铝合金挤压棒材及其制备工艺

摘要

本发明涉及一种铝合金挤压棒材及其制备工艺，所述棒材按质量百分含量及，包括以下组分：Si 0.4～0.5％，Fe 0.5～0.6％，Cu 0.15～0.20％，Mn为1.0～1.2％，Ti≤0.10％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al；所述制备工艺包括以下步骤：熔炼、合金化、精炼、半连续水冷铸造、两段均匀化处理、水雾强冷、锯切、三段式加热、淬火和拉伸矫直等。本发明所述铝合金挤压棒材具有良好的强度和机加工性能，及稳定的合金纤维晶结晶。

权利要求

1.一种铝合金挤压棒材，其特征在于，按质量百分含量计，包括以下组分：Si 0.4～

0.5％，Fe 0.5～0.6％，Cu 0.15～0.20％，Mn 1.0～1.2％，Ti 0.01～0.05％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al；

所述铝合金挤压棒材由以下步骤制备得到：(1)按上述的质量百分含量准备原料；

(2)将所述原料熔炼、合金化得铝熔体A；

(3)将所述铝熔体A进行精炼、扒渣、静置、除气并过滤，得铝熔体B；

(4)将所述铝熔体B进行半连续水冷铸造，得合金铸锭；

(5)将合金铸锭进行两段式均匀化处理，所述两段式均匀化处理第二段温度低于第一段温度；

两段式均匀化处理包括：

第一段：将合金铸锭加热至610-625℃保温6-8h；

第二段：降温至440-460℃保温2-4h；

(6)水雾强冷至室温，得合金材料；

(7)经锯切至合适长度后，预加热后于温度400-440℃下挤压；

(8)淬火、拉伸矫直。

2.一种如权利要求1所述的铝合金挤压棒材的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：(1)按如权利要求1所述的质量百分含量准备原料；

(2)将所述原料熔炼、合金化得铝熔体A；

(3)将所述铝熔体A进行精炼、扒渣、静置、除气并过滤，得铝熔体B；

(4)将所述铝熔体B进行半连续水冷铸造，得合金铸锭；

(5)将合金铸锭进行两段式均匀化处理，所述两段式均匀化处理第二段温度低于第一段温度；

两段式均匀化处理包括：

第一段：将合金铸锭加热至610-625℃保温6-8h；

第二段：降温至440-460℃保温2-4h；

(6)水雾强冷至室温，得合金材料；

(7)经锯切至合适长度后，预加热后于温度400-440℃下挤压；

(8)淬火、拉伸矫直。

3.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，所述两段均匀化处理包括：第一段：将合金铸锭加热至615-620℃保温6-7h；

第二段：降温至445-455℃保温2-3h。

4.根据权利要求3所述的制备工艺，其特征在于，所述两段均匀化处理包括：第一段：将合金铸锭加热至620℃保温7h；

第二段：降温至450℃保温3h。

5.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(7)所述预加热，于温度420-440℃下，加热2-5h。

6.根据权利要求2-5任一项所述的制备工艺，其特征在于，步骤(7)所述挤压的条件为：温度为420-440℃，挤压速度为3-5mm/s，挤压比为10-40。

7.根据权利要求6所述的制备工艺，其特征在于，所述挤压的条件为：温度为430℃，挤压速度为3mm/s，挤压比为10。

8.根据权利要求6所述的制备工艺，其特征在于，所述挤压条件还包括：挤压出口温度控制在510℃以内。

9.根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于，步骤(8)所述拉伸矫直拉伸量为1-

3％。

10.根据权利要求9所述的制备工艺，其特征在于，步骤(8)所述拉伸矫直拉伸量为

2.3％。

说明书

铝合金挤压棒材及其制备工艺

技术领域

[0001] 本发明属于铝合金材料及其制造领域，特别涉及一种铝合金挤压棒材及其制备工艺。

背景技术

[0002] 3003铝合金材料，因其安全、舒适、美观耐用、轻量化、易装配和维修、易回收的特性，在环保型汽车零部件中的应用广泛，尤其在新能源汽车中各类汽车板材型材以及零部件中的应用与日俱增。相关研究数据显示，占车重比例大的车身(约30％)、发动机(约18％)、传动系(15％)、行走系(约16％)、车轮(约5％)等钢铁零件改用铝材。其中，3003属
3000系合金，是应用最广的一种防锈铝，这种合金的强度稍高于工业纯铝，具有良好的成形性、溶接性、耐腐蚀性。主要用于要求高的可塑性和良好的焊接性，在液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱，汽油或润滑油导管，各种液体容器和其他小负荷零件。

[0003] 基于汽车板材对铝合金强度的要求，但3003铝合金不能热处理强化，故采用冷加工方法来提高它的力学性能：其在退火状态有很高的塑性，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀好，焊接性良好；但是，总体上，该合金的可切削性能不良，易粘刀及起皱。而汽车中小负荷零件需要进行大量的机加工，部分甚至需要进行翻边等大变形量的加工，对材料要求极高。

[0004] 因此，有必要提供一种力学性能优，同时材料翻边、切削等机加工性能好的铝合金材料。

发明内容

[0005] 基于此，有必要针对上述问题，提供一种切削性能良好，适合翻边及大量切削加工的铝挤压棒材。

[0006] 为实现上述具体技术方案如下：

[0007] 一种铝合金挤压棒材，按质量百分含量计，包括以下组分：Si 0.4～0.5％，Fe 0.5～0.6％，Cu 0.15～0.20％，Mn 1.0～1.2％，Ti 0.01～0.05％，其他杂质总量＜0.15％，余量为Al。

[0008] 本发明还提供了一种铝合金挤压棒材的制备工艺，具体技术方案如下：

[0009] 一种铝合金挤压棒材的制备工艺，包括以下步骤：

[0010] (1)按上述质量百分含量准备原料；

[0011] (2)将所述原料熔炼、合金化得铝熔体A；

[0012] (3)将所述铝熔体A进行精炼、扒渣、静置、除气并过滤，得铝熔体B；

[0013] (4)将所述铝熔体B进行半连续水冷铸造，得合金铸锭；

[0014] (5)将合金铸锭进行两段式均匀化处理，所述两段式均匀化处理第二段温度低于第一段温度；

[0015] (6)水雾强冷至室温，得合金材料；

[0016] (7)经锯切至合适长度后，预加热后于温度400-440℃下挤压；

[0017] (8)淬火、拉伸矫直。

[0018] 在其中一个实施例中，步骤(5)所述的两段均匀化处理包括：

[0019] 第一段：将合金铸锭加热至610-625℃保温6-8h；

[0020] 第二段：降温至440-460℃保温2-4h。

[0021] 在其中一个实施例中，步骤(5)所述的两段均匀化处理包括：

[0022] 第一段：将合金铸锭加热至615-620℃保温6-7h；

[0023] 第二段：降温至445-455℃保温2-3h。

[0024] 在其中一个实施例中，步骤(7)所述预加热为，于温度420-440℃下，加热2-5h。

[0025] 在其中一个实施例中，上述步骤(7)所述挤压的条件为温度420-440℃，挤压速度为3-5mm/s，挤压比10-40。

[0026] 在其中一个实施例中，上述步骤(7)所述挤压的条件为温度430℃，挤压速度为3mm/s，挤压比10。

[0027] 在其中一个实施例中，上述挤压条件还包括，挤压出口温度控制在510℃以内。

[0028] 在其中一个实施例中，上述步骤(8)所述拉伸矫直的拉伸量为1-3％。

[0029] 在其中一个实施例中，上述步骤(8)所述拉伸矫直的拉伸量为1％。

[0030] 本发明通过对合金组分及配比的合理设计，控制元素组分在一定范围内。3003属不可热处理强化合金,合金中通过加入并管控一定的Si含量,通过Si的析出质量，提高材料硬度从而改善切削性能。合金中加入一定量的Fe，使得含铁相颗粒量及大小控制在一定范围内，从而提高材料的再结晶温度，避免后续加工挤压过程形成完全再结晶或混合晶，得到了既具有良好的挤压成形性，同时具有良好车削性能，适合翻边及CNC等机加工的材料。

[0031] 同时，本发明所述合金，通过两段式均匀化处理、挤压前加热和挤压等工艺步骤与合金组分配比的合理配合，得到的铝合金挤压棒材过程中，改善了合金组织晶体组织结构并消除偏析。两段均匀化处理的过程，即第二段温度低于第一段温度，有利于消除枝晶偏析，使针条状含铁相打断并球化长大，同时得到高密度的MnAl6和CrAl7弥散析出相，进一步提高材料的再结晶温度，促进形成纤维晶，而球化长大的含铁相硬质颗粒又能在切削过程起断屑作用，有利于提高材料的加工性能。

[0032] 进一步地，控制两段均匀化处理的加热温度，第一段将合金铸锭加热至610-625℃保温6-8h、第二段降温至440-460℃保温2-4h，并控制时间长度、同时控制挤压前预加热温度控制在400-440℃，将挤压出口温度控制在510℃以内，促进MnAl6和CrAl7弥散析出相大量析出，并控制避免其长大甚至重新溶入铝基体中。管控高温段的均匀化处理温度及时间，避免因加热温度过高或时间太长使铁相颗粒太大导致合金中生成再结晶。从而得到更稳定的合金纤维晶结晶。

[0033] 控制拉伸矫直是的拉伸率在1-3％的范围内，利于材料释放残余应力，避免材料残余应力导致切削加工时的材料变形较大，从提高铝合金挤压棒材的加工性能，适合生产零件时的翻边及大量切削加工。

附图说明

[0034] 图1为铝合金挤压棒材的制备工艺流程图；

[0035] 图2为实施例1铝合金挤压棒材金相显微镜下的观察结果图；

[0036] 图3为对比例5铝合金挤压棒材金相显微镜下的观察结果图；

[0037] 图4为实施例1所述铝合金挤压棒材翻边加工后的样品图；

[0038] 图5为对比例2所述铝合金挤压棒材翻边加工后材料开裂的样品图；

[0039] 图6为对比例4所述铝合金挤压棒材翻边加工起皱的样品图。

具体实施方式

[0040] 本发明提供了一种铝合金挤压棒材及其制备工艺，下面结合具体实施例，阐述本发明。

[0041] 实施例1-4

[0042] 本实施例1-4所述的一种铝合金挤压棒材，按质量百分比计，包括如表1所示组分，且其他杂质含量不超过0.15％，余量为Al。

[0043]组分 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
Si 0.4 0.5 0.45 0.4
Fe 0.6 0.6 0.55 0.6
Cu 0.2 0.2 0.15 0.2
Mn 1 1.2 1.1 1
Ti 0.03 0.05 0.02 0.03

[0044] 表1

[0045] 制备上述铝合金挤压棒材的原材料如下：

[0046] 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，符合标准GB/T 1196-2008《重熔用铝锭》；

[0047] 合金添加剂(铝硅、铝锰、铝铁、铝铜)：分别采用AlSi12，AlMn13，AlFe20和AlCu40中间合金，质量符合YS/T282-2000标准；

[0048] 晶粒细化剂：采用AlTi5B1细化剂，质量符合TS/T-447.1-2011标准；

[0049] 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》；

[0050] 精炼气体：采用高纯氩气，纯度即体积百分数为≥99.999％；

[0051] 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％。

[0052] 将上述原料按顺序投入到蓄热式火焰反射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，步骤如下：

[0053] (1)按照上述表1中所述质量百分含量准备原料；

[0054] (2)将所述原料熔炼、合金化得铝熔体A；

[0055] (3)将所述铝熔体A进行精炼、扒渣、静置、除气并过滤，得铝熔体B；

[0056] (4)将所述铝熔体B进行半连续水冷铸造，得合金铸锭；

[0057] (5)将合金铸锭进行两段均匀化处理；

[0058] (6)水雾强冷至室温，得合金材料；

[0059] (7)经锯切至合适长度后，进行挤压前预加热,加热温度400-440℃；

[0060] (8)淬火、拉伸矫直；

[0061] 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。

[0062] 上述步骤对应的详细条件参数如表2所示：

[0063]

[0064]

[0065] 表2

[0066] 上述工艺步骤(6)、步骤(7)中，在均匀化处理后、锯切前，对合金的电导率进行测定，得到的电导率为39-41％IACS；在挤压前预加热后、上机挤压前，对合金的电导率进行测定，得到的电导率为40-42％IACS；具体结果如表3所示：

[0067]

[0068] 表3

[0069] 对比例1-4

[0070] 对比例1-4所述的一种铝合金挤压棒材，按质量百分比计，包括如表4所示组分，且其他杂质含量不超过0.15％，余量为Al。

[0071]组分 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4 对比例5
Si 0.21 0.4 0.4 0.43 0.21
Fe 0.38 0.6 0.6 0.25 0.38
Cu 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
Mn 1 1 1 1 1
Ti 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03

[0072] 表4

[0073] 制备上述铝合金挤压棒材的原材料、工艺流程同实施例1-4。

[0074] 具体工艺参数如表5所示：

[0075]

[0076]

[0077] 表5

[0078] 其中，与实施例1相比，对比例1的合金组分不同，Fe与Si的含量偏低；对比例2的工艺参数中挤压前加热温度及挤压温度偏高；对比例3的挤压出口温度未能控制在510℃以内，拉伸矫直时拉伸量小于1％；对比例4的Fe含量偏低，工艺过程中未采取两段均匀化处理，而是加热至较高温度后保温了更长时间，缺少降低一定温度后继续保温一段时间的步骤；对比例5组分不同，Fe与Si的含量偏低，且未采取两段均匀化处理，三段式慢速加热和挤压温度过高，拉伸矫直时拉伸量小于1％。

[0079] 对比例1-4所述工艺条件参数下制备得到的合金测定电导率，结果如表6所示：

[0080]

[0081] 表6

[0082] 将上述实施例及对比例所制得的合金产品，进行以下检测及试加工：

[0083] 1、按照《变形铝及铝合金制品低倍组织检验方法》GB/T3246.2-2000进行晶粒组织检查。

[0084] 2、所得制品进行翻边及CNC加工。

[0085] 3、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 6892-2006《一般工业用铝及铝合金挤压型材》给出3003-H112的力学性能为标准。

[0086] 实施例1-4及对比例1-5分别测得结果如表7所示，其中，翻边加工/CNC加工特性所得结果按相同的加工条件，即使用同机台同加工程序同刀具。

[0087]

[0088] 表7

[0089] 根据测试结果可知，本发明所述的铝挤压棒材，加工性能明显优于对比例：本发明实施例1-4得到的合金材料中晶体组织结构为纤维晶体组织，其中，实施例1制备得到的铝合金挤压棒材，采用OLYMPUS GX51金相显微镜，观察方向为型材断面，即垂直于挤压方向，观察得到如图2所示的纤维晶体组织；采用同种观察方式，观察对比例5制备得到的铝合金挤压棒材，得到如图3所示的再结晶组织，加工性能中，翻边及切削表面光滑；如对比例2所述的混合晶，即未纤维晶与混合晶两种晶型同时在铝合金挤压棒材中出现。

[0090] 实施例1所述合金翻边及切削表面光滑，如图4所示。对比例2翻边开裂如图5所示，对比例4翻边起皱如图6所示。通过以上实验结果与数据对比可知，本发明所述合金组分的合理配比及相应工艺条件的设计，有效避免了材料形成完全再结晶或混合晶，得到了既具有良好的挤压成形性，同时具有良好车削性能，适合翻边及CNC等机加工的材料。

[0091] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。