CN114277290A - 一种铝合金材料和铝合金空心管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铝合金管加工技术领域，公开了一种铝合金材料和铝合金空心管及其制备方法。本发明的铝合金材料包括以下组分：Mg2.0～2.5％、Mn0.1～0.5％、Ti0.01～0.05％、Si0.15～0.25％、Fe≤0.2％，其余为Al。采用连续铸造的方式制备铝合金空心管，减少了传统挤压和稳定化退火步骤，制备的管材力学性能满足使用要求，提升了生产率；且加热系统和浇铸系统采用强制加热和强制冷却系统，保证固液面的温度梯度，保证过冷度，细化合金晶粒，与半连续铸造法制备的铝合金管材相比，力学性能提升了10％～15％。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金管加工技术领域，尤其涉及一种铝合金材料和铝合金空心管及其制备方法。
背景技术
铝合金因其密度低，比强度高、耐腐蚀等优点被广泛应用于各种结构材料。铝合金管材的使用要求强度中等、耐蚀性高，因此6系铝合金被用于制造铝合金空心管材。6系铝合金的主合金元素是Mg和Si，研究发现通过添加少量Mn元素，生成Al6(Mn,Fe)相，可以提高铝合金管材的耐蚀性和固溶强化效果。然而，目前现有的铝合金管材的力学性能较低，不能满足复杂工况的使用。例如，专利CN111349826A公开的铝合金管材抗拉强度为136MPa，屈服强度为98MPa，伸长率为24％，该铝合金管材的力学性能较低，限制了其大范围的应用。
另外，铝合金无缝管的制备方法多种多样，通常采用的制备方法为铸造工艺和挤压工艺。其中挤压工艺需要经过熔炼铸造-热处理-挤压-冷却-时效等多道工序，延长了铝合金管材的生产周期，且对于设备的要求也较高。而铸造法是将熔融的合金直接浇入模具中形成空心管，该方法制备的铝合金无缝管工序短、生产率高，但是强度低，不能满足使用要求。
因此，为提高生产效率，提升铝合金空心管材的强度，开发设计一种新型铝合金成分并优化铝合金管材的熔铸工艺，对铝合金空心管的生产及应用具有重要作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝合金材料和铝合金空心管及其制备方法，解决现有的铝合金空心管力学性能较低且制备工艺复杂的问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种铝合金材料，包括以下质量含量的组分：Mg 2.0～2.5％、Mn0.1～0.5％、Ti 0.01～0.05％、Si 0.15～0.25％、Fe≤0.2％，其余为Al。
本发明还提供了由上述铝合金材料制备铝合金空心管的方法，包括以下步骤：
(1)将纯铝、铝锰合金、铝硅合金进行熔炼，待完全熔化后，控制温度为720～730℃，加入纯镁，待纯镁完全熔化后，进行保温；然后加入细化剂后浇入模具，结晶冷却，牵引拉出，得到管坯；
(2)将管坯进行退火处理，得到铝合金空心管。
优选的，在上述一种铝合金空心管的制备方法中，所述步骤(1)中细化剂为Al-5Ti-B丝。
优选的，在上述一种铝合金空心管的制备方法中，所述步骤(1)中熔炼的温度为720～780℃。
优选的，在上述一种铝合金空心管的制备方法中，所述步骤(1)中保温的温度为680～720℃，保温的时间为1～15min。
优选的，在上述一种铝合金空心管的制备方法中，所述步骤(1)中冷却的速率为200～300℃/s。
优选的，在上述一种铝合金空心管的制备方法中，所述步骤(2)中退火处理的温度为500～570℃，退火处理的时间为6～20h。
本发明还提供了上述铝合金材料制备铝合金空心管的方法制得的一种铝合金空心管。
优选的，在上述一种铝合金空心管中，所述铝合金空心管的厚度为10～15mm，外径为100～130mm。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用连续铸造的方式制备铝合金空心管，减少了传统挤压和稳定化退火步骤，制备的管材力学性能满足使用要求，提升了生产率。
(2)本发明的加热系统和浇铸系统采用强制加热和强制冷却系统，保证固液面的温度梯度，保证过冷度，细化合金晶粒，与半连续铸造法制备的铝合金管材相比，力学性能提升了10％～15％。
具体实施方式
本发明提供一种铝合金材料，包括以下质量含量的组分：Mg 2.0～2.5％、Mn 0.1～0.5％、Ti 0.01～0.05％、Si 0.15～0.25％、Fe≤0.2％，其余为Al。
在本发明中，铝合金材料优选的包括以下质量含量的组分：Mg 2.1～2.4％、Mn0.2～0.4％、Ti 0.02～0.04％、Si 0.17～0.23％、Fe≤0.19％，其余为Al；进一步优选的包括以下质量含量的组分：Mg 2.1～2.3％、Mn 0.3～0.4％、Ti 0.022～0.037％、Si 0.18～0.22％、Fe≤0.18％，其余为Al；更优选的包括以下质量含量的组分：Mg 2.2％、Mn 0.36％、Ti 0.032％、Si 0.19％、Fe≤0.16％，其余为Al。
本发明还提供由上述铝合金材料制备铝合金空心管的方法，包括以下步骤：
(1)将纯铝、铝锰合金、铝硅合金进行熔炼，待完全熔化后，控制温度为720～730℃，加入纯镁，待纯镁完全熔化后，进行保温；然后加入细化剂后浇入模具，结晶冷却，牵引拉出，得到管坯；
(2)将管坯进行退火处理，得到铝合金空心管。
在本发明中，步骤(1)中铝锰合金中锰的质量含量优选为10～18％；铝硅合金中硅的质量含量优选为20～26％。
在本发明中，步骤(1)中细化剂优选为Al-5Ti-B丝。
在本发明中，步骤(1)中熔炼的温度优选为720～780℃，进一步优选为724～776℃，更优选为747℃。
在本发明中，步骤(1)中保温的温度优选为680～720℃，进一步优选为685～717℃，更优选为708℃；保温的时间优选为1～15min，进一步优选为2～13min，更优选为8min。本发明的结晶冷却系统强制冷却，增加过冷度，使液态金属快速凝固，同时使固液界面形成强烈的浓度梯度，提高合金的过冷度。
在本发明中，步骤(1)中冷却的速率优选为200～300℃/s，进一步优选为206～294℃/s，更优选为277℃/s。
在本发明中，步骤(1)中牵引装置使用假管牵引，使管坯向下移动，实现连铸。
在本发明中，步骤(2)中退火处理的温度优选为500～570℃，进一步优选为504～562℃，更优选为538℃；退火处理的时间优选为6～20h，进一步优选为8～19h，更优选为11h。在本领域中，铝合金因冷却速度过快，易造成成分不均匀，尤其是容易生产初生粗大的Mg2Si，因此需要通过均匀化退火处理使初生Mg2Si溶解到基体中，提高铝合金塑性，溶解到基体中的Mg2Si在喷漆烘烤时还会析出细小的次生Mg2Si，提高铝合金管材的强度。
本发明还提供上述铝合金材料制备铝合金空心管的方法制得的一种铝合金空心管。
在本发明中，铝合金空心管的厚度优选为10～15mm，进一步优选为11～14mm，更优选为13mm；外径优选为100～130mm，进一步优选为102～127mm，更优选为124mm。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种铝合金空心管，管材为Al-2.3Mg-0.3Mn-0.04Ti-0.25Si-0.15Fe铝合金材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)将纯铝、铝锰合金(10％)、铝硅合金(20％)于745℃进行熔炼，待完全熔化后，控制温度为720℃，加入纯镁，待纯镁完全熔化后，于700℃进行保温6min，使熔化的液体静止稳定；然后加入Al-5Ti-B丝后浇入模具，结晶冷却(冷却速率为215℃/s)，再利用假管牵引，使管坯向下移动，拉出管坯；
(2)将管坯于560℃进行退火处理12h，得到厚度为12mm、外径为110mm的铝合金空心管。
将上述制得的铝合金材料根据GB/T 24182-2009进行力学性能测定，得到抗拉强度为178MPa，屈服强度为62MPa，伸长率为32.5％。
实施例2
本实施例提供一种铝合金空心管，管材为Al-2.2Mg-0.3Mn-0.03Ti-0.2Si-0.15Fe铝合金材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)将纯铝、铝锰合金(12％)、铝硅合金(20％)于780℃进行熔炼，待完全熔化后，控制温度为730℃，加入纯镁，待纯镁完全熔化后，于690℃进行保温8min，使熔化的液体静止稳定；然后加入Al-5Ti-B丝后浇入模具，结晶冷却(冷却速率为207℃/s)，再利用假管牵引，使管坯向下移动，拉出管坯；
(2)将管坯于520℃进行退火处理20h，得到厚度为10mm、外径为110mm的铝合金空心管。
将上述制得的铝合金材料根据GB/T 24182-2009进行力学性能测定，得到抗拉强度为169MPa，屈服强度为61MPa，伸长率为27.5％。
实施例3
本实施例提供一种铝合金空心管，管材为Al-2.25Mg-0.25Mn-0.03Ti-0.2Si-0.15Fe铝合金材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)将纯铝、铝锰合金(11％)、铝硅合金(23％)于720℃进行熔炼，待完全熔化后，控制温度为724℃，加入纯镁，待纯镁完全熔化后，于700℃进行保温4min，使熔化的液体静止稳定；然后加入Al-5Ti-B丝后浇入模具，结晶冷却(冷却速率为230℃/s)，再利用假管牵引，使管坯向下移动，拉出管坯；
(2)将管坯于570℃进行退火处理9h，得到厚度为14mm、外径为125mm的铝合金空心管。
将上述制得的铝合金材料根据GB/T 24182-2009进行力学性能测定，得到抗拉强度为182MPa，屈服强度为61MPa，伸长率为35.5％。
实施例4
本实施例提供一种铝合金空心管，管材为Al-2.05Mg-0.47Mn-0.05Ti-0.23Si-0.13Fe铝合金材料，其制备方法包括以下步骤：
(1)将纯铝、铝锰合金(18％)、铝硅合金(26％)于767℃进行熔炼，待完全熔化后，控制温度为730℃，加入纯镁，待纯镁完全熔化后，于716℃进行保温10min，使熔化的液体静止稳定；然后加入Al-5Ti-B丝后浇入模具，结晶冷却(冷却速率为300℃/s)，再利用假管牵引，使管坯向下移动，拉出管坯；
(2)将管坯于532℃进行退火处理18h，得到厚度为15mm、外径为130mm的铝合金空心管。
将上述制得的铝合金材料根据GB/T 24182-2009进行力学性能测定，得到抗拉强度为176MPa，屈服强度为63MPa，伸长率为34.1％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种铝合金材料，其特征在于，包括以下质量含量的组分：Mg2.0～2.5％、Mn 0.1～0.5％、Ti 0.01～0.05％、Si 0.15～0.25％、Fe≤0.2％，其余为Al。
2.由权利要求1所述的一种铝合金材料制备铝合金空心管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯铝、铝锰合金、铝硅合金进行熔炼，待完全熔化后，控制温度为720～730℃，加入纯镁，待纯镁完全熔化后，进行保温；然后加入细化剂后浇入模具，结晶冷却，牵引拉出，得到管坯；
(2)将管坯进行退火处理，得到铝合金空心管。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金空心管的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中细化剂为Al-5Ti-B丝。
4.根据权利要求2或3所述的一种铝合金空心管的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中熔炼的温度为720～780℃。
5.根据权利要求4所述的一种铝合金空心管的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中保温的温度为680～720℃，保温的时间为1～15min。
6.根据权利要求2、3或5所述的一种铝合金空心管的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中冷却的速率为200～300℃/s。
7.根据权利要求6所述的一种铝合金空心管的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中退火处理的温度为500～570℃，退火处理的时间为6～20h。
8.权利要求2～7任一项所述的方法制得的一种铝合金空心管。
9.根据权利要求8所述的一种铝合金空心管，其特征在于，所述铝合金空心管的厚度为10～15mm，外径为100～130mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220405 |
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