一種鋁合金材料及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁合金材料，具體地說，涉及一種高強(qiáng)度、高韌性、高焊合性能的鋁合金材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于有色金屬材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]目前對高強(qiáng)度、高韌性、焊合性能高要求的鋁合金壓力管道、空調(diào)散熱器用多孔型扁平流管、軌道車輛的箱體均采用6063-T5鋁合金材料，其主要成分:Mg0.45?0.9%，S1.2?0.6%，其抗拉強(qiáng)度彡160Mp，屈服強(qiáng)度彡llOMPa，延伸率彡8%。普通6063-T5合金擠壓時(shí)采用風(fēng)冷淬火，冷卻速度受到限制，加之采用高溫時(shí)效硬化工藝，使其晶界兩側(cè)形成無析出區(qū)(PFZ)，如合金強(qiáng)度增高，則合金的脆性也隨之增加，導(dǎo)致材料的機(jī)械加工性能不足，無法滿足高強(qiáng)度、高韌性、焊合性能高壓力管道用鋁合金材料的要求。
[0003]由于鋁合金材料重量輕，表面經(jīng)陽極氧化處理后耐腐蝕性能好、美觀，使用壽命長，在壓力管道、空調(diào)散熱器用多孔型扁平流管、軌道車輛的箱體等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的6063合金，由于過剩硅及雜質(zhì)含量的影響，極易形成點(diǎn)狀的砂眼以及沿縱向或徑向分布的由于焊合不良產(chǎn)生的細(xì)小裂紋，迫切需要高強(qiáng)度、高韌性、焊合性能高的鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的6063合金。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高強(qiáng)度、高韌性、高焊合性能的鋁合金材料。
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供一種高強(qiáng)度、高韌性、高焊合性能的鋁合金材料的制備方法。
[0006]本發(fā)明的再一目的是提供一種高強(qiáng)度、高韌性、高焊合性能的鋁合金材料在制備成熱擠壓型材時(shí)的加工方法，該熱擠壓型材可應(yīng)用于壓力管道、空調(diào)散熱器用多孔型扁平流管、軌道車輛的箱體中。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明一種鋁合金材料，包括以下質(zhì)量百分含量的組分:Mg 為 0.55 ?L 0%, Si 為 0.40 ?0.80%, Bi 為 0.05 ?0.25%, Re 為 0.10 ?0.45%,余量為Al以及不可避免的雜質(zhì)。雜質(zhì)應(yīng)盡量減小在鋁合金材料中的含量，雜質(zhì)應(yīng)控制單個(gè)雜質(zhì)(0.05%，合計(jì)彡 0.15%。
[0008]所述鋁合金材料還包括Cu < 0.10%, Cr ( 0.10%, Fe ( 0.20%, Zn ( 0.10%,Ti ( 0.10%ο
[0009]所述Mg 為 0.60%, Si 為 0.45%, Bi 為 0.15%, Re 為 0.35%。
[0010]本發(fā)明一種鋁合金材料的制備方法，包括如下步驟:
I)熔鑄
先將45?100重量份的鋁硅中間合金、5?25重量份的鋁鉍中間合金、10?45重量份的鋁稀土中間合金和830?895重量份的鋁錠，一起加熱到720V?760°C熔化；然后加入5?10重量份的塊狀純鎂錠；再采用惰性氣體-熔劑混和精煉法對熔體進(jìn)行精煉，其中，惰性氣體采用純度不小于99.997%的高純氮?dú)猓蹌┎捎弥亓堪俜直确謩e為40%?50%的KCl,25%?35%的NaCl、18%?26%的Na3AlFgi成的粉狀熔劑，熔劑用量為1.5?2kg/t熔體重量比例，精煉溫度控制在710V?750°C，時(shí)間為25分鐘?30分鐘；精煉結(jié)束后，靜置25?35分鐘；在690°C?710°C溫度條件下進(jìn)行鑄造；
2)鑄棒均勻化處理
采用560°C?580°C均勻化處理溫度，保溫4?6.5小時(shí)出爐，采用風(fēng)冷加水霧冷卻方式進(jìn)行快速冷卻，使鑄棒于I?1.5小時(shí)冷卻到180°C以下；
其中，鋁硅中間合金中硅的重量百分比含量為11%?13% ;鋁鉍中間合金中鉍的重量百分比含量為9%?11% ;鋁稀土中間合金中硅的重量百分比含量為9%?11%。
[0011]本發(fā)明一種鋁合金材料，具有高強(qiáng)度、高韌性、高焊合性能的特點(diǎn)，可作為壓力管道、空調(diào)散熱器用多孔型扁平流管、軌道車輛的箱體結(jié)構(gòu)件的原材料。
[0012]本發(fā)明一種鋁合金材料在制備成熱擠壓型材時(shí)的加工方法，包括如下步驟:
1)擠壓工藝
將鋁合金鑄棒預(yù)加熱至480°C?520°C，模具加熱至440°C?460°C，保溫2?3.5小時(shí)；擠壓筒加熱至420°C?440°C，鋁合金型材出口溫度控制在525°C以上，采用強(qiáng)制風(fēng)冷，3分鐘冷卻到180°C以下；
2)時(shí)效工藝
采用低溫時(shí)效工藝，整個(gè)時(shí)效過程中，控制鋁合金型材的溫度150?170°C，保溫4?8小時(shí)。低溫時(shí)效工藝控制鋁合金型材在時(shí)效升溫過程中溫度的均勻性和爐膛溫度的溫差，形成細(xì)密、均勻、彌散的G.P.區(qū)，使鋁合金結(jié)晶狀態(tài)從無序不穩(wěn)定到有序穩(wěn)定，達(dá)到強(qiáng)度和韌性均衡的目的，從而獲得高強(qiáng)度、高韌性、焊合性能高的鋁合金型材。
[0013]本發(fā)明壓力管道、空調(diào)散熱器用多孔型扁平流管、軌道車輛的箱體結(jié)構(gòu)件的加工方法可采用本領(lǐng)域熱擠壓鋁合金型材的常規(guī)設(shè)備進(jìn)行。
[0014]本發(fā)明一種鋁合金材料是研究鎂和硅在材料中的配比，并在合金成分中引入微量的鉍元素和輕質(zhì)混和稀土元素，鉍和混和稀土元素能對鋁及鋁合金產(chǎn)生凈化、變質(zhì)和微合金化作用。鉍和混和稀土元素在鋁中的固溶度極低，大部分稀土元素會和其他元素及雜質(zhì)作用，生成彌散分布的高熔點(diǎn)化合物，對鋁合金熔體起精煉和凈化作用(凈化氣體和有害元素)，降低夾雜物的數(shù)量，還能改變夾雜物的形狀并使其重新分布，減小其有害影響，使粗大化合物球化，晶界凈化，對鑄態(tài)組織產(chǎn)生變質(zhì)作用，改善鋁合金的鑄造性能和后續(xù)加工性能?；旌拖⊥林形⒘緾e元素與添加的微量Bi元素原子發(fā)生包晶反應(yīng)生成的高熔點(diǎn)化合物CeBi作為異質(zhì)核心，從而使鋁的晶粒得到細(xì)化。同時(shí)稀土化合物以微小固態(tài)質(zhì)點(diǎn)存在于鋁合金熔液中，也為鋁合金結(jié)晶提供了大量的異質(zhì)核心，而其在結(jié)晶界面前沿的偏聚，既能阻礙晶粒長大，又能促進(jìn)枝晶的分支，提高了形核率和晶粒長大速率的比值，從而顯著細(xì)化了鑄態(tài)晶粒和枝晶組織，改善鋁合金的顯微組織。稀土元素還能使第二相的形狀、尺寸更加符合強(qiáng)化機(jī)制的要求，同時(shí)，稀土對鑄態(tài)組織的變質(zhì)作用也為合金的回復(fù)再結(jié)晶準(zhǔn)備條件。因此，鉍和輕質(zhì)混和稀土變質(zhì)劑既能對鑄態(tài)組織產(chǎn)生細(xì)化變質(zhì)作用，也能細(xì)化變形和熱處理組織，在鋁合金生產(chǎn)的幾個(gè)階段都產(chǎn)生組織微細(xì)化作用，同時(shí)材料熱擠壓成形后，Bi元素在快速冷卻過程中膨脹，有利于材料的焊合性能和消除熱擠壓型材頭尾端的收縮，從而獲得高強(qiáng)度、高韌性、高焊合性能的鋁合金材料的目的。
[0015]本發(fā)明鋁合金熱擠壓型材為新型Al-Mg-S1-B1-Re合金材料，合金材料保持高強(qiáng)度同時(shí)具備高韌性，并提高壓力管道、空調(diào)散熱器用多孔型扁平流管、軌道車輛箱體的焊合性能聞。具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明在Al-Mg-Si基礎(chǔ)上，引入微量Bi元素和輕質(zhì)混和稀土元素，輕質(zhì)混和稀土中微量Ce元素與添加的微量Bi元素原子發(fā)生包晶反應(yīng)生成高熔點(diǎn)化合物CeBi作為異質(zhì)核心，從而使鋁的晶粒得到細(xì)化。
[0016]2、稀土化合物以微小固態(tài)質(zhì)點(diǎn)存在于鋁合金熔液中，也為鋁合金結(jié)晶提供了大量的異質(zhì)核心，而其在結(jié)晶界面前沿的偏聚，既能阻礙晶粒長大，又能促進(jìn)枝晶的分支，提高了形核率和晶粒長大速率的比值，從而顯著細(xì)化了鑄態(tài)晶粒和枝晶組織，改善鋁合金的顯微組織。
[0017]3、控制熱擠壓型材模具出口的溫度在525°C以上，3分鐘強(qiáng)制風(fēng)冷到180°C以下，使新合金材料中的強(qiáng)化相Mg2Si在材料中完全固溶。
[0018]4、材料熱擠壓成形后，Bi元素在快速冷卻過程中膨脹，有利于材料的焊合性能和消除熱擠壓型材頭尾端的收縮。
[0019]5、本發(fā)明鋁合金材料與6063-T5的力學(xué)性能相比，抗拉強(qiáng)度從160MPa提高到260Mpa、屈服強(qiáng)度從IlOMPa提高到220MPa、延伸率從8%提高到10%以上。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0021]實(shí)施例1
本實(shí)施例一種鋁合金材料采用如下方法制備而成:
I)熔鑄
先將45公斤的鋁硅中間合金、10公斤的鋁鉍中間合金、26公斤的鋁稀土中間合金和880公斤的鋁錠，一起加熱到760°C熔化。其中，鋁硅中間合金中硅的重量百分比含量為12% ;鋁鉍中間合金中鉍的重量百分比含量為10% ;鋁稀土中間合金中硅的重量百分比含量為10%。然后加入5.8公斤的塊狀純鎂錠。再采用惰性氣體-熔劑混和精煉法對熔體進(jìn)行精煉。其中，惰性氣體采用純度不小于99.997%的高純氮?dú)?，熔劑采用重量百分比分別為40%的KC1、35%的NaCl、25%的Na3AlFgi成的粉狀熔劑，熔劑用量為1.5kg/t熔體重量比例，精煉溫度控制在750°C，時(shí)間為25分鐘。精煉結(jié)束后，徹底扒除鋁液表面的浮渣，靜置25分鐘。在700°C溫度條件下進(jìn)行鑄造。
[0022]2)鑄棒均勻化處理
采用570°C均勻化處理溫度，保溫5小時(shí)出爐，再采用風(fēng)冷加水霧冷卻方式進(jìn)行快速冷卻，使鑄棒于1.5小時(shí)冷卻到175°C。由此獲得高強(qiáng)度、高韌性、焊合性能高的鋁合金材料，其包括以下質(zhì)量百分含量的組分=Mg為0.55%，Si為0.50%, Bi為0.10%, Re為0.25%，Cu為 0.005%, Cr 為 0.005%, Zn 為 0.015%, Ti 為 0.007%，余量為 Al。
[0023]本實(shí)施例一種鋁合金材料加工壓力管道型材時(shí)的加工過程為:
I)擠壓工藝
將鋁合金鑄棒預(yù)加熱至500°C，模具加熱至445°C，保溫2小時(shí)；擠壓筒加熱至440°C，鋁合金型材出口溫度控制在530°C，采用強(qiáng)制風(fēng)冷，3分鐘冷卻到175°C。
[0024]2)時(shí)效工藝
采用低溫時(shí)效工藝，控制鋁合金型材的溫度在155°C，保溫8小時(shí)。
[0025]本實(shí)施例一種鋁合金材料的性能檢測數(shù)據(jù)如下:
抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率的檢測采用《GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，本發(fā)明一種鋁合金材料的性能為:抗拉強(qiáng)度(Rm) 265MPa，屈服強(qiáng)度(Rpa2) 235MPa，延伸率(A50) 13%。經(jīng)無損檢測鋁合金圓管的內(nèi)壁和外壁縱向和徑向均未發(fā)現(xiàn)裂紋。
[0026]實(shí)施例2
本實(shí)施例一種鋁合金材料采用如下方法制備而成:
I)熔鑄
先將45公斤的鋁硅中間合金、15公斤的鋁鉍中間合金、30公斤的鋁稀土中間合金和885公斤的鋁錠，一起加熱到740°C熔化。其中，鋁硅中間合金中硅的重量百分比含量為12% ;鋁鉍中間合金中鉍的重量百分比含量為10% ;鋁稀土中間合金中硅的重量百分比含量為10%。然后加入5.2公斤的塊狀純鎂錠。再采用惰性氣體-熔劑混和精煉法對熔體進(jìn)行精煉。其中，惰性氣體采用純度不小于99.997%的高純氮?dú)?，熔劑采用重量百分比分別為40%的KC1、35%的NaCl、25%的Na3AlFgi成的粉狀熔劑，熔劑用量為1.5kg/t熔體重量比例，精煉溫度控制在730°C，時(shí)間為25分鐘。精煉結(jié)束后，徹底扒除鋁液表面的浮渣，靜置30分鐘。在710°C溫度條件下進(jìn)行鑄造。
[0027]2)鑄棒均勻化處理
采用560°C均勻化處理溫度，保溫5.5小時(shí)出爐，再采用風(fēng)冷加水霧冷卻方式進(jìn)行快速冷卻，使鑄棒于1.2小時(shí)冷卻到175°C。由此獲得高強(qiáng)度、高韌性、焊合性能高的鋁合金材料，其包括以下質(zhì)量百分含量的組分=Mg為0.58%，Si為0.45%，Bi為0.15%，Re為0.30%，Cu 為 0.003%, Cr 為 0.