CN117646138A - 一种隔爆防爆用铝合金材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种隔爆防爆用铝合金材料及制备方法，由以下材料组成：Cu 1.5%—4.0%,Si 7.0%—11.5%,Zn 1.0%—2.5%,Mn 0.2%—0.8%,Mg 0.5%—1.5%,Fe≤0.25%,Sr 0.010%‑0.045%,V 0.05%—0.2%,Ti 0.06%—0.25%，（La+Ce）0.05%—0.6%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.25%。本发明铝合金成分中不含有Ni,Zr，Mo，设计Si/Cu,Cu/Mg，Cu+Mg+Zn的范围并同时控制V等元素的设计范围，消除了“中毒”本源，实现了细晶强化与界面共格强化双重功效，结合Cu，Mg，Zn元素带来的固溶强化和V元素在人工时效过程中纳米尺寸的富V颗粒析出带来的弥散强化，赋予了合金优异的高温力学性能，另外微量的稀土元素的加入赋予了合金良好的耐腐蚀性能与耐高温疲劳性能，成形后，铝合金构件抗拉强度为320‑350MPa，屈服强度为220‑260MPa，断后伸长率为3.0%—6.0%，高于常规铝合金成形构件性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，具体为隔爆防爆用铝合金材料及检测方法。
背景技术
高屈服强度材料是在工业防爆领域被广泛需求的一种材料，从技术的发展趋势来看，对轻量、高屈服强度材料的需求将会进一步增大；比如，更高标准防爆LED灯铝合金壳体材料相比传统一般防爆型壳体材料，屈服强度可提高30%以上，耐防爆压力提高百分之三十，因此对材料的屈服强度以及韧性要求较高。目前，工业隔爆型防爆型LED灯铝合金壳体多采用铸造铝合金制造，其最高屈服强度一般在150MPa以下，一定程度上限制耐防爆压力的提升。
目前常用的隔爆型防爆型LED灯铝合金壳体为ADC12，该类合金属于共晶压铸铝合金，整体产品硬度与强度低，抗拉强度在（250-300）MPa，屈服强度在（120-150）MPa，断后伸长率（1.0-2.0）％，无法满足新的耐防爆压力强度的技术要求。
发明内容
本发明的目的在于提供隔爆防爆用铝合金材料及检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
一种隔爆防爆用铝合金材料，由以下材料组成：Cu 1.5%—4.0%,Si 7.0%—11.5%,Zn 1.0%—2.5%,Mn 0.2%—0.8%, Mg 0.5%—1.5%, Fe≤0.25%,Sr 0.010%-0.045%,V0.05%—0.2%,Ti 0.06%—0.25%，（La+Ce）0.05%—0.6%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.25%。
作为本发明的进一步改进，所述Si与Cu质量分数比值为3.5-6.5，所述Cu与Mg的质量分数比值为3-7，所述Cu、Zn、Mg元素质量分数之和在4-8。
本发明还提供了隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，本制备方法包括以下步骤：
S1、按照铝合金材料的配方准备原材料，分别称取对应百分比的各个原料，进行干燥预热、热熔化以及搅拌均匀，得到合金熔体；
S2、对步骤S1中得到的合金熔体进行精炼处理，完成除气和除杂；
S3、将完成步骤S2处理的合金熔体送入到成形设备或进行半固态浆料制备后进行成形，得到铝合金构件；
S4、将铝合金构件送入加工车间进行表面处理；
S5、将经过表面处理后铝合金构件，喷涂表面层。
作为本发明的进一步改进，所述S1中热熔的具体步骤为：将Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入Cu元素，Mg元素、Zn元素的纯金属或者中间合金，待其完全熔解后，加入Al-V和Al5Ti1B中间合金，待其完全熔解后，再加入Al-RE和Al-Sr中间合金。
作为本发明的进一步改进，所述S1中干燥预热温度为100-450℃，热熔温度为700-800℃，搅拌的时间2—15min。
作为本发明的进一步改进，所述S2中精炼处理的具体步骤为向合金熔体中通入保护气体，加入RJ-01精炼剂，精炼时间为10—30分钟，固态精炼剂的加入量为熔体质量的0.1%—0.5%。
作为本发明的进一步改进，所述保护气体为氮气或氩气，所述保护气体通入量为0.05—6L/min。
作为本发明的进一步改进，所述S3中成形设备为高压压铸机、液态模锻机，其中高压压铸机和液态模锻机压射比压为50-100MPa。
作为本发明的进一步改进，所述表面层为环氧树脂粉末，以提高耐磨性能。
作为本发明的进一步改进，本铝合金壳体材料应用于工业隔爆型防爆型LED灯铝合金壳体材料，抗拉强度大于320MPa，屈服强度大于220MPa，断后伸长率为3.0%—6.0%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明铝合金成分中不含有Ni, Zr，Mo，引入Al5Ti1B中间合金晶种，成分中计量避免会引起中毒现象的元素，配合设计Si/Cu,Cu/Mg，Cu+Mg+Zn的范围并同时控制V等元素的设计范围，消除了“中毒”本源，实现了细晶强化与界面共格强化双重功效，从根本上解决了上述问题，利用锶变质细化共晶硅，且添加Ti元素达到细化与变质同步进行，晶粒与共晶硅均显著细化，同时结合Cu，Mg，Zn元素带来的固溶强化和V元素在人工时效过程中纳米尺寸的富V颗粒析出带来的弥散强化，赋予了合金优异的高温力学性能，另外微量的稀土元素的加入赋予了合金良好的耐腐蚀性能与耐高温疲劳性能，采用共晶Al-Si-Cu-Mg-Mn铝合金体系，区别于现有的ADC12铝合金，不存在屈服强度和硬度不佳情况，适合高压铸造，液态模锻（挤压铸造）生产对高强度中等韧性有较高要求的部件，成形后，铝合金构件抗拉强度为320-350MPa，屈服强度为220-260MPa，断后伸长率为3.0%—6.0%，高于常规铝合金成形构件性能。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明铝合金压铸成型后的代表性微观组织；
图3为本发明铝合金压铸成型后的代表性拉伸断裂后微观组织。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供如下技术方案：一种隔爆防爆用铝合金材料，由以下材料组成：Cu1.5%—4.0%,Si 7.0%—11.5%,Zn 1.0%—2.5%,Mn 0.2%—0.8%, Mg 0.5%—1.5%, Fe≤0.25%,Sr 0.010%-0.045%,V 0.05%—0.2%,Ti 0.06%—0.25%，（La+Ce）0.05%—0.6%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.25%。
轻量化是工业件发展的一个重要方向，因此铝合金材料在工业零部件制造过程中得到大量使用，隔爆型防爆型LED灯壳体便是铝合金的一个重要应用场景。壳体材料强度在一定程度上决定了耐防爆的能力，直接影响工业件的安全性能，但是隔爆型防爆型的高压，高湿度环境又对材料提出了极为苛刻的要求，这与轻量化使用铝合金材料产生了一定的矛盾，也就是说铝合金材料性能在一定程度上制约了隔爆型防爆型LED灯壳体的发展。
对铝合金材料性能的提升主要集中在成分的设计和冶炼方法的改进上，这在背景技术已有相关介绍。在铝合金的制备过程中，各类元素对制成品性能的积极和消极影响，本领域技术人员已经基本掌握，比如Zr等元素在冶炼过程中能形成金属间化合物，有利于晶粒细化，但同时其也可能引起Si中毒现象；Cu能改进材料的流动性，但同时又会损坏材料的延伸性能，降低耐腐蚀性；Mg元素同样能改进材料的强度，但材料的热裂倾向也因此会增大。因此目前主流对铝合金性能的改进，集中在根据使用条件选择合理的元素和各元素的配比设计。
Al-Si合金的强度基础很大一部分来源于Si元素，Si元素本身可以提高流动性与强度，但超过11.5％含量，会产生初生硅，割裂铝基体的同时有增加材料脆性的趋势，现有技术中解决这一技术问题常用的有引入Ni、Zr等元素，形成相应的金属间化合物，固定一部分Si，同时也限制晶粒尺寸的长大；但是，Ni、Zr元素很容易与α-Al发生反应，也即中毒现象，从而不仅不能起到强化作用，反而会降低材料的强度；针对这一现象，最新的现有技术采取了引入Al5Ti1B中间合金作为变质相的做法，缩短形核和结晶时间，从而可以起到细化晶粒的效果；但是，从力学性能测试的结果来看，强韧性的配合还不足以满足下一代隔爆型防爆型LED灯可挑剔的需求。
本申请人在研发过程中发现，在引入Al5Ti1B中间合金的基础上，合理设计Si/Cu质量分数比值，Cu/Mg质量分数比，Cu+Mg+Zn质量分数比之和范围和V的含量，利用V的不同扩散速度，形成不同晶型的析出物，得到有梯度的、且分布规律的金属间化合物，并遗传至时效阶段，进而使得铝合金的抗拉强度，屈服强度有较为显著地提升，其中抗拉强度能提升至340MPa以上，屈服强度能提升至220MPa以上，同时伸长率仍能维持在3.0%—6.0%，强韧性、屈服强度都有大幅度的提高，非常适合用于隔爆型防爆型LED灯等工业零部件。
实施例2
请参阅图1-3，本发明提供如下技术方案：隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，本制备方法包括以下步骤：
S1、按照铝合金材料的配方准备原材料，称取Cu 2.2%，Si 8.8%，Mn 0.4%，Mg0.85%，Fe≤0.25%，Zn 1.0%，Sr 0.025%，（La+Ce) 0.15%，Ti 0.15%，V 0.08%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.15%；Si/Cu比值约为4.0，Cu/Mg比值约为2.58，Cu/V比值约为27.5，Cu+Mg+Zn质量分数和为4.05%；合金中不添加Ni、Mo或Zr，进行干燥预热（温度为100℃），热熔化（温度为700℃），以及搅拌均匀（时间2min），得到合金熔体，按照以下顺序添加：将Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入Cu元素，Mg元素、Zn元素的纯金属或者中间合金，待其完全熔解后，加入Al-V和Al5Ti1B中间合金，待其完全熔解后，再加入Al-RE和Al-Sr中间合金；
S2、对步骤S1中得到的合金熔体进行精炼处理，向合金熔体中通入保护气体氮气或氩气，通入量为0.05L/min，加入RJ-01精炼剂，精炼时间为10分钟，固态精炼剂的加入量为熔体质量的0.1%，完成除气和除杂；
S3、将完成步骤S2处理的合金熔体送入到成形设备或进行半固态浆料制备后进行成形，（成型设备为高压压铸机、液态模锻机，其中高压压铸机和液态模锻机压射比压为50MPa）得到铝合金构件；
S4、将铝合金构件送入加工车间进行表面处理；
S5、将经过表面处理后铝合金构件，喷涂环氧树脂粉末，以提高耐磨性能。
实施例3
请参阅图1-3，本发明提供如下技术方案：隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，本制备方法包括以下步骤：
S1、按照铝合金材料的配方准备原材料，称取Cu 2.35%，Si 9.5%，Mn 0.35%，Mg1.0%，Fe≤0.25%，Zn 1.5%，Sr 0.018%，（La+Ce) 0.15%，Ti 0.2%，V 0.14%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.15%；Si/Cu比值约为4.04，Cu/Mg比值约为2.35，Cu/V比值约为16.78，Cu+Mg+Zn质量分数和为4.85%；合金中不添加Ni、Mo或Zr，进行干燥预热（温度为200℃），热熔化（温度为720℃），以及搅拌均匀（时间5min），得到合金熔体，按照以下顺序添加：将Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入Cu元素，Mg元素、Zn元素的纯金属或者中间合金，待其完全熔解后，加入Al-V和Al5Ti1B中间合金，待其完全熔解后，再加入Al-RE和Al-Sr中间合金；
S2、对步骤S1中得到的合金熔体进行精炼处理，向合金熔体中通入保护气体氮气或氩气，通入量为1L/min，加入RJ-01精炼剂，精炼时间为15分钟，固态精炼剂的加入量为熔体质量的0.25%，完成除气和除杂；
S3、将完成步骤S2处理的合金熔体送入到成形设备或进行半固态浆料制备后进行成形，（成型设备为高压压铸机、液态模锻机，其中高压压铸机和液态模锻机压射比压为65MPa）得到铝合金构件；
S4、将铝合金构件送入加工车间进行表面处理；
S5、将经过表面处理后铝合金构件，喷涂环氧树脂粉末，以提高耐磨性能。
实施例4
请参阅图1-3，本发明提供如下技术方案：隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，本制备方法包括以下步骤：
S1、按照铝合金材料的配方准备原材料，称取Cu 2.48%，Si 7.5%，Mn 0.45%，Mg0.65%，Fe≤0.25%，Zn 1.6%，Sr 0.030%，（La+Ce) 0.10%，Ti 0.15%，V 0.085%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.15%；Si/Cu比值约为4.23，Cu/Mg比值约为3.81，Cu/V比值约为29.17，Cu+Mg+Zn质量分数和为4.73%；合金中不添加Ni、Mo或Zr，进行干燥预热（温度为300℃），热熔化（温度为760℃），以及搅拌均匀（时间10min），得到合金熔体，按照以下顺序添加：将Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入Cu元素，Mg元素、Zn元素的纯金属或者中间合金，待其完全熔解后，加入Al-V和Al5Ti1B中间合金，待其完全熔解后，再加入Al-RE和Al-Sr中间合金；
S2、对步骤S1中得到的合金熔体进行精炼处理，向合金熔体中通入保护气体氮气或氩气，通入量为3L/min，加入RJ-01精炼剂，精炼时间为20分钟，固态精炼剂的加入量为熔体质量的0.4%，完成除气和除杂；
S3、将完成步骤S2处理的合金熔体送入到成形设备或进行半固态浆料制备后进行成形，（成型设备为高压压铸机、液态模锻机，其中高压压铸机和液态模锻机压射比压为80MPa）得到铝合金构件；
S4、将铝合金构件送入加工车间进行表面处理；
S5、将经过表面处理后铝合金构件，喷涂环氧树脂粉末，以提高耐磨性能。
实施例5
请参阅图1-3，本发明提供如下技术方案：隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，本制备方法包括以下步骤：
S1、按照铝合金材料的配方准备原材料，称取Cu 2.38%，Si 11.0%，Mn 0.35%，Mg0.85%，Fe≤0.25%，Zn 1.2%，Sr 0.032%，（La+Ce)0.15%，Ti 0.13%，V 0.15%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.15%；Si/Cu比值约为4.62，Cu/Mg比值约为2.8，Cu/V比值约为15.58，Cu+Mg+Zn质量分数和为4.43%；合金中不添加Ni、Mo或Zr，进行干燥预热（温度为450℃），热熔化（温度为800℃），以及搅拌均匀（时间15min），得到合金熔体，按照以下顺序添加：将Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入Cu元素，Mg元素、Zn元素的纯金属或者中间合金，待其完全熔解后，加入Al-V和Al5Ti1B中间合金，待其完全熔解后，再加入Al-RE和Al-Sr中间合金；
S2、对步骤S1中得到的合金熔体进行精炼处理，向合金熔体中通入保护气体氮气或氩气，通入量为6L/min，加入RJ-01精炼剂，精炼时间为30分钟，固态精炼剂的加入量为熔体质量的0.5%，完成除气和除杂；
S3、将完成步骤S2处理的合金熔体送入到成形设备或进行半固态浆料制备后进行成形，（成型设备为高压压铸机、液态模锻机，其中高压压铸机和液态模锻机压射比压为100MPa）得到铝合金构件；
S4、将铝合金构件送入加工车间进行表面处理；
S5、将经过表面处理后铝合金构件，喷涂环氧树脂粉末，以提高耐磨性能。
将实施例2、3、4和5制备的产品制备标准试样测得主要力学性能如下表一所示：
表一
在电镜下观察实施例2、3、4和5制备试样的金相组织，大体分布相同（选取代表性组织，参见附图2），由图可见，Al5Ti1B中间合金的引入，使得α-Al基体分布均匀，没有发达的树枝晶，同时Al5Ti1B中间合金作为晶种还能使金属间化合物分布更加弥散，弥散物的尺寸得到有效限制，对晶界的分割作用减弱，而钉扎作用得到显著增强；同时由于在合金成分中没有设计Ni、Mo或Zr，α-Al没有出现“中毒”现象，作为基体提供了足够的强度和韧性；另外，设计元素时考虑Si/Cu、Cu/Mg、Cu/V的比例以及Cu+Mg+Zn总质量分数，对晶粒尺寸、析出物的尺寸、浓度梯度都有明显改善，充分发挥了细晶强化对强度和韧性的共同作用，同时也考虑到隔爆型防爆型LED灯壳体材料的特殊工作环境，不过分追求断后伸长率，因此利用Si/Cu、Cu/V的合适比例以及合适Cu+Mg+Zn总质量分数，配合稀土和Ti元素对强度做了进一步提升。
而从断面微观组织（选取代表性组织，参见附图3）也可以看出，断面处的韧窝分布均匀，密度适中，大小较为均匀，结合测定数据可以确定，本申请所述材料能够满足下一代隔爆型防爆型LED灯壳体材料减重时的力学性能要求。
进一步验证本申请所述材料相对现有技术的力学性能优势，实验室组织了如下对比试验。
采用现有常用的ADC12、AlSi9Cu3Fe（该两种均为Al-Si-Cu 系压铸铝合金）、本发明所述高屈服强度铝合金，利用相同的工艺制备标准高压铸造试样：测试主要化学成分及力学性能，得到表二所示结果：
表二不同铝合金主要化学成分及力学性能对比表
由上表二可知，在相同条件下，本申请设计的铝合金材料经高压铸造具有更优的力学性能，抗拉强度和屈服强度明显优于现有材料。
为验证上述制备方法制备的铝合金性能是否符合要求，随机抽取不同批次成品高屈服强度铝合金，测定了其成分和力学性能（标准试样），得到表三所示结果：
表三不同批次高强韧铝合金主要成分及其力学性能
由表三可知，根据本申请设计原理和方法制备得到的铝合金材料，其抗拉强度均大于320MPa，屈服强度均大于220MPa，断后伸长率均高于3.0%，完全符合工业隔爆防爆型领域对材料轻量、高屈服强度，中等韧性的要求，能够被用于LED灯壳体的制造，为零件减重以及提升耐爆压力提供了优异的材料。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种隔爆防爆用铝合金材料，其特征在于：由以下材料组成：Cu 1.5%—4.0%,Si7.0%—11.5%,Zn 1.0%—2.5%,Mn 0.2%—0.8%, Mg 0.5%—1.5%, Fe≤0.25%,Sr 0.010%-0.045%,V 0.05%—0.2%,Ti 0.06%—0.25%，（La+Ce）0.05%—0.6%，余量为Al和杂质，其中杂质总含量不大于0.25%。
2.根据权利要求1所述的隔爆防爆用铝合金材料，其特征在于：所述Si与Cu质量分数比值为3.5-6.5，所述Cu与Mg的质量分数比值为3-7，所述Cu、Zn、Mg元素质量分数之和在4-8。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，其特征在于：本制备方法包括以下步骤：
S1、按照铝合金材料的配方准备原材料，分别称取对应百分比的各个原料，进行干燥预热、热熔化以及搅拌均匀，得到合金熔体；
S2、对步骤S1中得到的合金熔体进行精炼处理，完成除气和除杂；
S3、将完成步骤S2处理的合金熔体送入到成形设备或进行半固态浆料制备后进行成形，得到铝合金构件；
S4、将铝合金构件送入加工车间进行表面处理；
S5、将经过表面处理后铝合金构件，喷涂表面层。
4.根据权利要求3所述的隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述S1中热熔的具体步骤为：将Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入Cu元素，Mg元素、Zn元素的纯金属或者中间合金，待其完全熔解后，加入Al-V和Al5Ti1B中间合金，待其完全熔解后，再加入Al-RE和Al-Sr中间合金。
5.根据权利要求3所述的隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述S1中干燥预热温度为100-450℃，热熔温度为700-800℃，搅拌的时间2—15min。
6.根据权利要求3所述的隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述S2中精炼处理的具体步骤为向合金熔体中通入保护气体，加入RJ-01精炼剂，精炼时间为10—30分钟，固态精炼剂的加入量为熔体质量的0.1%—0.5%。
7.根据权利要求6所述的隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氮气或氩气，所述保护气体通入量为0.05—6L/min。
8.根据权利要求3所述的隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述S3中成形设备为高压压铸机、液态模锻机，其中高压压铸机和液态模锻机压射比压为50-100MPa。
9.根据权利要求3所述的隔爆防爆用铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述表面层为环氧树脂粉末，以提高耐磨性能。
10.根据权利要求1-2任一项所述的隔爆防爆用铝合金材料的应用，其特征在于：本铝合金壳体材料应用于工业隔爆型防爆型LED灯铝合金壳体材料，抗拉强度大于320MPa，屈服强度大于220MPa，断后伸长率为3.0%—6.0%。
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