CN117165800A - 一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，属于金属加工技术领域。步骤包括：将回收的废旧铝合金板、筋、梁制品进行剪切或破碎，制成碎块，然后进行模压制成碎块压坯，将碎块压坯加热到300～550℃并短时保温，然后进行热镦粗，将镦粗坯再次加热到指定温度并短时保温，再进行热挤压制备铝合金制品。实例包括但不限于棒材、坯材以及按照需要具有一定横截面形状的型材。经过T5或T6热处理强化后，制备的铝合金制品的力学性能相当于或优于采用铸锭热挤压制备的相同成分铝合金制品的力学性能。该方法可以在回收铝合金碎块再生过程中避免重熔，具有低能耗、无污染、低成本，材料利用率高，力学性能好等优点，有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，具体涉及一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法。
背景技术
铝合金因其具有密度小、比强度和比刚度大以及优异的成型加工性能等优点，广泛应用于航空航天、建筑、交通等领域，成为使用量仅次于钢铁的第二大金属材料。然而，我国铝土矿资源匮乏，每年有30％～50％的氧化铝依赖进口，原铝总产量严重不足。因此不管是从经济方面还是节能环保方面，对废旧铝合金的循环利用尤为重要。目前，我国工业对废旧铝合金的回收方法主要是重熔再生，此方法不仅破坏了材料原有的微观结构，而且能量消耗高，同时熔化加重了铝合金的氧化降低回收率并产生具有环境污染风险的铝灰。因此，目前很多专家学者研究探索固态再生回收的铝合金，即不经过熔化使其变成铝合金型材或零部件。这个技术的重要意义在于充分利用金属回收料的优良固态材质，同时因避免重熔而大幅度降低能耗和不产生具有环境污染风险的铝灰。因此废旧铝合金的固态再生具有重大的经济效益和社会效益。
Tekkaya等(TEKKAYAAE,SCHIKORRAM,BECKER D,et al.Hot profile extrusionof AA-6060aluminum chips[J].Journal of Materials Processing Technology.2009,209:3343-3350.)研究不同AA-6060铝合金切屑形状对通过热挤压碎屑压坯制备的铝合金显微组织与力学性能的影响，研究结果表明：切屑结合紧密，无明显缺陷，如果压力、应变和温度超过临界值，不同种类的切屑对制备的铝合金显微组织和力学性能没有影响。Güley等(Güley V,Ben Khalifa N,Tekkaya A E.Direct recycling of 1050aluminum alloychip material mixed with 6060aluminum alloy chips by hot extrusion[J].International Journal of Material Forming,2010,3(1):853-856.)将直径为3～5mm、长度为10～40mm的销形1050铝合金与6060铝合金车削屑混合，再冷压缩成坯，最后热挤压成铝合金型材。研究表明，不仅铝屑可以通过热挤压直接回收，铝废料也可以通过热挤压直接回收。
目前国内外对废旧铝合金的固态回收，主要集中在形状规则、尺寸较小的碎屑或碎片的固态回收，但对于尺寸较大的铝合金碎块很少有人研究。因此，寻求一种铝合金碎块固态再生铝合金的制备方法具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法。该方法是一种低能耗、无污染、低成本的制备方法，主要解决当前尺寸较大的铝合金碎块的固态回收问题，实现低成本回收废旧铝合金。
本发明提供的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，包括以下步骤：
(1)剪切：将废旧铝合金进行剪切或破碎，得到铝合金碎块；其中，废旧铝合金选自废旧铝合金板、筋、梁制品；
(2)混料：将铝合金碎块放入混料机混料，得到混合均匀的铝合金碎块；
(3)压坯：将铝合金碎块放入钢制模具腔内进行压制，得到致密的压坯；
(4)压坯加热和镦粗：将压坯加热至300～550℃并保温，得到温度均匀的压坯，然后将加热后的压坯放入模具内进行热镦粗，得到镦粗坯；
(5)镦粗坯加热和热挤压：将镦粗坯加热至300～550℃并保温，得到温度均匀的镦粗坯，然后将加热后的镦粗坯放入挤压模具中进行热挤压，实现铝合金碎块的固结和成形，得到固态再生铝合金制品；
(6)T5或T6热处理：对挤压出来的铝合金制品进行T5或T6热处理。
所述的步骤(1)中，破碎使用线切割或电锯进行剪切或破碎，铝合金碎块尺寸为1～50mm。
所述的步骤(2)中，混料时间为0.1～5h。
所述的步骤(3)中，压制压坯所用压力为100～950MPa，保压时间为0.5～5min，压制过程中加料次数为一次或多次，根据需要重复压制，制备的碎块压坯的相对密度为80～99％。
所述的步骤(4)中，采用感应线圈或电阻炉对碎块压坯进行加热，加热速度为5～100℃/min，保温时间为1～10min，热镦粗压力为50～950MPa，保压时间为0.5～5min，根据需要重复热镦粗，镦粗坯的相对密度为90～99.9％。
所述的步骤(5)中，采用感应线圈或电阻炉对镦粗坯进行加热，加热温度更优选为450～550℃，加热速度为5～100℃/min，保温时间为1～10min；挤压模具温度为300～550℃，更优选为400～450℃，挤压压力为100～950MPa，挤压比为(5～100):1，挤压速率为5～100mm/s。
所述的步骤(4)(5)中，压坯和镦粗坯加热在保护气氛下或空气中进行，保护气氛为氩气或其他不与铝合金反应的气体，保护气氛中氧的含量控制在≤200ppm。
所述的步骤(5)中，挤压模具的挤压嘴的形状和尺寸根据要制备的铝合金制品横截面形状尺寸要求确定，其横截面形状为圆形，环形或其他形状。
所述的步骤(5)中，根据挤压模具不同，所获得的铝合金制品为棒材、管材和具有其他横截面形状的型材。
所述的步骤(6)中，热处理的目的为提高所获得的铝合金制品的强度和硬度。T5热处理步骤为：铝合金制品在挤压时在线淬火，然后在170～220℃进行人工时效，时间为1～32h；T6热处理步骤为：在510～540℃进行固溶处理，时间为0.5～2h，随后淬火，然后在170～220℃进行人工时效，时间为1～32h。
所述的T5，T6热处理，固溶处理和人工时效在马弗炉中进行，淬火方式为水淬。
本发明的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，制得的再生铝合金制品，其抗拉强度为170～500MPa，延伸率为10％～30％，其相对密度为95％～99.9％，回收率≥96％。
本发明提供的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，主要的金属材料加工原理为：(1)通过热镦粗和热挤压工艺，铝合金碎块在高温塑性变形下实现碎块的快速致密化；(2)镦粗坯在高温挤压过程中，铝合金碎块发生塑性变形变成细条或者薄片，同时在挤压的过程中把不同成分的细条和薄片压到一起，使原子充分扩散，快速实现合金化；(3)在热挤压的过程中，压到一起的细条和薄片发生快速扩散焊接，实现铝合金碎块的热机械固结；(4)金属材料在热挤压的过程中快速塑性变形，引发动态再结晶，使得细小晶粒生成，同时高温时间短，晶粒不会充分长大，有利于获得力学性能等综合性能优异的铝合金制品。
本发明提供的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其相比于现有技术，有益效果在于：
(1)短流程：工艺流程包括剪切、混料、压坯、压坯加热和镦粗、镦粗坯加热和热挤压以及热处理。从压坯到热挤压成形可以在90min内完成，有利于实现自动化生产。
(2)回收原料：本方法基于塑性变形的金属碎块固结成形制备铝合金制品，解决尺寸较大的铝合金碎块的回收问题。
(3)全固态、低能耗、低成本：本方法不需熔化铝合金，避免了熔化铝合金所需要的能量输入，避免了活性高的液态金属与空气的快速反应造成的金属损耗和产生的氧化铝夹杂，简化了回收工序，对环境没有冲击，降低了成本。
(4)材料力学性能好：本方法通过对铝合金进行压制和热塑性变形处理，引发再结晶同时产生第二相颗粒的碎化和更均匀弥散的效果，获得相对密度高(相对密度超过99％)，具有细晶微观组织结构且第二相颗粒尺寸小的材料，材料的强度高、塑性好，与对应的原生铝合金热挤压制备的材料的力学性能相媲美或更优。
(5)本发明的方法是将一种或者多种铝合金碎块混合体压坯进行加热使金属材料软化，通过热镦粗工艺提高材料的相对密度，然后对镦粗坯加热挤压到模具型腔造成碎块的塑性变形，使碎块变成细条或者薄片，并同时压到一起，在高温和高压的作用下，长条状碎块之间充分接触，同时碎块内不同元素原子快速扩散，快速实现合金化，生成铝合金制品。通过模具型腔获得了所需要的零部件形状，同时原子迁移速度快，可以快速实现致密化，制备的铝合金制品更加致密。
附图说明
图1为本发明的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的工艺流程图；
图2为实施例1通过剪切或者破碎制成的四种铝合金碎块和制备的再生铝合金制品：(a)四种铝合金碎块，(b)再生铝合金制品；
图3为实施例1四种铝合金碎块SEM组织图：(a)1，(b)2，(c)3，(d)4；
图4为实施例1四种铝合金碎块金相组织图：(a)1，(b)2，(c)3，(d)4；
图5为实施例1四种铝合金碎块第二相SEM及EDS能谱：(a)(b)1，(c)(d)2，(e)(f)3，(g)(h)4；
图6为实施例1通过固态再生碎块制备铝合金制品T6热处理后XRD图谱；
图7为实施例1通过固态再生碎块制备铝合金制品金相组织图：(a)T6热处理前，(b)T6热处理后；
图8为实施例1通过固态再生碎块制备铝合金制品固结界面处背散射电子下的图和EDS能谱：(a)BSE形貌图，(b)Al元素，(c)Si元素，(d)Mg元素，(e)Fe元素，(f)O元素；
图9为实施例1通过固态再生碎块制备铝合金制品EBSD组织图：(a)(b)T6热处理前，(c)(d)T6热处理后；
图10为实施例1通过固态再生碎块制备铝合金制品T6热处理后室温拉伸曲线；
图11为实施例1通过固态再生碎块制备铝合金制品T6热处理后拉伸试样断裂面：(a)55倍，(b)150倍；
图12为实施例2通过固态再生碎块制备铝合金制品金相组织图：(a)T6热处理前，(b)T6热处理后；
图13为实施例2通过固态再生碎块制备铝合金制品EBSD组织图：(a)(b)T6热处理前，(c)(d)T6热处理后；
图14为实施例2通过固态再生碎块制备铝合金制品T6热处理后室温拉伸曲线；
图15为实施例2通过固态再生碎块制备铝合金制品T6热处理后拉伸试样断裂面：(a)55倍，(b)150倍；
图16为实施例3通过固态再生碎块制备铝合金制品金相组织图：(a)T6热处理前，(b)T6热处理后；
图17为实施例3通过固态再生碎块制备铝合金制品T6热处理后室温拉伸曲线；
图18为实施例4通过固态再生碎块制备铝合金制品EBSD组织图：(a)T6热处理前，(b)T6热处理后；
图19为实施例4通过固态再生碎块制备铝合金制品T6热处理后室温拉伸曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例中(除实施例4)，实验原料为回收的四种废旧铝合金制品通过剪切或者破碎制成的铝合金碎块，经元素成分分析为不同Fe含量的6063铝合金碎块。实施例4的实验原料为回收的一种6063铝合金制品通过剪切或者破碎制成的铝合金碎块。
四种废旧铝合金制品通过剪切或者破碎制成的铝合金碎块元素含量(质量分数，％)
一种6063铝合金制品通过剪切或者破碎制成的铝合金碎块元素含量(质量分数，％)
实施例1
本实施例提供了一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其工艺流程图见图1，包括以下步骤：
步骤一、将四种废旧铝合金制品使用线切割或电锯剪切或破碎成尺寸为1～50mm的铝合金碎块；
步骤二、称量四种铝合金碎块各80g，放入混料机中混料1h，得到混合均匀的铝合金碎块；
步骤三、取铝合金碎块放入涂有石墨润滑剂直径为53mm的圆柱形的钢制模具腔内，利用200t压机，在压制压力200MPa预压两次，预压过程中多次加料，最后在压制压力800MPa压制，保压5min，然后采用下模顶出的方式将压好的压坯进行反向脱模，从而获得直径为53mm，高度为60mm的压坯；碎块压坯的相对密度为98.5％；
步骤四、在空气中，利用中频感应加热装置快速加热碎块压坯，以20℃/min将压坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的压坯，然后将加热后的压坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm镦粗筒模具中，利用200t压机，在压制压力800MPa下热镦粗，保压5min，然后采用下模顶出的方式将加热后的压坯进行反向脱模，从而获得直径为57mm，高度为50mm的镦粗坯；镦粗坯的相对密度为99.5％；
步骤五、在充满氩气的气氛箱内，利用中频感应加热装置快速加热镦粗坯，以20℃/min将镦粗坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的镦粗坯，然后将加热的镦粗坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm挤压筒模具中，采用挤压比为9:1的圆形挤压嘴，利用200t压机，压力选用800MPa，进行热挤压固结和成形，得到再生铝合金制品；
步骤六、将再生铝合金制品放入马弗炉中，固溶温度530℃，时间1h；水淬，人工时效170℃，时间8h，得到强度和硬度等综合性能优异的再生铝合金制品。
本实施例通过剪切或者破碎制成的四种铝合金碎块见图2(a)，通过固态再生碎块制备的铝合金制品见图2(b)。
本实施例的四种铝合金碎块的SEM组织图见图3，由图可知碎块4的原始晶粒比较细小，而其余碎块晶粒尺寸较为粗大，且大小分布不均匀。
本实施例的四种铝合金碎块的金相组织图见图4，由图可知四种碎块基体中均有第二相颗粒的存在，且碎块4第二相较多，呈带状分布于基体中。四种铝合金碎块的第二相SEM及EDS能谱见图5，由图可知第二相以块状的形式存在，主要含Al、Si、Fe元素，即杂质α-Fe相，碎块4的Fe元素含量过多，基体更易形成杂质α-Fe相。
从晶粒形态和尺寸及杂质相的数量和分布等方面分析，将碎块4记为细晶碎块(fine-grained block,FGB)，其余碎块统一记为粗晶碎块(coarse-grained block,CGB)。
本实施例再生铝合金制品T6热处理后XRD图谱见图6，通过与标准PDF卡片比对，可以确定再生铝合金制品其相组成主要是Al相，Al相的衍射峰没有明显的宽化，与铝的物相结构{111}、{200}、{220}、{311}、{222}晶面族相对应。
本实施例再生铝合金制品T6热处理前金相组织图见图7(a)，T6热处理后金相组织图见图7(b)。由于腐蚀液的腐蚀金相组织图片中出现不同衬度的铝合金碎块，将两种颜色碎块标记为Ⅰ区域和Ⅱ区域。通过面扫描统计不同衬度碎块的元素含量，发现I区域的Fe含量比II区域高，与碎块原料成分对比可知，I区域对应细晶碎块(fine-grained block,FGB)，II区域对应粗晶碎块(coarse-grained block,CGB)。
本实施例再生铝合金制品固结界面处背散射电子下的图和EDS能谱见图8，由图可知，O元素在界面处富集明显，这些杂质元素会严重影响铝合金碎块的热机械固结。
本实施例再生铝合金制品T6热处理前EBSD组织图见图9(a)(b)，T6热处理后EBSD组织图见图9(c)(d)。由图可知，挤压态样品的细晶碎块(FGB)和粗晶碎块(CGB)微观组织由沿着挤压方向的纤维状变形晶粒以及再结晶晶粒组成，这是因为塑性变形程度较小，合金中储存的变形能小，动态再结晶只能发生在变形程度较大的区域。经T6热处理后，由于热驱动，纤维状变形晶粒发生再结晶形成粗大拉长晶粒，在粗大的晶粒周围有一些细小晶粒，但粗大的晶粒占主要部分。
本实施例再生铝合金制品T6热处理后的室温拉伸曲线见图10，由图可知，再生铝合金制品经过T6热处理后，屈服强度为174MPa，抗拉强度为221MPa，延伸率为22.1％。
本实施例再生铝合金制品T6热处理后的断裂面见图11，从图中可以看出固结碎块制备的材料断裂前发生明显的塑性变形，呈现韧性断裂，微观断裂机制为微孔聚缩型，断口有大量的撕裂面。这是因为碎块之间的界面属于弱结合面，当拉伸试样受到纵向拉应力时，弱结合面处的结合强度低于基体发生提前剥离，拉伸末期横向韧窝遇到纵向的裂纹生成局部撕裂面。
实施例2
一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，包括以下步骤：
步骤一、将四种废旧铝合金制品使用线切割或电锯剪切或破碎成尺寸为1～50mm的铝合金碎块；
步骤二、称量四种铝合金碎块各80g，放入混料机中混料1h，得到混合均匀的铝合金碎块；
步骤三、取铝合金碎块放入涂有石墨润滑剂直径为53mm的圆柱形的钢制模具腔内，利用200t压机，在压制压力200MPa预压两次，预压过程中多次加料，最后在压制压力800MPa压制，保压5min，然后采用下模顶出的方式将压好的压坯进行反向脱模，从而获得直径为53mm，高度为60mm的压坯；碎块压坯的相对密度为98.5％；
步骤四、在空气中，利用中频感应加热装置快速加热碎块压坯，以20℃/min将压坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的压坯，然后将加热后的压坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm镦粗筒模具中，利用200t压机，在压制压力800MPa下热镦粗，保压5min，然后采用下模顶出的方式将加热后的压坯进行反向脱模，从而获得直径为57mm，高度为50mm的镦粗坯；镦粗坯的相对密度为99.5％；
步骤五、在充满氩气的气氛箱内，利用中频感应加热装置快速加热镦粗坯，以20℃/min将镦粗坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的镦粗坯，然后将加热的镦粗坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm挤压筒模具中，采用挤压比为25:1的圆形挤压嘴，利用200t压机，压力选用800MPa，进行热挤压固结和成形，得到再生铝合金制品；
步骤六、将再生铝合金制品放入马弗炉中，固溶温度530℃，时间1h；水淬，人工时效170℃，时间8h，得到强度和硬度等综合性能优异的再生铝合金制品。
本实施例再生铝合金制品T6热处理前金相组织图见图12(a)，T6热处理后金相组织图见图12(b)。
本实施例再生铝合金制品T6热处理前EBSD组织图见图13(a)(b)，T6热处理后EBSD组织图见图13(c)(d)。由图可知，随着挤压比提高，变形程度增加，合金中的位错密度增加，有利于再结晶形核，发生动态再结晶的程度增加。挤压态样品的细晶碎块(FGB)和粗晶碎块(CGB)微观组织出现明显差异，粗晶碎块(CGB)已经完全动态再结晶而形成细小的等轴晶粒，而细晶碎块(FGB)部分动态再结晶形成更为细小的等轴晶粒同时还有拉长晶粒的存在，这是因为细晶碎块(FGB)的原始晶粒尺寸小，同时有较多的杂质α-Fe相，阻碍位错运动和晶界的迁移，从而降低了层错能，细化了晶粒。经过T6热处理后，粗晶碎块(CGB)在热驱动下只发生晶粒长大，而细晶碎块(FGB)在挤压结束后存储的变形能增加并诱发静态再结晶，形成一些极粗的晶粒，但两种碎块晶粒尺寸总体差别不大。由此可见，热处理可以调控挤压态样品的微观组织以获得我们所需要的组织。
本实施例再生铝合金制品T6热处理后的室温拉伸曲线见图14，由图可知，再生铝合金制品经过T6热处理后，屈服强度为213MPa，抗拉强度为237MPa，延伸率为15.4％。
本实施例再生铝合金制品T6热处理后的断裂面见图15，随着挤压比提高，由弱结合面剥离产生的撕裂面变少且间距变窄，这说明挤压比提高有助于增强碎块界面之间的结合力，变形协调能力增强。
不同挤压比固结铝合金碎块T6热处理后室温力学性能
实施例3
一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，包括以下步骤：
步骤一、将四种废旧铝合金制品使用线切割或电锯剪切或破碎成尺寸为1～50mm的铝合金碎块；
步骤二、称量四种铝合金碎块各80g，放入混料机中混料1h，得到混合均匀的铝合金碎块；
步骤三、取铝合金碎块放入涂有石墨润滑剂直径为53mm的圆柱形的钢制模具腔内，利用200t压机，在压制压力200MPa预压两次，预压过程中多次加料，最后在压制压力800MPa压制，保压5min，然后采用下模顶出的方式将压好的压坯进行反向脱模，从而获得直径为53mm，高度为60mm的压坯；碎块压坯的相对密度为98.5％；
步骤四、在空气中，利用中频感应加热装置快速加热碎块压坯，以20℃/min将压坯升温至550℃，保温5min，得到加热后的压坯，然后将加热后的压坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm镦粗筒模具中，利用200t压机，在压制压力800MPa下热镦粗，保压5min，然后采用下模顶出的方式将加热后的压坯进行反向脱模，从而获得直径为57mm，高度为50mm的镦粗坯；镦粗坯的相对密度为99.6％；
步骤五、在充满氩气的气氛箱内，利用中频感应加热装置快速加热镦粗坯，以20℃/min将镦粗坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的镦粗坯，然后将加热的镦粗坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm挤压筒模具中，采用挤压比为25:1的圆形挤压嘴，利用200t压机，压力选用800MPa，进行热挤压固结和成形，得到再生铝合金制品；
步骤六、将再生铝合金制品放入马弗炉中，固溶温度530℃，时间1h；水淬，人工时效170℃，时间8h，得到强度和硬度等综合性能优异的再生铝合金制品。
本实施例再生铝合金制品T6热处理前金相组织图见图16(a)，T6热处理后金相组织图见图16(b)。
本实施例再生铝合金制品T6热处理后的室温拉伸曲线见图17，由图可知，再生铝合金制品经过T6热处理后，屈服强度为210MPa，抗拉强度为234MPa，延伸率为15.7％。相较于实施例2，强度略有下降，这是因为镦粗温度的提高使得经T6热处理后晶粒稍有长大。
实施例4
一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，包括以下步骤：
步骤一、将一种6063铝合金制品使用线切割或电锯剪切或破碎成尺寸为1～50mm的6063铝合金碎块；
步骤二、称量铝合金碎块300g，放入混料机中混料0.1h，得到混合均匀的铝合金碎块；
步骤三、取铝合金碎块放入涂有石墨润滑剂直径为53mm的圆柱形的钢制模具腔内，利用200t压机，在压制压力200MPa预压两次，预压过程中多次加料，最后在压制压力800MPa压制，保压5min，然后采用下模顶出的方式将压好的压坯进行反向脱模，从而获得直径为53mm，高度为60mm的压坯；碎块压坯的相对密度为95.1％；
步骤四、在空气中，利用中频感应加热装置快速加热碎块压坯，以20℃/min将压坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的压坯，然后将加热后的压坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm镦粗筒模具中，利用200t压机，在压制压力800MPa下热镦粗，保压5min，然后采用下模顶出的方式将加热后的压坯进行反向脱模，从而获得直径为57mm，高度为50mm的镦粗坯；镦粗坯的相对密度为99.7％；
步骤五、在充满氩气的气氛箱内，利用中频感应加热装置快速加热镦粗坯，以20℃/min将镦粗坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的镦粗坯，然后将加热的镦粗坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm挤压筒模具中，采用挤压比为25:1的方形挤压嘴，利用200t压机，压力选用800MPa，进行热挤压固结和成形，得到再生铝合金制品；
步骤六、将再生铝合金制品放入马弗炉中，固溶温度530℃，时间1h；水淬，人工时效170℃，时间8h，得到强度和硬度等综合性能优异的再生铝合金制品。
本实施例再生铝合金制品T6热处理前EBSD组织图见图18(a)，T6热处理后EBSD组织图见图18(b)。由图可知挤压态样品发生完全动态再结晶而形成细小的等轴晶，经T6热处理后，晶粒略有长大。
本实施例再生铝合金制品T6热处理后的室温拉伸曲线见图19，由图可知，再生铝合金制品经过T6热处理后，屈服强度为235MPa，抗拉强度为256MPa，延伸率为11.6％。
实施例5
一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，包括以下步骤：
步骤一、将四种废旧铝合金制品使用线切割或电锯剪切或破碎成尺寸为1～50mm的铝合金碎块；
步骤二、称量四种铝合金碎块各80g，放入混料机中混料1h，得到混合均匀的铝合金碎块；
步骤三、取铝合金碎块放入涂有石墨润滑剂直径为53mm的圆柱形的钢制模具腔内，利用200t压机，在压制压力200MPa预压两次，预压过程中多次加料，最后在压制压力600MPa压制，保压5min，然后采用下模顶出的方式将压好的压坯进行反向脱模，从而获得直径为53mm，高度为62mm的压坯；碎块压坯的相对密度为95.3％；
步骤四、在充满氩气的气氛箱内，利用中频感应加热装置快速加热碎块压坯，以20℃/min将压坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的压坯，然后将加热后的压坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm镦粗筒模具中，利用200t压机，在压制压力600MPa下热镦粗，保压5min，然后采用下模顶出的方式将加热后的压坯进行反向脱模，从而获得直径为57mm，高度为51mm的镦粗坯；镦粗坯的相对密度为98.9％；
步骤五、在充满氩气的气氛箱内，利用中频感应加热装置快速加热镦粗坯，以20℃/min将镦粗坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的镦粗坯，然后将加热的镦粗坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm挤压筒模具中，采用挤压比为70:1的圆形挤压嘴，挤压速率为5mm/s，利用200t压机，压力选用950MPa，进行热挤压固结和成形，得到再生铝合金制品；
步骤六、将再生铝合金制品放入马弗炉中，固溶温度530℃，时间1h；水淬，人工时效170℃，时间8h，得到强度和硬度等综合性能优异的再生铝合金制品。
实施例6
一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，包括以下步骤：
步骤一、将四种废旧铝合金制品使用线切割或电锯剪切或破碎成尺寸为1～50mm的铝合金碎块；
步骤二、称量四种铝合金碎块各80g，放入混料机中混料1h，得到混合均匀的铝合金碎块；
步骤三、取铝合金碎块放入涂有石墨润滑剂直径为53mm的圆柱形的钢制模具腔内，利用200t压机，在压制压力200MPa预压两次，预压过程中多次加料，最后在压制压力900MPa压制，保压4min，然后采用下模顶出的方式将压好的压坯进行反向脱模，从而获得直径为53mm，高度为59mm的压坯；碎块压坯的相对密度为98.7％；
步骤四、在空气中，利用中频感应加热装置快速加热碎块压坯，以20℃/min将压坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的压坯，然后将加热后的压坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm镦粗筒模具中，利用200t压机，在压制压力900MPa下热镦粗，保压4min，然后采用下模顶出的方式将加热后的压坯进行反向脱模，从而获得直径为57mm，高度为50mm的镦粗坯；镦粗坯的相对密度为99.6％；
步骤五、在空气中，利用中频感应加热装置快速加热镦粗坯，以20℃/min将镦粗坯升温至450℃，保温5min，得到加热后的镦粗坯，然后将加热的镦粗坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm挤压筒模具中，采用挤压比为30:1的方形挤压嘴，挤压速率为10mm/s，利用200t压机，压力选用950MPa，进行热挤压固结和成形，得到再生铝合金制品；
步骤六、将再生铝合金制品放入马弗炉中，固溶温度530℃，时间1h；水淬，人工时效170℃，时间8h，得到强度和硬度等综合性能优异的再生铝合金制品。
实施例7
一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，包括以下步骤：
步骤一、将四种废旧铝合金制品使用线切割或电锯剪切或破碎成尺寸为1～50mm的铝合金碎块；
步骤二、称量四种铝合金碎块各80g，放入混料机中混料1h，得到混合均匀的铝合金碎块；
步骤三、取铝合金碎块放入涂有石墨润滑剂直径为53mm的圆柱形的钢制模具腔内，利用200t压机，在压制压力200MPa预压两次，预压过程中多次加料，最后在压制压力500MPa压制，保压5min，然后采用下模顶出的方式将压好的压坯进行反向脱模，从而获得直径为53mm，高度为62mm的压坯；碎块压坯的相对密度为94.9％；
步骤四、在空气中，利用中频感应加热装置快速加热碎块压坯，以20℃/min将压坯升温至550℃，保温5min，得到加热后的压坯，然后将加热后的压坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm镦粗筒模具中，利用200t压机，在压制压力950MPa下热镦粗，保压5min，然后采用下模顶出的方式将加热后的压坯进行反向脱模，从而获得直径为57mm，高度为49mm的镦粗坯；镦粗坯的相对密度为99.7％；
步骤五、在空气中，利用中频感应加热装置快速加热镦粗坯，以20℃/min将镦粗坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的镦粗坯，然后将加热的镦粗坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm挤压筒模具中，采用挤压比为90:1的方形挤压嘴，挤压速率为30mm/s，利用200t压机，压力选用950MPa，进行热挤压固结和成形，得到再生铝合金制品；
步骤六、将再生铝合金制品放入马弗炉中，固溶温度530℃，时间1h；水淬，人工时效170℃，时间8h，得到强度和硬度等综合性能优异的再生铝合金制品。
对比例1
一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，包括以下步骤：
步骤一、将四种废旧铝合金制品使用线切割或电锯剪切或破碎成尺寸为1～50mm的铝合金碎块；
步骤二、称量四种铝合金碎块各80g，放入混料机中混料1h，得到混合均匀的铝合金碎块；
步骤三、取铝合金碎块放入涂有石墨润滑剂直径为53mm的圆柱形的钢制模具腔内，利用200t压机，在压制压力200MPa预压两次，预压过程中多次加料，最后在压制压力800MPa压制，保压5min，然后采用下模顶出的方式将压好的压坯进行反向脱模，从而获得直径为53mm，高度为60mm的压坯；碎块压坯的相对密度为98.5％；
步骤四、在空气中，利用中频感应加热装置快速加热碎块压坯，以20℃/min将压坯升温至500℃，保温5min，得到加热后的压坯，然后将加热后的压坯迅速转移至温度为400～450℃，直径57mm镦粗筒模具中，利用200t压机，在压制压力800MPa下热镦粗，保压5min，然后采用下模顶出的方式将加热后的压坯进行反向脱模，从而获得直径为57mm，高度为50mm的镦粗坯；镦粗坯的相对密度为99.5％；
步骤五、在充满氩气的气氛箱内，利用中频感应加热装置快速加热镦粗坯，以20℃/min将镦粗坯升温至250℃，保温10min，得到加热后的镦粗坯，然后将加热的镦粗坯迅速转移至温度为250℃，直径57mm挤压筒模具中，采用挤压比为9:1的圆形挤压嘴，利用200t压机，压力选用950MPa，进行热挤压固结和成形，得到再生铝合金制品；
步骤六、将再生铝合金制品放入马弗炉中，固溶温度530℃，时间1h；水淬，人工时效170℃，时间8h，得到强度和硬度等综合性能优异的再生铝合金制品。
本实施例制备的再生铝合金制品，抗拉强度为78MPa，延伸率为0.3％。相较于实施例1，在250℃条件下进行镦粗坯加热和热挤压，由于温度较低，铝合金碎块热机械固结效果较差，存在更多的裂纹及孔洞，抗拉强度和延伸率等性能显著降低，未能达到工业的最低标准，材料会被降档利用，经济效益较低。
Claims (10)
1.一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)剪切：
将废旧铝合金制品进行剪切或破碎，得到铝合金碎块；
(2)混料：
将铝合金碎块放入混料机混料，得到混合均匀的铝合金碎块；
(3)压坯：
将铝合金碎块放入钢制模具腔内进行压制，得到致密的压坯；
(4)压坯加热和镦粗：
将压坯加热至300～550℃并保温，得到温度均匀的压坯，然后将加热后的压坯放入模具内进行热镦粗，得到镦粗坯；
(5)镦粗坯加热和热挤压：
将镦粗坯加热至300～550℃并保温，得到温度均匀的镦粗坯，然后将加热后的镦粗坯放入挤压模具中进行热挤压，实现铝合金碎块的固结和成形，得到固态再生铝合金制品；
(6)T5或T6热处理：
将制备的铝合金制品进行T5或T6热处理。
2.根据权利要求1所述的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，步骤(1)中，废旧铝制品选自废旧铝合金板、筋、梁制品，铝合金碎块尺寸为1～50mm。
3.根据权利要求1所述的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，步骤(2)中，混料时间为0.1～5h。
4.根据权利要求1所述的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，步骤(3)中，压制压坯所用压力为100～950MPa，保压时间为0.5～5min，压制过程中加料次数为一次或多次，根据需要重复压制，制备的碎块压坯的相对密度为80～99％。
5.根据权利要求1所述的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，步骤(4)中，采用感应线圈或电阻炉对碎块压坯进行加热，加热速度为5～100℃/min，保温时间为1～10min，热镦粗压力为50～950MPa，保压时间为0.5～5min，根据需要重复热镦粗，镦粗坯的相对密度为90～99.9％。
6.根据权利要求1所述的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，步骤(5)中，采用感应线圈或电阻炉对镦粗坯进行加热，加热速度为5～100℃/min，保温时间为1～10min，挤压模具的温度为300～550℃，挤压压力为100～950MPa，挤压比为(5～100):1，挤压速率为5～100mm/s。
7.根据权利要求1所述的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，步骤(4)和(5)中，压坯和镦粗坯加热在保护气氛下或空气中进行，保护气氛为氩气或其他不与铝合金反应的气体，保护气氛中氧的含量控制在≤200ppm。
8.根据权利要求1所述的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，步骤(5)中，挤压模具的挤压嘴的形状和尺寸根据要制备的铝合金制品横截面形状尺寸要求确定。
9.根据权利要求1所述的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，步骤(6)中，T5热处理步骤为：铝合金制品在挤压时在线淬火，然后在170～220℃进行人工时效，时间为1～32h；T6热处理步骤为：在510～540℃进行固溶处理，时间为0.5～2h，随后淬火，然后在170～220℃进行人工时效，时间为1～32h；固溶处理和人工时效在马弗炉中进行，淬火方式为水淬。
10.根据权利要求1所述的一种通过固态再生碎块制备铝合金制品的方法，其特征在于，制得的再生铝合金制品，其抗拉强度为170～500MPa，延伸率为10％～30％，其相对密度为95％～99.9％，回收率≥96％。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117733143A (zh) * | 2024-02-08 | 2024-03-22 | 合肥工业大学 | 一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺 |
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2023
- 2023-08-11 CN CN202311007927.3A patent/CN117165800A/zh active Pending
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| CN117733143B (zh) * | 2024-02-08 | 2024-04-19 | 合肥工业大学 | 一种B4C增强6082Al复合材料一体化制备工艺 |
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