CN106756325B - 一种Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Al‑Mg‑Si‑Cu合金及其制备方法和应用。该合金包含以下按质量百分比计的组分：Si为0.6～0.8％，Mg为1.0～1.2％，Fe为0.25～0.5％，Cu为0.2～0.4％，Mn为0.1～0.15％，Cr为0.1～0.2％，Zn为0.10‑0.20％，Ti≤0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al。本发明合金具备较高强度、具备优良的阳极氧化性能，同时还具有极佳的切屑性能，可以作为制造对较高强度、装饰性表面、而且需要大量CNC加工的高质量需求的工业用铝合金材料，如电子设备结构连接件等。

Description

一种Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于铝合金材料及其制造领域，特别涉及一种Al-Mg-Si-Cu合金及其制备方法和应用。
背景技术
Al-Mg-Si(-Cu)合金目前应用最广泛合金，占总铝应用量的60％以上。部分零件所用的Al-Mg-Si(-Cu)合金需要经过大量CNC加工成需要的形状。常规的Al-Mg-Si(-Cu)合金断屑困难，加工过程缠绕刀具并会造成工件表面刮伤，影响效率及品质。而Al-Cu合金，由于含有铅、铋等低熔点元素，虽有利于切削断屑，但Al-Cu合金因挤压成型困难，常伴有晶界腐蚀现象，而且含有环保限制物质，局限了Al-Cu合金的广泛应用。因此，提供一种不含环保限制物质、挤压成型性良好，车削断屑良好的合金具有重要意义。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种Al-Mg-Si-Cu合金。该合金既具有Al-Mg-Si-Cu合金较高强度、成型性，优良的阳极氧化性能，同时具有良好的易切削性。
本发明的另一目的在于提供所述Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法。
本发明的又一目的在于提供所述Al-Mg-Si-Cu合金的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种Al-Mg-Si-Cu合金，该合金包含以下按质量百分比计的组分：Si为0.6～0.8％，Mg为1.0～1.2％，Fe为0.25～0.5％，Cu为0.2～0.4％，Mn为0.1～0.15％，Cr为0.1～0.2％，Zn为0.10～0.20％，Ti≤0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al。
所述的合金优选为包含以下按质量百分比计的组分：Si为0.622～0.79％，Mg为1.03～1.18％，Fe为0.25～0.45％，Cu为0.2～0.28％，Mn为0.11～0.14％，Cr为0.11～0.15％，Zn为0.11～0.15％，Ti≤0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al。
一种Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照上述质量百分比进行备料，其中，铝、镁和锌采用铝锭、镁锭和锌锭；
(2)将铝锭装入熔炼炉，加热到740～780℃进行熔化，再加入镁锭、锌锭、和中间合金进行合金化，得到铝熔体A；
(3)向铝熔体A中加入精炼剂，于730～760℃进行精炼，在精炼的同时向铝熔体A中通入精炼气体进行搅拌、排气，然后扒渣，得到铝熔体B；
(4)将熔体B静置，得到铝熔体C；
(5)将铝熔体C于685～710℃条件下进行铸造，得到合金圆铸锭；
(6)将得到的合金圆铸锭加热至450±5℃后保温4小时，再用水雾强冷至室温，得到Al-Mg-Si-Cu合金。
步骤(2)中所述的中间合金优选为AlSi12、AlMn10、AlCr3、AlCu40和AlFe20。
步骤(2)中所述的熔炼炉优选为蓄热式节能炉。
步骤(2)中所述的加热的温度优选为750℃。
步骤(3)中所述的精炼剂的添加量按1.0kg/吨铝熔体A计算。
步骤(3)中所述的精炼的温度优选为740℃；精炼的时间为15～30分钟，优选为25分钟。
步骤(3)中所述的精炼气体优选为高纯氩气。
所述的氩气的压力为0.05～0.1Mpa，流量为12L/分钟。
步骤(3)中所述的得到铝熔体B还包括成分微调的步骤：将得到的铝熔体B进行化学成分分析，若合金成分不在步骤(1)所述的范围内，则通过成分微调，将合金成分控制在步骤(1)所述的范围内。
步骤(4)中所述的得到铝熔体C还包括净化的步骤。
所述的净化优选为将铝熔体C依次通过除气装置和过滤***进行净化。
所述的过滤***优选为70目泡沫陶瓷板。
步骤(4)中所述的静置时间为25～40分钟，优选为40分钟。
步骤(5)中所述的铸造优选为采用半连续水冷铸造法进行铸造。
步骤(6)中所述的加热在均匀化热处理炉中进行。
所述的Al-Mg-Si-Cu合金在加工电子设备结构连接件所用的挤压管棒型材中的应用。
所述的Al-Mg-Si-Cu合金在加工电子设备结构连接件所用的挤压管棒型材中的应用，包括如下步骤：
①将上述Al-Mg-Si-Cu合金装入铝棒加温炉进行加热；
②再将合金进行挤压，得到合金材料；
③将得到的合金材料进行在线淬火；
④将淬火后的合金材料进行拉伸矫直；
⑤进行人工时效处理。
步骤①中所述的Al-Mg-Si-Cu合金还包括锯切的步骤，将合金锯切成合适的长度，优选为500～650mm。
步骤①中所述的铝棒加温炉优选为三区加温方式的铝棒加温炉，一区(入口预热区)温度为480～520℃，二区(中间保温区)温度为540～560℃，三区(出口区)温度为480～500℃；所述的铝棒加温炉也可使用四区或五区式，其中，入口预热区温度为480～520℃，出口区温度为480～500℃，中间段为保温区，温度设置为540～560℃，保温区加热的时间为2～3小时。
所述的入口预热区的温度优选为480～500℃。
所述的中间保温区的温度优选为540～550℃。
步骤①中所述的加热的时间(从入口到出口的时间)优选为5～5.5小时。
步骤②中所述的挤压的速度优选为2.0～3.0mm/s，挤压的温度优选为480～490℃；挤压比(挤压系数λ)优选为18～34。
步骤③中所述的在线淬火的方法优选通过如下步骤实现：在15S内通过水温在10～50℃的水槽。
步骤③中所述的在线淬火的冷却速率优选为40℃/s。
步骤④中所述的拉伸优选为使用拉伸机进行拉伸，实现材料矫直同时去除材料残余应力。
步骤④中所述的拉伸量为1～3％。
步骤⑤中所述的人工时效处理的条件为：170±5℃保温10小时。
本发明中的合金成分设计时，在保证合金满足6系合金中高强度基础上，添加有利于形成颗粒物元素，并充分考虑热加工成形时通过高温析出相抑制再结晶形成，有利于形成纤维晶组织。在Al-Mg-Si-Cu合金中，Si和Mg元素是形成强化相的主要合金元素，两者以1.73：1比例形成Mg2Si时效强化相，合金随着Si、Mg含量的增加，其抗拉强度随之增加。
Cu在Al-Mg-Si-Cu系合金以固溶形式存在，能提高沉淀相的弥散度，有利于提高合金的强度及阳极氧化表面光泽度。本发明将Cu的含量控制在0.2～0.4％，使合金具有更好的的综合性能。
Mn及Cr能延滞铝及其合金的再结晶过程，提高再结晶温度，显著细化再结晶组织的晶粒。Mn、Cr的添加会使合金淬火敏感性增加。本发明Mn、Cr质量百分比均控制在0.1～0.2％，通过热处理过程高温析出Al6Mn，Al7Cr弥散质点，提高材料的再结晶温度，促进形成纤维晶，有利于切削断屑。
Fe可提高合金再结晶温度，有利于热加工时生成纤维晶组织。同时，含Fe相在铝合金熔炼温度下形成液溶体，室温下固溶度很小，主要以不溶或难溶的Al7Cu2Fe、AlFeMnSi等脆性相和共晶化合物的形式存在。以颗粒物2-10μm存在的含铁相颗粒，有利于在车削过程中断屑，因此，本发明需控制Fe质量百分比均控制在0.25～0.50％。
随着Fe元素含量提高，会增加合金中不可溶结晶相Al7Cu2Fe、AlFeMnSi数量，对合金力学性能及流动性、成型性带来不利影响，本发明中加入一定量的Zn，Zn以固溶形式存在于基体中，可增加合金强度，保证良好切削性能，同时弥补Fe相带来的负面影响。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明针对现有技术的缺陷，利用合金设计原理，通过合金成分合理配比，设计出达到技术指标的合金成分，并通过合适的制造方法，使合金呈现纤维组织、确保材料具有Al-Mg-Si-(Cu)合金较高强度、挤压成型性，优良的阳极氧化性能，并且具有良好的切削加工性，适用于制造电子设备零件，切削断屑性以及切削效率、表面质量均能满足要求。
2、本发明中的合金在具备较高强度的同时还具有极佳的切屑性能，解决6系合金切屑不易断屑的技术难题。
3、在T6状态下，氧化表面光泽度可达到400GS(光泽度值)以上，比同等条件下6061合金高出10％以上。
4、考虑到本合金具有较高强度，同时具备优良的阳极氧化性能，切削性能良好，本发明方法制备的合金可以作为制造对较高强度、装饰性表面、而且需要大量CNC加工的高质量需求的工业用铝合金材料，如电子设备结构连接件等。
附图说明
图1是本发明Al-Mg-Si-Cu合金的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
原材料如下：
铝锭：采用牌号为Al99.7的铝锭，铝锭中Al的质量百分比为99.70％以上，Fe的质量百分比为0.12％，符合标准GB/T 1196-2008《重熔用铝锭》；
镁锭：采用牌号为Mg9990的镁锭，镁锭中Mg的质量百分比为99.9％以上，符合标准GB/T 3499-2003《原生镁锭》；
锌锭：采用牌号为Zn9995的锌锭，锌锭中Zn的质量百分比为99.95％以上，符合标准GB/T470-1997《锌锭》；
合金添加剂(铝硅、铝锰、铝铬、铝铜、铝铁)：分别采用AlSi12，AlMn10，AlCr3，AlCu40和AlFe20中间合金，质量符合YS/T282-2000标准；
精炼剂：采用牌号为PROMAG RI粒状精炼剂，符合标准YS/T491-2005《变形铝及铝合金用熔剂》；
精炼气体：采用高纯氩气，纯度即体积百分数为≥99.999％；
熔炼在线处理气体：采用高纯氩气，纯度即体积百分数为≥99.999％。
将原料按顺序投入到蓄热式节能炉中进行升温熔炼，燃料采用天然气，工艺流程如图1所示，具体步骤如下：
1、铝圆铸锭的制造方法：
(1)根据电脑硬盘电子设备零件对材料性能的要求，抗拉强度σb≥280Mpa、屈服强度σ0.2≥250Mpa、延伸率δ≥8％，断屑长度小于10mm。合金成分设计时，在要求提高合金强度外，还充分考虑热加工成形时工件生成纤维晶组织，并形成有利于断屑的颗粒物。
(2)原材料准备：铝、镁、锌采用铝锭、镁锭和锌锭，其中各成分按质量百分比计：Si为0.65％，Mg为1.11％，Fe为0.25％，Mn为0.14％，Cr为0.11％，Zn为0.11％，Cu为0.28％，Ti≤0.10％，余量为Al进行备料；
(3)装炉：将上述原料中的铝锭装入熔炼炉(蓄热式节能炉)；
(4)加温熔化：将炉内温度控制在750℃，使铝锭完全熔化成为铝熔体I；
(5)合金化：向铝熔体I中加入上述镁锭、锌锭和中间合金(AlSi12，AlMn10，AlCr3、AlCu40和AlFe20)，并搅拌使其熔化，对熔体进行初步合金化，得到铝熔体II；
(6)精炼：在步骤(5)得到的铝熔体II中加入精炼剂，用量为1.0kg/吨铝熔体II，精炼温度为740℃，精炼时间为25分钟；精炼过程将得到的铝熔体进行化学成分分析，若合金成分不在步骤(2)所述的范围内，则在精炼过程进行成分微调，将合金成分控制在上述的范围内；在精炼的同时通过炉底透气砖向铝熔体中通入高纯氩气进行搅拌、排气，然后扒渣，得到铝熔体III，其中，氩气压力控制在0.05～0.1MPa，流量控制在12L/分钟；
(7)合金成分分析：对步骤(6)中得到的铝熔体III进行合金元素分析，若合金成分不在步骤(2)所述的范围内，则通过成分微调，将合金成分控制在步骤(2)所述的范围内；
(8)静置处理：将铝熔体III静置40分钟，得到铝熔体IV；
(9)在线除气：采用除气装置进行除氢，将铝熔体IV含氢量控制在0.25ml/100g.Al铝以下；
(10)在线过滤：采用70目泡沫陶瓷板进行过滤；
(11)铸造：采用半连续水冷铸造法，铸造温度控制在685～710℃，浇铸获得铝合金圆铸锭；
(12)均匀化处理：在均匀化热处理炉中加温至450±5℃保温4小时，然后用水雾快速冷却至室温，得到Al-Mg-Si-Cu合金圆铸锭。
2、铝挤压型材、管材、棒制造方法：
选用规格为外径33mm，壁厚5mm圆管为例(即按以下工艺挤压制成)：
(1)将上述得到的Al-Mg-Si-Cu合金圆铸锭(铝棒)切成500mm长，使用三区式慢速铝棒加温炉加温，一区(入口预热区)温度500℃，二区(中间保温区)温度550℃，三区(出口区)温度500℃，从入口到出口加热5小时，其中，中间保温区为2.5小时；
(2)将合金圆铸锭在挤压温度为480～490℃，挤压比(挤压系数：挤压筒腔的横断面面积同挤压制品总横断面面积之比)为18，挤压速度(主缸前进速度)为3.0mm/s的条件下挤压成型(即将合金圆铸锭在高温高压下通过模具挤压形成所需要的的管棒型材)；
(3)进行在线淬火：在线淬火的冷却速率为40℃/s(在15S内通过水温在10～50℃的水槽)；
(4)进行拉伸矫直：使用拉伸机进行拉伸，实现材料矫直同时去除材料残余应力，控制拉伸量为1～3％(拉伸变形量：挤出工件的头部1.5％、挤出工件的尾部2.2％)；
(5)人工时效处理：时效温度为170℃，时效时间10小时。
实施例2
1、铝圆铸锭制造方法：
按照Al-Mg-Si-Cu合金的化学成份按质量百分比计：Si为0.79％，Mg为1.18％，Fe为0.45％，Mn为0.11％，Cr为0.12％，Zn为0.15％，Cu为0.21％，Ti≤0.10％，余量为Al进行备料，按照与实施例1相同的工艺生产得到Al-Mg-Si-Cu合金圆铸锭。
2、铝挤压型材、管材、棒制造方法：
选用规格为外径33mm，壁厚5mm圆管为例：
(1)将上述得到的合金圆铸锭(铝棒)切成500mm长，使用五区式慢速铝棒加温炉，一区(入口预热区)温度480℃，二区(中间保温区)温度540℃，三区(中间保温区)温度560℃，四区(中间保温区)温度540℃，五区(出口区)温度480℃，从入口到出口加热5.5小时，其中，中间保温区为3小时；
(2)将合金圆铸锭在挤压温度为480～490℃，挤压比为34，挤压速度(主缸前进速度)为2.0mm/s的条件下挤压成型；
(3)进行在线淬火：在线淬火冷却速率为40℃/s(在15S内通过水温在10～50℃的水槽)；
(4)进行拉伸矫直：使用拉伸机进行拉伸，实现材料矫直同时去除材料残余应力，控制拉伸量为1～3％(拉伸变形量：挤出工件的头部1.3％，挤出工件的尾部1.8％)；
(5)人工时效处理：时效温度为170℃，时效时间10小时。
实施例3
1、铝圆铸锭制造方法：
按照Al-Mg-Si-Cu合金的化学成份按质量百分比计：Si为0.622％，Mg为1.03％，Fe为0.35％，Mn为0.13％，Cr为0.15％，Zn为0.13％，Cu为0.20％，Ti≤0.10％，余量为Al进行备料，按照与实施例1相同的工艺生产得到Al-Mg-Si-Cu合金圆铸锭。
2、铝挤压型材、管材、棒制造方法：
选用规格为外径33mm，壁厚5mm圆管为例：
(1)将上述得到的合金圆铸锭(铝棒)切成650mm长，使用五区式慢速铝棒加温炉，一区(入口预热区)温度500℃，二区(中间保温区)温度540℃，三区(中间保温区)温度560℃，四区(中间保温区)温度540℃，五区(出口区)温度490℃，从入口到出口加热5.5小时，其中中间保温区为3小时；
(2)将合金圆铸锭在挤压温度为挤压480～490℃，挤压比为30，挤压速度(主缸前进速度)为2.0mm/s的条件下挤压成型；
(3)进行在线淬火：在线淬火冷却速率为40℃/s(在15S内通过水温在10～50℃的水槽)；
(4)进行拉伸矫直：使用拉伸机进行拉伸，实现材料矫直同时去除材料残余应力，控制拉伸量为1～3％(拉伸变形量：挤出工件的头部1.1％、挤出工件的尾部1.5％)；
(5)人工时效处理：时效温度为170℃，时效时间10小时。
实施例4
1、按照与实施例1相同的工艺生产得到Al-Mg-Si-Cu合金圆铸锭。
2、选用规格为直径40mm棒材为例：
按照与实施例1相同的铝挤压工艺生产得到铝挤压棒材。
实施例5
1、按照与实施例2相同的工艺生产得到Al-Mg-Si-Cu合金圆铸锭。
2、选用规格为直径40mm棒材为例：
按照与实施例2相同的铝挤压工艺生产得到铝挤压棒材。
实施例6
1、按照与实施例3相同的工艺生产得到Al-Mg-Si-Cu合金圆铸锭。
2、选用规格为直径40mm棒材为例：
按照与实施例3相同的铝挤压工艺生产得到铝挤压棒材。
实施例7
1、将实施例1～6获得的挤压管材或棒材用数控车床进行表面切削加工，切削量1mm，表面粗糙度Ra≤0.5，获得切削表面的产品。
2、将上述切削后的产品进行硫酸阳极氧化处理，获得阳极氧化表面。
效果实施例
1、将上述实施例1～6所制得的铝挤压管材或棒材进行以下检测：
按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》对产品进行力学性能测试；根据国家标准GB/T 6892-2015《一般工业用铝及铝合金挤压型材》给出对比铝合金6061-T6的力学性能，其中，铝合金热处理状态为T6。
2、将上述实施例1～6按实施例7的方法进行加工所制得的产品，进行以下检测：
(1)按照GB/T 16461-2016《单刃车削刀具寿命试验》附录G切屑特征对切屑进行特征判断。
(2)按GB/T 20503-2006《铝及铝合金阳极氧化阳极氧化膜镜面反射率和镜面光泽度的测定20°、45°、60°、85°角度方向》对产品进行60°的镜面光泽度测定。
测得的结果如表1所示，其中，切屑特性所得结果按相同的车削条件(同机台同加工程序同刀具)；表面光泽度所得结果按相同的阳极氧化条件(相同的化学抛光预处理及相同的氧化封孔条件)。
表1不同铝合金性能测试结果
注：表中Rm表示抗拉强度(σb/Mpa)；Rp0.2表示屈服强度(σ0.2/Mpa)；A50mm表示断后延伸率(A50/％)。
选择在本发明所指范围的合金成分，随成分配比和加工处理方法的不同，所得材料(部件)的性能会有差异，但材料总体特征为：
1、T6状态下抗拉强度σb≥310Mpa、屈服强度σ0.2≥280Mpa、断后延伸率A50≥12％；与6061-T6国家标准相比，本合金强度高出19％，屈服强度高出16％，断后延伸率高出50％。
2、所得的切屑为“4.2(短)环形螺旋切屑”，比6061合金的“2.3(缠乱)管形切屑”更便于断屑，有利于保护表面及提高生产效率。
3、同样氧化处理条件下，本发明合金的光泽度较6061合金高10％左右。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于，该合金包含以下按质量百分比计的组分：Si为0.6～0.8％，Mg为1.0～1.2％，Fe为0.25～0.5％，Cu为0.2～0.4％，Mn为0.1～0.15％，Cr为0.1～0.2％，Zn为0.10～0.20％，Ti≤0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al；
所述的Al-Mg-Si-Cu合金通过如下步骤制备得到：
(1)按照合金元素的质量百分比进行备料，其中，铝、镁和锌采用铝锭、镁锭和锌锭；
(2)将铝锭装入熔炼炉，加热到740～780℃进行熔化，再加入镁锭、锌锭、和中间合金进行合金化，得到铝熔体A；
(3)向铝熔体A中加入精炼剂，于730～760℃进行精炼，在精炼的同时向铝熔体A中通入精炼气体进行搅拌、排气，然后扒渣，得到铝熔体B；
(4)将铝熔体B静置，得到铝熔体C；
(5)将铝熔体C于685～710℃条件下进行铸造，得到合金圆铸锭；
(6)将得到的合金圆铸锭加热至450±5℃后保温4小时，再用水雾强冷至室温，得到Al-Mg-Si-Cu合金。
2.根据权利要求1所述的Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的得到铝熔体B还包括成分微调的步骤：将得到的铝熔体B进行化学成分分析，若合金成分不在步骤(1)所述的范围内，则通过成分微调，将合金成分控制在步骤(1)所述的范围内；
步骤(4)中所述的得到铝熔体C还包括净化的步骤；
步骤(5)中所述的铸造为采用半连续水冷铸造法进行铸造。
3.根据权利要求1所述的Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的精炼剂的添加量按1.0kg/吨铝熔体A计算；
步骤(3)中所述的精炼气体为高纯氩气。
4.根据权利要求1所述的Al-Mg-Si-Cu合金的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的精炼的温度为740℃，精炼的时间为15～30分钟；
步骤(4)中所述的静置时间为25～40分钟。
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