一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金及其制备工艺及应用
阅读说明：本技术 一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金及其制备工艺及应用 (High-performance fine-grain zero-coarse-grain ring aluminum alloy and preparation process and application thereof ) 是由 王彪 张洪文 王庆庆 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金制备工艺,所述工艺具体包括以下步骤：步骤S1,铝锭熔铸；步骤S2,均匀化处理；步骤S3,预热；步骤S4,挤压；步骤S5,淬火；步骤S6,拉直；步骤S7,人工固溶及时效热处理。本发明实施例在铝合金铸棒的挤压步骤前进行预热,以及对挤压模具进行参数改进设计,避免挤压过程中摩擦热导致外层晶核快速长大形成粗晶环；通过本发明实施例制备工艺制备得到的铝合金产品强度高、细晶粒且无粗晶环,其抗拉强度为400～430MPa,屈服强度为380～400MPa,延伸率为10～13%,晶粒级别指数达6～8级且产品无粗晶环,为客户后续加工提供了优良的素材。(The invention provides a preparation process of a high-performance fine-grain zero-coarse-grain ring aluminum alloy, which specifically comprises the following steps: step S1, casting aluminum ingots; step S2, homogenization treatment; step S3, preheating; step S4, extruding; step S5, quenching; step S6, straightening; and step S7, artificial solid solution and aging heat treatment. According to the embodiment of the invention, preheating is carried out before the extrusion step of the aluminum alloy cast rod, and parameter improvement design is carried out on the extrusion die, so that the phenomenon that outer-layer crystal nuclei grow rapidly to form coarse crystal rings due to friction heat in the extrusion process is avoided; the aluminum alloy product prepared by the preparation process provided by the embodiment of the invention has high strength, fine grains and no coarse grain ring, the tensile strength is 400-430 MPa, the yield strength is 380-400 MPa, the elongation is 10-13%, the grain grade index reaches 6-8 grade, and the product has no coarse grain ring, so that an excellent material is provided for subsequent processing of customers.)
技术领域
本发明属于Al-Mg-Si系铝合金制备技术领域，尤其涉及一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金及其制备工艺及应用。
背景技术
目前工业用铝合金挤压型材根据材料的最终用途，存在许多不同要求，如较高的机械性能，优良的机加工性能，较好的材料延展性，细小的晶粒度及较浅的表面再结晶层，良好的表面质量等。因此研究材料能够最终满足客户越来越高的使用要求，成为了铝合金化学成分研究的一个重要课题。现有的汽车摆臂中的铝合金产品，易产生粗晶环，导致铝合金材料强度降低、机械性能变差等问题，影响材料的正常使用，因此本发明针对以上问题进行铝合金制备工艺改进，避免粗晶环等组织缺陷产生。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金制备工艺，该工艺制备出的铝合金产品具有高强度、细晶粒且无粗晶环等优点。为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供了一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金制备工艺，包括以下步骤：
步骤S1，铝锭熔铸：选择铝合金原材料进行熔炼铸造，铸造时以36～40mm/min的速度在真空直冷铸造系统中进行铸造，得到铝合金铸棒；
所述铝合金原材料按照质量分数计，包括以下组分：硅：1.0～1.1％、铁：0.1～0.2％、铜：0.45～0.55％、锰：0.6～0.7％、镁：0.8～0.85％、铬：0.1～0.2％及钛：0.15～0.2％，余量为铝及不可避免的杂质；
步骤S2，均匀化处理：对步骤S1所得的铝合金铸棒在490～510℃下进行均匀化处理9～11h，均匀化处理后水冷至室温；
步骤S3，预热：分别对经步骤S2均匀化后的铝合金铸棒、挤压模具、模筒进行预热；
步骤S4，挤压：采用挤压机对经步骤S3预热后的预热后的铸棒进行挤压；
步骤S5，淬火：对经步骤S4挤压后的产品进行在线穿水淬火，淬火介质采用循环水；
步骤S6，拉直：将经步骤S5淬火冷却后的产品进行拉直锯切，拉直率为0.3～1.0％；
步骤S7，人工固溶及时效热处理：将经步骤S6锯切后的产品进行人工固溶热处理以及时效热处理。
具体地，步骤S3中，所述铝合金铸棒的预热温度为480～500℃，铸棒头尾温度梯度为10～20℃；挤压模具的预热温度为470～490℃；模筒的预热温度为425～435℃。
具体地，步骤S3中，预热后的铝合金铸棒的直径为377～378mm。
具体地，步骤S4中，采用45MN正向挤压机对铝合金铸棒进行挤压，挤压系数为12～13，出料速度为3.0～4.0m/min，出料过程中采用牵引机同步牵引。
优选地，所述挤压模具参数如下：直径为360mm，厚度为220mm，进料口直径为150～160mm，深度为50～60mm，定径带进料口斜度为2.5～3°，长度为8～10mm，定径带长度为8～10mm，一级空刀为1.5～2mm。
具体地，步骤S5中，循环水的电导率≤300us/cm3，水温≤38℃，水压为0.4～0.5MPa。
具体地，步骤S7中，对步骤S6所得锯切后产品在540～550℃进行固溶热处理1～2h，并在170～180℃进行时效热处理6～8h。
第二方面，本发明实施例还提供了上述制备工艺制备得到的铝合金产品。
第三方面，本发明实施例还提供了上述制备工艺制备所得的铝合金产品在汽车摆臂中的应用。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例在铝合金铸棒的挤压步骤前进行预热，以及对挤压模具进行参数改进设计，避免挤压过程中摩擦热导致外层晶核快速长大形成粗晶环；通过本发明实施例制备工艺制备得到的铝合金产品强度高、细晶粒且无粗晶环，其抗拉强度为400～430MPa，屈服强度为380～400MPa，延伸率为10～13％，晶粒级别指数达到6～8级且产品无粗晶环，为客户后续加工提供了优良的素材。
附图说明
图1为本发明高性能细晶粒零粗晶环铝合金的制备工艺流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金制备工艺，包括以下步骤：
步骤S1，铝锭熔铸：选择铝合金原材料进行熔炼铸造，铸造时以36～40mm/min的速度在真空直冷铸造系统中进行铸造，例如可以为36mm/min、37mm/min、38mm/min、39mm/min、40mm/min，得到铝合金铸棒；
所述铝合金原材料按照质量分数计，包括以下组分：硅：1.0～1.1％，例如可以为1.0％、1.02％、1.04％、1.06％、1.08％、1.1％等，铁：0.1～0.2％，例如可以为0.1％、0.12％、0.14％、0.16％、0.18％、0.2％等，铜：0.45～0.55％，例如可以为0.45％、0.47％、0.49％、0.51％、0.53％、0.55％等，锰：0.6～0.7％，例如可以为0.6％、0.62％、0.64％、0.66％、0.68％、0.7％等，镁：0.8～0.85％，铬：0.1～0.2％，例如可以为0.1％、0.12％、0.14％、0.16％、0.18％、0.2％等，钛：0.15～0.2％，例如可以为0.15％、0.16％、0.17％、0.18％、0.19％、0.2％等，余量为铝及不可避免的杂质；
步骤S2，均匀化处理：对步骤S1所得的铝合金铸棒在490～510℃下进行均匀化处理9～11h，例如温度可以为490℃、495℃、500℃、505℃、510℃等，均匀化时间可以为9h、9.5h、10h、10.5h、11h等，均匀化处理后水冷至室温；；
步骤S3，预热：分别对经步骤S2均匀化后的铝合金铸棒、挤压模具、模筒进行预热；
步骤S4，挤压：采用挤压机对经步骤S3预热后的预热后的铸棒进行挤压；
步骤S5，淬火：对经步骤S4挤压后的产品进行在线穿水淬火，淬火介质采用循环水；
步骤S6，拉直：将经步骤S5淬火冷却后的产品进行拉直锯切，拉直率为0.3～1.0％，例如可以为0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1.0％等；
步骤S7，人工固溶及时效热处理：将经步骤S6锯切后的产品进行人工固溶热处理以及时效热处理。
具体地，步骤S3中，所述铝合金铸棒的预热温度为480～500℃，例如可以为480℃、485℃、490℃、495℃、500℃等，铸棒头尾温度梯度为10～20℃，例如可以为10℃、12℃、14℃、16℃、18℃、20℃等；挤压模具的预热温度为470～490℃；例如可以为470℃、475℃、480℃、485℃、490℃等，模筒的预热温度为425～435℃例如可以为425℃、427℃、430℃、432℃、435℃等。
具体地，步骤S3中，预热后的铝合金铸棒的直径为377～378mm，例如可以为377.0mm、377.2mm、377.4mm、377.6mm、377.8mm、378mm等。
具体地，步骤S4中，采用45MN正向挤压机对铝合金铸棒进行挤压，挤压系数为12～13，例如可以为12.0、12.2、12.4、12.6、12.8、13等，出料速度为3.0～4.0m/min，例如可以为3.0m/min、3.2m/min、3.4m/min、3.6m/min、3.8m/min、4.0m/min等，出料过程中采用牵引机同步牵引。
优选地，所述挤压模具参数如下：直径为360mm，厚度为220mm，进料口直径为150～160mm，例如可以为150.0mm、150.2mm、150.4mm、150.6mm、150.8mm、160mm等，深度为50～60mm，例如可以为50.0mm、50.2mm、50.4mm、50.6mm、50.8mm、60mm等，定径带进料口斜度为2.5～3°，例如可以为2.5°、2.6°、2.7°、2.8°、2.9°、3.0°等，长度为8～10mm，例如可以为8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm等，定径带长度为8～10mm，例如可以为8.0mm、8.5mm、9.0mm、9.5mm、10.0mm等，一级空刀为1.5～2mm，例如可以为1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm等。
具体地，步骤S5中，循环水的电导率≤300us/cm3，水温≤38℃，水压为0.4～0.5MPa，例如可以为0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa等。
具体地，步骤S7中，对经步骤S6锯切后所得的产品在540～550℃进行固溶热处理1～2h，例如固溶温度可以为540℃、542℃、544℃、546℃、548℃、550℃等，固溶时间可以为1.0h、1.2h、1.4h、1.5h、1.6h、1.8h、2.0h等，并在170～180℃进行时效热处理6～8h，例如时效热处理的温度为170℃、172℃、174℃、175℃、176℃、178℃、180℃等，时效热处理的温度可以为6.0h、6.5h、7.0h、7.5h、8.0h等。
第二方面，本发明实施例还提供了上述制备工艺制备得到的铝合金产品。
第三方面，本发明实施例还提供了上述制备工艺制备所得的铝合金产品在汽车摆臂中的应用。
实施例1
一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金制备工艺，包括以下步骤：
步骤S1，铝锭熔铸，以质量分数计，按照如下配方比例进行铝锭熔炼：硅：1.05％、铁：0.15％、铜：0.5％、锰：0.65％、镁：0.83％、铬：0.15％、钛：0.17％，余量为铝及不可避免的杂质；
采用真空直冷铸造系统，以36mm/min的速度铸造得到铝合金铸棒；
步骤S2，均匀化处理：对步骤S1所得铸棒在490℃均匀化11h，均匀化处理后水冷至室温；
步骤S3，预热：分别将经步骤S2均匀化后所得的铸棒、挤压模具、模筒进行预热；铸棒预热温度设定为480℃，铸棒头尾温度梯度为10℃，挤压模具预热温度设定为470℃，模筒预热温度设定为425℃。
步骤S4，挤压：采用45MN正向挤压机对经步骤S3加热后的铸棒进行挤压，铸棒挤压前的直径为377mm，挤压系数为12，出料速度为3.0m/min，出料过程中采用牵引机同步牵引，所采用的挤压模具参数如下：直径为360mm，厚度为220mm，进料口直径为150mm，深度为50mm，定径带进料口斜度为2.5°，长度为8mm，定径带长度为8mm，一级空刀为1.5mm。
步骤S5，淬火：对经步骤S4挤压后的产品进行在线穿水淬火，淬火介质采用循环水，循环水的电导率为300us/cm3，水温为38℃，水压为0.4MPa。
步骤S6，拉直：对在线淬火后的产品进行拉直锯切处理，拉直率为0.3％；
步骤S7，人工固溶及时效热处理：将经步骤S6锯切后所得的产品在540℃进行固溶热处理2h，并在170℃进行时效热处理8h。
实施例2
一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金制备工艺，包括以下步骤：
步骤S1，铝锭熔铸，以质量分数计，按照如下配方比例进行铝锭熔炼：硅：1.05％、铁：0.15％、铜：0.5％、锰：0.65％、镁：0.83％、铬：0.15％、钛：0.17％，余量为铝及不可避免的杂质；
采用真空直冷铸造系统，以40mm/min的速度铸造得到铸棒；
步骤S2，均匀化处理：将步骤S1所得铸棒在510℃均匀化9h，
步骤S3，预热：分别对经步骤S2均匀化后所得的铸棒、挤压模具、模筒进行预热；铸棒预热温度设定为500℃，铸棒头尾温度梯度为20℃，将挤压模具预热温度设定为490℃，将模筒预热温度设定为435℃。
步骤S4，挤压：采用45MN正向挤压机对经步骤S3加热后的铸棒进行挤压，铸棒直径为378mm，挤压系数为13，出料速度为4.0m/min，出料过程中采用牵引机同步牵引，所采用的挤压模具参数如下：直径为360mm，厚度为220mm，进料口直径为160mm，深度为60mm，定径带进料口斜度为3°，长度为10mm，定径带长度为10mm，一级空刀为2mm。
步骤S5，淬火：对经步骤S4挤压后的产品进行在线穿水淬火，淬火介质采用循环水，循环水的电导率为300us/cm3，水温为38℃，水压为0.5MPa。
步骤S6，拉直：对在线淬火后的产品进行拉直锯切处理，拉直率为1.0％；
步骤S7，人工固溶时效热处理：将经步骤S6锯切后所得的产品在550℃进行固溶热处理1h，并在180℃进行时效热处理6h。
实施例3
一种高性能细晶粒零粗晶环铝合金制备工艺，包括以下步骤：
步骤S1，铝锭熔铸，以质量分数计，按照如下配方比例进行铝锭熔炼：硅：1.05％、铁：0.15％、铜：0.5％、锰：0.65％、镁：0.83％、铬：0.15％、钛：0.17％，余量为铝及不可避免的杂质；
采用真空直冷铸造系统，以38mm/min的速度铸造，得到铸棒；
步骤S2，均匀化处理：将步骤S1所得铸棒在500℃均匀化10h，
步骤S3，预热：分别对经步骤S2均匀化后所得的铸棒、挤压模具、模筒进行预热；铸棒预热温度设定为490℃，铸棒头尾温度梯度为15℃，挤压模具预热温度设定为480℃，模筒预热温度设定为430℃。
步骤S4，挤压：采用45MN正向挤压机对经步骤S3加热后的铸棒进行挤压，所述铸棒挤压前的直径为377.5mm，挤压系数为12.5，出料速度为3.5m/min，出料过程中采用牵引机同步牵引，所采用的挤压模具参数如下：直径为360mm，厚度为220mm，进料口直径为155mm，深度为55mm，定径带进料口斜度为2.7°，长度为9mm，定径带长度为9mm，一级空刀为1.7mm。
步骤S5，淬火：对经步骤S4挤压后的产品进行在线穿水淬火，淬火介质采用循环水，循环水的电导率为300us/cm3，水温为38℃，水压为0.45MPa。
步骤S6，拉直：对在线淬火后的产品进行拉直锯切处理，拉直率为0.6％；
步骤S7，人工固溶及时效热处理：将经步骤S6锯切后所得的产品在545℃进行固溶热处理1.5h，并在175℃进行时效热处理7h。
应用实施例
本应用实施例对实施例1-3提供的铝合金块的抗拉强度、屈服强度、延伸率、内部晶粒度等级进行评价。具体地，选取相同质量的实施例1-3所制得的铝合金成品作为试样，根据《GB/T16865变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》标准提供的方法对3个试样的抗拉强度、屈服强度、延伸率进行测试，并根据《GB/T3246.1变形铝及铝合金制品组织检验方法第1部分：显微组织检验方法》标准提供的方法对3个试样的内部晶粒度等级进行测试。实施例1-3所制得的铝合金块的具体测试参数详见下表1。
表1实施例1-3各项性能测试表
铝合金块
抗拉强度MPa
屈服强度MPa
延伸率％
内部晶粒度等级
实施例1
411
386
12.2
7.3
实施例2
419
391
11.1
6.8
实施例3
425
395
10.4
7.1
如表1可知，实施例1-3所提供的铝合金块抗拉强度、屈服强度高，拉伸率大，内部晶粒度等级均达到6～8级，且均未产生粗晶环，产品性能优异，能够满足使用的要求。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。