CN116676501B - 一种高性能铝合金及其制造方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能铝合金及其制造方法和应用，属于铝合金技术领域。制造方法包括以下步骤：S1，配料；S2，初期熔炼：将S1备好的料置于熔炼炉中，通入氩气保护进行熔炼，直至完全化清后，进行多次搅拌，获得熔体一；S3，中期熔炼：按质量百分比称量好纯镁锭，表面打磨去氧化皮，随后清洗晾干，确保无水分后压入熔体，并进行搅拌，获得熔体二；S4，精炼：将熔体二经导炉槽导入静置炉中，导流过程中，向流动熔体中喂入铝钛硼合金丝，获得熔体三，用氩气将相当于铝合金总重量0.2‑0.3%的纳米精炼剂粉末通入熔体三，随后静置30‑45min，最后从表面扒净浮渣。本发明获得的高性能铝合金，具有高强度和强烈抗菌效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能铝合金及其制造方法和应用，属于铝合金技术领域。
背景技术
铝及其合金由于具有质量轻，耐磨性能好，耐腐蚀性能好，弹性好，比强度和比刚度大，抗冲击性好，表面容易着色，加工成形性良好以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性且铝是地壳中储量最多、分布最广的金属元素之一，大约占地壳总质量的8.2％，仅次于氧和硅元素，比铁(约占到5.1％)、镁(约占到2.1％)和钛(约占到0.6％)的总和还多许多，因此成为了各个领域中轻量化最理想的材料。
铝合金成形性、热塑性好，焊接性能优良，冲击韧性、比强度高，表面易着色和抗蚀性好，可以通过高速挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材，因此铝合金更为受到各业的重用，渐渐代替了一些传统的钢铁材料。
随着科技与日俱增的进步，铝合金因其强度不够高，无法更进一步适应各行业领域对于金属材料强度的要求。此外，较多的铝合金器件需要长期处于潮湿温热环境上使用，还存在着抗菌方面的需求。因此，需要对铝合金进行进一步优化，以提高其强度和抗菌性能等。
综上所述，本领域技术人员亟需研究一种高性能铝合金及其制造方法和应用，用以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种高性能铝合金的制造方法，该法通过成分中Ag和Cu比例调整，结合制备工艺中热变形和热处理控制，最终使铝合金微观组织形成5-15nm板条状Al2Cu和1-3nm颗粒状Ag-Cu固溶体的复相结构。
同时，本发明提供一种高性能铝合金，具有高强度和强烈抗菌效果。
同时，本发明提供一种高性能铝合金在轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具中的应用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种高性能铝合金的制造方法，包括以下步骤：
S1，配料：选用铝锭、铝硅和银铜中间合金按质量百分比配料，清洗、脱水、晾干；
S2，初期熔炼：将S1备好的料置于熔炼炉中，通入氩气保护进行熔炼，直至完全化清后，进行多次搅拌，获得熔体一；
S3，中期熔炼：按质量百分比称量好纯镁锭，表面打磨去氧化皮，随后清洗晾干，确保无水分后压入熔体，并进行搅拌，获得熔体二；
S4，精炼：将S3熔炼好的熔体二经导炉槽导入静置炉中，导流过程中，向流动熔体中喂入铝钛硼合金丝，导流完成后，获得熔体三，用氩气将相当于铝合金总重量0.2-0.3％的纳米精炼剂粉末通入熔体三，随后静置30-45min，最后从表面扒净浮渣，获得熔体四；
S5，净化：将静置后的熔体四升高温度至775-780℃，随后通过导流槽依次导入过滤箱、除气箱，进行熔体四的净化，获得熔体五；
S6，连铸：将S5净化好的熔体五进行铸造，连铸速度80-100mm/min，连铸冷却水流量分三段式，
前期：铸造的前5min，冷却水流量为125-130L/min，
中期：冷却水流量为140-150L/min，
后期：铸造结束前10min-铸造结束，冷却水流量为160-170L/min，
获得连铸棒；
S7，变形：将S6获得的连铸棒加热到450-465℃，保温12-15h，随后热取出进行挤压，挤压筒温度保持420-450℃，挤压比：(8.1-9.6)：1，得到变形铝合金；
S8，热处理：将S7获得的变形铝合金置于热处理炉中，加热到185-195℃，保温9.5-10h，随后出炉自然冷却，即得到高性能铝合金。
S1中的铝硅和银铜中间合金的成分为：铝硅中间合金中铝硅原子比为：(3.2-4.3)：1；银铜中间合金中银铜原子比为：(1-1.3)：1。
S2中的熔炼温度为765-775℃，熔炼时间为100-135min，氩气通入流量为12.5-13.6L/min，多次搅拌工艺为每隔5-8min搅拌1次，每次搅拌3-4min，搅拌速度30-40转/min，搅拌不准浪打浪。
S3中的中期熔炼中铝合金的熔炼条件为：熔炼温度680-720℃，熔炼时间为：23-46min。
S4中纳米精炼剂成份按质量百分为：KCl：18-23％；NaCl：9-14％；Na2SiF6：21-36％；Mg(OH)2：余量，纳米精炼剂粉末粒径：3-5nm。
一种高性能铝合金，成分按质量百分比：Si：0.32-0.39％；Cu：0.51-0.69％；Mg：1.21-1.33％；Ag：0.55-0.72；Al：余量。
高性能铝合金微观组织具有5-15nm板条状Al2Cu和1-3nm颗粒状Ag-Cu固溶体的复相结构。
高性能铝合金抗拉强度≥578MPa，抗细菌率达Ⅰ级标准。
一种高性能铝合金在轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具中的应用。
一种铝合金产品，包括轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具。
铝钛硼合金丝牌号：AlTi5B1；铝钛硼合金丝的喂入形成高熔点渣，在扒渣环节去除掉了。
过滤箱、除气箱的过滤、除气是业内常规操作。
本发明的一种高性能铝合金的制造方法，通过成分中Ag和Cu比例调整，结合制备工艺中热变形和热处理控制，最终使铝合金微观组织形成5-15nm板条状Al2Cu和1-3nm颗粒状Ag-Cu固溶体的复相结构。在相比与现有技术，本发明具有以下有点：
1.高强度：本发明的一种高性能铝合金的制造方法能够起到多重协同强化效果，使得铝合金具有更高强度：第一步特定的成分设计和连铸工艺能够形成高固溶度的铸坯。铝合金成份上设计高Ag、Cu成分比例，在连铸过程中采用渐进式大水冷速率(前期125-130L/min，中期140-150L/min，后期160-170L/min)，使大量Ag、Cu原子固溶进铝合金基体中，形成高固溶度铸坯。第二步，热挤压和热处理双重作用下形成强烈的细晶强化、析出强化和固溶强化协同强化提升铝合金的强度。热挤压过程中，首先加热到450-465℃，保温12-15h，进一步提高Ag、Cu的固溶度，保持高固溶比例，随后热取出进行挤压，挤压筒温度保持420-450℃，挤压比：(8.1-9.6)：1，在热塑性变形过程中晶粒破碎、转动及拉长过程形成大量的缺陷及缺陷能，高密度缺陷的形成又能促使Cu和Ag的析出，一方面，Cu的大量析出能够与Al形成Al2Cu，阻止晶粒的再结晶长大，形成100-200nm超细晶粒，起到明显的析出强化和细晶强化双重作用。通常，Al2Cu的生长是一个快速粗化过程，粗化过程会降低强化效果。本发明中，通过剧烈热挤压变形工艺的来析出Al2Cu，可以有效避免Al2Cu粗化，使其能在纳米尺寸保存较高长径比，进而造成后继优异的强化效果。另一方面，由于Cu在Ag具有较大固溶度，析出的Cu部分固溶进Ag相中，形成颗粒状Ag-Cu固溶体，进一步加强体系析出强化作用。第三步，获得的变形铝合金置于热处理炉中，加热到185-195℃，保温9.5-10h，随后出炉自然冷却，使部分Ag和Cu重新固溶回基体，减小析出相尺寸同时，提高了固溶强化效果。
2.抗菌：本发明形成的铝合金微观组织具有5-15nm板条状Al2Cu和1-3nm颗粒状Ag-Cu固溶体的复相结构，当外层氧化铝被腐蚀或破损时，裸漏的Al2Cu和Ag-Cu固溶体与Al2O3形成微观腐蚀电池，在腐蚀介质中发生电化学反应：阳极为Al2Cu和/或Ag-Cu固溶体，发生反应；Cu→Cu2++2e；Ag→Ag++e；由于阳极持续不断释放的Ag+和Cu2+具有杀菌效果，使得整个铝合金表面具有强烈抗菌效果。
附图说明
图1为本发明高性能铝合金的微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种高性能铝合金的制造方法，包括以下步骤：
S1.配料：选用铝锭、铝硅和银铜中间合金按质量百分比配料，清洗、脱水、晾干后置于熔炼炉中；铝硅中间合金中铝硅原子比为4：1；银铜中间合金中银铜原子比为1.1：1；
S2.初期熔炼：将S1备好的料置于熔炼炉中，通入氩气保护进行熔炼，直至完全化清后，进行多次搅拌；熔炼温度为770℃，熔炼时间为120min，氩气通入流量为13L/min，多次搅拌工艺为每隔6min搅拌1次，每次搅拌3.5min，搅拌速度35转/min，搅拌必须全面、彻底、平稳，不准浪打浪；
S3.中期熔炼：按质量百分比称量好纯镁锭，表面打磨去氧化皮，随后清洗晾干，确保无水分后压入熔体，并进行搅拌；中期熔炼中，铝合金的熔炼条件为：熔炼温度700℃，熔炼时间为：30min；
S4.精炼：将S3熔炼好的熔体经导炉槽导入静置炉中，导流过程中，向流动熔体中喂入铝钛硼合金丝，导流完成后用氩气将纳米精炼剂粉末通入熔体，纳米精炼剂粉末的加入量为铝合金总重量0.25％，纳米精炼剂成份按质量百分为：KCl：20％；NaCl：10％；Na2SiF6：30％；Mg(OH)2：余量，粉末粒径：约4nm，随后静置35min，最后从表面扒净浮渣；
S5.净化：将静置后的熔体升高温度至778℃，随后通过导流槽导入过滤箱、除气箱，进行熔体的净化；
S6.连铸：将S5净化好的熔体进行铸造，连铸速度90mm/min，连铸冷却水流量分三段式，前期(铸造开始-铸造前5min)冷却水流量为125L/min，中期：冷却水流量为145L/min，后期(铸造结束前10min-铸造结束)冷却水流量为165L/min；
S7.变形：将S6获得的连铸棒加热到460℃，保温13h，随后热取出进行挤压，挤压筒温度保持450℃，挤压比9：1，得到变形铝合金；
S8.热处理：将S7获得的变形铝合金置于热处理炉中，加热到190℃，保温9.7h，随后出炉自然冷却，即得到高性能铝合金。
本实施例获得的高性能铝合金，其成分按质量百分比：Si：0.35％；Cu：0.60％；Mg：1.27％；Ag：0.61；Al：余量。
本实施例获得的高性能铝合金可适用于轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具等领域。
一种铝合金产品，包括轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具。
如图1所示，从图中可以看到，组织具有复相结构，5-15nm板条状Al2Cu(浅色长条)和1-3nm颗粒状Ag-Cu固溶体(黑色点状和块状)的复相结构。
实施例2
一种高性能铝合金的制造方法，包括以下步骤：
S1.配料：选用铝锭、铝硅和银铜中间合金按高性能铝合金的质量百分比配料，清洗、脱水、晾干后置于熔炼炉中；铝硅中间合金中铝硅原子比为3.2：1；银铜中间合金中银铜原子比为1：1；
高性能铝合金，其成分按质量百分比：Si：0.39％；Cu：0.51％；Mg：1.21％；Ag：0.55；Al：余量；
S2.初期熔炼：将S1备好的料置于熔炼炉中，通入氩气保护进行熔炼，直至完全化清后，进行多次搅拌；熔炼温度为765℃，熔炼时间为100min，氩气通入流量为12.5L/min，多次搅拌工艺为每隔5min搅拌1次，每次搅拌3min，搅拌速度30转/min，搅拌必须全面、彻底、平稳，不准浪打浪；
S3.中期熔炼：按质量百分比称量好纯镁锭，表面打磨去氧化皮，随后清洗晾干，确保无水分后压入熔体，并进行搅拌；中期熔炼中，铝合金的熔炼条件为：熔炼温度680℃，熔炼时间为：23min；
S4.精炼：将S3熔炼好的熔体经导炉槽导入静置炉中，导流过程中，向流动熔体中喂入铝钛硼合金丝，导流完成后用氩气将纳米精炼剂粉末通入熔体，纳米精炼剂粉末的加入量为铝合金总重量0.2％，纳米精炼剂成份按质量百分为：KCl：18％；NaCl：9％；Na2SiF6：21％；Mg(OH)2：余量，粉末粒径：约3nm，随后静置30min，最后从表面扒净浮渣；
S5.净化：将静置后的熔体升高温度至775℃，随后通过导流槽导入过滤箱、除气箱，进行熔体的净化；
S6.连铸：将S5净化好的熔体进行铸造，连铸速度80mm/min，连铸冷却水流量分三段式，前期(铸造开始-铸造前5min)冷却水流量为128L/min，中期：冷却水流量为140L/min，后期(铸造结束前10min-铸造结束)冷却水流量为160L/min；
S7.变形：将S6获得的连铸棒加热到450℃，保温12h，随后热取出进行挤压，挤压筒温度保持420℃，挤压比8.1：1，得到变形铝合金；
S8.热处理：将S7获得的变形铝合金置于热处理炉中，加热到185℃，保温9.5h，随后出炉自然冷却，即得到高性能铝合金。
本实施例获得的高性能铝合金可适用于轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具等领域。
一种铝合金产品，包括轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具。
实施例3
一种高性能铝合金的制造方法，包括以下步骤：
S1.配料：选用铝锭、铝硅和银铜中间合金按高性能铝合金的质量百分比配料，清洗、脱水、晾干后置于熔炼炉中；铝硅中间合金中铝硅原子比为4.3：1；银铜中间合金中银铜原子比为1.3：1；
高性能铝合金，其成分按质量百分比：Si：0.32％；Cu：0.69％；Mg：1.33％；Ag：0.72；Al：余量；
S2.初期熔炼：将S1备好的料置于熔炼炉中，通入氩气保护进行熔炼，直至完全化清后，进行多次搅拌；熔炼温度为775℃，熔炼时间为135min，氩气通入流量为13.6L/min，多次搅拌工艺为每隔8min搅拌1次，每次搅拌4min，搅拌速度40转/min，搅拌必须全面、彻底、平稳，不准浪打浪；
S3.中期熔炼：按质量百分比称量好纯镁锭，表面打磨去氧化皮，随后清洗晾干，确保无水分后压入熔体，并进行搅拌；中期熔炼中，铝合金的熔炼条件为：熔炼温度720℃，熔炼时间为：46min；
S4.精炼：将S3熔炼好的熔体经导炉槽导入静置炉中，导流过程中，向流动熔体中喂入铝钛硼合金丝，导流完成后用氩气将纳米精炼剂粉末通入熔体，纳米精炼剂粉末的加入量为铝合金总重量0.3％，纳米精炼剂成份按质量百分为：KCl：23％；NaCl：14％；Na2SiF6：36％；Mg(OH)2：余量，粉末粒径：约5nm，随后静置45min，最后从表面扒净浮渣；
S5.净化：将静置后的熔体升高温度至780℃，随后通过导流槽导入过滤箱、除气箱，进行熔体的净化；
S6.连铸：将S5净化好的熔体进行铸造，连铸速度100mm/min，连铸冷却水流量分三段式，前期(铸造开始-铸造前5min)冷却水流量为130L/min，中期：冷却水流量为150L/min，后期(铸造结束前10min-铸造结束)冷却水流量为170L/min；
S7.变形：将S6获得的连铸棒加热到465℃，保温15h，随后热取出进行挤压，挤压筒温度保持450℃，挤压比9.6：1，得到变形铝合金；
S8.热处理：将S7获得的变形铝合金置于热处理炉中，加热到195℃，保温10h，随后出炉自然冷却，即得到高性能铝合金。
本实施例获得的高性能铝合金可适用于轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具等领域。
一种铝合金产品，包括轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具。
对比例1
牌号6061-T651商用铝合金。
对比例2：无板条状Al2Cu相
本对比例与实施例1的区别仅在于：S7的挤压比为8.0：1，本对比例未获得5-15nm板条状Al2Cu，最终获得的是粗大棒状的Al2Cu相。
对比例3：无颗粒状Ag-Cu固溶体
本对比例与实施例1的区别仅在于：连铸过程中采用恒定式125L/min的水冷速率，热处理步骤，将S7获得的变形铝合金置于热处理炉中，加热到180℃，保温9h，随后出炉自然冷却，本对比例未获得1-3nm颗粒状Ag-Cu固溶体，本对比例获得的是Al-Cu共晶，降低体系强度。
对比例4：无板条状Al2Cu相
本对比例与实施例1的区别仅在于：S7的挤压比为10.0：1，本对比例亦未获得5-15nm板条状Al2Cu，最终获得的是针状Al2Cu相。
对比例5：无颗粒状Ag-Cu固溶体
本对比例与实施例1的区别仅在于：连铸过程中采用恒定式165L/min的水冷速率，热处理步骤，将S7获得的变形铝合金置于热处理炉中，加热到200℃，保温10.5h，随后出炉自然冷却，本对比例未获得1-3nm颗粒状Ag-Cu固溶体，本对比例获得的是聚集后大尺寸块状Ag-Cu固溶体，分布不均匀，强化和抗菌效果均相对本发明弥散分布的纳米颗粒状Ag-Cu固溶体减弱。
表1为性能的检测结果。
强度测试：按照GB/T 6892-2006标准进行力学性能测试。
抗菌性能测试：按照SN/T 2399-2010标准进行检测和评价。
表1性能检测结果
Ⅰ级是最高级别，Ⅰ≥99％。
应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
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)
1.一种高性能铝合金的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，配料：选用铝锭、铝硅和银铜中间合金按质量百分比配料，清洗、脱水、晾干；
S2，初期熔炼：将S1备好的料置于熔炼炉中，通入氩气保护进行熔炼，直至完全化清后，进行多次搅拌，获得熔体一；
S3，中期熔炼：按质量百分比称量好纯镁锭，表面打磨去氧化皮，随后清洗晾干，确保无水分后压入熔体，并进行搅拌，获得熔体二；
S4，精炼：将S3熔炼好的熔体二经导炉槽导入静置炉中，导流过程中，向流动熔体中喂入铝钛硼合金丝，导流完成后，获得熔体三，用氩气将相当于铝合金总重量0.2-0.3%的纳米精炼剂粉末通入熔体三，随后静置30-45min，最后从表面扒净浮渣，获得熔体四；
S5，净化：将静置后的熔体四升高温度至775-780℃，随后通过导流槽依次导入过滤箱、除气箱，进行熔体四的净化，获得熔体五；
S6，连铸：将S5净化好的熔体五进行铸造，连铸速度80-100mm/min，连铸冷却水流量分三段式，
前期：铸造的前5min，冷却水流量为125-130L/min，
中期：冷却水流量为140-150 L/min，
后期：铸造结束前10min-铸造结束，冷却水流量为160-170 L/min，
获得连铸棒；
S7，变形：将S6获得的连铸棒加热到450-465℃，保温12-15h，随后热取出进行挤压，挤压筒温度保持420-450℃，挤压比：（8.1-9.6）：1，得到变形铝合金；
S8，热处理：将S7获得的变形铝合金置于热处理炉中，加热到185-195℃，保温9.5-10h，随后出炉自然冷却，即得到高性能铝合金；
高性能铝合金成分按质量百分比：Si：0.32-0.39%；Cu：0.51-0.69%；Mg：1.21-1.33%；Ag：0.55-0.72%；Al：余量。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，S1中的铝硅和银铜中间合金的成分为：铝硅中间合金中铝硅原子比为：（3.2-4.3）：1；银铜中间合金中银铜原子比为：（1-1.3）：1。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，S2中的熔炼温度为765-775℃，熔炼时间为100-135min，氩气通入流量为12.5-13.6L/min，多次搅拌工艺为每隔5-8min搅拌1次，每次搅拌3-4min，搅拌速度30-40转/min，搅拌不准浪打浪。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，S3中的中期熔炼中铝合金的熔炼条件为：熔炼温度680-720℃，熔炼时间为：23-46min。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，S4中纳米精炼剂成份按质量百分为：KCl：18-23%；NaCl：9-14%；Na2SiF6：21-36%；Mg(OH)2：余量，纳米精炼剂粉末粒径：3-5nm。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的制造方法获得的高性能铝合金，其特征在于，高性能铝合金微观组织具有5-15nm板条状Al2Cu和1-3nm颗粒状Ag-Cu固溶体的复相结构。
7.根据权利要求6所述的高性能铝合金，其特征在于，高性能铝合金抗拉强度≥578MPa，抗细菌率达Ⅰ级标准。
8.根据权利要求6所述的高性能铝合金在轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具中的应用。
9.由权利要求6所述的高性能铝合金制备获得的铝合金产品，其特征在于，铝合金产品包括轻量化车用铝合金、铝合金家具、医用铝合金器具。
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