CN112831697A - 一种高强度无粗晶铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高强度无粗晶铝合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种高强度无粗晶铝合金及其制备方法和应用。该制备方法包括如下步骤：选择铝合金材料，进行熔炼、保温精炼、铸造，得铝合金铸锭，挤压铝合金铸锭得到铝合金型材，对铝合金型材进行离线淬火，对离线淬火后的产品进行拉伸矫直和尺寸测量，对尺寸合格后的产品进行人工时效热处理，成品锯切，取试样检验。该制备方法制备的铝合金可应用于无粗晶车用开关铰链母材。本发明铸造工艺设计合理，材料内部组织更加紧密，保证了淬火透性和材料强度，使材料发挥出最大潜力，得到的铝合金性能抗拉强度与屈服强度比普通同合金提高15％，产品粗晶环≤1mm，锻打完毕后粗晶环≤3mm。

Description

一种高强度无粗晶铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种高强度无粗晶铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
随着世界机械制造业技术的快速发展，新技术、新材料、新工艺、新产品层出不穷，铝合金在汽车上的使用呈现逐年递增的趋势，局部或整体使用铝材的车型有很多，如宝马、奥迪等。铝合金型材在常温自然条件下，表面就可生成一层致密的氧化膜，此氧化膜可阻止铝合金基体进一步和空气当中的氧气发生反应，因而经表面处理的铝型材料的耐蚀性、耐氧化性能大大高于钢铁材料。传统的汽车承力件及连接件基本使用钢铁材料，顺应趋势，铝合金在主要承力件及连接件中发挥越来越大的作用，能够实现以铝代钢，确保使用过程中的安全性，同时减轻自身重量，提高承载能力。
车门铰链是链接车门和车身的重要零件，其主要作用是保证和保持车门相对于车身的位置。目前市场上中高档车型对车门铰链材料的机械性能和抗疲劳能力具有很高的要求，对于提高机械性能，通常通过向铝合金中加入增加强度的合金来实现，但材料抗疲劳性能好的话需要材料具有好的晶粒组织，不能够有粗晶或较大粗晶环出现，这往往很难做到，材料在锻造前和经过锻造后做T6处理会出现比较大面积的粗晶现象，并且市面上现有的此种铝合金材料理化性能不够理想，其理化指标通常为：抗拉强度≥330MPa、屈服强度≥300MPa、伸长率≥9％、硬度95HBW、粗晶环≤5mm，无法满足高端汽车车门铰链的铝合金材料高机械性能、优秀抗疲劳能力等其它要求。
发明内容
针对现有铝合金铸锭成分偏析、性能较差的问题，本发明提供了一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，有效解决了大尺寸铝合金铸锭成分偏析问题，提高了铝合金性能，满足了车门铰链的性能要求。
本发明提供了一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)选择铝合金材料，进行熔炼、保温精炼、铸造，得铝合金铸锭；
(2)挤压铝合金铸锭得到铝合金型材；
(3)对铝合金型材进行离线淬火；
(4)对离线淬火后的产品进行拉伸矫直和尺寸测量；
(5)对尺寸合格后的产品进行人工时效热处理，成品锯切，取试样检验。
进一步的，所述步骤(1)中，熔炼时配料采用电磁搅拌设备进行均匀化处理，液体进行扒渣处理，炉底通氩气保护搅拌并防止铝液氧化；保温精炼过程中采用电磁搅拌和炉底除气控制铝液纯净度；铸造时过滤采用在线除气装置，并采用40目叠加60目过滤板进行过滤，保证铝液纯净，铸造盘采用油气滑铸造盘，保证铸棒表面质量。
进一步的，所述步骤(1)中，铝合金铸锭中的元素及其质量百分比为：Si：1.10％-1.25％，Fe：0.15％-0.30％，Cu：0.05％-0.15％，Mn：0.80％-0.95％，Mg：0.90％-1.10％，Cr：0.05％-0.20％,，Zn≤0.05％，Ti：0.03％-0.10％，Zr：0.02％-0.05％，单个杂质≤0.03％，合计杂质≤0.1％，其余余量为Al。采用高Si、高Mn的成分配比，增加了铝合金挤压流动性，降低了粗晶的产生。
进一步的，所述步骤(1)中，铝合金铸锭的规格为36MN铸锭Φ308mm×6000mm或55MN铸锭Φ375mm×6000mm；在挤压之前，对铝合金铸锭切头、切尾、切定尺、车皮，要求并控制定尺尺寸，铸棒检验要求控制晶粒度一级，疏松一级，铸锭低倍无偏析、无裂纹无氧化膜、杂质缺陷。
进一步的，所述步骤(2)中，挤压比≤40，变形程度大于90％，可以使制品的晶粒细化，提高其力学性能；铸锭加热温度480±5℃，挤压筒温度440℃±5℃，模具温度490℃±5℃，保温8-10小时，挤压速度2.5±0.5m/min；对挤压出所得的铝合金型材进行在线喷水冷却，上水100％，下水100％，使铝合金型材快速冷却成型。
进一步的，所述步骤(3)中，对挤压型材进行离线淬火前预拉伸，拉伸量0.05％-1.5％，只需拉直去应力，保证拉伸无橘皮现象，保证产品尺寸留有离线淬火后拉伸余量；对挤压型材进行锯切，切除拉伸过程中钳口部分。
进一步的，所述步骤(3)中，采用立式淬火炉进行离线淬火，加温后在0-20秒内入水，保证淬火效果达到最佳；淬火炉设定温度为545℃±5℃，前期升温采用阶段升温，以保证材料温度均匀，保温1.5-3.5小时，进行离线淬火；离线淬火前拉伸率≤100mm，拉伸矫直后拉伸率100-200mm。
进一步的，所述步骤(4)中，拉伸矫直要求绷直，表面不允许出现橘皮，控制产品形位尺寸，拉伸矫直可消除材料内应力；拉伸矫直和尺寸测量需在淬火完成后2-4小时内完成。
进一步的，所述步骤(5)中，在拉伸矫直后8小时以内或者30小时以后进行人工时效热处理，时效采用175℃保温10h，热处理完毕后锯切成品铝合金试样进行检验，铝合金理化性能指标为：抗拉强度≥380MPa，屈服强度≥360MPa，伸长率≥12％，硬度≥100HBW，粗晶环≤1mm。
上述高强度无粗晶铝合金的制备方法所制备的铝合金可应用于无粗晶车用开关铰链母材。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的高强度无粗晶铝合金的制备方法，铸造工艺设计合理，引入了电磁搅拌、炉底除气等铸造工艺，采用挤压工序使材料内部组织更加紧密，后续采用离线淬火进行热处理，保证了淬火透性和材料强度，采用峰值人工时效工艺，使材料发挥出最大潜力，得到的铝合金具备较好的晶粒组织、无粗晶，且具备优秀的抗疲劳能力，其性能抗拉强度与屈服强度比普通同合金提高15％，产品粗晶环≤1mm，锻打完毕后粗晶环≤3mm，充分满足了车门铰链的铝合金材料高机械性能、优秀抗疲劳能力等其它要求。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将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，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例提供的高强度无粗晶铝合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)选择铝合金材料，进行熔炼、保温精炼、铸造，得铝合金铸锭；
熔炼时配料采用电磁搅拌设备进行均匀化处理，液体进行扒渣处理，炉底通氩气；保温精炼过程中采用电磁搅拌和炉底除气；铸造时过滤采用在线除气装置，并采用40目叠加60目过滤板进行过滤，铸造盘采用油气滑铸造盘；
铝合金铸锭中的元素及其质量百分比为：Si：1.16％，Fe：0.19％，Cu：0.06％，Mn：0.8％，Mg：0.93％，Cr：0.11％,，Zn≤0.002％，Ti：0.03％，Zr：0.02％，单个杂质≤0.03％，合计杂质≤0.1％，其余余量为Al；
铝合金铸锭的规格为36MN铸锭Φ308mm×6000mm；在挤压之前，对铝合金铸锭切头、切尾、切定尺、车皮，要求并控制定尺尺寸，铸棒检验要求控制晶粒度一级，疏松一级，铸锭低倍无偏析、无裂纹无氧化膜、杂质缺陷。
(2)挤压铝合金铸锭得到铝合金型材，挤压比26.6，变形程度大于90％；铸锭加热温度480±5℃，挤压筒温度440℃±5℃，模具温度490℃±5℃，保温9小时，挤压速度2.5±0.5m/min；对挤压出所得的铝合金型材进行在线喷水冷却，上水100％，下水100％，使铝合金型材快速冷却成型。
(3)对挤压型材进行离线淬火前预拉伸，拉伸量0.8％，只需拉直去应力，保证拉伸无橘皮现象，保证产品尺寸留有离线淬火后拉伸余量；对挤压型材进行锯切，切除拉伸过程中钳口部分；再采用立式淬火炉进行离线淬火，在加温后15秒入水，淬火炉设定温度为545℃±5℃，前期升温采用阶段升温，保温2.5小时，进行离线淬火；离线淬火前拉伸率98mm，拉伸矫直后拉伸率110mm。
(4)对离线淬火后的产品进行拉伸矫直和尺寸测量；拉伸矫直要求绷直，表面不允许出现橘皮，控制产品形位尺寸；拉伸矫直和尺寸测量在淬火完成后4小时内完成。
(5)在拉伸矫直8小时以内进行人工时效热处理，时效采用175℃保温10h，热处理完毕后制得铝合金。
上述制备方法得到的铝合金可用作无粗晶车用开关铰链母材。
对比例1
该对比例的铝合金铸锭中Si的质量百分比为：0.3％，其它制备步骤及参数均与实施例1相同。
对比例2
该对比例的铝合金铸锭中Mn的质量百分比为：0.1％，其它制备步骤及参数均与实施例1相同。
实施例2
本发明实施例提供的高强度无粗晶铝合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)选择铝合金材料，进行熔炼、保温精炼、铸造，得铝合金铸锭；
熔炼时配料采用电磁搅拌设备进行均匀化处理，液体进行扒渣处理，炉底通氩气；保温精炼过程中采用电磁搅拌和炉底除气；铸造时过滤采用在线除气装置，并采用40目叠加60目过滤板进行过滤，铸造盘采用油气滑铸造盘；
铝合金铸锭中的元素及其质量百分比为：Si：1.23％，Fe：0.21％，Cu：0.07％，Mn：0.85％，Mg：0.97％，Cr：0.13％,，Zn≤0.03％，Ti：0.04％，Zr：0.03％，单个杂质≤0.03％，合计杂质≤0.1％，其余余量为Al；
铝合金铸锭的规格为55MN铸锭Φ375mm×6000mm；在挤压之前，对铝合金铸锭切头、切尾、切定尺、车皮，要求并控制定尺尺寸，铸棒检验要求控制晶粒度一级，疏松一级，铸锭低倍无偏析、无裂纹无氧化膜、杂质缺陷。
(2)挤压铝合金铸锭得到铝合金型材，挤压比28.5，变形程度大于90％；铸锭加热温度480±5℃，挤压筒温度440℃±5℃，模具温度490℃±5℃，保温10小时，挤压速度2.5±0.5m/min；对挤压出所得的铝合金型材进行在线喷水冷却，上水100％，下水100％，使铝合金型材快速冷却成型。
(3)对挤压型材进行离线淬火前预拉伸，拉伸量1.2％，只需拉直去应力，保证拉伸无橘皮现象，保证产品尺寸留有离线淬火后拉伸余量；对挤压型材进行锯切，切除拉伸过程中钳口部分；再采用立式淬火炉进行离线淬火，在加温后15秒入水，淬火炉设定温度为545℃±5℃，前期升温采用阶段升温，保温3小时，进行离线淬火；离线淬火前拉伸率95mm，拉伸矫直后拉伸率130mm。
(4)对离线淬火后的产品进行拉伸矫直和尺寸测量；拉伸矫直要求绷直，表面不允许出现橘皮，控制产品形位尺寸；拉伸矫直和尺寸测量在淬火完成后3小时内完成。
(5)在拉伸矫直30小时以后进行人工时效热处理，时效采用175℃保温10h，热处理完毕后制得铝合金。
上述制备方法得到的铝合金可用作无粗晶车用开关铰链母材。
对实施例1-2、对比例1-2制得的铝合金锯切试样进行理化性能检验，其依据GB/T228.1-2010金属材料拉伸实验第一部分：室温实验方法，检验结果如表1所示。
表1-铝合金理化性能检验结果
Figure BDA0002879191460000061
通过表1可以证明，高Si、高Mn的成分配比可以降低粗晶的产生，同时还提高了铝合金的拉伸强度、屈服强度、伸长率、硬度等性能。
尽管通过优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选择铝合金材料，进行熔炼、保温精炼、铸造，得铝合金铸锭；
(2)挤压铝合金铸锭得到铝合金型材；
(3)对铝合金型材进行离线淬火；
(4)对离线淬火后的产品进行拉伸矫直和尺寸测量；
(5)对尺寸合格后的产品进行人工时效热处理，成品锯切，取试样检验。
2.如权利要求1所述的一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，铝合金铸锭中的元素及其质量百分比为：Si：1.10％-1.25％，Fe：0.15％-0.30％，Cu：0.05％-0.15％，Mn：0.80％-0.95％，Mg：0.90％-1.10％，Cr：0.05％-0.20％,，Zn≤0.05％，Ti：0.03％-0.10％，Zr：0.02％-0.05％，单个杂质≤0.03％，合计杂质≤0.1％，其余余量为Al。
3.如权利要求1所述的一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，熔炼时配料采用电磁搅拌设备进行均匀化处理，液体进行扒渣处理，炉底通氩气；保温精炼过程中采用电磁搅拌和炉底除气；铸造时过滤采用在线除气装置，并采用40目叠加60目过滤板进行过滤，铸造盘采用油气滑铸造盘；铝合金铸锭的规格为36MN铸锭Φ308mm×6000mm或55MN铸锭Φ375mm×6000mm；在挤压之前，对铝合金铸锭切头、切尾、切定尺、车皮，要求并控制定尺尺寸，铸棒检验要求控制晶粒度一级，疏松一级，铸锭低倍无偏析、无裂纹无氧化膜、杂质缺陷。
4.如权利要求1所述的一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，挤压比≤40，变形程度大于90％；铸锭加热温度480±5℃，挤压筒温度440℃±5℃，模具温度490℃±5℃，保温8-10小时，挤压速度2.5±0.5m/min；对挤压出所得的铝合金型材进行在线喷水冷却，上水100％，下水100％。
5.如权利要求1所述的一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对挤压型材进行离线淬火前预拉伸，拉伸量0.05％-1.5％，拉直去应力，保证拉伸无橘皮现象，保证产品尺寸留有离线淬火后拉伸余量；对挤压型材进行锯切，切除拉伸过程中钳口部分。
6.如权利要求1所述的一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用立式淬火炉进行离线淬火，加温后在0-20秒内入水；淬火炉设定温度为545℃±5℃，前期升温采用阶段升温，保温1.5-3.5小时，进行离线淬火；离线淬火前拉伸率≤100mm，拉伸矫直后拉伸率100-200mm。
7.如权利要求1所述的一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，拉伸矫直要求绷直，表面不允许出现橘皮，控制产品形位尺寸；拉伸矫直和尺寸测量需在淬火完成后2-4小时内完成。
8.如权利要求1所述的一种高强度无粗晶铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，在拉伸矫直后8小时以内或者30小时以后进行人工时效热处理，时效采用175℃保温10h，热处理完毕后锯切成品铝合金试样进行检验，铝合金理化性能指标为：抗拉强度≥380MPa，屈服强度≥360MPa，伸长率≥12％，硬度≥100HBW，粗晶环≤1mm。
9.如权利要求1所述的一种高强度无粗晶铝合金的制备方法所制备的铝合金。
10.如权利要求9所述的铝合金在无粗晶车用开关铰链中的应用。
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