本发明公开了一种高强度高延伸率Al-Mg-Si-Cu合金材料及其制备方法,其特征在于:各合金元素按质量百分数的配比为:Mg0.85%-0.94%;Si0.58%-0.63%;Cu0.65%-0.72%;Mn0.18%-0.21%;杂质总含量≤0.1%;余量为铝。本发明通过合理选择合金元素,并严格控制元素含量,采用合理熔炼工艺以及快速凝固技术,并进行反复轧制和适宜的热处理,制备出了合金成分准确、显微组织均匀细小的Al-Mg-Si-Cu合金材料;且所获得的材料具有较高的塑性和强度,其抗拉强度不小于385MPa,延伸率不小于19.0%。
1.一种高强度高延伸率Al-Mg-Si-Cu合金材料的制备方法,其特征在于:所述Al-Mg-Si-Cu合金材料中各合金元素按质量百分数的配比为:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="459"/>杂质总含量≤0.1%;余量为铝;所述Al-Mg-Si-Cu合金材料的制备方法是按如下步骤进行操作:步骤1:制备合金铸锭1a、配料:按照Al、Mg、Si、Cu和Mn的质量百分比,称取金属Al、Al-Mg中间合金、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金及Al-Mn中间合金;1b、熔化:首先将金属Al、Al-Mn中间合金和Al-Si中间合金作为原料组A加入到预热至280°C的坩埚中,加热到730°C,恒温至原料组A软化下塌时,在原料组A表面撒上覆盖剂;继续恒温至原料组A完全熔化时,向原料组A中加入Al-Cu中间合金,并搅拌至Al-Cu中间合金完全熔化,获得熔体B;1c、加入Al-Mg中间合金:降温至690°C,向熔体B中加入Al-Mg中间合金,搅拌至Al-Mg中间合金完全熔化,获得熔体C;1d、精炼:升温至720°C,在熔体C中加入C₂Cl₆,将C₂Cl₆浸没于熔体C中至无黄色气体冒出,静置保温20min;1e、浇注:使用铜制铸造模具完成对熔体C的浇注,获得合金铸锭;步骤2:对合金铸锭进行均匀化处理均匀化处理条件为:均匀化温度550-570°C,保温时间9-13h,空冷;步骤3:塑性变形将均匀化处理后的合金铸锭在465°C条件下保温30min,然后在二辊热轧机上先热轧至3mm再冷轧至1mm,获得Al-Mg-Si-Cu合金板材;步骤4、对Al-Mg-Si-Cu合金板材进行热处理4a、固溶处理:将步骤3所获得的Al-Mg-Si-Cu合金板材加热到555-570°C,保温45min,然后水淬至室温,淬火转移时间不大于25s;4b、时效处理:将步骤4a所获得的Al-Mg-Si-Cu合金板材升温至185°C,保温5.5h,然后空冷至室温,即得Al-Mg-Si-Cu合金材料。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤1b中,在原料组A表面撒上覆盖剂的质量为配料总质量的0.5%。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤1c中,向熔体B中加入Al-Mg中间合金时,使用铝箔包裹Al-Mg中间合金。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤1d中加入C₂Cl₆的质量为配料总质量的0.5%。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤1e中浇注速度为70g/s。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤3所述塑性变形的具体步骤为:将均匀化处理后的合金铸锭在465°C条件下保温30min后,首先进行热轧,热轧每道次加工率不超过25%;然后进行退火;最后再进行冷轧,冷轧每道次加工率为10-20%,在冷轧进行一半道次时,再次退火后,再继续冷轧;所述退火的条件为:升温至415°C,保温2h,空冷至室温。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤1b完成后进行扒渣,然后再进行步骤1c;在步骤1c完成后先进行扒渣,然后再进行步骤1d;在步骤1d完成后先进行扒渣,然后再进行步骤1e。技术领域
本发明属于有色金属技术领域,具体涉及一种高强度高延伸率Al-Mg-Si-Cu合金材料及其制备方法
背景技术
节能、安全、舒适和环保是当今世界发展的主题,而轻量化是实现上述目标最有效的途径。6xxx系铝合金(Al-Mg-Si合金)密度小、焊接性能和抗蚀性优良、冲击韧性高且易于加工成型,是节能汽车和高速列车广泛采用的重要轻量化结构材料。Al-Mg-Si-Cu合金是在Al-Mg-Si合金的基础上发展起来的,相对于Al-Mg-Si合金具有优良的力学性能,在抗蚀性和成形性等方面也表现出良好综合性能,可以高速挤压成结构复杂、薄壁、中空的各种型材或锻造成结构复杂的锻件。因此,Al-Mg-Si-Cu合金逐渐成为材料科学工作者研究的热点。新世纪,随着科技的不断进步,交通和建筑等领域对铝合金材料的要求越来越高,传统的Al-Mg-Si-Cu合金已经不能满足强度和挤压性能等各方面的要求。如使用最广泛的6061、6063等铝合金,经过固溶时效处理后,抗拉强度都不超过320MPa,相比7xxx铝合金其强度较低;且延伸率在12%左右,塑性仍有待提高。现有研究表明,一般合金强度的提高会带来塑性的降低。因此,如何同时提高Al-Mg-Si-Cu合金的强度和塑性是当前材料领域的前沿问题。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处,从热处理条件改善、成分设计、制备工艺改进三个方面出发,提供一种Al-Mg-Si-Cu合金材料及其制备方法,以期望可以使Al-Mg-Si-Cu合金的强度和塑性同时提高。本发明解决技术问题,采用如下技术方案:本发明高强度高延伸率Al-Mg-Si-Cu合金材料,其特点在于:各合金元素按质量百分数的配比为:Mg0.85%-0.94%;Si0.58%-0.63%;Cu0.65%-0.72%;Mn0.18%-0.21%;杂质总含量≤0.1%;余量为铝。合金化是提高材料强度和塑性等综合性能的有效途径。其中,在Al-Mg-Si-Cu合金材料中,Mg和Si质量分数比为1.73:1时,可以使合金经固溶时效后基体中析出大量弥散的Mg₂Si强化相,在本发明中,Si有一部分过剩,可以中和杂质中Fe等的不良影响,同时细化Mg₂Si质点。合金中加入0.65%-0.72%的Cu,目的是改善合金在热加工时的塑性,增强热处理强化效果,提高延伸率;同时,合金中加入0.18%-0.21%的Mn,目的是通过形成弥散相阻止合金在后续变形过程中的再结晶,从而提高再结晶温度,显著细化再结晶晶粒,提高Al-Mg-Si-Cu合金的成形性能和强度。本发明Al-Mg-Si-Cu合金材料的制备方法,其特点在于按如下步骤进行操作:步骤1:制备合金铸锭1a、配料:按照Al、Mg、Si、Cu和Mn的质量百分比,称取金属Al、Al-Mg中间合金、Al-Si中间合金、Al-Cu中间合金及Al-Mn中间合金,作为配料;1b、熔化:首先将金属Al、Al-Mn中间合金和Al-Si中间合金作为原料组A加入到预热至280°C的坩埚中(坩埚预热的目的是去除水分,防止开裂),加热到730°C,恒温至原料组A软化下塌时,在原料组A表面撒上覆盖剂(覆盖剂是为防止原料组A与空气接触发生氧化,同时也为了减少进入原料组A的氧化膜);继续恒温至原料组A完全熔化时,向原料组A中加入Al-Cu中间合金,并搅拌至Al-Cu中间合金完全熔化,获得熔体B;在原料组A表面撒上覆盖剂的质量优选为配料总质量的0.5%。(0.5%为最优值,实验证明在0.5%-0.6%的区间内都可实现)为保证Al-Cu中间合金充分熔入原料组A中,使用工具将Al-Cu中间合金下压至坩埚底部,保证其完全浸没在熔化的原料组A中;为了防止产生局部过热,适当搅动坩埚内的熔体B,搅拌时先在坩埚底搅拌数分钟,然后再彻底均匀地搅拌熔体B,以使坩埚里各处温度均匀一致。1c、加入Al-Mg中间合金:降温至690°C(690°C为最优值,实验证明在680-700°C的区间内都可实现),向熔体B中加入Al-Mg中间合金,搅拌至Al-Mg中间合金完全熔化,获得熔体C;为防止Al-Mg中间合金的烧损,可以使用铝箔包裹并迅速将Al-Mg中间合金按入熔体B底部,再用覆盖剂对熔体B进行覆盖,减少镁的烧损。1d、精炼:升温至720°C,在原料组C中加入C₂Cl₆,将C₂Cl₆浸没于熔体C中至无黄色气体冒出,静置保温20min(使熔体C充分精炼,提高熔体C的纯净度);C₂Cl₆的质量优选为配料总质量的0.5%(0.5%为最优值,实验证明在0.5%-0.6%的区间内都可实现)。1e、浇注:使用铜制铸造模具完成对熔体C的浇注,获得合金铸锭;采用铜制铸造模具的降温速度快,在浇注时可以通入冷水以进一步提高冷却速度,浇注过程要快速平稳,浇注速度优选为70g/s。快速凝固可以细化晶粒,从而提高合金强度和塑性等性能,本发明铸造模具材料选用散热性能极好的黄铜,并通冷却水进一步提高冷却速度,从而大大细化铸态合金的晶粒。步骤2:对合金铸锭进行均匀化处理,以改善成分偏析均匀化处理条件为:均匀化温度550-570°C,保温时间9-13h,空冷;为防止均匀化退火会产生过烧组织,通过差热分析(DTA)确定合金铸锭的低共晶化合物熔点,由此制定均匀化退火条件,同时DTA也为后续固溶处理温度的制定提供了很好的参考标准。DTA所测的曲线如图1所示,本发明Al-Mg-Si-Cu合金材料的低共晶化合物熔点为580°C。因此确定均匀化条件为:均匀化温度550-570°C,保温时间9-13h,空冷。步骤3:塑性变形将均匀化处理后的合金铸锭在465°C条件下保温30min,然后在二辊热轧机上先热轧至3mm再冷轧至1mm,获得Al-Mg-Si-Cu合金板材;铸态产品有着天然的缺陷,如疏松和缩孔等,塑性变形可以使组织更加致密,性能得到改善。塑性变形的具体步骤为:将均匀化处理后的合金铸锭在465°C条件下保温30min之后,首先进行热轧,热轧每道次加工率不超过25%;然后进行退火;最后再进行冷轧,冷轧每道次加工率为10-20%,在冷轧进行一半道次时(若冷轧道次共n次,则n为偶数时,在完成n/2道次冷轧后先退火,再进行冷轧,若n为奇数,则在完成(n+1)/2道次冷轧后先退火,再进行冷轧),再次退火后,再继续冷轧;所述退火的条件为:升温至415°C,保温2h,空冷至室温。多次轧制的目的是:实现大塑性变形,将夹杂物击碎,有效地消除合金铸锭内部气孔和缩松等缺陷,同时在微观上使晶粒大小分布更均匀,并减少合金铸锭因冷却速度不均匀产生的内应力。步骤4、对Al-Mg-Si-Cu合金板材进行热处理4a、固溶处理:将步骤3所获得的Al-Mg-Si-Cu合金板材加热到555-570°C,保温45min,然后水淬至室温,淬火转移时间不大于25s;4b、时效处理:升温至185°C,保温5.5h,然后空冷至室温,即得Al-Mg-Si-Cu合金材料。合适的热处理条件可以进一步提高合金的强度;本发明通过DTA(差热分析)确定Al-Mg-Si-Cu合金的过烧温度,从而选择合适的固溶温度和保温时间,并制定合理的时效条件,保证第二相粒子充分固溶到Al基体,并在时效后弥散析出,进一步提高合金的强度。优选的,在步骤1b完成后进行扒渣,然后再进行步骤1c;扒渣前应先向熔体B上均匀撒入少量覆盖剂,以使渣与熔体B分离,减少带出的金属,扒渣要求平稳,防止渣卷入熔体B内。扒渣尽量彻底,以避免因浮渣造成的熔体B含气量增加,污染金属熔体。在步骤1c完成后先进行扒渣,然后再进行步骤1d;在步骤1d完成后先进行扒渣,然后再进行步骤1e。此外,在制备过程中,会不断有浮渣产生,可以多次进行扒渣,以减少熔体中杂质。与已有技术相比,本发明的有益效果体现在:1、本发明通过合理选择合金元素,并严格控制元素含量,采用合理熔炼工艺以及快速凝固技术,制备出了合金成分准确、显微组织均匀细小的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭;2、本发明通过合理的轧制工艺,实现大塑性变形,有效地消除铸锭内部气孔和缩松等缺陷,同时在微观上使晶粒大小分布更均匀,从而提高合金的综合性能;3、本发明采用差热分析,确定合理热处理工艺,使固溶时效态(T6态)Al-Mg-Si-Cu合金抗拉强度不小于385MPa,延伸率不小于19.0%,材料的性能有大幅度地提高;4、本发明原材料成本低,生产成本低,合金制备过程和热处理方式简单,易实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明Al-Mg-Si-Cu合金铸锭的DTA曲线图;图2为实施例1中Al-Mg-Si-Cu合金铸锭均匀化处理后的金相照片;图3为本发明Al-Mg-Si-Cu合金轧制过程每道次加工率示意图;图4为本发明Al-Mg-Si-Cu合金轧制过程总加工率示意图;图5为实施例1中Al-Mg-Si-Cu合金材料拉伸应力-延伸率曲线;图6为实施例2中Al-Mg-Si-Cu合金铸锭均匀化处理后的金相照片;图7为实施例2中Al-Mg-Si-Cu合金材料拉伸应力-延伸率曲线;图8为实施例3中Al-Mg-Si-Cu合金材料拉伸应力-延伸率曲线;图9为实施例4中Al-Mg-Si-Cu合金材料拉伸应力-延伸率曲线。具体实施例实施例1本实施例按如下步骤制备Al-Mg-Si-Cu合金材料:步骤1:制备合金铸锭1a、配料:按照97.6%Al、0.9%Mg、0.6%Si、0.7%Cu和0.2%Mn的质量百分比,称取1162.2g金属Al(纯度为99.99%)、23.2gAl-50.38%Mg中间合金、71.4gAl-10.92%Si中间合金、25gAl-10.4%Mn中间合金及18.2gAl-50.02%Cu中间合金,配料总质量为1300g;1b、熔化:首先将金属Al、Al-10.4%Mn中间合金和Al-10.92%Si中间合金作为原料组A加入到预热至280°C的石墨黏土坩埚中,加热到730°C,恒温至原料组A软化下塌时(本实施例为5分钟),在原料组A表面撒上6.5g覆盖剂;继续恒温至原料组A完全熔化时,向原料组A中加入Al-50.02%Cu中间合金,并搅拌至Al-50.02%Cu中间合金完全熔化,获得熔体B;然后进行扒渣,扒渣前应先向熔体B上均匀撒入少量覆盖剂(本实施例为3.5g),以使渣与熔体B分离,减少带出的金属,扒渣要求平稳,防止渣卷入熔体B内。扒渣尽量彻底,以避免因浮渣造成的熔体B含气量增加,污染金属熔体;1c、加入Al-Mg中间合金:降温至690°C,向熔体B中加入Al-50.38%Mg中间合金,搅拌至Al-50.38%Mg中间合金完全熔化,获得熔体C;然后进行扒渣,扒渣过程与步骤1b中相同;1d、精炼:升温至720°C,在熔体C中加入6.5gC₂Cl₆,将C₂Cl₆浸没于熔体C中至无黄色气体冒出,静置保温20min;然后进行扒渣,扒渣过程与步骤1b中相同;1e、浇注:使用铜制铸造模具完成对熔体C的浇注(浇注速度为70g/s),获得10mm厚的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭;为了确定合金铸锭的合金成分是否满足要求,采用LEEMANSPEC-E型电感耦合等离子体原子发射光谱仪对Al-Mg-Si-Cu合金铸锭进行成分检测,其主要成分见表1,说明本实施例采用的熔炼工艺能制备出成分满足设计要求的Al-Mg-Si-Cu合金铸锭。表1ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>步骤2:对合金铸锭进行均匀化处理本实施例的均匀化处理条件为570°C,保温9h,空冷;所得均匀化处理后合金铸锭的金相照片如图2所示;从图中可以看出,铸态组织中粗大的析出相质点已基本溶入基体中,同时在晶粒内出现了许多细小的析出相质点,均匀化效果良好。本发明的均匀化处理条件,一方面减少加热时间,降低能耗,提高生产效率,另一方面采用高温均匀化处理,可以消除Mn元素加入带来的晶内偏析的不利影响。步骤3:塑性变形将均匀化处理后的合金铸锭去除氧化皮和铣面,控制最终厚度为8mm,在465°C条件下保温30min,然后在二辊热轧机上先热轧成3mm后冷轧至1mm,获得Al-Mg-Si-Cu合金板材;具体过程为:首先进行热轧,热轧每道次加工率不超过25%;然后进行退火;最后再进行冷轧,冷轧每道次加工率为10-20%,在冷轧进行一半道次时,再次退火后,再继续冷轧;退火的条件为:升温至415°C,保温2h,空冷至室温。热轧和冷轧每道次加工率如图3所示;总加工率如图4所示。步骤4、对Al-Mg-Si-Cu合金板材进行热处理4a、固溶处理:将步骤3所获得的Al-Mg-Si-Cu合金板材加热到555°C,保温45min,然后水淬(即转移到水中进行冷却)至室温,淬火转移时间(即完成加热后从加热炉转移到水中的时间)不大于25s;4b、时效处理:升温至185°C,保温5.5h,然后空冷至室温,即得Al-Mg-Si-Cu合金材料。为测试本实施例所制备的Al-Mg-Si-Cu合金材料的力学性能,对其进行室温拉伸试验,结果如图5所示,从图中可以看出抗拉强度为403MPa,延伸率为19.7%,可作为高性能结构材料。本实施例所制备的Al-Mg-Si-Cu合金T6态力学性能和6061、6A02等常用铝合金T6态力学性能对比如表2所示。表2合金/力学性能
σ_b/MPa
σ_0.2/MPa
δ_S/%
实施例1
403
374
19.7
6061T6
310
276
12
6A02T6
330
280
16
6063T6
241
214
12
实施例2本实施例按与实施例1相同的步骤制备Al-Mg-Si-Cu合金材料,区别在于步骤2中的均匀化处理条件为550°C,保温13h,空冷;并且,步骤4a中的固溶处理温度为570°C。本实施例所得均匀化处理后合金铸锭的金相照片如图6所示;从图中可以看出,铸态组织中粗大的析出相质点已基本溶入基体中,同时在晶粒内出现了许多细小的析出相质点,均匀化效果良好。为测试本实施例所制备的Al-Mg-Si-Cu合金材料的力学性能,对其进行室温拉伸试验,结果如图7所示,从图中可以看出抗拉强度为387MPa,延伸率为19.0%,可作为高性能结构材料。实施例3本实施例按与实施例1相同的步骤制备Al-Mg-Si-Cu合金材料,区别在于步骤1a中按照97.74%Al、0.85%Mg、0.58%Si、0.65%Cu和0.18%Mn的质量百分比,称取1169.7g金属Al(纯度为99.99%)、21.9gAl-50.38%Mg中间合金、69.0gAl-10.92%Si中间合金、22.5gAl-10.4%Mn中间合金及16.9gAl-50.02%Cu中间合金进行配料,配料总质量为1300g;为了确定合金铸锭的合金成分是否满足要求,采用LEEMANSPEC-E型电感耦合等离子体原子发射光谱仪对Al-Mg-Si-Cu合金铸锭进行成分检测,其主要成分见表3,说明本实施例采用的熔炼工艺能制备出成分满足设计要求的Al-Mg-Si-Cu铸锭。表3ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>为测试本实施例所制备的Al-Mg-Si-Cu合金材料的力学性能,对其进行室温拉伸试验,结果如图8所示,从图中可以看出抗拉强度为404MPa,延伸率为21.8%,可作为高性能结构材料。实施例4本实施例按与实施例1相同的步骤制备Al-Mg-Si-Cu合金材料,区别在于步骤1a中按照97.5%Al、0.94%Mg、0.63%Si、0.72%Cu和0.21%Mn的质量百分比,称取1155.7g金属Al(纯度为99.99%)、24.3gAl-50.38%Mg中间合金、75gAl-10.92%Si中间合金、26.3gAl-10.4%Mn中间合金及18.7gAl-50.02%Cu中间合金进行配料,配料总质量为1300g;为了确定合金铸锭的合金成分是否满足要求,采用LEEMANSPEC-E型电感耦合等离子体原子发射光谱仪对Al-Mg-Si-Cu合金铸锭进行成分检测,其主要成分见表4,说明本实施例采用的熔炼工艺能制备出成分满足设计要求的Al-Mg-Si-Cu铸锭。表4ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>为测试本实施例所制备的Al-Mg-Si-Cu合金材料的力学性能,对其进行室温拉伸试验,结果如图9所示,从图中可以看出抗拉强度为408MPa,延伸率为25.7%,可作为高性能结构材料。