CN116732374B - 一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法及6061铝合金 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金制备技术领域，具体涉及一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法及6061铝合金。本发明在制备6061铝合金的过程中加入了Al～Zr合金和Al～Sc合金，即掺杂了Zr和Sc，能改善6061铝合金的微观组织，提高合金强度。本申请简化了传统方法制备的热处理工艺，只需进行均匀化处理和时效处理两步，却提高了6061铝合金的强度和塑性。镁材在中间合金熔化降温之后加入，能减少镁锭烧损，使镁的含量更加准确，进行了二次精炼，精炼次数更多，所得到的6061铝合金杂质更少。通过本发明所提供方法制备得到的6061铝合金，其抗拉强度达到300MPa，显著优于传统方案制备得到的6061铝合金。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金制备技术领域，具体涉及一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法及6061铝合金。
背景技术
6061铝合金具有优异的强度、良好的抗腐蚀性能、可焊性强、优良的成型性能、成本低等优点，在航天、航海、航空、交通运输等众多领域得到广泛的应用。
传统制备6061铝合金的步骤大致是：首先，将铝放入坩埚熔铝炉中加热熔化；然后，加入Mg、Al～Mn合金、Al～Si合金和Al～Cu合金，搅拌熔化成铝合金液；接着，用铝合金精炼剂精炼一段时间进行除气除杂处理，扒去铝合金液表面的浮渣后，再静置一段时间；然后，用金属型模具铸造成6061得到铝合金；最后，对铝合金进行均匀化处理、固溶处理和时效退火处理得到6061铝合金。
通过上述传统方法制备的6061铝合金的力学性能不佳，其抗拉强度仅有260Mpa，容易出现变形问题，且现有技术制备的铝合金杂质过多。
发明内容
为了解决传统方法制备得到的6061铝合金抗拉强度不佳的的技术问题。本发明提供一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法。具体如下：
第一方面，本申请提供一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，包括如下步骤：
S100，将铝材升温至795℃～810℃熔化得到铝液；
S200，将铝液降温至765℃～780℃，搅拌并保持温度恒定，然后在铝液中加入中间合金，中间合金包括Al～Si合金、Al～Mn合金、Al～Cu合金、Al～Zr合金和Al～Sc合金，充分搅拌后得到熔液；
S300，将步骤S200得到的熔液降温至745℃～760℃进行第一次精炼处理，然后在熔液中加入镁材，待镁材熔化后搅拌熔液；
S400，将熔液降温至710℃～720℃静置5～10分钟，后冷凝得到铸态铝合金；
S500，对步骤S400得到的铝合金进行均匀化处理，均匀化处理的温度为545℃～555℃，处理时长为9.7～10.3小时；
S600，对步骤S500得到的铝合金进行时效处理得到6061铝合金，时效处理的温度为215℃～225℃，处理时长为5.8～6.2小时。
进一步的是，步骤S200中加的中间合金为Al～20Si(3.0％～3.5％)、Al～10Mn(1.4％～1.6％)、Al～50Cu(0.6％～0.8％)、Al～10Zr(1.5％～2.5％)、Al～2Sc(7.5％～12.5％)。
进一步的是，步骤300中加入镁材熔化搅拌溶液后进行第二次精炼处理。
进一步的是，步骤S300加入除渣除气剂实现第一次精炼处理和第二次精炼处理。
进一步的是，所述除渣除气剂为C2Cl6。
进一步的是，步骤S300中，加入镁后，迅速将镁按入熔液底部，并用覆盖剂进行覆盖。
进一步的是，步骤S400中，将熔液降温至710℃～720℃后静置5～10分钟后，倒入预热的模具中冷凝得到铝合金。
进一步的是，模具的预热温度为280℃～300℃。
进一步的是，步骤S100所使用的铝材为纯铝，步骤S300所使用的镁为纯镁。
第二方面，本申请提供一种掺杂钪的6061铝合金，该6061铝合金采用上述掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法制得，元素质量百分比为：0.15％～0.25％Sc，0.15％～0.25％Zr，1.0％～1.2％Mg，0.6％～0.7％Si，0.3％～0.4％Cu，0.14～0.16％Mn，余量为Al。
本发明的有益效果是：
本申请在制备6061铝合金的过程中加入了Al～Zr合金和Al～Sc合金，即掺杂了Zr和Sc，能改善6061铝合金的微观组织，提高合金强度。本申请简化了传统方法制备的热处理工艺，只需进行均匀化处理和时效处理两步，却提高了6061铝合金的强度和塑性。镁材在中间合金熔化降温之后加入，能减少镁锭烧损，使镁的含量更加准确，进行了二次精炼，精炼次数更多，所得到的6061铝合金杂质更少。通过本申请所提供方法制备得到的6061铝合金，其抗拉强度达到300MPa，显著优于传统方案制备得到的6061铝合金。
附图说明
图1是本申请方法流程图；
图2是本申请制备得到的6061铝合金的金相图；
图3是本申请实施例1至实施例6分别在铸态、均匀化处理后、时效处理后6061铝合金硬度对比图；
图4是本申请实施例1和实施例4在均匀化处理后的硬度对比图，以及实施例1和实施例4在均匀化处理后额外增加固溶处理，固溶处理后的硬度对比图；
图5是本申请实施例4所制备得到的6061铝合金在电子万能试验机上进行常温单向拉伸试验过程的应力-延伸率折线图；
图6是本申请实施例1和实施例4在均匀化处理过程中硬度-时间图；
图7是本申请实施例1和实施例4在时效处理过程中硬度-时间图；
图8按照本方法掺杂0.2％Sc、0.2％Zr和未掺杂Sc、Zr的两种情况下分别在555℃均匀化处理+180℃时效处理、555℃均匀化处理+200℃时效处理、555℃均匀化处理+220℃时效处理、555℃均匀化处理+260℃时效处理、555℃均匀化处理+300℃时效处理以及555℃均匀化处理+320℃时效处理条件下得到的各个6061铝合金的硬度图对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步具体说明，以便对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的了解。但是，需要说明的是，对这些实施方式的说明是示意性的，并不构成对本发明的具体限定。
为了便于理解本申请的发明构思，现介绍如下：
6061铝合金因具有优异的强度、良好的抗腐蚀性等优点得到广泛的应用。
传统方案制备的6061铝合金综合力学性能不佳，其抗拉强度仅有260Mpa。传统制备6061铝合金的步骤大致是：首先，将铝放入坩埚熔铝炉中加热熔化；然后，加入镁、Al～Mn合金、Al～Si合金和Al～Cu合金，搅拌熔化成铝合金液；接着，用铝合金精炼剂精炼一段时间进行除气除杂处理，扒去铝合金液表面的浮渣后，再静置一段时间；然后，用金属型模具铸造成6061得到铝合金；最后，对铝合金进行均匀化处理、固溶处理和时效退火处理得到6061铝合金。
固溶处理一方面能使合金中的Mg、Si、Mn、Cu等溶质原子溶入铝基体中，便于后续的时效处理，另一方面可以通过固溶处理调节合金组织，使合金晶粒细小均匀。但申请人发现取消固溶处理，均匀化处理后直接进行时效处理，不仅简化了热处理步骤还能提高6061铝合金的强度和塑性。申请人还发现若在6061铝合金中掺杂稀土元素钪和锆，能间接作用在6061铝合金中形成超点阵结构的Al3Sc相和Al3Zr相，该相在凝固时析出成为非均质晶核，细化铸态合金的晶粒；热处理过程中析出弥散共格的Al3Sc相和Al3Zr相钉扎位错和亚晶界，有效地阻碍位错移动。稳定超点阵结构的Al3(Sc，Zr)相促进合金中Mg2Si相的形核，提高Mg2Si相的数量密度，相同状态下，含Al3(Sc，Zr)相的合金晶内析出相的尺寸和体积分数大于不含Al3(Sc，Zr)相的合金；添加Al3(Sc，Zr)相的合金晶界析出相分布更弥散，掺杂掺杂稀土元素钪和锆改善了6061铝合金的微观组织，提高合金强度，如图2所示。
为此，本申请提供一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，该方法在6061铝合金中掺杂钪和锆，取消固溶处理，均匀化处理后直接进行时效处理，调整了镁加入的次序。最终制备得到6061铝合金抗拉强度达到300MPa，显著优于传统方案制备得到的6061铝合金。
如图1所示，本申请所提供的制备方法具体如下：
首先，步骤S100首先将铝材升温至795℃～810℃使铝材熔化得到铝液。铝材可以是铝锭、铝板等，在本申请中不做限定。
接着，步骤S200，将铝液降温至765℃～780℃，搅拌处理保持温度恒定，然后向铝液中加入Al～Si中间合金、Al～Mn中间合金、Al～Cu中间合金、Al～Zr中间合金和Al～Sc中间合金，并充分搅拌得到熔液。加入Al～Zr中间合金和Al～Sc中间合金后，能改善6061铝合金的微观组织，提升合金强度。
接着，步骤S300，将步骤S200得到的溶液降温至745℃～760℃第一次精炼处理，然后再熔液中加入镁材，待镁材熔化后搅拌溶液。
接着，步骤S400，将熔液温度降至将熔液降温至710℃～720℃静置5～10分钟，后冷凝得到铸态铝合金。
接着，步骤S500，对铸态铝合金进行均匀化处理，均匀化处理的温度为545℃～555℃，处理时长为9.7～10.3小时。
最后，步骤S600，对铸态铝合金进行时效处理得到6061铝合金，时效处理的温度为215℃～225℃，处理时长为5.8～6.2小时。
在本申请一种实施例中，步骤S200中加的中间合金为Al～20Si(3.0％～3.5％)、Al～10Mn(1.4％～1.6％)、Al～50Cu(0.6％～0.8％)、Al～10Zr(1.5％～2.5％)、Al～2Sc(7.5％～12.5％)。在步骤300完成之后，再进行第二次精炼处理，即进行了两次精炼处理，能减小合金中杂质含量，增强合金的力学性能。在本申请一些实施例中，通过在熔液中加入除渣除气剂实现第一次精炼处理和第二次精炼处理。除渣除气剂可以选用C2Cl6。
本申请镁材在中间合金熔化降低熔液温度后加入，能减小镁材烧损，使合金中镁含量更精确。在本申请一种实施例中，加入镁后，迅速将镁按入熔液底部，并用覆盖剂进行覆盖。
在本申请一种实施例中，步骤S400，将熔液降温至710℃～720℃后静置5～10分钟后，倒入预热的模具中冷凝得到铸态6061铝合金，模具的预热温度温度为280℃～300℃。模具能使熔液冷却固化成指定形状，对模具进行预热能防止熔液过冷。
在本申请一种实施例中，步骤S100所使用的铝材为纯铝，步骤S300所使用的镁为纯镁。铝的纯度在99.9％及以上称为纯铝，镁的纯度在99.9％及以上称为纯镁。
为验证本申请的有效性，本申请提供以下6个实施例。
实施例1、通过本申请所提供方法制备未掺杂Sc和Zr的6061铝合金锭
将纯铝锭放在坩埚中升温至795℃，待铝锭熔化后调温至765℃，搅拌并保持温度恒定。接着加入Al-20Si(3.0％)、Al-10Mn(1.4％)、Al-50Cu(0.6％)中间合金，待其全部熔化后，充分搅拌，并保持温度恒定，设定温度为745℃，加入除渣除气剂，进行第一次精炼处理；待除渣除气完毕后，加入镁锭(1.0％)，迅速将其按入溶液底部，用覆盖剂进行覆盖，待其熔化后轻微搅拌，并保持温度恒定，进行二次精炼。将熔体温度降至710℃并保持温度恒定，静置5分钟后，浇注到预热的金属模具中，制得未掺杂钪和锆的铝合金锭。
将6061铝合金铸锭置于电阻炉中，在545℃条件下保温9.7小时，进行均匀化处理，接着在215℃条件下保温5.8小时，进行时效处理，即可得到未掺杂Sc和Zr的6061铝合金锭。
实施例2、制备掺杂0.15％Sc和0.2％Zr的6061铝合金锭
将铝锭放在坩埚中，温度升至800℃，待铝锭熔化后，调温至770℃，搅拌，保持温度恒定。加入Al-20Si(3.0％)、Al-10Mn(1.4％)、Al-50Cu(0.6％)、Al-10Zr(2％)、Al-2Sc(7.5％)中间合金，待其全部熔化后，充分搅拌，使元素钪和锆分布均匀并保持温度恒定，设定温度为750℃，加入除渣除气剂，进行第一次精炼处理；待除渣除气完毕后，加入镁锭(1.0％)，迅速将其按入溶液底部，用覆盖剂进行覆盖，待其熔化后搅拌，并保持温度恒定；进行二次精炼。将熔体温度降至715℃并保持温度恒定，静置8分钟后，浇注到预热的金属模具中，制得铝合金锭。
将铝合金锭置于均匀化处理设备中，在550℃条件下保温10小时，进行均匀化处理，制得均匀化处理的铝合金锭。
将铝合金锭置于热处理处理设备中，在220℃条件下保温6小时，进行时效处理，即可得到掺杂0.15％Sc和0.2％Zr的6061铝合金锭。
实施例3、制备掺杂0.25％Sc和0.2％Zr的6061铝合金锭。
将铝锭放在坩埚中，温度升至810℃，待铝锭熔化后，调温至780℃，搅拌，保持温度恒定。加入Al-20Si(3.2％)、Al-10Mn(1.5％)、Al-50Cu(0.7％)、Al-10Zr(2％)、Al-2Sc(12.5％)中间合金，待其全部熔化后，充分搅拌，使元素钪和锆分布均匀并保持温度恒定，设定温度为760℃，加入除渣除气剂，进行除渣除气处理；待除渣除气完毕后，加入镁锭(1.1％)，迅速将其按入溶液底部，用覆盖剂进行覆盖，待其熔化后搅拌，并保持温度恒定；进行二次精炼。将熔体温度降至720℃并保持温度恒定，静置10分钟后，浇注到预热的金属模具中，制得铝合金锭。
将铝合金锭置于均匀化处理设备中，在555℃条件下保温10.3小时，进行均匀化处理，制得均匀化处理的铝合金锭。
将铝合金锭置于热处理处理设备中，在225℃条件下保温6.2小时，进行时效处理，即可得到掺杂0.25％Sc和0.2％Zr的6061铝合金锭。
实施例四、制备掺杂0.2％Sc和0.2％Zr的6061铝合金锭。
将铝锭放在坩埚中，温度升至795℃，待铝锭熔化后，调温至765℃，搅拌，保持温度恒定。加入Al-20Si(3.0％)、Al-10Mn(1.4％)、Al-50Cu(0.6％)、Al-10Zr(2％)、Al-2Sc(10％)中间合金，待其全部熔化后，充分搅拌，使元素钪和锆分布均匀并保持温度恒定，设定温度为745℃，加入除渣除气剂，进行第一次精炼处理；待除渣除气完毕后，加入镁锭(1％)，迅速将其按入溶液底部，用覆盖剂进行覆盖，待其熔化后搅拌，并保持温度恒定；进行二次精炼。将熔体温度降至710℃并保持温度恒定，静置5分钟后，浇注到预热的金属模具中，制得铝合金锭。
将铝合金锭置于均匀化处理设备中，在545℃条件下保温9.7小时，进行均匀化处理，制得均匀化处理的铝合金锭；
将铝合金锭置于热处理处理设备中，在215℃条件下保温5.8小时，进行时效处理，即可得到掺杂0.2％Sc和0.2％Zr的6061铝合金锭。
实施例五、制备掺杂0.2％Sc和0.15％Zr的6061铝合金锭。
将铝锭放在坩埚中，温度升至795℃，待铝锭熔化后，调温至765℃，搅拌，保持温度恒定。加入Al-20Si(3.0％)、Al-10Mn(1.4％)、Al-50Cu(0.6％)、Al-10Zr(1.5％)、Al-2Sc(10％)中间合金，待其全部熔化后，充分搅拌，使元素钪和锆分布均匀并保持温度恒定，设定温度为745℃，加入除渣除气剂，进行第一次精炼处理；待除渣除气完毕后，加入镁锭(1％)，迅速将其按入溶液底部，用覆盖剂进行覆盖，待其熔化后搅拌，并保持温度恒定；进行二次精炼。将熔体温度降至710℃并保持温度恒定，静置5分钟后，浇注到预热的金属模具中，制得铝合金锭。
将铝合金锭置于均匀化处理设备中，在545℃条件下保温9.7小时，进行均匀化处理，制得均匀化处理的铝合金锭；
将铝合金锭置于热处理处理设备中，在215℃条件下保温5.8小时，进行时效处理，即可得到掺杂掺杂0.2％Sc和0.15％Zr的6061铝合金锭。
实施例6、制备掺杂0.2％Sc和0.25％Zr的6061铝合金锭。
将铝锭放在坩埚中，温度升至795℃，待铝锭熔化后，调温至765℃，搅拌，保持温度恒定。加入Al-20Si(3.0％)、Al-10Mn(1.4％)、Al-50Cu(0.6％)、Al-10Zr(2.5％)、Al-2Sc(10％)中间合金，待其全部熔化后，充分搅拌，使元素钪和锆分布均匀并保持温度恒定，设定温度为745℃，加入除渣除气剂，进行第一次精炼处理；待除渣除气完毕后，加入镁锭(1％)，迅速将其按入溶液底部，用覆盖剂进行覆盖，待其熔化后搅拌，并保持温度恒定；进行二次精炼。将熔体温度降至710℃并保持温度恒定，静置5分钟后，浇注到预热的金属模具中，制得铝合金锭。
将铝合金锭置于均匀化处理设备中，在545℃条件下保温9.7小时，进行均匀化处理，制得均匀化处理的铝合金锭；
将铝合金锭置于热处理处理设备中，在215℃条件下保温5.8小时，进行时效处理，即可得到掺杂掺杂0.2％Sc和0.25％Zr的6061铝合金锭。
如图3所示是实施例1至实施例6制备过程中铸态、均匀化处理后以及时效处理后各自的硬度对比图。通过该图可知本申请掺杂Sc和Zr相比于未掺杂能明显提升6061铝合金的硬度，且Sc的元素质量百分比在0.15％～0.25％区间、Zr的元素质量百分比在0.15
％～0.25％区间。
图4显示了实施例1经过均匀化处理后其硬度图、实施例4经过均匀化处理后其硬度图，以及实施例1均匀化处理后额外增加固溶处理，固溶处理后的硬度图、实施例4均匀化处理后额外增加固溶处理，固溶处理后的硬度图。通过图4可知在均匀化处理过后增加固溶处理反而会降低6061铝合金均匀化处理后的硬度，证明了本申请在均匀化处理后时效处理的有效性。
图5显示的是实施例4所制备得到的6061铝合金在电子万能试验机上进行常温单向拉伸试验过程的应力-延伸率折线图。通过该图可知通过本申请制备的6061铝合金其抗拉应力达到了300Mpa，其抗拉性能明显优于现有技术。
图6显示了实施例1和实施例4在均匀化处理过程中硬度-时间曲线图。由图6可知均匀化处理的时间位于9.7～10.3小时范围内，硬度达到较高值。因此本申请所提供的方法中匀化处理的时间为9.7～10.3小时。
图7显示了实施例1和实施例4在时效处理过程中硬度-时间曲线图。由图7可知时效处理的时间位于5.8～6.2小时范围内，硬度达到较高值。因此本申请所提供的方法中时效处理的时间为5.8～6.2小时。
图8显示了按照本申请方法掺杂Sc、Zr和未掺杂Sc、Zr的两种情况下分别在555℃均匀化处理+180℃时效处理、555℃均匀化处理+200℃时效处理、555℃均匀化处理+220℃时效处理、555℃均匀化处理+260℃时效处理、555℃均匀化处理+300℃时效处理和555℃均匀化处理+320℃时效处理条件下得到6061铝合金的硬度图对比图。通过图8可知，555℃均匀化处理+200℃时效处理和555℃均匀化处理+220℃时效处理这两种情况下所得的6061铝合金硬度远高于其他时效温度下。因此对于本申请而言，时效处理的温度优选为215℃～225℃。
最后，本申请还提供掺杂钪和锆的6061铝合金，该铝合金通过本申请所提供的方法制备得到，其内元素质量百分比为0.15％～0.25％Sc，0.15％～0.25％Zr，1.0％～1.2％Mg，0.6％～0.7％Si，0.3％～0.4％Cu，0.14～0.16％Mn，余量为Al。由于该6061铝合金采用本申请所提供方法制备得到，因此该铝合金具有优异的抗拉强度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100，将铝材升温至795℃～810℃熔化得到铝液；
S200，将铝液降温至765℃～780℃，搅拌并保持温度恒定，然后在铝液中加入中间合金，中间合金包括Al～Si合金、Al～Mn合金、Al～Cu合金、Al～Zr合金和Al～Sc合金，充分搅拌后得到熔液；
S300，将熔液降温至745℃～760℃进行第一次精炼处理，然后在熔液中加入镁材，待镁材熔化后搅拌熔液；
S400，将熔液降温至710℃～720℃静置5～10分钟，后冷凝得到铸态铝合金；
S500，对铸态铝合金进行均匀化处理，均匀化处理的温度为545℃～555℃，处理时长为9.7～10.3小时；
S600，对铸态铝合金进行时效处理得到6061铝合金，时效处理的温度为215℃～225℃，处理时长为5.8～6.2小时。
2.根据权利要求1所述的一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，其特征在于：步骤S200中加的中间合金为Al～20Si，其中Al～20Si占6061铝合金总质量的3.0％～3.5％、Al～10Mn，其中Al～10Mn占6061铝合金总质量的1.4％～1.6％、Al～50Cu，其中Al～50Cu占6061铝合金总质量的0.6％～0.8％、Al～10Zr，其中Al～10Zr占6061铝合金总质量的1.5％～2.5％、Al～2Sc，其中Al～2Sc占6061铝合金总质量的7.5％～12.5％。
3.根据权利要求1所述的一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，其特征在于：步骤S300镁材熔化搅拌熔液后还进行第二次精炼处理。
4.根据权利要求3所述的一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，其特征在于：步骤S300加入除渣除气剂实现第一次精炼处理和第二次精炼处理。
5.根据权利要求4所述的一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，其特征在于：所述除渣除气剂为C2Cl6。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，其特征在于：步骤S300中，加入镁后，迅速将镁按入熔液底部，并用覆盖剂进行覆盖。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，其特征在于：步骤S400中，将熔液降温至710℃～720℃后静置5～10分钟后，倒入预热的模具中冷凝得到铝合金。
8.根据权利要求7所述的一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，其特征在于：模具的预热温度为280℃～300℃。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法，其特征在于：步骤S100所使用的铝材为纯铝，步骤S300所使用的镁为纯镁。
10.一种掺杂钪和锆的6061铝合金，其特征在于：采用权利要求1至9中任一项所述一种掺杂钪和锆制备6061铝合金的方法制得，所述一种掺杂钪的6061铝合金的元素质量百分比为：0.15％～0.25％Sc，0.15％～0.25％Zr，1.0％～1.2％Mg，0.6％～0.7％Si，0.3％～0.4％Cu，0.14～0.16％Mn，余量为Al。
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