一种Al-Cu-Mg铝合金线材及其制备方法
阅读说明：本技术 一种Al-Cu-Mg铝合金线材及其制备方法 (Al-Cu-Mg aluminum alloy wire and preparation method thereof ) 是由 李德贵 王海彬 张晶 付金来 赵扬 侯良友 张宇婷 谢新伟 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：一种Al-Cu-Mg铝合金线材及其制备方法,涉及铝合金线材制备技术领域。本发明的目的是要解决现有铝合金线材由于塑性较差导致在镦制铆钉生产过程中出现开裂情况的问题。方法：将原料熔炼,得到铝合金熔液；将铝合金熔液铸造得到铸棒,锯切,去皮,得到铝合金铸锭；将铝合金铸锭进行均匀化退火,然后加热,再挤压得到铝合金线材；将铝合金线材进行中间退火,最后将中间退火后的铝合金线材通过拉伸模具以40％～42％的变形率进行冷拉,得到Al-Cu-Mg铝合金线材。本发明可获得一种Al-Cu-Mg铝合金线材及其制备方法。(An Al-Cu-Mg aluminum alloy wire and a preparation method thereof relate to the technical field of aluminum alloy wire preparation. The invention aims to solve the problem that the existing aluminum alloy wire is poor in plasticity to cause cracking in the upsetting rivet production process. The method comprises the following steps: smelting the raw materials to obtain an aluminum alloy melt; casting the molten aluminum alloy to obtain a cast rod, sawing and peeling to obtain an aluminum alloy ingot; carrying out homogenization annealing on the aluminum alloy cast ingot, then heating, and extruding to obtain an aluminum alloy wire; and (3) performing intermediate annealing on the aluminum alloy wire, and finally performing cold drawing on the aluminum alloy wire subjected to intermediate annealing at a deformation rate of 40-42% through a drawing die to obtain the Al-Cu-Mg aluminum alloy wire. The invention can obtain an Al-Cu-Mg aluminum alloy wire and a preparation method thereof.)
技术领域
本发明涉及铝合金线材制备技术领域，具体涉及一种Al-Cu-Mg铝合金线材及其制备方法。
背景技术
铝合金材料使用范围广，在工业上可以应用于建筑、电子电器、运输、航空和航天等各个领域，通过铝合金铆钉线材加工制造成航空航天用铝合金铆钉，利用铝合金铆钉的形变或过盈连接被铆接件的航空器件。
目前，我国某项航空用产品需要一种特殊铆钉，H14态线材抗拉强度为235～300MPa；T6态线材的抗拉强度不小于380MPa，规定非比例延伸强度不小于220MPa，断后伸长率不小于12％，抗剪强度满足245～270MPa。目前生产的此合金无论是H14状态还是热处理后T6态的性能指标都偏高，分别达到300MPa和430MPa以上，但塑性较差，导致线材在镦制铆钉生产过程中会出现开裂的情况，因此无法满足航空用品的应用要求。
发明内容
本发明的目的是要解决现有铝合金线材由于塑性较差导致在镦制铆钉生产过程中出现开裂情况的问题，而提供一种Al-Cu-Mg铝合金线材及其制备方法。
一种Al-Cu-Mg铝合金线材，含有的元素及质量分数：Cu为3.9％～4.5％、Mg为0.15％～0.30％、Mn为0.3％～0.5％、Si≤0.25％、Ti≤0.15％、Fe≤0.2％和Zn≤0.1％，余量为Al。
一种Al-Cu-Mg铝合金线材的制备方法，按以下步骤完成：
(1)称取：按质量分数Cu为3.9％～4.5％、Mg为0.15％～0.30％、Mn为0.3％～0.5％、Si≤0.25％、Ti≤0.15％、Fe≤0.2％和Zn≤0.1％以及余量为Al称取纯铜锭、纯镁锭、铝锰合金锭、铝硅合金锭、铝钛硼晶粒细化剂、纯锌锭和纯铝锭；
(2)熔炼、铸造、锯切和去皮：将步骤(1)中称取的纯铜锭、纯镁锭、铝锰合金锭、铝硅合金锭、铝钛硼晶粒细化剂、纯锌锭和纯铝锭加入到熔炼炉内，加热至715℃～735℃，并在715℃～735℃的温度条件下保温2h～4h，然后采用Ar-Cl2混合气进行精炼，再静置20min～30min后，得到铝合金熔液；将铝合金熔液在温度为710℃～730℃、冷却水温度为10℃～25℃、冷却水强度为0.05MPa～0.08MPa以及铸造速度为80mm/min～90mm/min的条件下进行铸造，得到铸棒；将铸棒锯切，去掉表面的氧化皮，得到铝合金铸锭；
(3)退火、挤压、中间退火和拉伸：将步骤(2)中的铝合金铸锭在500℃～515℃的温度条件下均匀化退火19h～21h，然后置于电阻加热炉内加热至320℃～400℃，再放入铝合金线材模具中，在挤压温度为350℃～400℃和挤压速度为0.01mm/s～0.08mm/s的条件下进行挤压，得到铝合金线材；将铝合金线材在390℃～410℃的温度条件下中间退火2h～2.5h，最后将中间退火后的铝合金线材通过拉伸模具以40％～42％的变形率进行冷拉，得到Al-Cu-Mg铝合金线材。
本发明的有益效果：
本发明一种Al-Cu-Mg铝合金线材及其制备方法，通过优化合金成分中元素的质量分数占比，具体为控制Fe和Si杂质的含量，以及对Cu和Mg含量的下限控制，适当提高Mn和Ti元素的含量，可细化线材晶粒组织，提高成品线材的塑性；经过挤压之后的铝合金线材采用多次试验得到的优化的退火工艺(500℃～515℃/19h～21h；常规退火工艺为480℃～495℃/10h)并在后续进行中间退火，铝合金线材拉伸过程中采用经过反复调整工艺参数得到的最合适的变形率(40％～42％；常规工艺的变形率通常为10％～20％)，从而获得了更为细化的晶粒组织，且铝合金线材不会因变形量过大产生较大的加工硬化进而对后续镦制铆钉工序产生不利的影响。通过GB/T228《金属材料室温拉伸性能试验方法》试验，测得H14态线材抗拉强度达到272MPa；T6态线材的抗拉强度达到400MPa，规定非比例延伸强度246Mpa，断后伸长率达到14％。通过GB/T3250《铝及铝合金铆钉线材与铆钉剪切试验方法及铆钉线铆接试验方法》试验，测得T6态线材的抗剪强度达到262Mpa。在将铆钉线材进行后续镦制加工的过程中，没有出现线材镦制开裂的问题。本发明Al-Cu-Mg铝合金线材，不仅达到了航空航天用产品需要的特殊铆钉的综合性能要求，而且有效解决了铝合金线材因变形率不够导致的强度过低和冷拉变形率过高导致的加工硬化，从而产生镦制加工中出现开裂的情况。
本发明可获得一种Al-Cu-Mg铝合金线材及其制备方法。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种Al-Cu-Mg铝合金线材，含有的元素及质量分数：Cu为3.9％～4.5％、Mg为0.15％～0.30％、Mn为0.3％～0.5％、Si≤0.25％、Ti≤0.15％、Fe≤0.2％和Zn≤0.1％，余量为Al。
本实施方式Al-Cu-Mg铝合金线材，通过控制Fe和Si杂质的含量，以及对Cu和Mg含量的下限控制，适当提高Mn和Ti元素的含量，可细化线材晶粒组织，提高成品线材的塑性。
Ti和Zn元素来源于铝锭及中间合金，此范围内的杂质对铝合金线材的性能不会产生不利影响。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：它含有的元素及质量分数：Cu为4.1％、Mg为0.19％、Mn为0.45％、Si为0.13％、Ti为0.05％、Fe为0.15％和Zn为0.1％，余量为Al。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式一种Al-Cu-Mg铝合金线材的制备方法，按以下步骤完成：
(1)称取：按质量分数Cu为3.9％～4.5％、Mg为0.15％～0.30％、Mn为0.3％～0.5％、Si≤0.25％、Ti≤0.15％、Fe≤0.2％和Zn≤0.1％以及余量为Al称取纯铜锭、纯镁锭、铝锰合金锭、铝硅合金锭、铝钛硼晶粒细化剂、纯锌锭和纯铝锭；
(2)熔炼、铸造、锯切和去皮：将步骤(1)中称取的纯铜锭、纯镁锭、铝锰合金锭、铝硅合金锭、铝钛硼晶粒细化剂、纯锌锭和纯铝锭加入到熔炼炉内，加热至715℃～735℃，并在715℃～735℃的温度条件下保温2h～4h，然后采用Ar-Cl2混合气进行精炼，再静置20min～30min后，得到铝合金熔液；将铝合金熔液在温度为710℃～730℃、冷却水温度为10℃～25℃、冷却水强度为0.05MPa～0.08MPa以及铸造速度为80mm/min～90mm/min的条件下进行铸造，得到铸棒；将铸棒锯切，去掉表面的氧化皮，得到铝合金铸锭；
(3)退火、挤压、中间退火和拉伸：将步骤(2)中的铝合金铸锭在500℃～515℃的温度条件下均匀化退火19h～21h，然后置于电阻加热炉内加热至320℃～400℃，再放入铝合金线材模具中，在挤压温度为350℃～400℃和挤压速度为0.01mm/s～0.08mm/s的条件下进行挤压，得到铝合金线材；将铝合金线材在390℃～410℃的温度条件下中间退火2h～2.5h，最后将中间退火后的铝合金线材通过拉伸模具以40％～42％的变形率进行冷拉，得到Al-Cu-Mg铝合金线材。
本实施方式的有益效果：
本实施方式一种Al-Cu-Mg铝合金线材及其制备方法，通过优化合金成分中元素的质量分数占比，具体为控制Fe和Si杂质的含量，以及对Cu和Mg含量的下限控制，适当提高Mn和Ti元素的含量，可细化线材晶粒组织，提高成品线材的塑性；经过挤压之后的铝合金线材采用多次试验得到的优化的退火工艺(500℃～515℃/19h～21h；常规退火工艺为480℃～495℃/10h)并在后续进行中间退火，铝合金线材拉伸过程中采用经过反复调整工艺参数得到的最合适的变形率(40％～42％；常规工艺的变形率通常为10％～20％)，从而获得了更为细化的晶粒组织，且铝合金线材不会因变形量过大产生较大的加工硬化进而对后续镦制铆钉工序产生不利的影响。通过GB/T228《金属材料室温拉伸性能试验方法》试验，测得H14态线材抗拉强度达到272MPa；T6态线材的抗拉强度达到400MPa，规定非比例延伸强度246Mpa，断后伸长率达到14％。通过GB/T3250《铝及铝合金铆钉线材与铆钉剪切试验方法及铆钉线铆接试验方法》试验，测得T6态线材的抗剪强度达到262Mpa。在将铆钉线材进行后续镦制加工的过程中，没有出现线材镦制开裂的问题。本实施方式Al-Cu-Mg铝合金线材，不仅达到了航空航天用产品需要的特殊铆钉的综合性能要求，而且有效解决了铝合金线材因变形率不够导致的强度过低和冷拉变形率过高导致的加工硬化，从而产生镦制加工中出现开裂的情况。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同点是：步骤(1)中按质量分数Cu为4.1％、Mg为0.19％、Mn为0.45％、Si为0.13％、Ti为0.05％、Fe为0.15％和Zn为0.1％以及余量为Al称取纯铜锭、纯镁锭、铝锰合金锭、铝硅合金锭、铝钛硼晶粒细化剂、纯锌锭和纯铝锭。
其他步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同点是：所述的铝锰合金锭为Al-12％Mn合金，铝硅合金锭为Al-24％Si合金。
其他步骤与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同点是：步骤(2)中采用Ar-Cl2混合气精炼至每100g铝合金熔液中氢的体积小于0.2mL，Ar-Cl2混合气中Ar与Cl2的体积比为20：1。
其他步骤与具体实施方式三至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同点是：步骤(3)中将铝合金铸锭在510℃的温度条件下均匀化退火20h。
其他步骤与具体实施方式三至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同点是：步骤(3)中将铝合金线材在400℃的温度条件下中间退火2.5h。
其他步骤与具体实施方式三至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同点是：步骤(3)中将中间退火后的铝合金线材通过拉伸模具以40％的变形率进行冷拉。
本实施方式通过精准控制冷拉变形率，有效避免了铝合金线材因变形率不够导致的强度过低和冷拉变形率过高导致的加工硬化，从而产生镦制加工中出现开裂的情况。
其他步骤与具体实施方式三至八相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：一种Al-Cu-Mg铝合金线材的制备方法，按以下步骤完成：
(1)称取：按质量分数Cu为4.1％、Mg为0.19％、Mn为0.45％、Si为0.13％、Ti为0.05％、Fe为0.15％和Zn为0.1％以及余量为Al称取纯铜锭、纯镁锭、铝锰合金锭、铝硅合金锭、铝钛硼晶粒细化剂、纯锌锭和纯铝锭；所述的铝锰合金锭为Al-12％Mn合金，铝硅合金锭为Al-24％Si合金。
(2)熔炼、铸造、锯切和去皮：将步骤(1)中称取的纯铜锭、纯镁锭、铝锰合金锭、铝硅合金锭、铝钛硼晶粒细化剂、纯锌锭和纯铝锭加入到熔炼炉内，加热至735℃，并在735℃的温度条件下保温4h，然后采用Ar-Cl2混合气精炼至每100g铝合金熔液中氢的体积小于0.2mL，再静置25min后，得到铝合金熔液，Ar-Cl2混合气中Ar与Cl2的体积比为20：1；将铝合金熔液在温度为725℃、冷却水温度为25℃、冷却水强度为0.08MPa以及铸造速度为90mm/min的条件下进行铸造，得到直径为172mm的铸棒；将铸棒定尺锯切，得到长度为600mm的若干段铸棒，再去掉表面的氧化皮，得到直径为162mm的铝合金铸锭。
(3)退火、挤压、中间退火和拉伸：将步骤(2)中的铝合金铸锭在510℃的温度条件下均匀化退火20h，然后置于电阻加热炉内加热至390℃，再放入铝合金线材模具中，在挤压温度为390℃和挤压速度为0.03mm/s的条件下进行挤压，得到Ф10.5mm的铝合金线材；将铝合金线材在400℃的温度条件下中间退火2.5h，最后将中间退火后的铝合金线材通过拉伸模具以40％的变形率进行冷拉，得到Al-Cu-Mg铝合金铆钉线材。
本实施例制备的Al-Cu-Mg铝合金铆钉线材为H14态铝合金铆钉线材，线材实体尺寸和表面质量良好，工业生产中成型性能好，综合力学性能得到提高，通过GB/T228《金属材料室温拉伸性能试验方法》试验，测得H14态线材抗拉强度达到272MPa；T6态线材的抗拉强度达到400MPa，规定非比例延伸强度246Mpa，断后伸长率达到14％。通过GB/T3250《铝及铝合金铆钉线材与铆钉剪切试验方法及铆钉线铆接试验方法》试验，测得T6态线材的抗剪强度达到262Mpa。在将铆钉线材进行后续镦制加工的过程中，没有出现线材镦制开裂的问题。
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