CN111041299A - 一种铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种铝合金及其制备方法。铝合金型材由以下质量百分比的原料组成：镁5‑5.4％、硅2‑2.6％、铁0.3‑0.4％、铜0.3‑0.4％、锰0.2‑0.28％、锌2.5‑2.9％、钛0.25‑0.34％、锆0.1‑0.2％、钪0.02‑0.03％、锗0.01‑0.015％，余量为铝及不可避免的杂质元素。本发明通过对原料种类和用量配比进行设计和调整，使铝合金的微观组织结构得到优化，铝合金具有优良的耐腐蚀性和机械性能；其制备方法操作简单，控制方便，生产成本低，生产效率高、产品质量稳定，利于工业化大生产。

Description

一种铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种铝合金及其制备方法。
背景技术
目前，铝合金在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化工等领域中已得到了广泛的应用。随着经济的发展和科技的进步，对铝合金的需求也日益增多，性能要求也更高。然而，现有的铝合金经常存在机械强度不高、耐腐蚀性差、加工性能不好等缺陷，其应用场合大大受到限制，且其制备方法大多工艺复杂，产品质量参差不齐，产品良率低，生产效率不高，其制备工艺有待进一步改进。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种耐腐蚀性好、具有优良机械性能的铝合金。
本发明的另一目在于提供一种铝合金制备方法，该制备方法简单易控，制得的产品质量稳定。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种铝合金，由以下质量百分比的原料组成：镁5-5.4％、硅2-2.6％、铁0.3-0.4％、铜0.3-0.4％、锰0.2-0.28％、锌2.5-2.9％、钛0.25-0.34％、锆0.1-0.2％、钪0.02-0.03％、锗0.01-0.015％，余量为铝及不可避免的杂质元素。
本发明通过对原料种类的用量配比进行设计和调整，各成分相互配合，使铝合金的微观组织结构得到优化，使铝合金具有优良的耐腐蚀性和机械性能。Ge在铝合金中的作用主要是细化变质共晶Si和初生Si相；镁和硅能在合金中形成强化相Mg2Si，对铝合金起到强化作用；钛可使铝合金的α-Al晶粒从粗大的树枝状细化为细小均匀的等轴状，提高组织成分均匀性，提高铝合金的强度和塑性；通过将锰加入到合金体系中可显著细化再结晶晶粒，促进Mg2Si粒子的均匀分布和挤压变形的均匀性，从而提高铝合金的机械强度和耐腐蚀性。
进一步地，所述不可避免的杂质元素的质量百分比不大于0.1％。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝锭投入熔炼装置后进行熔炼，得到铝液，然后按比例加入镁、硅、铁、锌、锰以及铝-铜中间合金、铝-锗中间合金、铝-钛中间合金、铝-锆中间合金、铝-钪中间合金混合后进行熔炼，得到熔炼液；
(2)控制到熔炼液的温度，加入精炼剂，并采用惰性气体进行吹洗精炼，
(3)将经过精炼的铝合金熔体静置；
(4)将过滤除渣后的铝合金熔体进行压铸，得到经压铸后的铝合金；
(5)对经过压铸后的铝合金进行热处理，得到一种铝合金。
本发明先将铝锭熔化后除渣，再加入铝-铜中间合金、铝-锗中间合金、铝-钛中间合金、铝-锆中间合金、铝-钪等中间合金，有利于充分利用锗、钛、锆和钪等元素对α-Al晶粒的细化作用和富Fe相、Si相的细化变质作用，配合加入及其他纯金属料，可细化铝合金的微观组织结构，提高材料的机械性能、耐腐蚀性和塑性加工性。
进一步的，所述步骤(1)中，铝锭熔炼采用超声处理5-9min，所述超声频率20-25kHz，超声强度1.2kW/cm2-1.5kW/cm2。
进一步的，所述步骤(1)中，铝-铜中间合金中铜的质量百分比为25-30％，铝-锗中间合金中锗的质量百分比为20-30％，铝-钛中间合金中钛的质量百分比为12-16％，铝-锆中间合金中锆的质量百分比为10-15％，铝-钪中间合金中钪的质量百分比为2-3％。
进一步的，所述步骤(1)中，铝液的熔炼温度为680-710℃；混合后进行熔炼的温度为710-725℃。
进一步的，所述步骤(1)中，铝锭与镁、硅、铁、锌、锰以及中间合金混合后，采用超声处理5-10min，所述超声频率20-25kHz，超声强度1.1kW/cm2-1.4kW/cm2。
进一步的，所述步骤(2)中，所述惰性气体为氩气，所述氩气的压力为0.4-0.5MPa，精炼时间为12-20min，精炼过程中对铝液表面的浮渣进行清除。
进一步地，所述步骤(2)中，所述精炼剂由以下重量份的原料组成：氟铝酸钾12-17份、氮化镁3-5.5份、氟化钙7-10份、轻质碳酸钙2-3份、碳酸钾12-16份、氧化钙3-5份、六氯乙烷4-6份、无水氯化铝2-4份、活性炭2-3份。氟铝酸钾、氟化钙、氮化镁与其他原料配合，可起到精炼作用并去除熔体表面的氧化膜，提高除气效果并增大混合熔盐的表面张力，使已吸附氧化物的熔盐球状化，便于与熔体分离，减少固熔渣夹裹铝而造成的损耗；氧化钙可调节渣碱度，脱硫效果好。
本发明的精炼剂处理后的铝液内气孔和氧化夹杂物含量显著降低，针孔度可达到1-2级标准，氢含量能降到0.1mL/100g铝以下，可充分去除熔体中的氧化物夹杂，除渣率可达到90％以上，使制得的铝合金铸锭的微观组织致密性均匀，无疏松、夹渣等缺陷。
进一步的，所述步骤(3)中，静置时间为10-15min。
进一步的，所述步骤(4)中，将铝合金熔体压射于模具内，模具温度为330-340℃，压铸压力为60-90MPa。
进一步的，所述步骤(5)中，热处理步骤为：将经过压铸后的铝合金在240-260℃温度下加热，保温时间为60-120min，之后进行第一次冷却；将经过第一次冷却后的铝合金在500-540℃温度下加热，保温时间为120-180min，然后进行水冷；将经过水冷后的铝合金，进行时效处理，得到铝合金。
进一步的，所述步骤(5)中，第一次冷却速度为20-25℃/min。水冷温度为50-60℃，水冷时间为5-10min。通过对第一次冷却速度进行控制，之后加热进行水冷，能更好得控制团簇，提高铝合金的机械性能。
进一步的，所述步骤(5)中，时效处理步骤为：铝合金在100-120℃温度下保温时间为4-5h，然后将铝合金加热到140-150℃,保温时间为4-5h，再加热至160-180℃，保温时间为3-4h。本发明采用阶梯式时效并控制时间和温度，提高了铝合金的机械强度和耐腐蚀性。
本发明经过对压铸后的铝合金进行热处理，使制得的铝合金内部组织细密，具有优良的抗拉强度、屈服强度、伸长率以及耐腐性，使铝合金的使用寿命增强，扩大了应用范围。
本发明的有益效果：本发明通过对原料种类的用量配比进行设计和调整，各成分相互配合，使铝合金的微观组织结构得到优化，铝合金具有优良的耐腐蚀性和机械性能；其制备方法操作简单，控制方便，生产成本低，生产效率高、产品质量稳定，利于工业化大生产。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
本实施例中，一种铝合金，由以下质量百分比的原料组成：镁5.2％、硅2.4％、铁0.35％、铜0.36％、锰0.24％、锌2.6％、钛0.29％、锆0.15％、钪0.025％、锗0.012％，余量为铝及不可避免的杂质元素。所述不可避免的杂质元素的质量百分比不大于0.1％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝锭投入熔炼装置后进行熔炼，得到铝液，然后按比例加入镁、硅、铁、锌、锰以及铝-铜中间合金、铝-锗中间合金、铝-钛中间合金、铝-锆中间合金、铝-钪中间合金混合后进行熔炼，得到熔炼液；
(2)控制到熔炼液的温度，加入精炼剂，并采用氩气进行吹洗精炼，
(3)将经过精炼的铝合金熔体静置；
(4)将过滤除渣后的铝合金熔体进行压铸，得到经压铸后的铝合金；
(5)对经过压铸后的铝合金进行热处理，得到一种铝合金。
进一步的，所述步骤(1)中，铝锭熔炼采用超声处理6min，所述超声频率22kHz，超声强度1.3kW/cm2。
进一步的，所述步骤(1)中，铝-铜中间合金中铜的质量百分比为26％，铝-锗中间合金中锗的质量百分比为25％，铝-钛中间合金中钛的质量百分比为14％，铝-锆中间合金中锆的质量百分比为13％，铝-钪中间合金中钪的质量百分比为2.5％。
进一步的，所述步骤(1)中，铝液的熔炼温度为690℃；混合后进行熔炼的温度为715℃。
进一步的，所述步骤(1)中，铝锭与镁、硅、铁、锌、锰以及中间合金混合后，采用超声处理6min，所述超声频率22kHz，超声强度1.3kW/cm2。
进一步的，所述步骤(2)中，所述氩气的压力为0.45MPa，精炼时间为15min，精炼过程中对铝液表面的浮渣进行清除。
进一步地，所述步骤(2)中，所述精炼剂由以下重量份的原料组成：氟铝酸钾14份、氮化镁4份、氟化钙8份、轻质碳酸钙2.5份、碳酸钾15份、氧化钙4份、六氯乙烷4.5份、无水氯化铝3份、活性炭2.5份。
进一步的，所述步骤(3)中，静置时间为12min。
进一步的，所述步骤(4)中，将铝合金熔体压射于模具内，模具温度为335℃，压铸压力为70MPa。
进一步的，所述步骤(5)中，热处理步骤为：将经过压铸后的铝合金在250℃温度下加热，保温时间为90min，之后进行第一次冷却；将经过第一次冷却后的铝合金在520℃温度下加热，保温时间为160min，然后进行水冷；将经过水冷后的铝合金，进行时效处理，得到铝合金。
进一步的，所述步骤(5)中，第一次冷却速度为22℃/min。水冷温度为55℃，水冷时间为7min。
进一步的，所述步骤(5)中，时效处理步骤为：铝合金在110℃温度下保温时间为4.5h，然后将铝合金加热到145℃,保温时间为4.5h，再加热至170℃，保温时间为3.5h。
实施例2
本实施例中，一种铝合金，由以下质量百分比的原料组成：镁5％、硅2％、铁0.4％、铜0.4％、锰0.2％、锌2.5％、钛0.25％、锆0.1％、钪0.02％、锗0.01％，余量为铝及不可避免的杂质元素。所述不可避免的杂质元素的质量百分比不大于0.1％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝锭投入熔炼装置后进行熔炼，得到铝液，然后按比例加入镁、硅、铁、锌、锰以及铝-铜中间合金、铝-锗中间合金、铝-钛中间合金、铝-锆中间合金、铝-钪中间合金混合后进行熔炼，得到熔炼液；
(2)控制到熔炼液的温度，加入精炼剂，并采用惰性气体进行吹洗精炼，
(3)将经过精炼的铝合金熔体静置；
(4)将过滤除渣后的铝合金熔体进行压铸，得到经压铸后的铝合金；
(5)对经过压铸后的铝合金进行热处理，得到一种铝合金。
进一步的，所述步骤(1)中，铝锭熔炼采用超声处理5min，所述超声频率25kHz，超声强度1.5kW/cm2。
进一步的，所述步骤(1)中，铝-铜中间合金中铜的质量百分比为25％，铝-锗中间合金中锗的质量百分比为20％，铝-钛中间合金中钛的质量百分比为12％，铝-锆中间合金中锆的质量百分比为10％，铝-钪中间合金中钪的质量百分比为3％。
进一步的，所述步骤(1)中，铝液的熔炼温度为680℃；混合后进行熔炼的温度为710℃。
进一步的，所述步骤(1)中，铝锭与镁、硅、铁、锌、锰以及中间合金混合后，采用超声处理5min，所述超声频率25kHz，超声强度1.4kW/cm2。
进一步的，所述步骤(2)中，所述惰性气体为氩气，所述氩气的压力为0.4MPa，精炼时间为20min，精炼过程中对铝液表面的浮渣进行清除。
进一步地，所述步骤(2)中，所述精炼剂由以下重量份的原料组成：氟铝酸钾17份、氮化镁5.5份、氟化钙710份、轻质碳酸钙3份、碳酸钾16份、氧化钙5份、六氯乙烷6份、无水氯化铝4份、活性炭3份。
进一步的，所述步骤(3)中，静置时间为10min。
进一步的，所述步骤(4)中，将铝合金熔体压射于模具内，模具温度为330℃，压铸压力为90MPa。
进一步的，所述步骤(5)中，热处理步骤为：将经过压铸后的铝合金在240℃温度下加热，保温时间为120min，之后进行第一次冷却；将经过第一次冷却后的铝合金在500℃温度下加热，保温时间为180min，然后进行水冷；将经过水冷后的铝合金，进行时效处理，得到铝合金。
进一步的，所述步骤(5)中，第一次冷却速度为20℃/min。水冷温度为50℃，水冷时间为5min。进一步的，所述步骤(5)中，时效处理步骤为：铝合金在10℃温度下保温时间为4h，然后将铝合金加热到140℃,保温时间为5h，再加热至160℃，保温时间为4h。
实施例3
本实施例中，一种铝合金，由以下质量百分比的原料组成：镁5.4％、硅2.6％、铁0.3％、铜0.3％、锰0.28％、锌2.9％、钛0.34％、锆0.2％、钪0.03％、锗0.015％，余量为铝及不可避免的杂质元素。所述不可避免的杂质元素的质量百分比不大于0.1％。
上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝锭投入熔炼装置后进行熔炼，得到铝液，然后按比例加入镁、硅、铁、锌、锰以及铝-铜中间合金、铝-锗中间合金、铝-钛中间合金、铝-锆中间合金、铝-钪中间合金混合后进行熔炼，得到熔炼液；
(2)控制到熔炼液的温度，加入精炼剂，并采用惰性气体进行吹洗精炼，
(3)将经过精炼的铝合金熔体静置；
(4)将过滤除渣后的铝合金熔体进行压铸，得到经压铸后的铝合金；
(5)对经过压铸后的铝合金进行热处理，得到一种铝合金。
进一步的，所述步骤(1)中，铝锭熔炼采用超声处理9min，所述超声频率20kHz，超声强度1.2kW/cm2。
进一步的，所述步骤(1)中，铝-铜中间合金中铜的质量百分比为30％，铝-锗中间合金中锗的质量百分比为30％，铝-钛中间合金中钛的质量百分比为16％，铝-锆中间合金中锆的质量百分比为15％，铝-钪中间合金中钪的质量百分比为3％。
进一步的，所述步骤(1)中，铝液的熔炼温度为710℃；混合后进行熔炼的温度为725℃。
进一步的，所述步骤(1)中，铝锭与镁、硅、铁、锌、锰以及中间合金混合后，采用超声处理10min，所述超声频率20，超声强度1.1kW/cm2。
进一步的，所述步骤(2)中，所述惰性气体为氩气，所述氩气的压力为0.5MPa，精炼时间为12min，精炼过程中对铝液表面的浮渣进行清除。
进一步地，所述步骤(2)中，所述精炼剂由以下重量份的原料组成：氟铝酸钾17份、氮化镁5.5份、氟化钙710份、轻质碳酸钙3份、碳酸钾16份、氧化钙5份、六氯乙烷6份、无水氯化铝4份、活性炭3份。
进一步的，所述步骤(3)中，静置时间为15min。
进一步的，所述步骤(4)中，将铝合金熔体压射于模具内，模具温度为340℃，压铸压力为60MPa。
进一步的，所述步骤(5)中，热处理步骤为：将经过压铸后的铝合金在260℃温度下加热，保温时间为60min，之后进行第一次冷却；将经过第一次冷却后的铝合金在540℃温度下加热，保温时间为120min，然后进行水冷；将经过水冷后的铝合金，进行时效处理，得到铝合金。
进一步的，所述步骤(5)中，第一次冷却速度为25℃/min。水冷温度为60℃，水冷时间为10min。
进一步的，所述步骤(5)中，时效处理步骤为：铝合金在120℃温度下保温时间为5h，然后将铝合金加热到150℃,保温时间为4h，再加热至160-180℃，保温时间为3h。
实施例4
本实施例中，一种铝合金，由以下质量百分比的原料组成：镁5-5.4％、硅2.5％、铁0.34％、铜0.38％、锰0.25％、锌2.8％、钛0.27％、锆0.15％、钪0.025％、锗0.014％，余量为铝及不可避免的杂质元素。所述不可避免的杂质元素的质量百分比不大于0.1％。
进一步的，所述步骤(1)中，铝液的熔炼温度为700℃；混合后进行熔炼的温度为715℃。
进一步地，所述步骤(2)中，所述精炼剂由以下重量份的原料组成：氟铝酸钾15份、氮化镁3.5份、氟化钙8份、轻质碳酸钙2.5份、碳酸钾13份、氧化钙3.5份、六氯乙烷4.6份、无水氯化铝2.5份、活性炭2.2份。
进一步的，所述步骤(4)中，将铝合金熔体压射于模具内，模具温度为335℃，压铸压力为70MPa。
进一步的，所述步骤(5)中，热处理步骤为：将经过压铸后的铝合金在245℃温度下加热，保温时间为80min，之后进行第一次冷却；将经过第一次冷却后的铝合金在510℃温度下加热，保温时间为140min，然后进行水冷；将经过水冷后的铝合金，进行时效处理，得到铝合金。
进一步的，所述步骤(5)中，第一次冷却速度为24℃/min。水冷温度为55℃，水冷时间为8min。
进一步的，所述步骤(5)中，时效处理步骤为：铝合金在105℃温度下保温时间为4.5h，然后将铝合金加热到145℃,保温时间为5h，再加热至165℃，保温时间为3.5h。
本实施例的其余内容与实施例1相同,这里不再赘述。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于：一种铝合金，由以下质量百分比的原料组成：镁5.2％、硅2.4％、铁0.35％、铜0.36％、锰0.24％、锌2.6％、钛0.29％，余量为铝及不可避免的杂质元素。所述不可避免的杂质元素的质量百分比不大于0.1％。本对比例的其余内容与实施例1相同,这里不再赘述。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于：上述铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将铝锭投入熔炼装置后进行熔炼，得到铝液，然后按比例加入镁、硅、铁、锌、锰、铜、锗、铝、钛、铝、锆、钪混合后进行熔炼，得到熔炼液；
(2)控制到熔炼液的温度，加入精炼剂，并采用惰性气体进行吹洗精炼，
(3)将经过精炼的铝合金熔体静置；
(4)将过滤除渣后的铝合金熔体进行压铸，得到经压铸后的铝合金；
(5)对经过压铸后的铝合金进行热处理，得到一种铝合金。
进一步的，所述步骤(5)中，热处理步骤为：将经过压铸后的铝合金在520℃温度下加热，保温时间为160min，然后进行水冷；将经过水冷后的铝合金，进行时效处理，得到铝合金。
本对比例的其余内容与实施例1相同,这里不再赘述。
将本实施例1-4和对比例1-2制得的铝合金进行性能测定，测试结果如下:
Figure BDA0002351500240000111
其中，拉伸强度和抗拉强度按照GB/T15114-2009测定，延展性按照GB/T7228-2002测定，晶间腐蚀抗力按照GB/T7998-2005测定，抗剥落腐蚀性能按照GB/T22639-2008测定。因此，本发明的铝合金具有优良的机械强度及耐腐蚀性，表面光滑，无裂纹、欠铸，疏松，气泡和腐蚀斑点等缺陷，符合GB/T15114-2009的要求。铝合金的该制备方法操作简单，控制方便，生产成本低，生产效率高、产品质量稳定，利于工业化大生产。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝合金，其特征在于：由以下质量百分比的原料组成：
镁5-5.4％、硅2-2.6％、铁0.3-0.4％、铜0.3-0.4％、锰0.2-0.28％、锌2.5-2.9％、钛0.25-0.34％、锆0.1-0.2％、钪0.02-0.03％、锗0.01-0.015％，余量为铝及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：所述不可避免的杂质元素的质量百分比不大于0.1％。
3.根据权利要求1-2任一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将铝锭投入熔炼装置后进行熔炼，得到铝液，然后按比例加入镁、硅、铁、锌、锰以及铝-铜中间合金、铝-锗中间合金、铝-钛中间合金、铝-锆中间合金、铝-钪中间合金混合后进行熔炼，得到熔炼液；
(2)控制到熔炼液的温度，加入精炼剂，并采用惰性气体进行吹洗精炼，
(3)将经过精炼的铝合金熔体静置；
(4)将过滤除渣后的铝合金熔体进行压铸，得到经压铸后的铝合金；
(5)对经过压铸后的铝合金进行热处理，得到一种铝合金。
4.根据权利要求3所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铝锭熔炼采用超声处理5-9min，所述超声频率20-25kHz，超声强度1.2kW/cm2-1.5kW/cm2。
5.根据权利要求3所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铝液的熔炼温度为680-710℃；混合后进行熔炼的温度为710-725℃。
6.根据权利要求3所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铝-铜中间合金中铜的质量百分比为25-30％，铝-锗中间合金中锗的质量百分比为20-30％，铝-钛中间合金中钛的质量百分比为12-16％，铝-锆中间合金中锆的质量百分比为10-15％，铝-钪中间合金中钪的质量百分比为2-3％。
7.根据权利要求3所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，铝锭与镁、硅、铁、锌、锰以及中间合金混合后，采用超声处理5-10min，所述超声频率20-25kHz，超声强度1.1kW/cm2-1.4kW/cm2。
8.根据权利要求3所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述惰性气体为氩气，所述氩气的压力为0.4-0.5MPa，精炼时间为12-20min，精炼过程中对铝液表面的浮渣进行清除。
9.根据权利要求3所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，将铝合金熔体压射于模具内，模具温度为330-340℃，压铸压力为60-90MPa。
10.根据权利要求3所述的铝合金的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，热处理步骤为：将经过压铸后的铝合金在240-260℃温度下加热，保温时间为60-120min，之后进行第一次冷却；将经过第一次冷却后的铝合金在500-540℃温度下加热，保温时间为120-180min，然后进行水冷；将经过水冷后的铝合金，进行时效处理，得到铝合金。
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CN114574719A (zh) * 2022-02-23 2022-06-03 海安宏宇合金材料有限公司 一种高强度压铸铝合金及其加工工艺

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