一种高强低屈强比6系铝合金及其制备方法
阅读说明：本技术 一种高强低屈强比6系铝合金及其制备方法 (High-strength low-yield-ratio 6-series aluminum alloy and preparation method thereof ) 是由 黄祯荣 黄铁明 冯永平 池海涛 刘金霞 张建雷 于 2020-11-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高强低屈强比6系铝合金及其制备方法,其组分及质量百分比为：Si1.31-1.4％,Fe0.01～0.45％,Cu0.1-0.2％,Mn0.7-0.85％,Mg0.7-1.0％,Ti0.15％～0.2％,Re≤0.12％,其余为Al。其中,Mg+Si+Mn含量为2.87％-3.1％,Re为Sc和Er其中一种或者两种的组合。制备方法包括以下步骤：1)合金熔炼及铸造；2)均匀化处理；3)挤压机在线淬火；4)时效热处理。本发明制备的铝合金强度高,屈强比低,提高了现有6系合金的安全性与可靠性。(The invention discloses a high-strength low-yield ratio 6 series aluminum alloy and a preparation method thereof, wherein the high-strength low-yield ratio 6 series aluminum alloy comprises the following components in percentage by mass: 1.31 to 1.4 percent of Si, 0.01 to 0.45 percent of Fe0.1 to 0.2 percent of Cu0.7 to 0.85 percent of Mn0.7 to 1.0 percent of Mg0.15 to 0.2 percent of Ti0.12 percent of Re and the balance of Al. Wherein, the content of Mg + Si + Mn is 2.87-3.1%, and Re is one or the combination of Sc and Er. The preparation method comprises the following steps: 1) alloy smelting and casting; 2) carrying out homogenization treatment; 3) online quenching of the extruder; 4) and (4) aging heat treatment. The aluminum alloy prepared by the method has high strength and low yield ratio, and improves the safety and reliability of the existing 6-series alloy.)
技术领域
本发明涉及6系铝合金领域，具体涉及一种高强低屈强比6系铝合金及其制备方法。
背景技术
6系铝合金因其良好的综合性能，应用的领域越来越宽，对其材料的性能要求也越来越高，然而绝大多数6系铝合金的屈强比较高。因此，6系铝合金结构件在达到屈服强度发生变形时，材料很快就失效，造成铝合金构件的安全性和可靠性降低。
本技术方案主要针对于目前6系铝合金的发展瓶颈，开发出一种既能提高6系铝合金强度又可以降低合金屈强比的方法。
发明内容
针对6系铝合金存在的不足，本发明提供一种高强低屈强比6系铝合金及其制备方法，本发明首先通过优化合金中Si、Mn和Mg元素的含量范围对6系铝合金成分进行优化设计，其次通过合金制备过程中工艺参数的精确控制和热处理工艺的配合，有效发挥了合金的形变强化作用，实现了一种高强低屈强比6系铝合金及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高强低屈强比6系铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Si:1.31-1.4％，Fe:0.01～0.45％，Cu:0.1-0.2％，Mn:0.7-0.85％，Mg:0.7-1.0％，Ti:0.15％～0.2％，Re≤0.12％，其余为Al，所述Mg+Si+Mn含量为2.87％-3.1％，所述Re为Sc和Er其中一种或者两种的组合。
优选的，所述高强低屈强比6系铝合金的组分及质量百分比为：Si:1.32％，Fe:0.45％，Cu:0.11％，Mn:0.85％，Mg:0.7％，Ti:0.15％，其余为Al。
优选的，所述高强低屈强比6系铝合金的组分及质量百分比为：Si:1.35％，Fe:0.35％，Cu:0.11％，Mn:0.8％，Mg:0.85％，Ti:0.15％，Sc:0.08％，其余为Al。
优选的，所述高强低屈强比6系铝合金的组分及质量百分比为：Si:1.4％，Fe:0.25％，Cu:0.11％，Mn:0.7％，Mg:1.0％，Ti:0.2％，Sc:0.04％，Er:0.08％，其余为Al。
一种如上所述的高强低屈强比6系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)根据铝合金各组分质量百分比进行配料，将炉温设定为850℃-890℃，依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁及铝硅中间合金，待上述全部融化后保温一段时间，加入镁锭和铝稀土中间合金；当温度至810℃～820℃时，搅拌后取样并调整成分；成分合格后，将炉料升温至825℃～835℃，加入精炼剂，并通入保护气氛进行除气除渣5min～250min；静置30-45min后，将所得合金液导入至铸盘，导入铸盘过程中加入Al-Ti-B细化剂，控制铸造速度为85mm/min～95mm/min，浇注成锭，得到铸锭A。
2)步骤1)中所得铸锭A置于均匀化热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理工艺参数为555℃～575℃，保温18h-36h；保温过程结束后强风冷却，冷却速率200℃/h-300℃/h；温度降低至235℃-265℃区间时，空冷至室温，得到铸锭B。
3)将步骤2)所得铸锭B预热，预热温度为510℃-520℃，预热过程采用感应加热装置进行，预热时间不超过20min，将工模具预热，预热温度为470℃～480℃，将挤压机预热，预热温度为440℃～450℃。控制型材出口速度为5.0m/min-5.5m/min，保证挤压出口温度为530℃-540℃，随后挤压型材经过强风冷冷却，冷却速率为10℃/s-12℃/s，冷却至150℃-180℃后，空冷至室温，得到铝合金型材。
4)将步骤3)中所得铝合金的挤压材进行预拉伸，拉伸率控制为1.5％-2.5％，拉伸后进行人工时效处理，时效处理工艺为165℃-185℃，保温时间为6h-12h。
本发明的合金配方中选用的Si元素除了一部分与Mg元素形成MgSi沉淀相以外，还要一部分Si独立发挥强化作用，增强合金力学性能。因此合金中的Mg/Si比控制在0.5～0.8之间，其中，Si的合金元素质量含量为1.3％～1.4％之间，Mg的合金元素含量为0.7％-1.0％之间。
Mn是一种有效的强化铝合金力学性能的合金元素。其中Mn元素会与Al形成AlMn6，能够有效的发挥强化的作用，以便配合Si和Mg元素实现铝合金的高强度，因此，在本技术方案中进一步限定了Mg+Si+Mn含量为2.87％-3.1％。
要想实现高强度必须保证以下三个方面全部实现，第一，保证Mg、Si和Mn元素全部固溶于铝基体中，因此，合金的均匀化处理工艺参数为555℃～575℃，保温18h-36h；保温过程结束后强风冷却，冷却速率200℃/h-300℃/h；温度降低至235℃-265℃区间时，空冷至室温。保温过程保证了Mn、Si和Mg元素全部回溶于基体中，而强风冷却速率为200℃/h-300℃/h，保证了铸锭快速降温，Mn、Si和Mg不会以第二相形式析出。同时，挤压过程中铸棒的预热时间小于20min，这表示铸棒的加热速率极快，能够有效的减少合金中第二相的析出。第二，保证合金在线淬火过程中合金元素的充分固溶，型材挤出前的工序已经保证了主要合金元素Mg、Si和Mn不会以第二相的的形式析出，因此在线淬火过程中保证合金型材的出口速度，在线淬火的冷却速率和其他工艺参数配合的条件下可以实现此目标。同时要注意，合金出口速度过低，会导致合金淬火速率不足，而合金出口速度过快，合金型材的表面质量和尺寸精度又难以控制，并且合金型材在制备过程中还必须注意型材应力的释放，否则会发生型材的翘曲和变形而导致型材报废。故挤压的工艺和在线淬火工艺如下：型材出口速度为5.0m/min-5.5m/min，保证挤压出口温度为530℃-540℃，随后挤压型材经过强风冷冷却。第三、保证合金时效过程中的析出相尺寸小于25nm。析出相能够强化合金的主要原理就是阻碍位错运动，合金中晶格畸变程度越大，阻碍作用越大，而当合金中Mg2Si等析出相长大至25nm后，析出相与铝合金基体的共格程度会显著增加，导致晶格的畸变程度降低。因此，合理控制合金淬火后的处理过程也是非常重要的。故淬火后合金的工艺设定为：挤压材进行预拉伸，拉伸率控制为1.5％-2.5％，拉伸后进行人工时效处理，时效处理工艺为165℃-185℃，保温时间为6h-12h。由此看出，保证三个方面的析出过程就会实现合金的最大抗拉强度，充分的发挥合金中Mn、Si和Mg的合金化效果。
此外，尽管实现以上技术方案可以完全发挥合金沉淀相对屈服强度和抗拉强度的贡献，但是依旧不能使合金的强度高于400MPa。因此，必须发挥合金结构强化的作用，保证合金的强度超过400MPa以上，同时不提高合金的屈服强度，降低合金的屈强比。故在合金在线淬火过程中，冷却速率为10℃/s-12℃/s，且控制合金的冷却至150℃-180℃后空冷。在此工艺下，合金内部的织构组织和结构特征不会因为回复再结晶的过程而消失，同时注意到合金中Mn含量较高，在0.7％-0.85％之间，除了Mn元素对合金的强度贡献之外，更主要的也是抑制合金的再结晶过程，使合金的结构特征在淬火后得以最大程度的保留。
另外，稀土元素是强化合金性能的重要元素，能够有效的改善合金的综合性能，本技术方案中稀土元素加入量不多，考虑的主要目的是进一步提高合金的力学性能，而且稀土的成分也主要是Sc和Er，成本相对于全Sc来说要相对降低很多，因此，合金的成本是可控的。另外最主要的是，Sc和Er能够有效地发挥细化晶粒的作用和弥散强化作用，可以配合Mn元素和在线淬火工艺，最终实现合金的高强性能。
本发明的技术效果是：本发明技术方案中首先进行合金成分的优化配制，尤其是Mn、Mg和Si元素的含量，同时包括了Sc和Er元素含量，保证合金高强度和低屈强比的基础。同时在合金型材制备过程中严格控制合金熔铸、挤压和热处理的工艺参数，最终实现了合金高强度、低屈强比的特征，增加了合金应用的可靠性，扩大了合金的应用范围。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
一种高强低屈强比6系铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Si:1.32％，Fe:0.45％，Cu:0.11％，Mn:0.85％，Mg:0.7％，Ti:0.15％，其余为Al，所述Mg+Si+Mn含量为2.87％。
一种如上所述的高强低屈强比6系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)根据铝合金组分质量百分比进行配料，将炉温设定为850℃，依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁及铝硅中间合金，待上述全部融化后保温一段时间，加入镁锭和铝稀土中间合金；当稳定至815℃时，搅拌后取样并调整成分；成分合格后，将炉料升温至830℃，加入精炼剂，并通入保护气氛进行除气除渣5min；静置30min后，将所得合金液导入至铸盘，导入铸盘过程中加入Al-Ti-B丝细化剂，控制铸造速度为85mm/min，浇注成锭，得到铸锭A。
2)步骤1)中所得铸锭A置于均匀化热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理工艺参数为555℃，保温36h；保温过程结束后强风冷却，冷却速率200℃/h；温度降低至235℃区间时，空冷至室温，得到铸锭B。
3)将步骤2)所得铝合金铸锭B预热，预热温度为510℃，预热过程采用感应加热装置进行，预热时间不超过20min，将工模具预热，预热温度为470℃，将挤压机预热，预热温度为440℃。控制型材出口速度为5.0m/min，保证挤压出口温度为530℃，随后挤压型材经过强风冷冷却，冷却速率为10℃/s，冷却至150℃后，空冷至室温，得到铝合金型材。
4)将步骤3)中所得铝合金的挤压材进行预拉伸，拉伸率控制为1.5％，拉伸后进行人工时效处理，时效处理工艺为165℃，保温时间为12h。
实施例2
一种高强低屈强比6系铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Si:1.35％，Fe:0.35％，Cu:0.11％，Mn:0.8％，Mg:0.82％，Ti:0.15％，Sc:0.08％，其余为Al，所述Mg+Si+Mn含量为2.97％，。
一种如上所述的高强低屈强比6系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)根据铝合金组分质量百分比进行配料，将炉温设定为870℃，依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁及铝硅中间合金，待上述全部融化后保温一段时间，加入镁锭和铝稀土中间合金；当温度至810℃时，搅拌后取样并调整成分；成分合格后，将炉料升温至825℃，加入精炼剂，并通入保护气氛进行除气除渣5min～250min；静置45min后，将所得合金液导入至铸盘，导入铸盘过程中加入Al-Ti-B丝细化剂，控制铸造速度为95mm/min，浇注成锭，得到铸锭A。
2)步骤1)中所得铸锭A置于均匀化热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理工艺参数为575℃，保温18h；保温过程结束后强风冷却，冷却速率300℃/h；温度降低至265℃区间时，空冷至室温，得到铸锭B。
3)将步骤2)所得铝合金铸锭B预热，预热温度为520℃，预热过程采用感应加热装置进行，预热时间不超过20min，将工模具预热，预热温度为480℃，将挤压机预热，预热温度为450℃。控制型材出口速度为5.0m/min，保证挤压出口温度为535℃，随后挤压型材经过强风冷冷却，冷却速率为11℃/s，冷却至180℃后，空冷至室温，得到铝合金型材。
4)将步骤3)中所得铝合金的挤压材进行预拉伸，拉伸率控制为2.5％，拉伸后进行人工时效处理，时效处理工艺为185℃，保温时间为6h。
实施例3
一种高强低屈强比6系铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Si:1.4％，Fe:0.25％，Cu:0.11％，Mn:0.7％，Mg:1.0％，Ti:0.2％，Sc:0.04％，Er:0.08％其余为Al，所述Mg+Si+Mn含量为3.1％。
一种如上所述的高强低屈强比6系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)根据铝合金组分质量百分比进行配料，将炉温设定为890℃，依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁及铝硅中间合金，待上述全部融化后保温一段时间，加入镁锭和铝稀土中间合金；当温度至820℃时，搅拌后取样并调整成分；成分合格后，将炉料升温至835℃，加入精炼剂，并通入保护气氛进行除气除渣5min～250min；静置40min后，将所得合金液导入至铸盘，导入铸盘过程中加入Al-Ti-B丝细化剂，控制铸造速度为90mm/min，浇注成锭，得到铸锭A。
2)步骤1)中所得铸锭A置于均匀化热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理工艺参数为565℃，保温22h；保温过程结束后强风冷却，冷却速率250℃/h；温度降低至250℃区间时，空冷至室温，得到铸锭B。
3)将步骤2)所得铝合金铸锭B预热，预热温度为515℃，预热过程采用感应加热装置进行，预热时间不超过20min，将工模具预热，预热温度为475℃，将挤压机预热，预热温度为445℃。控制型材出口速度为5.5m/min，保证挤压出口温度为540℃，随后挤压型材经过强风冷冷却，冷却速率为12℃/s，冷却至165℃后，空冷至室温，得到铝合金型材。
4)将步骤3)中所得铝合金的挤压材进行预拉伸，拉伸率控制为2％，拉伸后进行人工时效处理，时效处理工艺为175℃，保温时间为9h。
对比例1
与实施例1相比，对比例1中Mn元素含量为0.6％，Mg+Si+Mn含量为2.62％。其余与实施例1相同。
对比例2
与实施例2相比，对比例2中步骤3)铸锭预热温度为490℃，工模具预热温度为450℃，挤压机预热温度为420℃，并控制型材出口速度为3.0m/min，其余与实施例2相同。
对比例3
与实施例3相比，对比例3中步骤4)的时效处理工艺为200℃，保温时间为15h，其余与实施例3相同。
对比例4
与实施例3相比，对比例4步骤1)中炉料升温至805℃后加入精炼剂，其余与实施例3相同。
下表所示分别为本发明实施例1～3和对比例1～4中制备的铝合金型材的抗拉强度、屈服强度和屈强比比较，结果如下：
序号
抗拉强度/MPa
屈服强度MPa
屈强比/％
实施例1
402
281
72.4
实施例2
411
297
72.3
实施例3
415
298
71.8
对比例1
328
276
84.1
对比例2
337
282
83.7
对比例3
335
285
85.1
对比例4
331
295
89.1
实施例1-3中得到的铝合金型材，其抗拉强度均在400MPa以上，且屈强比低，体现出该材料成分设计和制备工艺的合理性，尤其与现有的6系铝合金材料相比较，优势非常明显。与实施例1相比，对比例1中Mn元素含量降低，Mg+Si+Mn含量低于2.87％，最后结果显示，该方法制备的铝合金型材屈服强度虽然相差不大，但抗拉强度明显偏低，使得屈强比偏高，这说明Mn元素含量过低，不能很好地配合Mg和Si元素进而有效的发挥合金强化的作用。与实施例2相比，对比例2中型材的挤压温度降低了，且挤压出口速度控制为3.0m/min，挤压时效后结果表明：该方法制备的铝合金型材强度不高，这是因为挤压出口速度偏低，使得型材出口温度不高，进而使得合金元素在在线淬火过程中固溶不充分，导致合金强度不高。与实施例3相比，对比例3中时效工艺为200℃，保温15h，性能结果表明，在该时效制度下，合金中的析出相长大，且尺寸大于25nm，析出相与铝合金基体的共格程度增加，使得晶格畸变程度降低，位错运动的阻碍减小，导致未充分发挥合金中Mn、Si和Mg的合金化效果。与实施例3相比，对比例4中铸造温度降低了，合金的强度也大幅度降低，屈强比明显变大，这是因为铸造温度的降低，导致熔体黏度增加，补缩条件变坏，疏松、氧化膜等缺陷增多，从而影响了合金的性能。
通过以上的对比结果可以看出，通过本发明方法制备的高强低屈强比的6系铝合金材料是一种安全性更高、应用范围更广的材料。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明的保护范围。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。
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