度≥150℃/min。
本发明还提供一种低合金化易挤压易回收铝合金，其特征在于，利用如上所述的制备工艺制得。
本发明的有益效果是：本发明提供的低合金化易挤压易回收6系铝合金，其具有比传统6系铝合金更低的合金比例，但是又具备一定的强度；不仅可以满足一般的6系铝合金使用要求，而且更方便于消费使用后进行回收重熔，减少废料的挑选动作，减少回收铝棒降级的风险，有效限制了产业链的碳排放，为碳中和作出贡献。
经实际生产验证，与同样铝含量的1系铝合金相比，本发明提供的低合金化易挤压易回收6系铝合金其抗拉强度提升1.5倍以上，屈服强度更是提升3倍以上。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的原理为：通过对6系铝合金的成份及热处理工艺进行优化，从而开发出一种新的、更低合金化程度的、但又具备一定强度的新型铝合金。该低合金化易挤压易回收铝合金具体通过以下步骤制得。
1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：Mg 0.25%～0.28%，Si0.27%~0.30%，Mg/Si≤1，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.01%~0.015%，B 0.003%~0.005%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al≥99.3%。
其中，Al原材料选择必须使用99.8%以上铝含量的铝锭，Al原材料中，V元素含量需≤0.15%，Zn元素含量需≤0.1%。
本发明中，限制Mg/Si比的好处是，在Fe消耗一定Si元素形成化合物后，时效后形成β”相（Mg5Si6）的最佳比例，可以在尽量低合金成份、低变形抗力的情况下达到最高强度；而且本身MgSi的β”强化相是目前已知铝合金内具备最高强度/含量比例的析出相，所以本发明能在降低合金化程度时保证材料性能。
本发明中，Fe元素控制可以减少有害针状Fe相的形成，既能避免影响挤压性能，同时又能减少拉裂拖伤的产生。而且要生产低合金化铝合金，Fe元素作为杂质元素是一定需要控制的，但是因为在电解铝生产过程中会带入一定的Fe元素，目前工业量产稳定提供的最低Fe元素含量铝水、铝锭也只是0.07%~0.09%Fe，而且在熔炼铸造过程中还会有接近0.01%Fe的额外带入，所以考虑工业量产可行性，设定Fe元素含量为0.10%以下。
本发明中，Zn元素与Fe元素类似，在6系铝合金中是杂质元素的存在，但因为不同铝土矿有些本身会含一定Zn元素，所以同样需进行管控。
本发明中，B元素是为了与V、Mn、Cr等结合形成化合物，从而降低V、Mn、Cr等元素含量。因为B本身原子质量小，V、Mn等元素原子质量是其5倍以上，所以能通过少量添加来大幅减少铝液内其他杂质元素含量，从而获得更低合金化程度的铝液。而考虑到铝合金的低合金化，B元素的添加量必须要控制。本发明经过大量实验验证，在其他原料既定的条件下，B元素的含量为0.004%时效果最佳，后续随着B元素含量的增加，如增加到0.01%，V、Mn、Cr等元素的减少不明显。实验结果参考表1。
表1、B元素的含量对V、Mn、Cr含量的影响
Figure 304130DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明中，Ti元素的添加为了形成AlTiB细化剂。当铝液纯净时，铝液内的形核质点也相应减少，会造成铸造铝棒的晶粒易粗大。而本发明通过添加较大量的Ti元素，可以显著增加AlTiB细化剂的量，进而确保晶粒细化效果。
2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，并在使用电磁搅拌设备搅拌均匀、使用精炼剂进行精炼除气后保证30分钟以上的静置，确保形成的粗大化合物充分沉淀，再通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内，使用双级均质工艺，一级温度为520~540℃，保温时间2~4h，二级温度580~600℃，保温时间4~8小时。采用该双级均质化工艺的好处是，可以保证β铁相充分转变为α铁相，降低对Si原子的占用，从而提升材料性能。就低合金化铝合金而言，为了控制合金化程度，由于没有额外添加Mn元素，所以其铁相转化速度较慢。而本发明提供的双级均质化工艺，先通过中高温度的一级均质溶解共晶相后，再通过高温确保铁相转化，既能加快转化效率，又能避免共晶相溶解出现过烧。待均质完成后将铝合金铸锭转移至冷却室，使用风机冷却。
4）挤压成型，将均质后的铝合金铸锭进行挤压成型，保证出料口温度≥500℃，淬火冷却速度≥150℃/min。
5）时效处理，对挤压型材进行双级时效处理，一级时效温度为80-100℃，时效保温1-3小时，二级时效温度为170℃-180℃，时效保温6-10小时。
本发明中，针对合金内Mg、Si元素含量较低的情形，设计一级低温时效可以提升材料内弥散的预析出相pre-β”相密度，进而在二级时效时可以形成更多细小弥散的β”相，从而使材料的力学性能得到充分发挥。
对比同样铝含量的1系合金，利用本发明制得的铝合金其强度可以达到同样铝含量的1系合金的数倍。
实施例1。
一种低合金化易挤压易回收铝合金，其通过以下步骤制得。
1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：Mg 0.25%，Si 0.27%，Mg/Si=0.93，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.01%，B0.004%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.36%。
2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，并在使用电磁搅拌设备搅拌均匀、使用精炼剂进行精炼除气后保证30分钟以上的静置，确保形成的粗大化合物充分沉淀，再通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内，使用双级均质工艺，一级温度为520℃，保温时间4h，二级温度580℃，保温时间8小时。
4）挤压成型，将均质后的铝合金铸锭进行挤压成型，保证出料口温度≥500℃，淬火冷却速度≥150℃/min。
5）时效处理，对挤压型材进行双级时效处理，一级时效温度为80℃，时效保温3小时，二级时效温度为170℃，时效保温10小时。
实施例2。
一种低合金化易挤压易回收铝合金，其通过以下步骤制得。
1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：Mg 0.25%，Si 0.29%，Mg/Si=0.86，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.015%，B0.005%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.34%。
2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，并在使用电磁搅拌设备搅拌均匀、使用精炼剂进行精炼除气后保证30分钟以上的静置，确保形成的粗大化合物充分沉淀，再通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内，使用双级均质工艺，一级温度为540℃，保温时间2h，二级温度600℃，保温时间4小时。
4）挤压成型，将均质后的铝合金铸锭进行挤压成型，保证出料口温度≥500℃，淬火冷却速度≥150℃/min。
5）时效处理，对挤压型材进行双级时效处理，一级时效温度为100℃，时效保温1小时，二级时效温度为180℃，时效保温6小时。
实施例3。
一种低合金化易挤压易回收铝合金，其通过以下步骤制得。
1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：Mg 0.26%，Si 0.27%，Mg/Si=0.96，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.013%，B0.003%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.38%。
2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，并在使用电磁搅拌设备搅拌均匀、使用精炼剂进行精炼除气后保证30分钟以上的静置，确保形成的粗大化合物充分沉淀，再通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内，使用双级均质工艺，一级温度为530℃，保温时间3h，二级温度590℃，保温时间6小时。
4）挤压成型，将均质后的铝合金铸锭进行挤压成型，保证出料口温度≥500℃，淬火冷却速度≥150℃/min。
5）时效处理，对挤压型材进行双级时效处理，一级时效温度为90℃，时效保温2小时，二级时效温度为180℃，时效保温8小时。
实施例4。
一种低合金化易挤压易回收铝合金，其通过以下步骤制得。
1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：Mg 0.27%，Si 0.30%，Mg/Si=0.90，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.01%，B0.004%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.35%。
2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料加入熔炼炉中熔解为铝液，并在使用电磁搅拌设备搅拌均匀、使用精炼剂进行精炼除气后保证30分钟以上的静置，确保形成的粗大化合物充分沉淀，再通过陶瓷过滤板过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭。
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭先置于均质炉内，使用双级均质工艺，一级温度为530℃，保温时间3h，二级温度580℃，保温时间6小时。
4）挤压成型，将均质后的铝合金铸锭进行挤压成型，保证出料口温度≥500℃，淬火冷却速度≥150℃/min。
5）时效处理，对挤压型材进行双级时效处理，一级时效温度为100℃，时效保温2小时，二级时效温度为180℃，时效保温8小时。
对比例1。
本对比例提供的铝合金，其制备工艺与实施例1基本一致，区别在于，铝合金原料：Mg 0.25%，Si 0.25%，Mg/Si=1。
对比例2。
本对比例提供的铝合金，其制备工艺与实施例1基本一致，区别在于，铝合金原料：Mg 0.27%，Si 0.25%，Mg/Si=1.08。
对比例3。
本对比例提供的铝合金，其制备工艺与实施例1基本一致，区别在于，铝合金原料：Mg 0.29%，Si 0.25%，Mg/Si=1.16。
对比例4。
本对比提供的铝合金为1230系铝合金，H112态。
为更好体现本发明的进步性， 下面对实施例1-3、对比例1-4提供的铝合金进行抗拉强度和屈服强度测试，结果如表2所示。
表2、性能测试对比表
Figure 188909DEST_PATH_IMAGE002
。
从表2可以看出，本发明提供的一种低合金化易挤压易回收铝合金，在满足低合金化的前提下兼顾有较高的抗拉强度和屈服强度，尤其是与同样铝含量的1系铝合金相比，其抗拉强度提升1.5倍以上，屈服强度更是提升3倍以上。
通过上述原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (9)

1.一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：Mg 0.25%～0.28%，Si 0.27%~0.30%，Mg/Si≤1，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti0.01%~0.015%，B 0.003%~0.005%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al≥99.3%；
2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料熔解为铝液，并在搅拌均匀、精炼除气后静置30分钟以上，随后过滤铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭；
3）均质化处理，将铸造后的铝合金铸锭置于均质炉内，使用双级均质工艺均质化处理，一级均值温度为520~540℃，保温时间2~4h，二级均值温度为580~600℃，保温时间4~8小时；
4）挤压成型；
5）时效处理，对挤压型材进行双级时效处理，一级时效温度为80-100℃，时效保温1-3小时，二级时效温度为170℃-180℃，时效保温6-10小时。
2.根据权利要求1所述的一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺，其特征在于，在步骤1）中，铝合金原料按重量百分比包括：Mg 0.25%，Si 0.27%，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.01%，B 0.004%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.36%。
3.根据权利要求1所述的一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺，其特征在于，在步骤1）中，铝合金原料按重量百分比包括：Mg 0.25%，Si 0.29%，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.015%，B 0.005%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.34%。
4.根据权利要求1所述的一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺，其特征在于，在步骤1）中，铝合金原料按重量百分比包括：：Mg 0.26%，Si 0.27%，Fe:≤0.10%，Cu ≤0.001%，Mn ≤0.001%，Cr ≤0.001%，Zn ≤0.01%，Ti 0.013%，B 0.003%，V≤0.005%，单个杂质≤0.005%，杂质合计≤0.01%，Al 99.38%。
5.根据权利要求1所述的一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺，其特征在于，在步骤1）中，Al原材料为铝含量在99.8%以上的铝锭，Al原材料中，V元素含量需≤0.15%，Zn元素含量需≤0.1%。
6.根据权利要求1所述的一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺，其特征在于，在步骤2）中，搅拌使用电磁搅拌设备进行，精炼除气使用精炼剂进行，过滤通过陶瓷过滤板过滤。
7.根据权利要求1所述的一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺，其特征在于，在步骤3）中，均质化处理后，将铝合金铸锭转移至冷却室，使用风机冷却。
8.根据权利要求1所述的一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺，其特征在于，在步骤4）中，挤压成型时，出料口温度≥500℃，挤压成型后，淬火冷却速度≥150℃/min。
9.如权利要求1-8中任意一项所述的一种低合金化易挤压易回收铝合金的制备工艺制得的低合金化易挤压易回收铝合金。
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