CN115094279B - 一种高硅铝合金管材生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种4XXX系铝合金，按质量分数计，包括8.5％～10.5％的Si、≤1.2％的Fe、2.0％～3.0％的Cu、≤0.50％的Mn、0.5％～1.5％的Mg、≤0.50％的Ni、≤1.0％的Zn、≤0.20％的Ti以及余量的铝。本发明设计了一种具有特定组成的4XXX系高硅铝合金，生产的铝合金管材，具有优异的物理和机械性能，还具有良好的高温耐磨性能，在汽车应用上具有广阔前景。而且本发明提供的4XXX铝合金管材，具有较好的淬火敏感性和淬透性，再结合特别的高温挤压‑在线水淬生产工艺，具有优异的力学性能和硬度指标要求，物理和机械性能均能满足要求。

Description

一种高硅铝合金管材生产工艺

技术领域

本发明属于4XXX系高硅铝合金铸锭制备技术领域，涉及一种4XXX系铝合金及其制备方法，尤其涉及一种高硅铝合金管材生产工艺。

背景技术

4系铝合金是以硅为主要合金元素的铝合金，其大多数合金属于热处理不可强化铝合金，只有含Cu、Mg和Ni的合金，以及焊接热处理强化合金后吸取了某些元素时，才可以通过热处理强化。该系合金由于含硅量高，熔点低，熔体流动性好，容易补缩，并且不会使最终产品产生脆性，因此主要用于制造铝合金焊接的添加材料，如钎焊板、焊条和焊丝等。另外，由于一些该系合金的耐磨性能和高温性能好，也被用来制造活塞及耐热零件。含硅5％左右的合金，也适宜做建筑材料以及制造装饰件。

然而进口的4系铝合金在性能上具有优势，而且应用更为广泛，因而，随着下游应用领域的扩展和不断增高的要求，如何进一步提高4系铝合金的性能，同时进一步降低生产成本，为国产化之路贡献一份力量，已成为业内诸多一线研究人员亟待解决的问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种4XXX系铝合金及其制备方法，特别是一种高硅铝合金管材生产工艺。本发明提供的4XXX系铝合金具有优异的物理和机械性能，可完全替代进口产品。而且工艺省去了多道常规工序，大大地节约了能源，缩短了生产工时，有效地提高了生产效率。降低了生产加工成本，而且工艺简单，可控性强，现场可执行性高，适于工业化规模生产的推广和应用。

本发明提供了一种4XXX系铝合金，按质量分数计，包括：

Si：8.5％～10.5％；

Fe：≤1.2％；

Cu：2.0％～3.0％；

Mn：≤0.50％；

Mg：0.5％～1.5％；

Ni：≤0.50％；

Zn：≤1.0％；

Ti：≤0.20％；

余量的铝。

优选的，所述4XXX系铝合金中还包括其他杂质；

所述其他杂质的总含量≤0.50％；

所述其他杂质中，单个杂质的含量≤0.05％。

优选的，所述铝合金包括高硅铝合金；

所述铝合金包括铝合金管材；

所述铝合金管材包括无缝铝合金管材。

优选的，所述铝合金包括可热处理强化铝合金；

所述铝合金4XXX系铝合金为在线淬火铝合金；

所述淬火的方式包括水淬。

本发明还提供了一种4XXX系铝合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将铝合金铸锭进行加热，经过挤压后得到管材，直接进行在线水淬后，再经过自然时效后，得到4XXX系铝合金管材。

优选的，所述铸锭加热的温度为480～510℃。

优选的，所述挤压的挤压筒温度为440～480℃；

所述挤压的速度为0.9～2.0mm/s。

优选的，所述管材进行在线水淬的入水前温度为420～480℃；

所述在线水淬后的铝合金管材的头部出水温度为35～50℃。

优选的，所述在线水淬后的铝合金管材的中部出水温度为35～150℃；

所述在线水淬后的铝合金管材的中部出水温度为40～150℃。

优选的，所述在线水淬后还包括预拉矫和/或辊矫步骤；

所述自然时效的时间为4～10天。

本发明提供了一种4XXX系铝合金，按质量分数计，包括8.5％～10.5％的Si、≤1.2％的Fe、2.0％～3.0％的Cu、≤0.50％的Mn、0.5％～1.5％的Mg、≤0.50％的Ni、≤1.0％的Zn、≤0.20％的Ti以及余量的铝。与现有技术相比，本发明设计了一种具有特定组成的4XXX系高硅铝合金，生产的高硅铝合金管材，具有优异的物理和机械性能，还具有良好的高温耐磨性能，可以完全替代进口产品，主要用于制造汽车缸体、滚轮导套、活塞及耐热零件等，在汽车应用上具有广阔前景。

而且本发明提供的4XXX铝合金管材，具有较好的淬火敏感性和淬透性，再结合特别的高温挤压-在线水淬生产工艺，完全能满足用户的力学性能和硬度指标要求，用户使用后反馈质量良好，物理和机械性能均能满足要求。

本发明提供的生产工艺不仅省去了淬火炉保温工序(即本发明无需淬火炉保温工序)，大大地节约了能源，还省去了淬火备料工序(即本发明无需淬火备料工序)，缩短了生产工时，能有效地提高生产效率，大大降低了生产加工成本。而且工艺简单，可控性强，现场可执行性高，适于工业化规模生产的推广和应用。

工业化生产试验结果表明，本发明最佳参数控制在锭温：480～510℃，筒温：460～480℃，采用在线水淬，挤压后至少需停放4天。本发明制备的41A2T4合金管材，具有较好的淬火敏感性和淬透性，采用高温挤压-在线水淬生产工艺，物理和机械性能均能满足要求。而且本发明提供的工艺不需要淬火炉保温工序和淬火备料工序，大大地节约了能源，缩短了生产工时，有效地提高生产效率。

附图说明

图1为本发明提供的在线水淬装置的实物照片；

图2为本发明实施例中520℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图；

图3为本发明实施例中525℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图；

图4为本发明实施例中530℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图；

图5为本发明实施例中540℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图；

图6为本发明实施例中550℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图；

图7为本发明实施例中在线水淬后的HB强化曲线；

图8为本发明实施例中盐浴炉淬火后自然时效HRB强化曲线。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。

本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。

本发明所有原料，对其纯度没有特别限制，本发明优选采用工业纯或4XXX系铝合金制备领域常规的纯度要求。

本发明所有原料，其牌号和简称均属于本领域常规牌号和简称，每个牌号和简称在其相关用途的领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据牌号、简称以及相应的用途，能够从市售中购买得到或常规方法制备得到。

本发明所用工艺，其简称均属于本领域常规简称，每个简称的具体步骤和常规参数在其相关领域内均是清楚明确的，本领域技术人员根据简称，能够以常规方法进行实现。

本发明提供了一种4XXX系铝合金，按质量分数计，包括：

Si：8.5％～10.5％；

Fe：≤1.2％；

Cu：2.0％～3.0％；

Mn：≤0.50％；

Mg：0.5％～1.5％；

Ni：≤0.50％；

Zn：≤1.0％；

Ti：≤0.20％；

余量的铝。

在本发明中，所述Si的加入量为8.5％～10.5％，可以为8.9％～10.1％，优选为9.3％～9.7％。

在本发明中，所述Fe的加入量为≤1.2％。

在本发明中，所述Cu的加入量为2.0％～3.0％，可以为2.2％～2.8％，优选为2.4％～2.6％。

在本发明中，所述Mn的加入量为≤0.50％。

在本发明中，所述Mg的加入量为0.5％～1.5％，可以为0.7％～1.3％，优选为0.9％～1.1％。

在本发明中，所述Ni的加入量为≤0.50％。

在本发明中，所述Zn的加入量为≤1.0％。

在本发明中，所述Ti的加入量为≤0.20％。

在本发明中，所述4XXX系铝合金中优选包括其他杂质。

在本发明中，所述其他杂质的总含量优选≤0.50％。

在本发明中，所述其他杂质中，单个杂质的含量优选≤0.05％。

在本发明中，所述铝合金优选包括高硅铝合金。

在本发明中，所述铝合金优选包括铝合金管材。

在本发明中，所述铝合金管材优选包括无缝铝合金管材。

在本发明中，所述铝合金优选包括可热处理强化铝合金。

在本发明中，所述铝合金4XXX系铝合金优选为在线淬火铝合金。

在本发明中，所述淬火的方式优选包括水淬。

本发明提供了一种4XXX系铝合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将铝合金铸锭进行加热，经过挤压后得到管材，直接进行在线水淬后，再经过自然时效后，得到4XXX系铝合金管材。

在本发明中，所述铸锭加热的温度优选为480～510℃，更优选为485～505℃，更优选为490～500℃。具体的，在本发明中，所述铸锭最高允许的加热温度不超过530℃。

在本发明中，所述挤压的挤压筒温度优选为440～480℃，更优选为445～475℃，更优选为450～470℃，更优选为455～465℃。

在本发明中，所述挤压的速度优选为0.9～2.0mm/s，更优选为1.1～1.8mm/s，更优选为1.3～1.6mm/s。

在本发明中，所述管材进行在线水淬的入水前温度优选为420～480℃，更优选为430～470℃，更优选为440～460℃。

在本发明中，所述在线水淬后的铝合金管材的头部出水温度优选为35～50℃，更优选为38～47℃，更优选为41～44℃。具体的，在本发明中，所述在线水淬后的铝合金管材的头部出水温度不允许超过50℃。

在本发明中，所述在线水淬后的铝合金管材的中部出水温度优选为35～150℃，更优选为55～130℃，更优选为75～110℃。

在本发明中，所述在线水淬后的铝合金管材的中部出水温度优选为40～150℃，更优选为60～130℃，更优选为80～110℃。具体的，在本发明中，所述在线水淬后的铝合金管材的中部出水温度不允许超过150℃。

在本发明中，所述在线水淬后还优选包括预拉矫和/或辊矫步骤，更优选为预拉矫或辊矫步骤。

在本发明中，所述自然时效的时间优选为4～10天，更优选为5～9天，更优选为6～8天。具体的，在本发明中，所述自然时效的时间不短于4天。

本发明提供的高硅4XXX系铝合金的化学成分，虽然合金成分与4032、4A11、AHS合金较接近，但是具有特定的比例和组分涉及。离线蘸火4XXX系铝合金是以硅为主要合金元素的铝合金，本发明在合金里添加了2.0～3.0％Cu、0.5～1.5％Mg，故此合金属于可热处理强化合金。结合该合金的化学成分和性能指标要求，针对该合金具有较好的淬火敏感性，同时为了降低成本，本发明特别采用了在线水淬工艺。

本发明提供的4XXX系铝合金管材的生产工艺路线为：铸锭加热→挤压→在线水淬→预拉矫→切头尾→辊矫→自然时效→切成品→成品检查→交货→包装入库。

进一步的，本发明还特别设计了在线水淬装置，参见图1，图1为本发明提供的在线水淬装置的实物照片。本发明将此设备安装在1#2500吨油压机前机架和出料台之间。充分利用高温挤压产生的变形热实现固溶处理，利用循环水快速冷却实现合金固溶。此工艺不仅省去了淬火炉保温工序，大大地节约了能源，还省去了淬火备料工序，缩短了生产工时，能有效地提高生产效率。

本发明提供的4系管材的合金牌号定义为41A2，其化学成分应参见表1。表1为本发明提供的4XXX系铝合金管材化学成分配比。

表1

参见表2，表2为本发明提供的4系管材产品的室温拉伸力学性能应符合的性能要求规定。

表2

管材的布氏硬度值(HB)要求：90～120(10mm钢球，500Kg载荷)。

本发明提供了一种4XXX系铝合金，按质量分数计，包括8.5％～10.5％的Si、≤1.2％的Fe、2.0％～3.0％的Cu、≤0.50％的Mn、0.5％～1.5％的Mg、≤0.50％的Ni、≤1.0％的Zn、≤0.20％的Ti以及余量的铝。与现有技术相比，本发明设计了一种具有特定组成的4XXX系高硅铝合金，生产的高硅铝合金管材，具有优异的物理和机械性能，还具有良好的高温耐磨性能，可以完全替代进口产品，主要用于制造汽车缸体、滚轮导套、活塞及耐热零件等，在汽车应用上具有广阔前景。

而且本发明提供的4XXX铝合金管材，具有较好的淬火敏感性和淬透性，再结合特别的高温挤压-在线水淬生产工艺，完全能满足用户的力学性能和硬度指标要求，用户使用后反馈质量良好，物理和机械性能均能满足要求。

本发明提供的生产工艺不仅省去了淬火炉保温工序(即本发明无需淬火炉保温工序)，大大地节约了能源，还省去了淬火备料工序(即本发明无需淬火备料工序)，缩短了生产工时，能有效地提高生产效率，大大降低了生产加工成本。而且工艺简单，可控性强，现场可执行性高，适于工业化规模生产的推广和应用。

工业化生产试验结果表明，本发明最佳参数控制在锭温：480～510℃，筒温：460～480℃，采用在线水淬，挤压后至少需停放4天。本发明制备的41A2T4合金管材，具有较好的淬火敏感性和淬透性，采用高温挤压-在线水淬生产工艺，物理和机械性能均能满足要求。而且本发明提供的工艺不需要淬火炉保温工序和淬火备料工序，大大地节约了能源，缩短了生产工时，有效地提高生产效率。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种4XXX系铝合金及其制备方法进行详细描述，但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。

实施例

化学成分控制，参见表1。表1为本发明提供的4XXX系铝合金管材化学成分配比。

管材的生产工艺路线为：铸锭加热→挤压→在线水淬→预拉矫→切头尾→辊矫→自然时效→切成品→成品检查→交货→包装入库。

采用本发明涉及的简易在线水淬装置(如图1所示)，并将此安装在1#2500吨油压机前机架和出料台之间。

淬火过烧温度

为确定合适的在线淬火工艺，本发明分别做了5组淬火温度试验，分别为520℃、525℃、530℃、540℃、550℃。淬火后，进行高倍检查，结果见图2～6。

图2为本发明实施例中520℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图。

图3为本发明实施例中525℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图。

图4为本发明实施例中530℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图。

图5为本发明实施例中540℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图。

图6为本发明实施例中550℃淬火后的管材的50X和200X的高倍电镜图。

图2～6中，上图均为50X高倍电镜图，下图均为200X高倍电镜图。

由图2～6可知，520℃、525℃、530℃淬火，管材未过烧。540℃、550℃淬火，管材已过烧。故此合金的过烧温度介于530℃～540℃之间。淬火温度试验是确定铸锭加热温度和铸锭最高允许加热温度的依据，所以，530℃是铸锭最高允许加热温度和管材进行在线水淬的入水前温度的最上限，超过这个值，铸锭和管材就要过烧，要整批报废，这在生产中是绝对不允许的。

挤压及在线水淬工艺

常规4A11、AHS合金的淬火温度为525～535℃，为保证挤压管材在进入水槽前能达到合金的固溶温度，故初步确定挤压工艺：铸锭加热温度：480～500℃，挤压筒温：440～480℃。为验证合理的挤压工艺，我们选取了几组不同的工艺方案进行试验，挤压在线水淬3天后检测管材的硬度和力学性能。试验方案及结果见表3。表3为本发明提供的挤压及在线水淬工艺的数据分析。

表3

对水淬后的管材进行性能检测。参见表4，表4为本发明实施例制备的管材在线水淬性能的试验结果。

表4

从表3和表4数据看，挤压-在线水淬工艺完全能满足用户的性能指标要求，管材的实测性能值较指标有较大的富余量，而自然时效3天后的布氏硬度值基本能达到要求，最佳的挤压制度为：锭温：480～500℃，筒温：460～480℃。

自然时效时间-硬度强化曲线

本发明认为在线水淬后管材自然时效一两天时，布氏硬度值往往不合格，同样的试样放三四天后再测HB，硬度值有明显的上升。为继续摸索41A2T4合金管材在线水淬后，不同的自然时效时间对性能和硬度影响，本发明在管材水淬后每隔一段时间进行布氏硬度检测。

参见表5，表5为本发明提供的4XXX系铝合金管材自然失效后的布氏硬度检测结果。

表5

参见图7，图7为本发明实施例中在线水淬后的HB强化曲线。

备注：由于本发明表5中的检测无法做10mm钢球，500Kg载荷的布氏硬度试验，为检测方便，本发明采用便携式硬度计进行测试跟踪。不同的检测方法，虽然试验结果无可比性，但自然时效过程中强化规律是一样的(表5中HB值未达到指标，是由于使用的测量仪器和方法不同)。

本发明进一步研究了41A2T4合金管材盐浴炉淬火后，自然时效时间对硬度HRB的强化规律。

参见表6，表6为本发明制备4XXX系铝合金管材盐浴炉淬火后自然时效的HRB结果。

表6

参见图8，图8为本发明实施例中盐浴炉淬火后自然时效HRB强化曲线。

从图7和图8可以看出，管材在在线水淬后，随着自然时效时间的增加，合金的硬度值逐渐上升，尤其在1到4天时，硬度值上升较明显，自然时效8天后，硬度值趋于稳定。结合试验数据和硬度指标要求，生产中规定：挤压-在线水淬后至少需停放4天方可做力学性能及硬度检测。

批量化生产情况

采用本发明提供的方法生产41A2T4合金管材，即高硅4XXX系铝合金管材，投料生产了39批，实现稳定供货83.08吨，综合成品率66.77％。随机抽取了其中4个批次的力学性能和硬度试验结果，见表7。表7为本发明实施例制备的41A2T4合金管材的性能检测结果。

表7

批号	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	相对伸长率％	头端HB	尾端HB
						E405325	257-271	347-350	8.0-10.0	96.3-99.4	98.6-100
E405327	226-300	318-332	6.5-7.0	90.4-98.6	95.5-97.8
						F405012	246-247	377-378	10.0-10.5	95.1-97.1	97.8-99.4
F405014	227-228	369-370	9.5-10.5	97.1-99.4	94-102

有试生产可以看出，本发明最佳参数控制在锭温：480～510℃，筒温：460～480℃，采用在线水淬，挤压后至少需停放4天。本发明制备的41A2T4合金管材，具有较好的淬火敏感性和淬透性，采用高温挤压-在线水淬生产工艺，完全能满足用户的力学性能和硬度指标要求。用户使用后反馈质量良好，物理和机械性能均能满足要求，可完全替代进口产品。此工艺不仅省去了淬火炉保温工序，大大地节约了能源，还省去了淬火备料工序，缩短了生产工时，能有效地提高生产效率。此工艺降低了生产加工成本，创造了良好的经济效益。

以上对本发明提供的一种高硅铝合金管材生产工艺进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (4)

1.一种4XXX系铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将铝合金铸锭进行加热，经过挤压后得到管材，直接进行在线水淬后，再经过自然时效后，得到4XXX系铝合金管材；

所述铸锭加热的温度为480~510℃；

所述挤压的挤压筒温度为440~480℃；

所述挤压的速度为0.9~2.0mm/s；

所述管材进行在线水淬的入水前温度为420~480℃；

所述在线水淬后的铝合金管材的头部出水温度为35~50℃；

所述在线水淬后的铝合金管材的中部出水温度为35~150℃；

所述自然时效的时间为4~10天；

所述4XXX系铝合金，按质量分数计，由以下成分组成：

Si：8.5%~9.7%；

Fe：≤1.2%；

Cu：2.0%~3.0%；

Mn ：≤0.50%；

Mg：0.7%~1.5%；

Ni：≤0.50%；

Zn：≤1.0%；

Ti：≤0.20%；

余量的铝；

所述4XXX系铝合金中还包括其他杂质；

所述其他杂质的总含量≤0.50%，单个杂质的含量≤0.05%。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金管材为无缝铝合金管材。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在线水淬后的铝合金管材的中部出水温度为40~150℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在线水淬后还包括预拉矫和/或辊矫步骤。