CN118360521A - 一种高强高延伸率的5182铝合金及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高延伸率的5182铝合金，其含有Al和不可避免的杂质，此外还含有质量百分含量如下的各化学元素：Si：0.05‑0.15％，Fe：0.20‑0.30％，Cu：0.05‑0.08％，Mn：0.30‑0.40％，Mg：4.8‑5.0％，Cr：0.02‑0.09％，Ti：0.015‑0.025％。相应地，本发明还公开了该高强高延伸率的5182铝合金的制造方法。本发明所述的5182铝合金板材由于采用了合理的化学成分设计并优化设计了制造工艺，其制造工艺简单，在获得高强度的同时还具有高延伸率，可以用于对罐车进行减重，实现罐车的轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料及其制造方法，尤其涉及一种铝合金材料及制造方法。
背景技术
将铝合金应用在罐车上，可实现罐车明显减重，有效降低碳排放。同时为了满足产品的使用性能，需要提高铝合金板材的强度和延伸率。
例如，公开号为CN104313414A，公开日为2015年1月28日，名称为“铝镁合金及其板材的制备方法”的中国专利文献，公开了一种铝合金板材，其合金按照以下重量百分比：Fe＜0.3％，Si＜0.2％，Cu＜0.1％，Mn0.3％-0.6％，Mg4.7-5.5％，Zn≤0.1％，Ti＜0.1％，Zr0.05-0.15％，镧系元素≤0.05％，Na≤0.0005％，Be0.0005％-0.003％，其余单个杂质≤0.05％，其余杂质合金≤0.15％，余量为铝，配料后，熔铸成铸锭，锯切、铣面后，加热铸锭温度在450-470℃，时间为12-24h，对铸锭进行热粗轧和热精轧，终轧温度为330-350℃，将板材卷曲后自然冷却，获得高强度、延伸率高、热稳定性好的合金。该发明主要是通过镧系稀土元素与Zr的复核作用钉扎晶界作用、延长加热时间来提高强度和延伸率。
又例如，公开号为CN107385295，公开日为2019年1月18日，名称为“一种箱罐车用耐腐蚀可焊铝合金板材及其制造方法”的中国专利文献公开了一种铝合金板材，其按质量分数由0.10％～0.4％的Cu、0.25％～0.55％的Mn、1.5％～2.0％的Mg、5.0％～5.6％的Zn、0.15％～0.45％的Er和余量的Al组成。该技术方案旨在提高板材的表面质量以及焊接和加工成型性能。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种高强高延伸率的5182铝合金，其通过调整合金中主合金元素、微量合金元素、辅以控制加热参数及热轧卷取温度，以较低的成本获得高强度、高延伸率的5182罐车用铝合金板材。
基于上述发明目的，本发明提供了一种高强高延伸率的5182铝合金，其含有Al和不可避免的杂质，此外还含有质量百分含量如下的各化学元素：
Si：0.05-0.15％，Fe：0.20-0.30％，Cu：0.05-0.08％，Mn：0.30-0.40％，Mg：4.8-5.0％，Cr：0.02-0.09％，Ti：0.015-0.025％。
相应地，本发明还提供了一种高强高延伸率的5182铝合金，其化学元素质量百分含量配比为：
Si：0.05-0.15％，Fe：0.20-0.30％，Cu：0.05-0.08％，Mn：0.30-0.40％，Mg：4.8-5.0％，Cr：0.02-0.09％，Ti：0.015-0.025％；余量为Al和不可避免的杂质。
进一步地，在本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金的不可避免的杂质中，Zn≤0.1％。
进一步地，在本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金中，不可避免的杂质质量百分总含量≤0.15％。
本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金的各化学元素的设计原理如下：
Mg：Mg元素具有强烈的加工硬化效应，同时在铝中固溶度可达到17.41％，也能够起到明显的固溶强化作用。Mg元素是本发明中的主合金元素，其加工硬化效应在热轧高温卷取后得到释放，因此本发明采用更高的Mg含量提高合金的延伸率，基于此本发明中控制Mg元素质量百分数为4.8-5.0％。
Mn、Cr：在本发明中，Mn和Cr属于微量合金元素，其可以通过形成纳米级的弥散化合物，以粒子诱发形核的作用(PSN效应)促进在结晶形核，并钉扎晶界，抑制晶粒长大，从而起到强化作用，尤其地，钉扎作用可在焊接过程中抑制热影响区的晶粒长大，故也可以提高Al-Mg合金焊后强度。然而，过量的Mn易于在铸造过程中形成毫米级尺寸的Mn、Fe化合物，不但无法起到强化作用，反而易于成为应力作用下的裂纹源，降低合金的延伸率。基于此，本发明将Mn含量将控制在0.30-0.40％。Cr含量过高会造成铝熔体粘度增大，降低铸造成品率，同时Cr含量过高也会形成粗大的含Cr化合物，易于成为裂纹源，降低合金的延伸率，因此本发明控制Cr的质量百分数在0.02-0.09％。
Cu：在本发明中，Cu元素可起到固溶强化作用，但过量的Cu会降低合金的耐腐蚀性能以及焊接性能，因此本发明控制Cu质量百分含量为0.05-0.08％。
Ti：Ti元素可起到晶粒细化作用。如果其含量过少，细化作用不明显，如果其含量过多，易于发生Ti聚集，形成裂纹源，不利于提高延伸率，因此本发明控制Ti元素质量百分含量为0.015-0.025％。
Fe、Si：Fe和Si一般在铝合金中均是杂质元素，但在本发明中，Fe元素起到一定的细化晶粒作用，并一部分能够溶入的AlMn相中，形成AlMnFe相，并与Si相互作用形成AlMnFeSi相，起到控制含Mn相尺寸形貌的作用。同时，5182合金中针状的β(AlFeSi)相会明显降低延伸率，当Fe含量大于Si含量，起到抑制针状的β(AlFeSi)相，促进骨骼状的α(AlFeSi)相作用。因此为了控制合金延伸率和强度的匹配性，本发明中将Si的质量百分含量控制在0.05-0.15％，Fe的质量百分含量控制在0.20-0.30％。
Zn：在本发明中为杂质元素，其含量越低越好。在一些实施方式中，可以控制其质量百分含量低于0.1％。
进一步地，本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金的微观组织含有微纳米级弥散化合物Al6(MnFe)、Al8(FeMn)Mg3Si6。
进一步地，本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金的厚度为5-8mm。
进一步地，本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金的抗拉强度≥292MPa，屈服强度≥137MPa，延伸率≥27.0％。
本发明的另一目的在于提供一种高强高延伸率的5182铝合金的制造方法。
基于上述目的，本发明提供了一种高强高延伸率的5182铝合金的制造方法，其包括步骤：(1)配料，熔炼和精炼；(2)除气除杂；(3)在线细化及铸造；(4)加热：控制升温速度为20-40℃/h，并在460-510℃下保温2-27h；(5)热轧和卷取，控制卷取温度为335-360℃。
在本发明所述的制造方法的步骤(4)中，控制5182铸锭铣面后铸锭以20-40℃的升温速率升温到460-510℃后，保温2-27h，是因为：Al-Mg相图共晶温度在450℃，主要的低熔点共晶相为Al3Mg2相，Mg在铝合金中的扩散速度较快，因Al3Mg2相在20-40℃升温过程中就可以发生完全回溶，当升温速率较快时，Al3Mg2相无法完全回溶，升温到450℃以上未回溶的Al3Mg2会发生过烧，造成材料报废；升温过慢生产成本较高。
此外，铸锭升温到460℃-510℃，是由于本发明合金成分设计中Mn、Cr元素的存在，这些微量元素在加热与保温阶段易于形成Al、Mn、Cr、Fe的弥散相，例如(Al6(MnFe)、Al8(FeMn)Mg3Si6)，该弥散相尺寸在1微米以内、且均匀分布时，由于离子诱发形核作用(PSN效应)，合金再结晶更均匀，粒子也能够钉扎再结晶晶界，抑制晶粒长大。超过该温度或时间较长时，粒子更容易聚集长大，无法起到钉扎晶界的作用。
对于保温时间来说，保温时间最少2h是为了避免热加工的不均匀变形，防止热加工开裂；保温不超过27h是防止Mg元素在长时间保温下在铸坯的表层发生氧化偏聚，防止热加工时产生铝板表面的发黑发暗。
另外，本发明所述的制造方法在热轧步骤将卷取温度控制在335-360℃，是因为：温度高于335℃是为了获得完全退火态产品，其延伸率较高，控制卷取温度在335-360℃内，随后自然冷却获得自退火的效果，而无需进行专门的退火处理；而卷取温度高于360℃时，热轧卷在自退火过程中铝卷层与层间容易产生粘伤缺陷，导致批量报废。
进一步地，在本发明所述的制造方法的步骤(1)中，控制熔炼温度为720-750℃。
进一步地，在本发明所述的制造方法的步骤(1)中，控制精炼温度为720-740℃，精炼时间为30-40min。
进一步地，在本发明所述的制造方法的步骤(1)中，精炼后的铝合金熔体在710-740℃静置30-60min。
进一步地，在本发明所述的制造方法的步骤(5)中，在热轧过程中，控制中间板坯至成品厚度的加工率在80％以上。其中，中间板坯至成品厚度的加工率按下述计算：(中间板厚H0-成品厚度Hc)/中间板厚度H0×100％。
本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金具有如下所述的优点以及有益效果：
本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金通过调控主合金元素Mg的含量，提高了固溶强化的作用，从而提高了铝合金的强度；同时协同调控Mn、Cr元素的含量以及Fe、Si含量，降低了粗大的含Mn相，减少了裂纹断裂源，从而提高了铝合金的延伸率。
采用本发明的本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金制造方法，可在保证铝产品表面质量的情况下，以自退火的方式获得抗拉强度≥292MPa、屈服强度≥137MPa，延伸率≥27.0％的铝合金板材，从而更好的保证罐车的安全及轻量化效果。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例和对本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
以下将采用实施例1-6和对比例1-4对本发明的技术方案和技术效果进行说明。
实施例1-6的高强高延伸率的5182铝合金板材采用以下步骤制得，其中各实施例的具体工艺参数列于表2中：
(1)按照下述表1所示的化学成分采用熔炼炉对原料进行熔炼，控制熔炼温度为720-750℃，搅拌后扒渣，取样化验；将完全熔炼后的5182铝合金熔体倒入精炼炉中，并控制精炼炉中的精炼温度为720-740℃，控制精炼时间为30-40min，再次搅拌后取样化验，精炼扒渣后的5182铝合金熔体在710-740℃静置30-60min。
(2)除气除杂：向5182铝合金熔体中通入高纯惰性气体，例如氩气，并搅拌熔体，以除去熔体中的杂质气体及部分渣，然后采用通过孔径≥40ppi的泡沫陶瓷过滤板过滤熔体，在一些实施方式中，过滤温度可控制为720℃。
(3)在线细化及铸造：将除气除杂后的5182铝合金熔体中加入铝钛硼丝进行在线细化，将在线细化后的5182铝合金熔体铸造为5182铝合金铸锭。
(4)加热：将铸造后的5182合金铸锭经锯切、铣面后，装入加热炉中，控制合金升温速度为20-40℃/h，并且在460-510℃下保温2-27h后出炉。
(5)将出炉的5182合金铸锭进行热轧，经粗轧往返轧至27-40mm厚度的中间板坯，随后经热连轧机轧至5-8mm的成品厚度，得到5182铝合金热轧卷，控制卷取温度为335-360℃，随后自然冷却，其中控制中间板坯至成品厚度的加工率在80％以上。
为了验证本发明所述的高强高延伸率的5182铝合金的成分配比以及制造工艺对实施效果的以影响，对比例1-4的成分配比和制造工艺参数均有不满足本发明之处。
表1.(wt％，余量为Al和除了Zn以外其他不可避免的杂质)
需要说明的是，在本发明中，实施例1-6的5182铝合金板材和对比例1-4的对比合金板材的杂质元素的总含量均≤0.15％。
表2列出了实施例1-6和对比例1-4的高强高延伸率的5182铝合金的具体制造工艺参数。
表2.
相应地，将得到的实施例1-6的铝合金板材分别取样，并对对比例1、对比例2、对比例3和对比例4的对比合金板材进行取样，获得对应实施例和对比例板材的样品，对各实施例和对比例铝板的样品进行拉伸试验，并将各实施例和对比例铝合金板材的测试试验结果列于表3中。
拉伸试验的具体检测手段，如下所述：
拉伸试验：采用GB/T 16865矩形标准试样定标距试样P001型号样品进行测试，取样方向平行于轧制方向，按GB/T 228.1室温拉伸方法进行试验。
表3.
从表3中可以看出，本发明所述实施例1-6的5182铝合金板材不仅具有较高的强度，还具有较高的延伸率。本案实施例1-6的5182铝合金板材的屈服强度均≥137MPa，抗拉强度均≥292MPa，延伸率A均≥27.0％。
与本发明实施例不同的是，对比例1的铝合金板材虽然具有较高的屈服强度和抗拉强度，但其延伸率显著低于本发明。对比例2的铝合金板材的强度和延伸率均较低。对比例3的铝合金板材除强度、延伸率较低外，表面还发黄发暗。对比例4的铝合金板材强度较好，但延伸率最低，因此也无法满足本发明要求。
综上所述可以看出，在本发明所述的5182铝合金板材由于采用了合理的化学成分设计并优化设计了制造工艺，其制造工艺简单，可获得屈服强度≥137MPa，抗拉强度≥292MPa，延伸率A≥27.0％的性能，所制得的5182铝合金板材不仅具有较高的强度，还具有较优的延伸率，可以对罐车进行减重，实现罐车的轻量化，实现减碳减排。
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种高强高延伸率的5182铝合金，其含有Al和不可避免的杂质，其特征在于，其还含有质量百分含量如下的各化学元素：
Si：0.05-0.15％，Fe：0.20-0.30％，Cu：0.05-0.08％，Mn：0.30-0.40％，Mg：4.8-5.0％，Cr：0.02-0.09％，Ti：0.015-0.025％。
2.如权利要求1所述的高强高延伸率的5182铝合金，其特征在于，其化学元素质量百分含量配比为：
Si：0.05-0.15％，Fe：0.20-0.30％，Cu：0.05-0.08％，Mn：0.30-0.40％，Mg：4.8-5.0％，Cr：0.02-0.09％，Ti：0.015-0.025％；余量为Al和不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的高强高延伸率的5182铝合金，其特征在于，在不可避免的杂质中，Zn≤0.1％。
4.如权利要求1或2所述的高强高延伸率的5182铝合金，其特征在于，不可避免的杂质质量百分总含量≤0.15％。
5.如权利要求1或2所述的高强高延伸率的5182铝合金，其特征在于，其微观组织含有微纳米级弥散化合物Al6(MnFe)、Al8(FeMn)Mg3Si6。
6.如权利要求1或2所述的高强高延伸率的5182铝合金，其特征在于，其厚度为5-8mm。
7.如权利要求1或2所述的高强高延伸率的5182铝合金，其特征在于，其抗拉强度≥292MPa，屈服强度≥137MPa，延伸率≥27.0％。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的高强高延伸率的5182铝合金的制造方法，其特征在于，包括步骤：(1)配料，熔炼和精炼；(2)除气除杂；(3)在线细化及铸造；(4)加热：控制升温速度为20-40℃/h，并在460-510℃下保温2-27h；(5)热轧和卷取，控制卷取温度为335-360℃。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，控制熔炼温度为720-750℃。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，控制精炼温度为720-740℃，精炼时间为30-40min。
11.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，精炼后的铝合金熔体在710-740℃静置30-60min。
12.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在步骤(5)中，在热轧过程中，控制中间板坯至成品厚度的加工率在80％以上。
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