CN114959374B - 一种高可挤压性高强度铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝合金材料领域，具体是一种高可挤压性高强度铝合金及其制备方法。本发明提供了一种高可挤压性高强度铝合金，包括：Si：0.7～1.3wt％；Mg：0.60～1.0wt％；Cu：0.20～0.50wt％；Mn：0～0.15wt％；Ce：0～0.20wt％；La：0～0.20wt％；Zr：0.01～0.40wt％；Ti：0.01～0.15wt％；余量为Al；其中，Ce和La的含量不同时为0。实验表明，本发明的铝合金具有比6082铝合金和6005A铝合金更高的强度和更强的可挤压性，并且降低了成本，提高了产品的经济竞争力。本发明提供的高可挤压性高强度铝合金的强度高，可挤压性强，抗疲劳性能好，可满足高速列车车体铝合金型材的减重需求。

Description

一种高可挤压性高强度铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料领域，具体是一种高可挤压性高强度铝合金及其制备方法。
背景技术
Al-Mg-Si-Cu合金具有适中的强度，优良的挤压性能和焊接性能。其中6005A合金和6082合金已成为了国内外高速轨道列车用车体的主要材料。6005A合金强度偏低，可挤压性好，6082合金具有中等强度和中等的可挤压性。因此，截面复杂的车体型材一般采用6005A合金，而强度要求较高的部件一般采用6082合金。随着高速列车不断更新换代，对列车车体一体化设计和轻量化的要求越来越高。复杂截面部件的强度需要提高，高强度的部件需要减重。如何将上述两种主要合金的优势性能结合起来是车体铝合金型材开发的难点和重点。
CN113549795A“一种轨道交通用高强高韧铝合金及生产工艺”公布了一种轨道交通用高强高韧铝合金及生产工艺，其主要成分包括：Si:0.70～0.90％；Mg:0.90～1.20％；Cu:0.20～0.40％；Cr:0.10～0.16％；Mn:0.21～0.26％；Zr:0.13～0.18％；Y:0.04～0.08％；Ti:0.04～0.07％；余量为Al和不可避免的杂质。该发明中铝合金的抗拉强度、屈服强度、硬度等机械性能均高于6082合金。但在铝合金车体型材的开发中，6082合金的强度已足够，主要问题在于可挤压性无法满足在宽幅薄壁多腔型材上使用，该发明的强度高于6082合金，但并没有解决可挤压性差的问题，其较高的Mn含量也会降低Cu元素的强化效果。
CN110952005A“一种快速挤压高性能变形铝合金及其制备方法”公布了一种快速挤压高性能变形铝合金，其主要成分包括：Mg:0.5～1.0％；Si:0.2～0.6％；Ce:0.1～0.5％；其余为Al和不可避免杂质。该发明的合金强度性能较好，但其通过挤压速度而不是挤压压力峰值去侧面证明合金的可挤压性良好并不具备说服力，而且其延伸率也不高；其对合金的疲劳性能也没有详细说明。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种高可挤压性高强度铝合金及其制备方法，本发明提供的高可挤压性高强度铝合金的强度高，可挤压性强，抗疲劳性能好。
本发明提供了一种高可挤压性高强度铝合金，包括：
Si：0.7～1.3wt％；Mg：0.60～1.0wt％；Cu：0.20～0.50wt％；Mn：0～0.15wt％；Ce：0～0.20wt％；La：0～0.20wt％；Zr：0.01～0.40wt％；Ti：0.01～0.15wt％；余量为Al；其中，Ce和La的含量不同时为0。
在本发明的某些实施例中，所述高可挤压性高强度铝合金优选包括：Si：0.88～1.20wt％；Mg：0.80～1.0wt％；Cu：0.20～0.40wt％；Mn：0.01～0.15wt％；Ce：0.01～0.20wt％；La：0.01～0.20wt％；Zr：0.01～0.30wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al。本发明所述Cu在铝镁硅合金中具有低温强化、高温软化的特性。本发明提高Cu含量，将Mn降到很低的范围，同时采用Zr替代Mn以提高合金的再结晶温度，进一步提高了合金的强度。
在本发明的某些实施例中，所述Si和Mg的质量分数之比为1.0～1.3:1，优选为1.1～1.3:1。本发明通过控制Si和Mg的比例，提高了合金强度和再结晶温度，防止了Si相在晶界处偏聚。
在本发明的某些实施例中，所述Ce和La的含量之和不高于0.2wt％；所述Ce和La的质量分数之比为1～4:1～4。本发明中Ce的掺杂能够提高合金的强度，La的掺杂能够提高合金的可塑性，本发明通过对所掺杂Ce和La稀土的总量进行控制，提高了合金中MgSi相的强化效果和再结晶温度的同时也避免了合金力学性能的下降。
在一个实施例中，本发明所述高可挤压性高强度铝合金包括：Si：0.90～0.95wt％；Mg：0.85～0.90wt％；Cu：0.25～0.30wt％；Mn：0.10～0.15wt％；Ce：0.10～0.15wt％；La：0.01～0.05wt％；Zr：0.01～0.05wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al。在一个实施例中，本发明所述高可挤压性高强度铝合金包括：Si：0.90～0.95wt％；Mg：0.80～0.82wt％；Cu：0.25～0.30wt％；Mn：0.10～0.15wt％；Ce：0.01～0.05wt％；La：0.08～0.13wt％；Zr：0.01～0.05wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al。在一个实施例中，本发明所述高可挤压性高强度铝合金包括：Si：0.90～0.95wt％；Mg：0.80～0.85wt％；Cu：0.25～0.30wt％；Mn：0.10～0.15wt％；Ce：0.05～0.10wt％；La：0.05～0.10wt％；Zr：0.10～0.20wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al。在一个实施例中，本发明所述高可挤压性高强度铝合金包括：Si：0.90～0.95wt％；Mg：0.80～0.85wt％；Cu：0.25～0.30wt％；Mn：0.10～0.15wt％；Ce：0.10～0.15wt％；La：0.10～0.15wt％；Zr：0.10～0.20wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al。
本发明以Al为主体材料，并掺杂有少量Si、Mg、Cu、Mn、Ce、La、Zr、Ti，其余为不可避免的杂质，通过调整元素组成的比例，获得了强度高、可挤压性强的铝合金。
本发明还提供了一种高可挤压性高强度铝合金的制备方法，步骤如下：
将含硅原料、含镁原料、含铜原料、含锰原料、含铈原料、含镧原料、含锆原料、含钛原料和铝按照上述铝合金的组成进行熔融、精炼、浇铸、均匀化处理、挤压成型和时效处理，得到铝合金。
本发明首先将含硅原料、含镁原料、含铜原料、含锰原料、含铈原料、含镧原料、含锆原料、含钛原料和铝按照上述铝合金的组成进行熔融、精炼和浇铸。具体而言，本发明将含硅原料、含镁原料、含铜原料、含锰原料、含铈原料、含镧原料、含锆原料、含钛原料和铝按照上述铝合金的组成熔融成铝合金液进行精炼，再依次进行扒渣和吹气精炼，然后进行浇铸，得到铸棒。在一个实施例中，所述铝合金液的温度为730～760℃，优选为750℃；所述精炼的温度为720～730℃。在一个实施例中，所述吹气精炼采用纯度为99.9％的氩气进行。在一个实施例中，所述吹气精炼的时间为5～10min。在一个实施例中，所述浇铸的温度为600～800℃，优选为600～700℃，更优选为680～700℃，最优选为685℃。
本发明得到铸棒后，对所述铸棒进行均匀化处理。在一个实施例中，所述均匀化处理的温度为500～600℃，优选为550～600℃；所述均匀化处理的时间为6～10h，优选为8h。
本发明对所述铸棒进行均匀化处理后，再进行挤压成型。具体而言，本发明将所述铸棒进行均匀化处理后，将所述铸棒加热并置于事先预热的挤压模具中，用事先升温的挤压筒进行挤压成型，得到挤压型材，所述挤压型材在出模具口出料，出料后进行风冷冷却。在一个实施例中，所述加热的温度为450～550℃，优选为490～510℃，更优选为500℃；所述加热的时间为1～2h。在一个实施例中，所述预热的温度为400～500℃，优选为440～460℃，更优选为450℃；所述预热的时间为2～3h。在一个实施例中，所述事先升温的挤压筒的温度为400～500℃，优选为410～420℃。在一个实施例中，所述出模具口的温度为500～600℃，优选为510℃～540℃，更优选为520～540℃，最优选为530℃。在实际生产中，铸棒加热和模具预热的时间可根据工厂的自身情况而定。
本发明经过挤压成型得到挤压型材后，进行时效处理，得到铝合金。在一个实施例中，所述时效处理的温度为150～250℃，优选为150～200℃，更优选为160～180℃；所述时效处理的时间为7～14h。在一个实施例中，挤压成型后还包括进行固溶处理，然后在0～0.5h内进行时效处理；所述固溶处理的温度为500～600℃，优选为500～550℃，更优选为530～550℃；所述固溶处理的时间为3h以内，优选为1.5h以内。
本发明提供的高可挤压性高强度铝合金，包括：Si：0.7～1.3wt％；Mg：0.60～1.0wt％；Cu：0.20～0.50wt％；Mn：0～0.15wt％；Ce：0～0.20wt％；La：0～0.20wt％；Zr：0.01～0.40wt％；Ti：0.01～0.15wt％；余量为Al；其中，Ce和La的含量不同时为0。实验表明，本发明的铝合金具有比6082铝合金和6005A铝合金更高的强度和更强的可挤压性，并且降低了成本，提高了产品的经济竞争力。本发明提供的高可挤压性高强度铝合金的强度高，可挤压性强，可满足高速列车车体铝合金型材的减重需求。
具体实施方式
本发明公开了一种高可挤压性高强度铝合金及其制备方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
本具体实施方式所需制备的铝合金的元素配方如表1所示：
表1
以下结合实施例对本发明进行进一步阐述：
实施例1～4
按照表1所示实施例1～4的铝合金的元素配方准备相应配料，并按照下列制备方法分别制备本发明所述高可挤压性高强度铝合金，具体步骤如下：
熔炼时将铝合金液的温度控制在750℃，依次投入配料，在720～730℃下进行精炼、扒渣得到合格成分。然后用纯度为99.9％的氩气对熔炼炉内铝合金液进行吹气精炼5min以降低铝液中的含气量。将铸造温度降低并控制在685℃，进行慢速浇铸；浇铸完成后，在560℃下进行均匀化处理，保温8h，得到挤压前铸棒；对挤压前铸棒及其模具分别进行预热，即将所述挤压前铸棒加热到500℃，保温时间2h；将所述模具加热到450℃时，保温3h。对挤压前铸棒及其模具预热完成后，开始进行挤压，挤压筒的温度为400℃，挤压型材出模具口的温度为530℃，冷却方式采用风冷。挤压变形后合金需要在540℃下进行1h的固溶处理，并在固溶处理结束后的0.5h内进行时效处理，所述时效处理的温度为170℃，时间为7h，最终得到本发明所述高可挤压性高强度铝合金。
对比例1
按照表1所示对比例1的铝合金的元素配方准备相应配料，并按照下列制备方法制备6082铝合金：
熔炼时将铝合金液的温度控制在750℃，依次投入配料，在720～730℃下进行精炼、扒渣得到合格成分。然后用纯度为99.9％的氩气对熔炼炉内铝合金液进行吹气精炼5min以降低铝液中的含气量。将铸造温度降低并控制在685℃，进行慢速浇铸；浇铸完成后，在560℃下进行均匀化处理，保温8h，得到挤压前铸棒；对挤压前铸棒及其模具分别进行预热，即将所述挤压前铸棒加热到500℃，保温时间2h；将所述模具加热到450℃时，保温3h。对挤压前铸棒及其模具预热完成后，开始进行挤压，挤压筒的温度为400℃，挤压型材出模具口的温度为530℃，冷却方式采用风冷。挤压变形后合金需要在540℃下进行1h的固溶处理，并在固溶处理结束后的0.5h内进行时效处理，所述时效处理的温度为170℃，时间为7h，最终得到6082铝合金。
对比例2
按照表1所示对比例2的铝合金的元素配方准备相应配料，并按照下列制备方法制备6005A铝合金：
熔炼时将铝合金液的温度控制在750℃，依次投入配料，在720～730℃下进行精炼、扒渣得到合格成分。然后用纯度为99.9％的氩气对熔炼炉内铝合金液进行吹气精炼5min以降低铝液中的含气量。将铸造温度降低并控制在685℃，进行慢速浇铸；浇铸完成后，在570℃下进行均匀化处理，保温10h，得到挤压前铸棒；对挤压前铸棒及其模具分别进行预热，即将所述挤压前铸棒加热到500℃，保温时间2h；将所述模具加热到450℃时，保温3h。对挤压前铸棒及其模具预热完成后，开始进行挤压，挤压筒的温度为400℃，挤压型材出模具口的温度为530℃，冷却方式采用风冷。挤压变形后合金需要在540℃下进行1h的固溶处理，并在固溶处理结束后的0.5h内进行时效处理，所述时效处理的温度为170℃，时间为7h，最终得到6005A铝合金。
实施例5
对实施例1～4和对比例1～2所制备的铝合金进行可挤压性和力学性能测试，结果如表2所示：
表2
由表2可知，在强度上，本发明所述高可挤压性高强度铝合金与6082铝合金基本相近，高于6005A铝合金。在可挤压性上，本发明所述高可挤压性高强度铝合金高于6082铝合金，也高于6005A铝合金。本发明所述高可挤压性高强度铝合金的挤压压力明显降低，且低于6005A合金，挤压速率有大幅度提高。
实施例6
按照表3所示合金1～4的配方配料，并按照实施例1～4的制备方法制备合金。
表3
组成 合金1 合金2 合金3 合金4
Si 1.11 1.01 1.13 1.14
Mg 0.86 0.82 0.87 0.83
Cr 0.26 / / 0.24
Mn / / 0.74 0.76
Cu / 0.11 / 0.12
Ce+La 0.13 0.12 0.17 0.11
Ti 0.054 0.055 0.051 0.045
Al和不可避免的杂质 余量 余量 余量 余量
制备所得的合金1～4合金被加工成直径8mm，高度12mm的圆棒，放置在试验机的压缩夹具内，在应变速率为0.1s-1，温度分别为300℃、350℃、400℃和450℃的条件下进行压缩试验，所得结果如表4所示：
表4
由表4可知，Cu在铝镁硅合金中具有低温强化、高温软化的特性，而Mn则会降低Cu的强化效果，表明本发明所述高可挤压性高强度铝合金采用高Cu含量，低Mn含量的配方具有提高合金在相对低温情况下的强度的效果。
实施例7
对实施例3的高可挤压性高强度铝合金和对比例2的6005A铝合金的疲劳性能依据《GB/T 3075》分别进行了测试，测试结果如下：
实施例3的高可挤压性高强度铝合金的应力比为0.1，最大应力为120MPa，循环次数大于3800万次无裂纹。
对比例2的6005A铝合金的应力比为0.1，最大应力为110MPa，循环次数大于3800万次无裂纹；
由上述结果可知，本发明的高可挤压性高强度铝合金的抗疲劳性能好。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高可挤压性高强度铝合金，包括：
Si：0.7～1.3wt％；Mg：0.60～1.0wt％；Cu：0.20～0.50wt％；Mn：0～0.15wt％；Ce：0～0.20wt％；La：0～0.20wt％；Zr：0.01～0.40wt％；Ti：0.01～0.15wt％；余量为Al；其中，Ce和La的含量不同时为0。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，包括：
Si：0.88～1.20wt％；Mg：0.80～1.0wt％；Cu：0.20～0.40wt％；Mn：0.01～0.15wt％；Ce：0.01～0.20wt％；La：0.01～0.20wt％；Zr：0.01～0.30wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al。
3.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，所述Ce和La的含量之和不高于0.2wt％。
4.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，所述Si和Mg的质量分数之比为1.0～1.3:1。
5.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，所述Ce和La的质量分数之比为1～4:1～4。
6.根据权利要求1或2所述的铝合金，其特征在于，包括：Si：0.90～0.95wt％；Mg：0.85～0.90wt％；Cu：0.25～0.30wt％；Mn：0.10～0.15wt％；Ce：0.10～0.15wt％；La：0.01～0.05wt％；Zr：0.01～0.05wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al；
或者，包括：Si：0.90～0.95wt％；Mg：0.80～0.82wt％；Cu：0.25～0.30wt％；Mn：0.10～0.15wt％；Ce：0.01～0.05wt％；La：0.08～0.13wt％；Zr：0.01～0.05wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al；
或者，包括：Si：0.90～0.95wt％；Mg：0.80～0.85wt％；Cu：0.25～0.30wt％；Mn：0.10～0.15wt％；Ce：0.05～0.10wt％；La：0.05～0.10wt％；Zr：0.10～0.20wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al；
或者，包括：Si：0.90～0.95wt％；Mg：0.80～0.85wt％；Cu：0.25～0.30wt％；Mn：0.10～0.15wt％；Ce：0.10～0.15wt％；La：0.10～0.15wt％；Zr：0.10～0.20wt％；Ti：0.02～0.07wt％；余量为Al。
7.一种高可挤压性高强度铝合金的制备方法，步骤如下：
将含硅原料、含镁原料、含铜原料、含锰原料、含铈原料、含镧原料、含锆原料、含钛原料和铝按照权利要求1或2所述铝合金的组成进行熔融、精炼、浇铸、均匀化处理、挤压成型和时效处理，得到铝合金。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理的温度为550～600℃；所述均匀化处理的时间为6～10h。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，挤压成型后还包括进行固溶处理；所述固溶处理的温度为500～550℃；所述固溶处理的时间为1.5h以内。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述时效处理的温度为150～200℃；所述时效处理的时间为7～14h。
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