CN113737065A - 一种铝合金、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝合金、制备方法及应用。所述铝合金的成分为：Si1.5‑2.0wt％、Mg1.3‑1.6wt％、Cu1.3‑1.8wt％、Ti0.08‑0.14wt％、La0.06‑0.1wt％和Fe0‑0.5wt％，余量为铝及不可避免的杂质元素；其中，所述不可避免的杂质元素的总量为铝合金总量的0‑0.8wt％。本发明的铝合金兼具良好的韧性和强度，可以满足电网配件材料的应用需求，具有良好的应用价值。

Description

一种铝合金、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种铝合金、制备方法及应用，尤其涉及一种高强高韧铝合金、制备方法及应用，属于合金材料及制造技术领域。
背景技术
6系铝合金具有中等强度、耐蚀性高、无应力腐蚀破裂倾向、焊接性能良好、焊接区腐蚀性能不降低、成形性和工艺性能良好等诸多优点，在航空航天、轨道交通、汽车船舶、电力工程等行业得到广泛应用。由于长期裸露在室外，暴露于风霜雨雪，经受风吹雨打，受力状况、温度变化、湿度变化等外部环境复杂，在电网连接件及挂件等配件材料选择时，6系铝合金以其高强度、高韧性，优秀的耐腐蚀性能而受到青睐。但现有的6系铝合金的强度偏低，也不能很好地解决强度、延伸率的匹配问题，达不到其应用场景对强度和韧性的要求。根据现在服役条件的要求，还必须大幅提高其性能才能替代现用的铁基材料。
通常，现有6系铝合金的强度为300Ma左右，不超过400MPa。而当其作为结构材料使用时，通常要求其具有较高的强度，至少达到400MPa。从提高安全系数的角度考虑，甚至要求材料的强度能超过420MPa或更高。即使能将强度提高到使用要求时其韧性又降低太多，无法达到使用场景的强度、延伸率的匹配要求。
中国发明专利说明书CN109913708A公开了一种新型6系铝合金及其制备方法，其铝合金成分包括以下重量百分比的成分：硅0.7-1.3％，铁0.01-0.35％，铜0.15-0.4％，锰0.4-1％，镁0.45-0.9％，铬0.04-0.35％，锌0.01-0.05％，钛0.01-0.05％，饵0.05-0.08％，铈0.05-0.08％，余量为铝。该6系铝合金的抗拉强度为355-378MPa，延伸率仅为10-11.5％。
中国发明专利申请说明书CN107488823A公开了一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法，该方法为先将Al-Cu-Mg系合金铸锭进行一次挤压，再进行均匀化退火处理，均匀化退火处理后再进行二次挤压，制成所需的尺寸规格的产品后进行固溶时效处理。该方法所得铝合金的抗拉强度可达475MPa以上，但是延伸率无法达到20％以上。
可见，现有6系铝合金难以满足对强度和韧性均要求较高的应用场景的需求。因此，将抗拉强度不超过400MPa的6系铝合金的强度提高到420MPa以上，延伸率保持在20％以上，以满足服役条件对6系铝合金高强度的工程实践要求，解决6系铝合金的强度、延伸率的匹配问题，具有重大价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种高强高韧铝合金；本发明的目的之二在于提供一种铝合金的制备方法，以获得力学性能优异的铝合金；本发明的目的之三在于提供强度、延伸率匹配的铝合金在用于电网的配件材料中的应用。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种铝合金，所述铝合金的成分为：Si1.5-2.0wt％、Mg1.3-1.6wt％、Cu1.3-1.8wt％、Ti0.08-0.14wt％、La0.06-0.1wt％和Fe0-0.5wt％，余量为铝及不可避免的杂质元素；其中，所述不可避免的杂质元素的总量为铝合金总量的0-0.8wt％，进一步为0.01-0.7wt％，更进一步为0.05-0.6wt％。
在本发明的一些实施例中，所述铝合金的成分为：Si1.6-1.8wt％、Mg1.4-1.5wt％、Cu1.4-1.7wt％、Ti0.09-0.13wt％、La0.07-0.09wt％和Fe0.01-0.45wt％，余量为铝及不可避免的杂质元素。
在本发明的一些实施例中，所述铝合金的成分为：Si1.65-1.75wt％、Mg1.45-1.49wt％、Cu1.45-1.65wt％、Ti0.10-0.12wt％、La0.075-0.085wt％和Fe0.01-0.45wt％，余量为铝及不可避免的杂质元素。
在本发明的一些实施例中，单个杂质元素的含量不超过铝合金总量的0.2wt％。
基于同一发明构思，本发明还提供如上所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据铝合金的成分配方进行备料，然后熔炼、铸造，获得铝合金锭；
S2、将S1获得的铝合金锭于460-540℃条件下，均匀化退火6-14h；
S3、对S2处理后的铝合金锭进行热挤压，获得挤压件；
其中，热挤压比为10-20:1；热挤压温度为420-480℃；
S4、将S3获得的挤压件于520-550℃条件下，固溶处理6-14h后，用常温水淬火；
S5、对S4处理后的挤压件进行冷拉拔，获得拉拔件；
其中，冷拉拔后，变形量为7-15％，优选为8-12％；
S6、对S5获得的拉拔件进行双级时效处理，获得铝合金成品；
其中，进行双级时效处理时，先在100-140℃时效处理6-10h，再在150-190℃时效处理4-8h。
在本发明的一些实施例中，S1中，熔炼时，Ti以Al-Ti中间合金的形式加入，La以Al-La中间合金的形式加入；一般的，中间合金中钛或镧的含量没有特别要求，能满足最终成分要求即可。优选地，Al-Ti中间合金中Al和Ti的质量比为(85-95):(5-15)，进一步优选为(88-92):(8-12)；优选地，Al-La中间合金中Al和La的质量比为(85-95):(5-15)，进一步优选为(88-92):(8-12)。
在本发明的一些实施例中，S1中，熔炼温度为700-750℃，进一步为710-740℃，优选为715-725℃。可选地，熔炼时间为2-4h，进一步为1.5-3.5h。
在本发明的一些实施例中，S1中，铸造时，采用冷却水对模具进行循环冷却；优选地，所述冷却水的温度为0-4℃；优选地，所述冷却水的压力不超过100MPa，进一步优选为10-20MPa。
可选地，铸造采用具有冷却槽或冷却流道的金属铸造模具进行，例如中国发明专利CN107855468A所述的铝合金金属铸造模具、CN104668467B所述的一种带热冲孔的压气壳用无砂芯金属模具。通过对模具进行快速冷却，使得铸造过程中合金被快速冷却。
在本发明的一些实施例中，S2中，热挤压比为14-18:1，热挤压温度为440-460℃；优选地，将铝合金锭于440-460℃条件下保温2-5h，并将用于热挤压的模具于440-460℃条件下保温2-4h后，进行热挤压。
在本发明的一些实施例中，S6中，双级时效处理时，先在115-125℃时效处理7-9h，再在160-180℃时效处理5-7h。
本发明通过合金成分设计、熔炼浇铸、热加工和冷加工及热处理等一系列手段的综合利用与互相配合，将铝合金的强度提高到420MPa以上，而延伸率依然保持在20％以上，获得强度和韧性兼优异的铝合金产品。
基于同一发明构思，本发明还提供如上所述的铝合金或如上所述的制备方法制备而成的铝合金在用于电网的配件材料中的应用。
可选地，所述配件材料包括各种定型金具、非标金具中的一种或几种。
本发明可在保证铝合金良好的韧性的情况下，大幅提高其强度，使得其强度和韧性均可满足服役条件要求的程度，为电力工程行业提供一种理想的轻质高强结构材料。
通常，6系铝合金是以镁和硅为主要合金元素并以Mg2Si相为强化相的铝合金，为比较典型的热处理可强化铝合金。通常增加镁和硅含量能提高强化相的体积分数，也即增加强化相的数量，对提高6系铝合金的强度有积极的意义。工程实践中，通常在需要强度更高的服役条件下，选用镁、硅含量更高的6系铝合金，但是，镁、硅含量的增加与其强度的增加并不保持线性关系，镁、硅含量的增加与强度的提高会出现边际弱化现象。申请人经研究发现，出现上述现象的主要原因在于镁、硅含量越高，特别是在增加其它合金元素含量，如铜等元素的含量时，铸态组织的偏析会越来越严重，明显降低合金元素对合金的强化效果。元素含量增加，偏析加剧会还明显降低合金的韧性。要充分发挥Mg2Si相或其它增强相的增强作用，唯有千方百计让增强相以细小弥散的颗粒分布在合金中，则其强化效应能达到比较理想的程度。申请人研究发现，这种在微观组织的偏析，主要是在冷却过程中冷却速度慢形成的，是一种微观偏析。
为了解决上述微观偏析组织的均匀化问题，使铸态组织细化，尽可能使其细小均匀，使铸态组织细小均匀化，本发明一是在合金中配入变质剂。然而，申请人在前期的尝试过程中发现，变质剂使用效果的影响因素比较复杂，其种类多，如铝钛、铝钛硼或锶、碲、锑等少量金属元素，不同种类的效果差异较大，变质剂的含量变化对效果影响亦大。要选择效果良好的变质剂，工作量非常大，无论是时间成本还是资金成本都非常高，简单的排列组合，技术上虽可行但经济上没有可行性。变质剂的优化与选取需要理论基础的指导与实践经验的积累相结合，方能取得理想的效果。本发明人经过深入研究后，发现在铝合金中配入(0.08％～0.14％)Ti-(0.06％～0.1％)La的效果最优，其变质的机理如下：一般认为，当钛含量大于0.15％时，钛主要以TiAl3的形式存在，其变质的机理是异质核心的作用。在工业生产上，通常使用TiAl变质剂细化铝合金的铸态组织时，钛含量一般为0.15％～0.20％。当钛含量小于0.15％时，钛的变质机理主要为成分过冷，而不是异质核心，其效果一般不太理想，故很少采用。本发明采用较少量的钛细化铝合金的铸态组织，配合使用微量的稀土元素镧，达到了极佳的细化效果。对此，试解释如下：一方面，钛是过渡族元素，d电子层未充满，与铝有较强的结合力，可形成较稳定的短程有序原子团，易于长大成稳定的晶核，如此来促进形核，提高形核率进而细化晶粒。钛以(TiAl)形式固溶于铝中时，稳定晶核的形成可能与钛的电子逸出功(4.15eV)大于Al(3.85eV)，且能降低铝的表面能有关；另一方面，较少量钛细化铝晶粒的机理也有阻碍晶体生长的作用而不是异质核心。当镧的含量加一步增加，一方面，效果增加不明显，另一方面，会使成本显著增加，使其失去经济性而没有市场竞争力。在本发明中，微量La的加入对Ti的变质效果有明显的增强作用，即加强了Ti的成分过冷效应，提高了形核率，从而细化晶粒。综合比较，(0.08％～0.12％)Ti-(0.06％～0.1％)La的效果最优，性价比最高。
为了解决上述问题，本发明二是在铸造过程中尽可能提高冷却速率，使晶粒细化偏析范围减小同时偏析程度减轻。如采用金属模，特别是采用空心流道，可以通冷却水；为提高冷却速率，可采用通过高压冰盐水，如压力不超过100MPa的冰盐水并循环冷却，使合金的冷却速度最大化。三是在铸造完成后再用均匀化退火消除偏析。四是对铝合金锭进行压力加工，使其铸态组织转变为加工态组织，从而使微观组织大大细化。本发明中，用先热挤压的方法使铸锭组织大为细化，之后的冷拉拔又使热挤压态组织进一步细化，从而得到比较理想的细小均匀组织，为合金强度的提高打下坚实的组织基础。在后续的时效过程中，合金的细小均匀化能最大程度地保证析出相以细小、弥散、均匀分布于基体金属，将其强化铝合金的作用发挥到极致。时效处理时采用双级时效的工艺的优势：在120℃左右时效时，主要是使形成的G.P.区数量多、达到增强相粒子形核的临界尺寸，在组织中弥散分布，即提高增强相粒子的有效形核数，使其强度效果最大化而韧性最低最小化。组织经过冷拉拔变形后，组织储能增大，这也有利于时效时G.P.区的形成，从而使其分布弥散、数量多、形核率提高，故冷拉拔对双级时效中，G.P.区的形成至关重要，当然其对强度的提高是必不可少的。要使双级时效的效果更好，时效之前的晶粒必须是越细越好。晶粒越细，组织储能越大，效果越好。而晶粒的细化，是一个综合系统工程，如前述的变质剂细化晶粒、提高冷却速率细化晶粒、热变形细化晶粒、冷变形细化晶粒，都是竭尽所能地使晶粒细化，以使双级时效时G.P.区数量最多化，形核率最大化。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明的铝合金兼具良好的韧性和强度，延伸率可达23％以上，抗拉强度达439MPa以上，可以满足电网配件材料的应用需求，具有良好的应用价值。
(2)本发明通用合金成分设计、变质剂细化铸态组织、高冷却速率细化铸态组织、均匀化处理消除铸造偏析，压力加工使铸态组织细化，再加上后续的双级时效，通过这些措施的共同作用，可以良好的强化效果，实现了对6系铝合金的强化效果的最大化，使得强度提高50～80MPa。
具体实施方式
以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1-22
一种铝合金的制备方法，包括如下步骤：
S1、根据铝合金的成分配方(各实施例的成分配方具体参见表1)进行备料，然后常规熔炼获得合金液；再对合金液进行铸造，获得铝合金锭；
其中，熔炼温度为720℃，时间为3h；采用金属模具进行铸造，铸造时，采用冷却水对模具进行循环冷却；所述冷却水的温度为0℃；所述冷却水的压力0-15MPa(具体参见表1)；铝合金中不可避免的杂质元素的总量为铝合金总量的0-0.8wt％，单个杂质元素的含量不超过铝合金总量的0.2wt％；
S2、将S1获得的铝合金锭于500℃条件下，均匀化退火10h；
S3、对S2处理后的铝合金锭进行热挤压，获得棒状挤压件；
其中，热挤压比为16:1；热挤压温度为450℃；
S4、将S3获得的挤压件于535℃条件下，固溶处理10h后，用常温水淬火；
S5、对S4处理后的挤压件进行冷拉拔，获得棒状拉拔件；
其中，冷拉拔后，变形量为9％；
S6、对S5获得的拉拔件进行双级时效处理，获得铝合金成品；
其中，进行双级时效处理时，先在120℃时效处理8h，再在170℃时效处理6h。
S1中，熔炼时，Ti以Al-Ti中间合金的形式加入，La以Al-La中间合金的形式加入；Al-Ti中间合金中Al和Ti的质量比为90:10，Al-La中间合金中Al和La的质量比为90:10。
S2中，将铝合金锭于450℃条件下保温3h，并将用于热挤压的模具于450℃条件下保温3h后，进行热挤压。
各实施例所得铝合金成品的性能测试结果如表1所示。其中，延伸率即相关试样拉伸断裂后标距段的总变形ΔL与原标距长度L之比的百分数：δ＝ΔL/L×100％。
对比例1-17
分别重复实施例3，区别仅在于表1中所呈现的差异。
各对比例所得铝合金成品的性能测试结果如表1所示。其中，延伸率即相关试样拉伸断裂后标距段的总变形ΔL与原标距长度L之比的百分数：δ＝ΔL/L×100％。
表1各实施例、对比例中铝合金成分配比及性能测试结果表
Figure BDA0003254388240000071
Figure BDA0003254388240000081
注：表中，上标1)所对应列中，(1)表示经过了热挤压，(2)表示未经过热挤压。上标2)所对应列中，(1)表示经过了冷拉拔，(2)表示未经过冷拉拔。上标3)所对应列中，(1)表示仅在120℃保温8小时，(2)表示仅在170℃保温6小时，(3)表示先在120℃保温8小时，再在170℃保温6小时。
表1中所有力学性能数据均为10个样的测量数值的平均值。
由表可知，本发明的铝合金兼具良好的抗拉强度和韧性。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种铝合金，其特征在于，所述铝合金的成分为：Si1.5-2.0wt％、Mg1.3-1.6wt％、Cu1.3-1.8wt％、Ti0.08-0.14wt％、La0.06-0.1wt％和Fe0-0.5wt％，余量为铝及不可避免的杂质元素；其中，所述不可避免的杂质元素的总量为铝合金总量的0-0.8wt％。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的成分为：Si1.6-1.8wt％、Mg1.4-1.5wt％、Cu1.4-1.7wt％、Ti0.09-0.13wt％、La0.07-0.09wt％和Fe0.01-0.45wt％，余量为铝及不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的成分为：Si1.65-1.75wt％、Mg1.45-1.49wt％、Cu1.45-1.65wt％、Ti0.10-0.12wt％、La0.075-0.085wt％和Fe0.01-0.45wt％，余量为铝及不可避免的杂质元素。
4.根据权利要求1-3任一项所述的铝合金，其特征在于，单个杂质元素的含量不超过铝合金总量的0.2wt％。
5.如权利要求1-4任一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据铝合金的成分配方进行备料，然后熔炼、铸造，获得铝合金锭；
S2、将S1获得的铝合金锭于460-540℃条件下，均匀化退火6-14h；
S3、对S2处理后的铝合金锭进行热挤压，获得挤压件；
其中，热挤压比为10-20:1；热挤压温度为420-480℃；
S4、将S3获得的挤压件于520-550℃条件下，固溶处理6-14h后，用常温水淬火；
S5、对S4处理后的挤压件进行冷拉拔，获得拉拔件；
其中，冷拉拔后，变形量为7-15％，优选为8-12％；
S6、对S5获得的拉拔件进行双级时效处理，获得铝合金成品；
其中，进行双级时效处理时，先在100-140℃时效处理6-10h，再在150-190℃时效处理4-8h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，S1中，熔炼时，Ti以Al-Ti中间合金的形式加入，La以Al-La中间合金的形式加入；优选地，Al-Ti中间合金中Al和Ti的质量比为(85-95):(5-15)，进一步优选为(88-92):(8-12)；优选地，Al-La中间合金中Al和La的质量比为(85-95):(5-15)，进一步优选为(88-92):(8-12)。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，S1中，铸造时，采用冷却水对模具进行循环冷却；优选地，所述冷却水的温度为0-4℃；优选地，所述冷却水的压力不超过100MPa，进一步优选为10-20MPa。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，S2中，热挤压比为(14-18):1，热挤压温度为440-460℃；优选地，将铝合金锭于440-460℃条件下保温2-5h，并将用于热挤压的模具于440-460℃条件下保温2-4h后，进行热挤压。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，S6中，双级时效处理时，先在115-125℃时效处理7-9h，再在160-180℃时效处理5-7h。
10.如权利要求1-4任一项所述的铝合金或如权利要求5-9任一项所述的制备方法制备而成的铝合金在用于电网的配件材料中的应用。
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