CN117512416A - 一种6×××系高强高韧角铝型材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种6×××系高强高韧角铝型材及其制备方法，铝型材的合金成分为：Mg0.9～1.3%，Si0.8～1.2%，Cu0.5～0.9%，Mn0.3～0.7%，Cr0.1～0.3%，Zr0.1～0.3%，Er0.1～0.3%，Fe<0.2%，Ti<0.1%,余量为Al和其他杂质，单个杂质含量不超过0.05%。制备过程包括按照成分设计配备的合金经熔炼铸造浇注成直径为300mm～400mm的铸锭，铸锭在200℃～260℃完成去应力退火后，经过均匀化热处理后降温至500～520℃直接挤压成型，挤压比超过20的情况下制备成厚度为6mm的铝合金角型材，挤压成的铝合金角型材经在线淬火后拉伸矫直，在2h之内送入时效炉内时效处理，制备的6×××系铝合金角型材屈服强度达345MPa以上，抗拉强度400MPa以上，伸长率≥8%。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，具体是一种6×××系高强高韧角铝型材及其制备方法。
背景技术
6×××系铝合金主要以Mg和Si为主要的合金元素，时效过程中通过析出Mg2Si提升合金强度。目前，因6系铝合金密度低，强度高，易加工成型等优点，已经被广泛用于建筑行业和交通运输领域。而角型材用途广泛，凡是有大角度弯曲的位置均能使用。如果采用板材弯曲的方法制备，具有加工工艺复杂、使用性能降低的缺点，因此一般采用一次成型技术，简化工艺，提升生产效率，提高力学性能。
在航空航天和汽车制造领域，因角铝具有轻质、高强和耐腐性的特点，被广泛应用于飞机零部件和航天器外壳及结构件，汽车车身发动机零部件、悬挂系统等。随着航空航天、汽车制造、建筑领域的不断发展，对材料的要求越来越高，要求所用的铝合金角型材强度提高，具备高强的特性，同时还要求耐蚀性及塑性保持较高水准，不下降。
一直以来，提高铝合金的强度往往是牺牲塑性和耐蚀性为代价的，而新型的铝合金角型材需要提高强度，保持较高塑性及耐腐蚀性，需要对合金成分进一步设计、制备加工工艺进一步优化。7系铝合金虽然强度提升，但是塑性成型困难且耐蚀性下降，因此还要考虑在传统6系铝合金基础上进一步研发，制备成高品质的铝合金角型材，满足新一代航空航天及新能源汽车制造的需要。
综上所述，现有的技术主要的问题是：使传统的6系铝合金制备的角型材强度升高且保证塑性及耐蚀性，这就要求重新进行成分设计，增加微合金成分，控制合金晶粒度，优化型材的挤压工艺及热处理工艺，保证质量的基础上尽可能提升生产效率，节省能源。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种6×××系高强高韧角铝型材及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种6×××系高强高韧角铝型材，其合金成分按重量百分比计，由以下几个成分组成：
Mg0.9～1.3％、Si0.8～1.2％、Cu0.5～0.9％、Mn0.3～0.7％、Cr0.1～0.3％、Zr0.1～0.3％、Er0.1～0.3％、Fe<0.2％、Ti<0.1％，余量为Al和其他杂质，单个杂质含量不超过0.05％。
作为本发明进一步的技术方案，合金采用的元素要求为纯Al和纯Mg，其他为中间合金的形式加入，所述纯Al的纯度为99.85％，所述纯Mg的纯度为99.9％。
本发明实施例的另一目的在于提供一种如上述的6×××系高强高韧角铝型材的制备方法，包括以下步骤：
合金进行熔炼与铸造，将纯Al和所有中间合金一起熔炼，熔炼温度为750℃～780℃，熔炼时采用氩气旋转喷吹精炼，轮子转速为300～450rpm，氩气流量为120～200slpm，精炼时间为10～20min，精炼结束后，待温度降至720～740℃，加入纯Mg按照3～5％的比例计算烧损，待纯Mg完全熔化后，开始浇铸，浇铸时用Al-Ti5-B1丝作为形核剂细化晶粒，温度为700～720℃，最后铸成直径为300～400mm的铝合金圆柱锭，铸锭的晶粒等级为4～5级。
作为本发明进一步的技术方案，将熔铸的铝合金圆柱锭在200～260℃温度下进行去应力退火，保温时间为2～4h。
作为本发明进一步的技术方案，将去应力退火后的铝合金圆柱锭进行机械加工，包括锯头，切削圆周表面，切削量为0.5～1mm。
作为本发明进一步的技术方案，将机械加工后的铝合金圆柱锭进行均匀化退火，退火温度为520～550℃，保温10～14h，加热速率为20～40℃/h。
作为本发明进一步的技术方案，均匀化退火后的铝合金圆柱锭温度降至500～520℃时，直接在挤压机上进行角型材制备，模具加热温度为480～490℃，盛锭筒温度为410～440℃，挤压速率为1～3m/min。
作为本发明进一步的技术方案，挤压成型的铝型材在线穿水淬火，穿水后温度降至40～70℃，进行预拉伸矫直，拉伸变形量为1～3％。
作为本发明进一步的技术方案，将预拉伸后的铝合金板材在2h时间内进行时效处理，时效温度为165～195℃，保温时间为4～10h。
通过上述步骤，制备的铝型材抗拉强度为400～430MPa，屈服强度为345～380MPa，伸长率≥8％，ISSRT<0.3，晶间腐蚀敏感性≤13毫克/平方厘米。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在传统6系铝合金基础上，提高了主加元素Mg和Si的含量，调控Mg/Si比，提升固溶强化及时效强化效果，添加了Cu、Mn、Cr元素，起到固溶强化效果的同时，降低Fe元素的危害作用，提升耐腐蚀性，还能使合金在挤压过程中提高焊合性，间接提升合金的力学性能。添加Zr和Er，使合金晶粒得到细化的同时，还能在均匀化退火过程中析出纳米级弥散粒子，起到弥散强化作用，提高合金综合性能。
本发明将传统挤压加热过程和均匀化退火工艺合并，节省加热时间，降低能耗，实现节能增效的效果。采用在线淬火后在40～70℃范围内预拉伸实现变形均匀避免型材出现尺寸误差，2h之内进行时效处理，避免自然时效过程太长，降低人工时效的效果。最终制备的铝合金角型材强度提高，塑性和耐腐蚀性没有明显下降，综合性能优良，能够应用于受力高和恶劣环境下使用。如海洋环境中的飞机零部件、受力较大的建筑工程领域等。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
本发明的目的是在传统6082铝合金的基础上，调整主加合金元素，添加其他微合金元素，在塑性和耐蚀性不降低的前提下大幅度提升合金的力学性能，并提供一种制备方法，实现6×××系铝合金高强高韧高耐腐蚀的优良性能。
本发明实施案例提供的6×××系铝合金角型材按重量百分比Mg0.9～1.3％，Si0.8～1.2％，Cu0.5～0.9％，Mn0.3～0.7％，Cr0.1～0.3％，Zr0.1～0.3％，Er0.1～0.3％，Fe<0.2％，Ti<0.1％，余量为Al和其他杂质，单个杂质含量不超过0.05％。其特点为髙镁、高硅，含有较多的铜，Er/Zr比≈1。
实施例1
按0.9％Mg，1.0％Si，0.7％Cu，0.5％Mn，0.15％Cr，0.15％Zr，0.15Er％，其余是Al的成分及重量百分比进行配料，经熔炼后浇铸成直径为350mm的铸锭，其中熔炼过程采用氩气旋转喷吹精炼，轮子转速为350rpm，氩气流量为150slpm，精炼时间为15min。将铝合金圆柱锭按照260℃保温3h去应力退火后，对铸锭表面进行机械加工，加工量为0.5mm，将加工后的铸锭放入加热温度为540℃的热处理炉中完成均匀化退火，保温时间为14h，均匀化退火后的铸锭炉温冷却至510℃后，直接在挤压机上制备成厚度为6mm的角型材，挤压过程中控制挤压比大于20:1，挤压速率为2m/min。角型材从工作带出口后立即进行在线穿水淬火，并立即进行到下一个工位完成拉伸矫直去除内应力，变形量为2％。将预拉伸后的铝合金角型材送入时效炉中进行195℃保温4h的时效处理。
通过上述方法制备的铝合金角型材力学性能及耐蚀性能测试结果表1所示。
实施例2
按1.1％Mg，1.0％Si，0.5％Cu，0.6％Mn，0.12％Cr，0.2％Zr，0.2Er％，其余是Al的成分及重量百分比进行配料，经熔炼后浇铸成直径为400mm的铸锭，其中熔炼过程采用氩气旋转喷吹精炼，轮子转速为380rpm，氩气流量为180slpm，精炼时间为12min。将铝合金圆柱锭按照240℃保温4h去应力退火后，对铸锭表面进行机械加工，加工量为0.5mm，将加工后的铸锭放入加热温度为550℃的热处理炉中完成均匀化退火，保温时间为11h，均匀化退火后的铸锭炉温冷却至520℃后，直接在挤压机上制备成厚度为6mm的角型材，挤压过程中控制挤压比大于20:1，挤压速率为1.5m/min。角型材从工作带出口后立即进行在线穿水淬火，并立即进行到下一个工位完成拉伸矫直去除内应力，变形量为2.5％。将预拉伸后的铝合金角型材送入时效炉中进行175℃保温8h的时效处理。
通过上述方法制备的铝合金角型材力学性能及耐蚀性能测试结果表1所示。
实施例3
按1.0％Mg，1.2％Si，0.4％Cu，0.5％Mn，0.10％Cr，0.2％Zr，0.2Er％，其余是Al的成分及重量百分比进行配料，经熔炼后浇铸成直径为350mm的铸锭，其中熔炼过程采用氩气旋转喷吹精炼，轮子转速为300rpm，氩气流量为180slpm，精炼时间为20min。将铝合金圆柱锭按照260℃保温3h去应力退火后，对铸锭表面进行机械加工，加工量为0.5mm，将加工后的铸锭放入加热温度为540℃的热处理炉中完成均匀化退火，保温时间为14h，均匀化退火后的铸锭炉温冷却至510℃后，直接在挤压机上制备成厚度为6mm的角型材，挤压过程中控制挤压比大于20:1，挤压速率为2.5m/min。角型材从工作带出口后立即进行在线穿水淬火，并立即进行到下一个工位完成拉伸矫直去除内应力，变形量为2％。将预拉伸后的铝合金角型材送入时效炉中进行185℃保温6h的时效处理。
通过上述方法制备的铝合金角型材力学性能及耐蚀性能测试结果表1所示。
表1合金型材性能测试结果
本发明制备的铝合金角型材抗拉强度为400～430MPa，屈服强度为345～380MPa，伸长率≥8％，ISSRT<0.3，晶间腐蚀敏感性≤13毫克/平方厘米。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种6×××系高强高韧角铝型材，其特征在于，其合金成分按重量百分比计，由以下几个成分组成：
Mg0.9~1.3%、Si0.8～1.2%、Cu0.5~0.9%、Mn0.3~0.7%、Cr0.1~0.3%、Zr0.1~0.3%、Er0.1~0.3%、Fe<0.2%、Ti<0.1%，余量为Al和其他杂质，单个杂质含量不超过0.05%。
2.根据权利要求1所述的一种6×××系高强高韧角铝型材，其特征在于，合金采用的元素要求为纯Al和纯Mg，其他为中间合金的形式加入，所述纯Al的纯度为99.85%，所述纯Mg的纯度为99.9%。
3.一种如权利要求2所述的一种6×××系高强高韧角铝型材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
合金进行熔炼与铸造，将纯Al和所有中间合金一起熔炼，熔炼温度为750℃～780℃，熔炼时采用氩气旋转喷吹精炼，轮子转速为300～450rpm，氩气流量为120～200slpm，精炼时间为10～20min，精炼结束后，待温度降至720～740℃，加入纯Mg按照3～5%的比例计算烧损，待纯Mg完全熔化后，开始浇铸，浇铸时用Al-Ti5-B1丝作为形核剂细化晶粒，温度为700～720℃，最后铸成直径为300～400mm的铝合金圆柱锭，铸锭的晶粒等级为4~5级。
4.根据权利要求3所述的一种6×××系高强高韧角铝型材的制备方法，其特征在于，将熔铸的铝合金圆柱锭在200～260℃温度下进行去应力退火，保温时间为2～4h。
5.根据权利要求4所述的一种6×××系高强高韧角铝型材的制备方法，其特征在于，将去应力退火后的铝合金圆柱锭进行机械加工，包括锯头，切削圆周表面，切削量为0.5～1mm。
6.根据权利要求5所述的一种6×××系高强高韧角铝型材的制备方法，其特征在于，将机械加工后的铝合金圆柱锭进行均匀化退火，退火温度为520～550℃，保温10～14h，加热速率为20～40℃/h。
7.根据权利要求6所述的一种6×××系高强高韧角铝型材的制备方法，其特征在于，均匀化退火后的铝合金圆柱锭温度降至500～520℃时，直接在挤压机上进行角型材制备，模具加热温度为480～490℃，盛锭筒温度为410～440℃，挤压速率为1～3m/min。
8.根据权利要求7所述的一种6×××系高强高韧角铝型材的制备方法，其特征在于，挤压成型的铝型材在线穿水淬火，穿水后温度降至40～70℃，进行预拉伸矫直，拉伸变形量为1～3%。
9.根据权利要求8所述的一种6×××系高强高韧角铝型材的制备方法，其特征在于，将预拉伸后的铝合金板材在2h时间内进行时效处理，时效温度为165～195℃，保温时间为4～10h。
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