阅读说明：本技术 一种再生变形铝合金熔体的复合处理方法 (Composite treatment method for regenerated wrought aluminum alloy melt ) 是由 何健松 杜军 史明波 周炳坚 何杏霖 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种再生变形铝合金熔体的复合处理方法,所述复合处理方法主要是通过Mg、Sr和含C细化剂对6xxx系再生铝合金熔体进行复合处理,改变合金第二相形态和分布,使得针状杂质相转变为汉字状,共晶组织均匀分布,同时细化晶粒,改变合金凝固方式。经本发明复合处理后,再生变形铝合金的铸锭热裂敏感性显著降低,降低率高达32％,综合力学性能也显著提升,抗拉强度最高提升35％,硬度最高提升45％。(The invention discloses a composite treatment method of a regenerated wrought aluminum alloy melt, which is mainly characterized in that a 6xxx series regenerated aluminum alloy melt is subjected to composite treatment through Mg, Sr and a C-containing refiner, the shape and distribution of a second phase of an alloy are changed, needle-shaped impurity phases are changed into Chinese characters, eutectic structures are uniformly distributed, crystal grains are refined, and the solidification mode of the alloy is changed. After the composite treatment of the invention, the ingot casting hot cracking sensitivity of the regenerated wrought aluminum alloy is obviously reduced, the reduction rate is up to 32 percent, the comprehensive mechanical property is also obviously improved, the tensile strength is improved by 35 percent to the maximum, and the hardness is improved by 45 percent to the maximum.)

一种再生变形铝合金熔体的复合处理方法

技术领域

本发明涉及再生变形铝合金熔体复合处理技术领域，尤其涉及一种能够降低6xxx系再生变形铝合金铸锭热裂敏感性及提升其综合力学性能的复合处理方法。

背景技术

铝及铝合金具有比重小、导电性好、散热性能好、比强度高和易于加工等特点，在汽车、交通、航空等领域得到了越来越多的应用，成为国民经济不可或缺的基础性原材料。一方面国民经济的高速发展对铝产品的需求不断加大，另一方面每年大批量铝材达到服役年限，造成大量废旧铝资源的富集，促进了再生铝工业的迅速发展。此外，再生金属具有节能的特点，从单位能耗看，再生铝生产的单位能耗不超过电解铝生产的5％。再生铝产业的发展对于实现绿色经济、可持续发展战略具有重要意义。

再生铝是以各种回收废铝为原料，经重新熔化提炼而得到的铝合金或铝金属，是获得金属铝的一个重要来源。废铝种类繁多且成分不尽相同，造成再生铝的成分非常复杂，主要杂质有Zn、Fe、Cu、Mn等，这些杂质元素的存在降低了再生铝合金的性能，导致铝合金的降级使用。尤其是在再生铝合金铸造成型过程中，杂质元素的存在显著增加了铝合金铸锭的热裂敏感，降低了成品率，造成资源的浪费。

热裂是常见的铸造缺陷，是制约铸造生产和合金多样化应用的一大因素。从合金本身性质上来看，合金的成分、晶粒尺寸及形貌均较大地影响合金的热裂敏感性。专利(CN102127665B)采用较高Zn、Mg含量，Sc与Zr复合微合金化处理实现增加共晶相比例、抑制枝晶生长和改变合金凝固方式的目的，从而降低合金热裂敏感和改善合金铸造性能。但该专利将会显著增加合金元素含量，未涉及合金存在大量杂质元素的复杂情况的熔体处理。从合金熔体处理角度来看，铝合金熔体的净化、变质和细化技术尤为关键。专利(CN109439975A)采用Mn、Al-B及Al-Sr中间合金用于再生铸造铝合金的复合变质，达到同步细化合金中的富铁相、初生α-Al相和共晶硅共三种相的目的，从而可以提高合金延伸率。但该专利与大量针对合金组织变化和性能的研究相同，没有涉及其对铝合金铸造热裂缺陷的影响。

当前，针对铝合金热裂倾向的研究主要集中于成熟的商用合金，而关注基于废杂再生铝合金热裂倾向的相对较少。以6061为典型代表的6xxx系变形铝合金是目前市场占有率最大的铝合金之一，主要应用于民用领域，回收量大，每年回收量超过300万吨。经重熔回收后其成分复杂，导致铸造生产过程具有很大的热裂倾向，降低工艺成品率，同时性能显著下降。因此，针对成分复杂的再生6xxx系变形铝合金，如何利用一种熔体复合处理方法，减少合金在铸造过程中的热裂敏感，同时使其兼顾优异的综合性能，对于再生铝的实践应用具有重要的意义。

发明内容

为解决上述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再生变形铝合金熔体的复合处理方法。经本发明方法处理的再生变形铝合金在铸造过程中的热裂敏感性小，铸坯成品率高，综合力学性能优异，应用范围广。

为实现其目的，本发明采取的技术方案包括如下几方面：

一种再生变形铝合金熔体的复合处理方法，其包括如下步骤：

(1)熔化6xxx系废铝，扒渣后，得到再生变形铝合金熔体；

(2)向步骤(1)得到的熔体中加入金属Mg、Al-Ti系列细化剂和Al-10Sr变质剂进行复合处理，熔化后搅拌均匀，保温静置；

(3)对步骤(2)得到的熔体进行精炼除渣处理，扒渣后保温静置；

(4)对步骤(3)得到的熔体进行铸造成型，得到再生变形铝合金铸锭；

(5)对步骤(4)得到的铝合金铸锭进行均匀化热处理，得到铸造板材；

(6)对步骤(5)得到的铸造板材进行多道次轧制，得到再生变形铝合金。

优选地，步骤(1)中，所述6xxx系废铝的熔化温度为750℃。

优选地，步骤(2)中，所述Al-Ti系列细化剂的加入量占熔体质量的0.3％～0.7％，所述Al-10Sr变质剂的加入量占熔体质量的0.2％～0.6％。

优选地，所述Al-Ti系列细化剂包括含C细化剂和Al-5Ti-B细化剂中的至少一种。更优选地，所述Al-Ti系列细化剂为含C细化剂。所述含C细化剂包括如下质量分数的成分：4.5％～5.5％Ti、0.25％～0.35％B和0.15％～0.25％C。

优选地，所述金属Mg加入后，熔体中Mg的质量百分含量为0.8％～1.4％。

优选地，步骤(2)中，所述复合处理的温度为720～750℃，保温静置的时间为10～20min。

优选地，步骤(3)中，所述精炼除渣处理为向熔体中加入精炼剂和打渣剂，控制处理温度为720～750℃，处理时间为10～20min。

优选地，所述精炼剂和打渣剂的总添加量为熔体质量的1％，所述精炼剂与打渣剂的质量比为1：4。

优选地，所述精炼剂和打渣剂先混合均匀，再通过喷吹法加入到熔体中。

优选地，所述精炼剂和打渣剂的商业牌号分别为精炼剂YT-J-1和打渣剂YT-D-4。

优选地，步骤(3)中，所述保温静置的时间为30min。

优选地，步骤(4)中，所述铸造成型方式为重力铸造成型。

优选地，步骤(5)中，所述均匀化热处理的工艺为：温度480～500℃，保温时间8～12h。

优选地，步骤(6)中，所述轧制的工艺为：每道次变形量最高为10％，总变形量为50％。

本发明还提供了一种6xxx系再生变形铝合金，其由本发明所述的再生变形铝合金熔体的复合处理方法制得。

由于6xxx系再生变形铝合金的原料来源复杂，含有Fe、Cu、Mn、Zn等众多杂质元素，且含量较高，如Fe：0.95％，Cu：0.45％。上述杂质元素在合金中易形成粗大易脆的富铁富铜杂质相以及其它低熔点相，破坏基体的连续性，并增大合金的凝固区间，导致合金的热裂敏感性增大，力学性能下降，只能降级使用。而在本发明的处理方法中，对再生变形铝合金熔体的净化处理可有效减少气孔和氧化物夹渣，减少裂纹源。同时在Sr变质剂和含C细化剂的作用下，合金中的破碎长针状富铁相转变为汉字状，并与基体结合更为紧密，晶粒进一步细化，抵抗热应力能力加强。Mg元素是6xxx系铝合金中重要的合金元素，添加Mg进行成分调控，合金凝固末期产生的Mg₂Si共晶相能够很好的进行补缩，阻止热裂纹的产生，且Mg₂Si是6xxx系铝合金主要的硬质强化相，能提升硬度和力学性能。因此，相对于单一变质处理，本发明对熔体的复合处理能够有效减小合金的热裂敏感性，同时提升其力学性能，使获得的再生铝合金能满足家居、轻工制造业模具等的要求，不仅可实现再生变形铝合金的保级利用，还可拓展其应用范围和领域。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过对6xxx系再生变形铝合金熔体进行Mg、Sr变质剂和含C细化剂的复合处理，充分发挥多元复合作用，改善了再生变形铝合金中第二相形态和分布，使得富铁杂质相由针状转变成汉字状，共晶相均匀分布，同时细化晶粒组织，改变合金凝固方式；本发明还对熔体进行了净化处理，进一步减少合金中的裂纹源，最后还进行了均匀化和轧制变形控制，最终获得铸造热裂敏感性小、综合力学性能优异和铸造成品率高的6xxx系再生变形铝合金，拓宽了6xxx系再生变形铝合金的工业化应用。

附图说明

图1为对比例1制备的原再生变形铝合金的铸态光学显微组织；

图2为对比例2制备的再生变形铝合金的铸态光学显微组织；

图3为对比例3制备的再生变形铝合金的铸态光学显微组织；

图4为对比例4制备的再生变形铝合金的铸态光学显微组织；

图5为实施例1制备的再生变形铝合金的铸态光学显微组织；

图6为对比例1制备的原再生变形铝合金的CRC约束杆热裂测试样品；

图7为实施例1制备的再生变形铝合金的CRC约束杆热裂测试样品。

图8为实施例与对比例所制再生变形铝合金铸锭的热裂敏感对比。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，本发明通过下列实施例进一步说明。显然，下列实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应理解，本发明实施例仅用于说明本发明的技术效果，而非用于限制本发明的保护范围。

对比例1

原6xxx系再生变形铝合金的制备：熔化经过初步筛选的6xxx系回收废铝，包括6061、6063、6151和6201等，熔化温度为750℃，充分熔化并搅拌至熔体成分均匀后，扒去熔体表面浮渣，保温静置20min。将精炼剂YT-J-1和打渣剂YT-D-4按1:4的质量比混合均匀后，用氮气喷吹法加入到熔体中，对熔体进行精炼除渣处理，控制处理温度为720℃，处理时间为20min，精炼剂和打渣剂的总加入量为熔体质量的1％，扒去熔体表面浮渣，保温静置30min，得到再生变形铝合金熔体，其组成按质量百分比为：Si：0.63％，Fe：0.95％，Mg：0.72％，Cu：0.45％，Mn：0.12％，Zn：0.15％，其它杂质总量不大于0.30％，剩余为Al。利用重力铸造法将再生变形铝合金熔体铸造成型，获得再生变形铝合金铸锭，其中金属模具预热温度为200℃。将铸锭置于电阻炉中进行均匀化热处理，均匀化温度为480℃，保温时间为8h。对均匀化热处理后的铸锭进行多道次轧制，每次变形量为5％，总变形量为50％，制得原再生变形铝合金。

为了对比合金的组织和性能特性，采用CRC(ConstrainedRodCast)约束棒热裂评价法来评估再生铝合金的热裂敏感性；同时制备金相试样进行组织观察；利用HB3000型布氏硬度计测试合金的硬度值；并使用AG-X100KN万能试验机进行拉伸实验获取力学性能参数。

图1为对比例1制备的原再生变形铝合金的光学显微组织，从图中可看出，未经复合处理的原再生变形铝合金的组织枝晶粗大，共晶组织相和杂质相多，聚集分布在晶界处。经测量铸态性能，该合金的抗拉强度为178.9MPa，伸长率为9.4％，硬度为48HB。图6为该合金的CRC约束杆棒热裂测试样品，从图中可以看到长臂和次长臂发生完全断裂，次短臂发生部分断裂，按照CRC的评价方式，计算得到该合金的热裂敏感系数HTS为178，铸造热裂敏感性大。经测量轧制态性能，该合金的抗拉强度仅为202.2MPa，伸长率为6.2％，硬度为63.9HB，综合性能较差。

对比例2

Mg单独处理的6xxx系再生变形铝合金的制备：按对比例1的方法熔化经过初步筛选的6xxx系回收废铝，初始基本成分与对比例1相同，扒去浮渣并保温静置20min。向熔体中加入Mg锭，熔体温度保持在720℃，熔化后搅拌均匀并保温静置20min；其中Mg的加入量为熔体质量的0.55％，烧损率为10％，加入后合金的Mg含量质量分数为1.2％。再按对比例1的方法将熔体浇铸成铸锭，随后置于电阻炉中进行均匀化热处理，均匀化温度为490℃，保温时间为10h。均匀化后进行多道次轧制，每次变形量为5％，总变形量为50％，制得再生变形铝合金。

图2为对比例2制备的经Mg单独熔体处理后再生变形铝合金的铸态光学显微组织，从图中可看出，合金中出现大块相互连接的共晶组织，且晶粒边界处的共晶组织和杂质相增多。合金铸态下热裂敏感系数HTS为154，铸态下，合金的抗拉强度为185.2MPa，伸长率为9.1％，硬度为54.4HB。轧制态下，合金的抗拉强度为212.5MPa，伸长率为7.2％，硬度为75.4HB。

对比例3

Sr单独处理的6xxx系再生变形铝合金的制备：按对比例1的方法熔化经过初步筛选的6xxx系回收废铝，初始基本成分与对比例1相同，扒去浮渣并保温静置20min。向熔体中加入Al-10Sr变质剂，熔体温度保持在720℃，熔化后搅拌均匀并保温静置20min；其中Al-10Sr变质剂的加入量为熔体质量的0.5％。再按对比例1的方法将熔体浇铸成铸锭，随后置于电阻炉中进行均匀化热处理，均匀化温度为480℃，保温时间为8h。均匀化后进行多道次轧制，每次变形量为5％，总变形量为50％，制得再生变形铝合金。

图3为对比例3制备的经Mg单独熔体处理后再生变形铝合金的铸态光学显微组织，其与对比例2中经Mg单独熔体处理的再生变形铝合金的铸态光学显微组织相似，从图3可看出合金中大块共晶组织和杂质相消失，均匀分布在晶粒周围。铸态下合金的热裂敏感系数HTS为164，抗拉强度为190.2MPa，伸长率为10.2％，硬度为53.7HB。轧制态下合金的抗拉强度为217.5MPa，伸长率为6.9％，硬度为68.5HB。

对比例4

Sr/Al-5Ti-B复合处理的6xxx系再生变形铝合金的制备：按对比例1的方法熔化经过初步筛选的6xxx系回收废铝，初始基本成分与对比例1相同，扒去浮渣并保温静置20min。向熔体中加入Al-10Sr变质剂和Al-5Ti-B细化剂，熔体温度保持在720℃，熔化后搅拌均匀并保温静置20min；其中Al-10Sr变质剂和Al-5Ti-B细化剂的加入量均为熔体质量的0.5％。再按对比例1的方法将熔体浇铸成铸锭，随后置于电阻炉中进行均匀化热处理，均匀化温度为480℃，保温时间为8h。均匀化后进行多道次轧制，每次变形量为5％，总变形量为50％，制得再生变形铝合金。

图4为对比例4制备的再生变形铝合金的铸态光学显微组织，可以看出，对比例4制得的经Sr/Al-5Ti-B复合处理的再生变形铝合金相的形态发生变化，枝晶状组织破碎，针状相转变为汉字状，其他杂质相转变成椭球状分布在晶粒内部或晶界。铸态下合金的热裂敏感系数HTS为160，抗拉强度为200.2MPa，伸长率为10.8％，硬度为53.3HB。轧制态下合金的抗拉强度为229.4MPa，伸长率为7.5％，硬度为69.6HB。

实施例1

Mg/Sr/含C细化剂复合处理的6xxx系再生变形铝合金的制备：按对比例1的方法熔化经过初步筛选的6xxx系回收废铝，初始基本成分与对比例1相同，扒去浮渣并保温静置20min。向熔体中加入Mg锭、Al-10Sr变质剂和Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂，熔体温度保持在720℃，熔化后搅拌均匀，保温静置20min；其中Al-10Sr变质剂的加入量为熔体质量的0.6％，Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂的加入量为熔体质量的0.7％，Mg锭加入后熔体中Mg的质量百分含量调整为1.2％。再按对比例1的方法对熔体进行精炼除渣处理，以及将精炼除渣处理后的熔体浇铸成铸锭。随后将铸锭置于电阻炉中进行均匀化热处理，均匀化温度为500℃，保温时间为10h。均匀化后进行多道次轧制，每次变形量为5％，总变形量为50％，制得再生变形铝合金。

图5为实施例1制得的经Mg/Sr/含C细化剂熔体复合处理的再生变形铝合金的光学显微组织，从图中可看出，合金中富铁相组织汉字化且相互连接交叉，与基体有很好的连接作用，针状相大量减少，其他杂质相呈椭球状且较为均匀地分布在晶界和晶内。图7为本实施例再生变形铝合金的CRC约束杆棒热裂测试样品，从图中可看到只有长臂和次长臂发生裂纹但未完全断裂，经计算该合金拥有最小的热裂敏感系数HTS为122，较对比例1的原再生变形铝合金的热裂敏感降低了32％。本实施例合金在铸态条件下，其抗拉强度为223.1MPa，伸长率为11.3％，铸态硬度为58.1HB，相比于对比例1的原再生变形铝合金，本实施例合金的力学性能显著提高，铸态下的抗拉强度和硬度分别提高了25％和21％。轧制态条件下，本实施例合金的抗拉强度为268.2MPa，伸长率为8.3％，硬度为93.8HB，与对比例1的原再生变形铝合金相比，本实施例合金轧制态下的抗拉强度和硬度分别提高了33％和47％。由此说明，本发明针对6xxx系再生变形铝合金熔体的Mg/Sr/含C细化剂的复合处理方法，可以显著减小合金的热裂敏感性，提高铸件成品率，同时也能提高合金的综合力学性能。

实施例2

Mg/Sr/含C细化剂复合处理的6xxx系再生变形铝合金的制备：本实施例2的制备方法与实施例1的制备方法相似，区别仅在于Mg锭、Al-10Sr变质剂和Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂的添加量不同。本实施例2中，Al-10Sr变质剂的加入量为熔体质量的0.6％，Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂的加入量为熔体质量的0.3％，Mg锭加入后熔体中Mg的质量百分含量调整为1.0％。

本实施例制得的再生变形铝合金的光学显微组织与实施例1制得的再生变形铝合金的显微组织类似，但本实施例的共晶组织有所减少，针状枝晶破碎。铸态下本实施例合金的热裂敏感系数HTS为130，抗拉强度为207.3MPa，伸长率为9.7％，铸态硬度为54.5HB。轧制下本实施例合金的抗拉强度为254.8MPa，伸长率为7.9％，硬度为84.1HB。与对比例1的原再生变形铝合金相比，本实施例合金的热裂敏感系数降低了27％，轧制抗拉强度和硬度分别提高了26％和32％。即本实施例实现了低成本下(低含量添加剂复合处理)再生铝合金抗热裂性能和力学性能的全面提升。

实施例3

Mg/Sr/含C细化剂复合处理的6xxx系再生变形铝合金的制备：本实施例3的制备方法与实施例1的制备方法相似，区别仅在于Mg锭、Al-10Sr变质剂和Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂的添加量不同。本实施例3中，Al-10Sr变质剂的加入量为熔体质量的0.2％，Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂的加入量为熔体质量的0.5％，Mg锭加入后熔体中Mg的质量百分含量调整为1.2％。

本实施例制得的再生变形铝合金的光学显微组织与实施例1制得的再生变形铝合金的显微组织类似，晶粒细化，共晶组织成点状或块状分布在晶界周围。铸态下本实施例合金的热裂敏感系数HTS为126，抗拉强度为218.9MPa，伸长率为10.4％，铸态硬度为57.6HB。轧制下本实施例合金的抗拉强度为257.1MPa，伸长率为7.2％，硬度为89.4HB。与对比例1的原再生变形铝合金相比，本实施例合金的热裂敏感系数降低了29％，铸态抗拉强度和硬度分别提高了22％和20％；轧制态抗拉强度和硬度分别提高了27％和40％。

实施例4

Mg/Sr/含C细化剂复合处理的6xxx系再生变形铝合金的制备：本实施例4的制备方法与实施例1的制备方法相似，区别仅在于Mg锭、Al-10Sr变质剂和Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂的添加量不同。本实施例4中，Al-10Sr变质剂的加入量为熔体质量的0.2％，Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂的加入量为熔体质量的0.3％，Mg锭加入后熔体中Mg的质量百分含量调整为1.0％。

本实施例制得的再生变形铝合金的光学显微组织与实施例1制得的再生变形铝合金的显微组织类似，但本实施例的针状相增多。铸态下本实施例合金的热裂敏感系数HTS为134，抗拉强度为208.4MPa，伸长率为10.6％；铸态硬度为53.7HB。轧制下本实施例合金的抗拉强度为260.5MPa，伸长率为7.6％，硬度为87.5HB。与对比例1的原再生变形铝合金相比，本实施例合金的热裂敏感系数降低了25％，铸态抗拉强度和硬度分别提高了17％和12％；轧制态抗拉强度和硬度分被提高了29％和37％。

实施例5

Mg/Sr/含C细化剂复合处理的6xxx系再生变形铝合金的制备：本实施例5的制备方法与实施例1的制备方法相似，区别仅在于Mg锭、Al-10Sr变质剂和Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂的添加量不同。本实施例5中，Al-10Sr变质剂的加入量为熔体质量的0.4％，Al-5Ti-0.3B-0.2C细化剂的加入量为熔体质量的0.5％，Mg锭加入后熔体中Mg的质量百分含量调整为1.4％。

本实施例制得的再生变形铝合金的光学显微组织与实施例1制得的再生变形铝合金的显微组织类似，但本实施例的共晶组织增多，出现部分大块共晶组织聚集在晶界周围。铸态下本实施例合金的热裂敏感系数HTS为128，抗拉强度为218.2MPa，伸长率为9.9％，铸态硬度为61HB。轧制下本实施例合金的抗拉强度为265MPa，伸长率为7.3％，硬度为92.4HB。与对比例1的原再生变形铝合金相比，本实施例合金的热裂敏感系数降低了28％，铸态抗拉强度和硬度分别提高了22％和27％；轧制态抗拉强度和硬度分被提高了31％和45％。

为更好地对比实施效果，图8所示为对比例和实施例所制再生变形铝合金铸锭的热裂倾向系数汇总结果。由图8可见，对比例合金的热裂倾向系数下降7％～13％，而实施例合金的热裂倾向系数下降20％～32％。结果表明，经本发明的熔体复合处理后，再生变形铝合金的铸造工艺稳定性进一步改善。

表1和表2所示分别为对比例和实施例所制再生变形铝合金的力学性能汇总结果。

表1

表2

由表1可见，对比例合金的铸态抗拉强度提升5％～10％，实施例则提升15％～25％；对比例合金硬度提升7％～15％，实施例则提升25％～30％，实施例的提升效果明显。6xxx系合金属于变形铝合金，加工过程中需要经过轧制变形处理，表2汇总轧制后合金的力学性能。由表2可见，对比例合金的轧制态抗拉强度提升5％～10％，实施例则提升25％～35％；对比例合金硬度提升5％～20％，实施例则提升30％～45％。结果表明，经本发明的熔体复合处理后，再生变形铝合金的力学性能显著提升。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。