CN114561572B - 一种4系铝合金及4系铝合金棒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种4系铝合金及4系铝合金棒的制备方法，按照质量百分数计，4系铝合金包括8％～11％的Si、1.0％～1.5％的Cu、0.7％～1.2％的Mg、0.8％～1.1％的Ni、0.3％～0.6％的Mn、0～0.8％的Fe、0～0.1％的Cr、0.08％～0.15％的Ti、0.1％～0.35％的Nd，其余为Al。本发明提供的4系铝合金，通过添加Nd元素，将粗大的板条状共晶硅细化为纤维状的硅相，降低对铝基体的割裂作用，从而使得该4系铝合金进行铸造过程中，内部不易于出现裂纹，即使Φ90mm以下的铝合金棒，也可通过铸造工艺直接进行制备，省去挤压工艺，简化制造过程，降低金属损耗，降低能耗。

Description

一种4系铝合金及4系铝合金棒的制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体而言，涉及一种4系铝合金及4系铝合金棒的制备方法。

背景技术

4系铝合金，如4032铝合金，结合了铝基体轻量化和硅相热膨胀系数小、硬度高、耐磨性好的特点，是制造空调压缩机活塞、涡盘及其它高温工况下运行零部件的材料。

由于现有的4系铝合金棒在铸造过程中，尤其是直径较小的4系铝合金棒，内部易于出现裂纹，因此，目前市场上Φ90mm以下的4系铝合金棒，多采用垂直工艺制备成大直径铸造棒，再通过挤压工艺将直径改变为Φ90mm以下的铝合金棒，然后再用作锻造原材料。

该直径较小的4系铝合金棒的制造工艺复杂，效率较低。

发明内容

本发明解决的问题是现有的Φ90mm以下的铝合金棒制造工艺复杂。

为解决上述问题，本发明提供一种4系铝合金，按照质量百分数计，包括8％～11％的Si、1.0％～1.5％的Cu、0.7％～1.2％的Mg、0.8％～1.1％的Ni、0.3％～0.6％的Mn、0～0.8％的Fe、0～0.1％的Cr、0.08％～0.15％的Ti、0.1％～0.35％的Nd，其余为Al。

本发明的另一目的在于提供一种4系铝合金棒的制备方法，由如上所述的4系铝合金制备得到；所述4系铝合金棒的制备方法包括如下步骤：

S1：按照4系铝合金棒中各成分的质量百分数，称取原料；

S2：将所述原料升温熔化，得到铝液；

S3：所述铝液的温度达到750℃～770℃时，对所述铝液进行精炼，得到精炼后的铝液；

S4：对所述精炼后的铝液进行静置，降温；

S5：将所述精炼后的铝液降温至690℃～710℃，采用AlTi5C0.18丝进行细化处理，并进行除气，过滤除去杂质，得到细化处理后的铝液；

S6：将所述细化处理后的铝液置于模具中，于铸造温度为670℃～690℃、铸造速度为250mm/min～550mm/min，以及100ton/h～120ton/h冷却水激冷作用条件下，进行铸造，得到铸造棒；

S7：对所述铸造棒进行T6热处理，得到4系铝合金棒。

可选地，步骤S2包括：将所述原料升温至690℃后，开启搅拌，得到所述铝液。

可选地，对所述铝液进行精炼包括：向所述铝液中通入氩气与精炼剂，精炼20min。

可选地，对所述铝液进行精炼处理后，还包括对所述铝液内的浮渣进行清除。

可选地，步骤S5中的除气包括：采用惰性气体保护的双转子除气装置进行除气。

可选地，对所述铸造棒进行T6热处理中，固溶温度为505℃～520℃，固溶时间为4h～5h。

可选地，对所述铸造棒进行T6热处理中，时效温度为165℃～175℃，时效时间为7h～9h。

与现有技术相比，本发明提供的4系铝合金具有如下优势：

本发明提供的4系铝合金，通过添加Nd元素，将粗大的板条状共晶硅细化为纤维状的硅相，降低对铝基体的割裂作用，从而使得该4系铝合金进行铸造过程中，内部不易于出现裂纹，即使Φ90mm以下的铝合金棒，也可通过铸造工艺直接进行制备，省去挤压工艺，简化制造过程，提高制造效率；同时，还有利于降低金属损耗，降低能耗。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

由于铸造过程中，需要通过冷却水对温度较高的铝液进行激冷，该过程中冷热交替，温差大，因此，使用现有的4系铝合金通过铸造的方式来制备铝合金棒时，铝合金棒的内部易于出现裂纹，同时表面容易产生硅偏析瘤；尤其是对于直径较小的4系铝合金棒，铸造过程中要求的速度更快，冷热交替过程中温差更大，内部更易于出现裂纹；因此，目前市场上Φ90mm以下的4系铝合金棒，无法直接通过铸造的方式进行制造，多采用垂直工艺制备成大直径铸造棒，再通过挤压工艺将直径改变为Φ90mm以下的铝合金棒，制造工艺复杂。

为解决现有的Φ90mm以下的铝合金棒制造工艺复杂的问题，本发明提供一种4系铝合金，按照质量百分数计，该4系铝合金包括8％～11％的Si、1.0％～1.5％的Cu、0.7％～1.2％的Mg、0.8％～1.1％的Ni、0.3％～0.6％的Mn、0～0.8％的Fe、0～0.1％的Cr、0.08％～0.15％的Ti、0.1％～0.35％的Nd，其余为Al。

具体的，本申请选择AlNd30合金对共晶硅进行变质处理，凝固过程时，合金元素Cu、Mg、Mn将发生多元共晶反应，而添加Nd元素后，Nd可替代部分合金元素形成复杂的硬质相，避免出现低熔点的第二相；Nd元素可将粗大的板条状共晶硅细化为纤维状的硅相，降低对铝基体的割裂作用；Nd相比于其他的变质元素，衰减时间长、多次重熔后仍具有良好的变质效果，利于工厂回炉料使用，可降低生产成本。

本发明提供的4系铝合金，通过添加Nd元素，将粗大的板条状共晶硅细化为纤维状的硅相，降低对铝基体的割裂作用，从而使得该4系铝合金进行铸造过程中，内部不易于出现裂纹，即使Φ90mm以下的铝合金棒，也可通过铸造工艺直接进行制备，省去挤压工艺，简化制造过程，提高制造效率；同时，还有利于降低金属损耗，降低能耗。

此外，传统的通过挤压工艺制备的Φ90mm以下的铝合金棒，产品表面粗糙，易于出现偏析瘤、粗晶环、裂纹等缺陷，本申请提供的4系铝合金直接通过铸造工艺制备的4系铝合金棒，产品机械性能优良，无偏析瘤、粗晶环、裂纹等缺陷。

本发明的另一目的在于提供一种4系铝合金棒的制备方法，该4系铝合金棒由如上所述的4系铝合金制备得到。

具体的，该4系铝合金棒的制备方法包括如下步骤：

S1：按照4系铝合金中各成分的质量百分数，称取原料；

S2：将原料升温熔化，得到铝液；

S3：铝液的温度达到750℃～770℃时，对铝液进行精炼，得到精炼后的铝液；

S4：对精炼后的铝液进行静置，降温；

S5：将精炼后的铝液降温至690℃～710℃，采用AlTi5C0.18丝进行细化处理，并进行除气，过滤除去杂质，得到细化处理后的铝液；

S6：将细化处理后的铝液置于模具中，于铸造温度为670℃～690℃、铸造速度为250mm/min～550mm/min，以及100ton/h～120ton/h冷却水激冷作用条件下，进行铸造，得到铸造棒；

S7：对铸造棒进行T6热处理，得到4系铝合金棒。

本申请优选按照4系铝合金中各成分的质量百分数，称取相应的A00铝锭、纯硅、纯铜、镁、AlNi20中间合金、锰片、AlFe20中间合金、AlCr75中间合金、AlTi5C0.18中间合金和AlNd30中间合金，投入到熔化炉中，将原料升温熔化，得到铝液；再依次对铝液进行精炼、细化处理以及除气后，得到细化处理后的铝液；为能够实现对较小直径，如Φ90mm以下的铝合金棒直接进行铸造，本申请优选将细化处理后的铝液置于模具中，于铸造温度为670℃～690℃、铸造速度为250mm/min～550mm/min，以及100ton/h～120ton/h冷却水激冷作用条件下，进行铸造，得到铸造棒；并且，本申请优选铸造的铝合金棒的直径越小，铸造速度越高。

本申请选择AlNd30合金对共晶硅进行变质处理，凝固过程中，合金元素Cu、Mg、Mn将发生多元共晶反应，而添加Nd元素后，Nd可替代部分合金元素形成复杂的硬质相，避免出现低熔点的第二相。Nd元素可将粗大的板条状共晶硅细化为纤维状的硅相，降低对铝基体的割裂作用。Nd相比于其他的变质元素，衰减时间长、多次重熔后仍具有良好的变质效果，利于工厂回炉料使用，可降低生产成本；选择Al-Ti5-C0.18丝作为晶粒细化剂，避免传统的Al-Ti5-B中间合金对Si、Cr元素的毒化作用，确保a-Al基体细化的同时降低共晶硅割裂基体的风险，有利于后续锻造塑形变形。

本申请基于4系铝合金的成分，使得本申请提供的铸造过程能够突破现有铸造过程中对铸造速度的限制，即，本申请提供的4系铝合金在较高的铸造速度下进行铸造，内部不会出现裂纹，从而使得本申请提供的4系铝合金棒的制备方法，能够通过铸造工艺直接得到Φ90mm以下的铝合金棒，从而省去挤压工艺，简化制造过程，提高制造效率；同时，还有利于降低金属损耗，降低能耗，提高产品质量。

为保证产品质量，本申请提供的4系铝合金棒的制备方法，在经冷却水激冷，铝液凝固成铸造棒后，还可将得到的铸造棒在线切断成长度为2m～4m的产品，并在线通过100％超声相控阵探伤检查；再对检查合格的铸造棒进行T6热处理，得到4系铝合金棒。

通过本申请提供的4系铝合金棒的制备方法，能够直接铸造得到Φ90mm以下的铝合金棒；经检测，本申请通过高速水平连续铸造工艺制备的4系铝合金棒，机械性能已经媲美挤压棒，由于小直径铝合金棒铸造过程中，冷却水直径直接激冷在快速拉出的铝棒表面，可带来明显的晶粒细化效果；并且，由于该工艺无挤压工序，产品不存在粗静环，更适合后续锻造工艺。

本申请优选步骤S2将原料升温熔化过程包括：将原料升温至690℃后，开启搅拌，得到铝液。

本申请优选步骤S3中对铝液进行精炼包括：向铝液中通入纯度为99.999％的氩气与精炼剂，精炼20min。

对铝液进行精炼处理后，还包括对铝液内的浮渣进行清除，以提高铝液的纯度。

对浮渣进行清除后，对铝液的化学成分进行检验，检验合格后，将铝液转移至保温炉中，静置，降温；本申请优选静置20min，当精炼后的铝液降温至690℃～710℃后，采用AlTi5C0.18丝进行细化处理，并进行除气；为避免Nd元素产生吸氢现象，造成铸造气孔，本申请优选步骤S5中的除气包括：采用惰性气体保护的双转子除气装置进行除气，并进一步优选惰性气体为纯度为99.999％的氩气；并优选通过40ppi陶瓷过滤板过滤铝液内部杂质，同时监控铝液氢含量，将氢含量控制在0.07mg/100g Al以下。

本申请优选对铸造棒进行T6热处理中，固溶温度为505℃～520℃，固溶时间为4h～5h；时效温度为165℃～175℃，时效时间为7h～9h。

本发明提供的4系铝合金棒的制备方法，针对直径较小的4系铝合金铸造棒，特采用高速铸造工艺，而由于高速铸造工艺易于出现裂纹，故结合本申请提供的4系铝合金的组分，采用冷却水快速冷却，将铝棒内部热量快速带走，避免元素偏析和裂纹缺陷，使得Φ35mm～90mm的4系变形铝合金都可使用该高速水平连续铸造工艺直接制备，省去挤压工艺。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。

实施例1

本实施例提供一种Φ35mm的4系铝合金棒的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1：按照质量百分数计，4系铝合金包括8％的Si、1.5％的Cu、1.2％的Mg、0.8％的Ni、0.6％的Mn、0.8％的Fe、0.1％的Cr、0.08％的Ti、0.1％的Nd，其余为Al；按照上述含量，分别称取相应量的A00铝锭、纯硅、纯铜、镁、AlNi20中间合金、锰片、AlFe20中间合金、AlCr75中间合金、AlTi5C0.18中间合金和AlNd30中间合金，得到原料；

S2：将称取的原料投入到熔化炉中，升温至690℃后，开启搅拌，得到铝液；

S3：铝液的温度达到750℃时，通入99.999％的氩气与精炼剂，精炼20min，将熔化炉表面的浮渣清除，得到精炼后的铝液；

S4：对精炼后的铝液的化学成分进行检验，检验合格后，将铝液转移至保温炉中，静置，降温；

S5：将精炼后的铝液降温至690℃，采用AlTi5C0.18丝进行细化处理，采用99.999％的氩气保护的双转子除气装置进行除气，再通过40ppi陶瓷过滤板过滤铝液内部杂质，同时监控铝液氢含量，将氢含量控制在0.07mg/100g Al以下，得到细化处理后的铝液；

S6：将细化处理后的铝液置于Φ35mm的模具中，于铸造温度为670℃、铸造速度为500mm/min～550mm/min，以及120ton/h冷却水激冷作用条件下，进行铸造，得到Φ35mm的铸造棒；

S7：将铸造棒在线切断成长度为2m的产品，并在线通过100％超声相控阵探伤检查，检查合格后，对铸造棒进行T6热处理，固溶温度为505℃，固溶时间为5h；时效温度为165℃，时效时间为9h得到Φ35mm的4系铝合金棒。

本实施例制备的Φ35mm的4系铝合金棒，内部无裂纹，无偏析瘤以及粗精环。

对该Φ35mm的4系铝合金棒的机械性能进行检测，检测结果见表1所示。

实施例2

本实施例提供一种Φ60mm的4系铝合金棒的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1：按照质量百分数计，4系铝合金包括9.5％的Si、1.2％的Cu、0.9％的Mg、0.9％的Ni、0.5％的Mn、0.4％的Fe、0.05％的Cr、0.11％的Ti、0.23％的Nd，其余为Al；按照上述含量，分别称取相应量的A00铝锭、纯硅、纯铜、镁、AlNi20中间合金、锰片、AlFe20中间合金、AlCr75中间合金、AlTi5C0.18中间合金和AlNd30中间合金，得到原料；

S2：将称取的原料投入到熔化炉中，升温至690℃后，开启搅拌，得到铝液；

S3：铝液的温度达到760℃时，通入99.999％的氩气与精炼剂，精炼20min，将熔化炉表面的浮渣清除，得到精炼后的铝液；

S4：对精炼后的铝液的化学成分进行检验，检验合格后，将铝液转移至保温炉中，静置，降温；

S5：将精炼后的铝液降温至700℃，采用AlTi5C0.18丝进行细化处理，采用99.999％的氩气保护的双转子除气装置进行除气，再通过40ppi陶瓷过滤板过滤铝液内部杂质，同时监控铝液氢含量，将氢含量控制在0.07mg/100g Al以下，得到细化处理后的铝液；

S6：将细化处理后的铝液置于Φ60mm的模具中，于铸造温度为680℃、铸造速度为400mm/min～450mm/min，以及110ton/h冷却水激冷作用条件下，进行铸造，得到Φ60mm的铸造棒；

S7：将铸造棒在线切断成长度为3m的产品，并在线通过100％超声相控阵探伤检查，检查合格后，对铸造棒进行T6热处理，固溶温度为515℃，固溶时间为4.5h；时效温度为170℃，时效时间为8h得到Φ60mm的4系铝合金棒。

本实施例制备的Φ60mm的4系铝合金棒，内部无裂纹，无偏析瘤以及粗精环。

对该Φ60mm的4系铝合金棒的机械性能进行检测，检测结果见表1所示。

实施例3

本实施例提供一种Φ85mm的4系铝合金棒的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1：按照质量百分数计，4系铝合金包括11％的Si、1.0％的Cu、0.7％的Mg、1.1％的Ni、0.3％的Mn、0.1％的Fe、0.01％的Cr、0.15％的Ti、0.35％的Nd，其余为Al；按照上述含量，分别称取相应量的A00铝锭、纯硅、纯铜、镁、AlNi20中间合金、锰片、AlFe20中间合金、AlCr75中间合金、AlTi5C0.18中间合金和AlNd30中间合金，得到原料；

S2：将称取的原料投入到熔化炉中，升温至690℃后，开启搅拌，得到铝液；

S3：铝液的温度达到770℃时，通入99.999％的氩气与精炼剂，精炼20min，将熔化炉表面的浮渣清除，得到精炼后的铝液；

S4：对精炼后的铝液的化学成分进行检验，检验合格后，将铝液转移至保温炉中，静置，降温；

S5：将精炼后的铝液降温至710℃，采用AlTi5C0.18丝进行细化处理，采用99.999％的氩气保护的双转子除气装置进行除气，再通过40ppi陶瓷过滤板过滤铝液内部杂质，同时监控铝液氢含量，将氢含量控制在0.07mg/100g Al以下，得到细化处理后的铝液；

S6：将细化处理后的铝液置于Φ85mm的模具中，于铸造温度为690℃、铸造速度为250mm/min～300mm/min，以及120ton/h冷却水激冷作用条件下，进行铸造，得到Φ85mm的铸造棒；

S7：将铸造棒在线切断成长度为4m的产品，并在线通过100％超声相控阵探伤检查，检查合格后，对铸造棒进行T6热处理，固溶温度为520℃，固溶时间为4h；时效温度为175℃，时效时间为7h得到Φ85mm的4系铝合金棒。

本实施例制备的Φ85mm的4系铝合金棒，内部无裂纹，无偏析瘤以及粗精环。

对该Φ85mm的4系铝合金棒的机械性能进行检测，检测结果见表1所示。

表1

实施例	直径	硬度	抗拉强度	屈服强度
					实施例1	Φ35mm	128HB	410MPa	340MPa
实施例2	Φ60mm	125HB	403MPa	330MPa
					实施例3	Φ85mm	122HB	401MPa	326MPa

从上表数据可知，本发明提供的4系铝合金，采用高速铸造工艺，并采用冷却水快速冷却，使得Φ35mm～90mm的4系变形铝合金可直接通过铸造工艺进行制备，省去挤压工艺；且制备的Φ35mm～90mm的4系变形铝合金棒机械性能可媲美挤压棒。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种4系铝合金棒的制备方法，其特征在于，所述4系铝合金棒的制备方法包括如下步骤：

S1：按照4系铝合金中各成分的质量百分数，称取原料；

S2：将所述原料升温熔化，得到铝液；

S3：所述铝液的温度达到750℃~770℃时，对所述铝液进行精炼，得到精炼后的铝液；

S4：对所述精炼后的铝液进行静置，降温；

S5：将所述精炼后的铝液降温至690℃~710℃，采用AlTi5C0.18丝进行细化处理，并进行除气，过滤除去杂质，得到细化处理后的铝液；

S6：将所述细化处理后的铝液置于模具中，于铸造温度为670℃~690℃、铸造速度为250mm/min~550mm/min，以及100ton/h~120ton/h冷却水激冷作用条件下，进行铸造，得到铸造棒；

S7：对所述铸造棒进行T6热处理，得到4系铝合金棒;

所述4系铝合金棒的尺寸为Φ35mm~90mm；

所述4系铝合金棒的材质为，按照质量百分数计，包括8%~11%的Si、1.0%~1.5%的Cu、0.7%~1.2%的Mg、0.8%~1.1%的Ni、0.3%~0.6%的Mn、0~0.8%的Fe、0~0.1%的Cr、0.08%~0.15%的Ti、0.1%~0.35%的Nd，其余为Al。

2.如权利要求1所述的4系铝合金棒的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：将所述原料升温至690℃后，开启搅拌，得到所述铝液。

3.如权利要求1所述的4系铝合金棒的制备方法，其特征在于，对所述铝液进行精炼包括：向所述铝液中通入氩气与精炼剂，精炼20min。

4.如权利要求3所述的4系铝合金棒的制备方法，其特征在于，对所述铝液进行精炼处理后，还包括对所述铝液内的浮渣进行清除。

5.如权利要求1所述的4系铝合金棒的制备方法，其特征在于，步骤S5中的除气包括：采用惰性气体保护的双转子除气装置进行除气。

6.如权利要求1所述的4系铝合金棒的制备方法，其特征在于，对所述铸造棒进行T6热处理中，固溶温度为505℃~520℃，固溶时间为4h~5h。

7.如权利要求1所述的4系铝合金棒的制备方法，其特征在于，对所述铸造棒进行T6热处理中，时效温度为165℃~175℃，时效时间为7h~9h。