一種6A02合金棒材及其生產工藝的製作方法

2023-07-02 08:35:06

本發明涉及鋁合金加工
技術領域：
，具體而言，涉及一種6A02合金棒材及其生產工藝。
背景技術：
：6A02合金屬於Al-Mg-Si系鋁合金，可進行熱處理強化，具有中等強度和良好的焊接性能、耐腐蝕性，淬火和時效後具有較好的可塑性和切削加工性，主要用於電力和結構工程工業。對於直徑在150mm以下(若非圓棒則指內切圓直徑)的6A02合金棒材而言，按照行業內現有的6A02-T6棒材生產技術，得到的棒材的抗拉強度一般為295MPa～340MPa，布氏硬度也在95HB以下。這些抗拉強度不高、硬度偏低的棒材因存在機加工粘刀、強度不夠等問題，不能滿足更加苛刻的使用要求，而如此，就直接制約了6A02合金棒材的使用範圍。基於此，李念奎等人在發明專利《一種6A02鋁合金的熱處理方法》中提出了一種6A02鋁合金的固溶淬火工藝和時效熱處理工藝，能夠使6A02合金的布氏硬度達到120HB以上。但即使布氏硬度提高了，卻仍然可能存在抗拉強度較低、易斷裂等情況，綜上，如何提高6A02合金的綜合性能才是關鍵。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種6A02合金棒材的生產工藝，此生產工藝能夠製得抗拉強度高、布氏硬度高的6A02合金棒材。本發明的另一目的在於提供一種6A02合金棒材，其綜合性能好，適用範圍廣。本發明解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的：一種6A02合金棒材的生產工藝，包括：加料熔煉步驟：將800～820℃的鋁液與固體料混合，待溫度降至750～770℃時加入配料，攪拌熔煉10～20min後扒渣，得到熔煉物；其中，固體料是與鋁液原料的合金牌號相同的鋁廢料，鋁液與固體料的質量比為100：15～20，配料為生產6A02合金棒材必須的其他合金元素原料；精煉步驟：將熔煉物與精煉劑混合，在730～750℃下精煉15～20min，精煉劑與熔煉物的質量比0.1～0.3：100；優化步驟：保持精煉後的熔體的溫度為715～725℃，利用純度在99.9％以上的保護氣體自熔體的底部由下往上吹氣除氫，然後進行熔體過濾；其中，保護氣體選自氮氣、惰性氣體中的一種或多種，保護氣體的壓力為0.2～0.6MPa、流量為5～6m3/h；鑄造步驟：對熔體進行鑄造，鑄造溫度為710～720℃，鑄造時所用的鑄造模具的外部水冷；後處理步驟：去除鑄造得到的鑄錠的表面偏析層，然後進行加熱擠壓、淬火、人工時效處理。另外，一種6A02合金棒材，是通過上述的6A02合金棒材的生產工藝製得。相對於現有技術，本發明包括以下有益效果：本發明先利用高溫鋁液的熱量熔化固體料，在此過程中，一方面可以達到降低鋁液溫度、將鋁液中的氣體初步除去的目的，另一方面，還可為後期鑄錠的結晶過程提供晶核，增加形核能力，提高晶粒度。緊接著，根據需要生產的合金棒材，按量加入配料，之後精煉、優化，優化過程中，由於保護氣體從下往上吹氣，所以會在熔體中產生大量彌散的細小起泡，而這些細小起泡就能夠帶出、從而除去熔體中含有的含氫氣體以及氧化夾雜物。而繼續進行的鑄造操作，由於採用外部水冷的冷凝鑄造技術，所以鑄造效果好，得到的鑄錠的質量高，而為了消除組織缺陷，又去除了鑄錠的表面偏析層，通過後續操作，得到綜合性能好，質量高的6A02合金棒材。利用本發明提供的生產工藝製得的6A02合金棒材能達到以下指標：抗拉強度≥340MPa，斷後伸長率≥8％，布氏硬度≥95HB。合金棒材強度得到顯著提升，遠高於國標要求，通過本發明提供的工藝，能夠批量穩定生產高強度的6A02合金棒材，實用性高，適合大範圍推廣。具體實施方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。下面對本發明實施例的6A02合金棒材及其生產工藝進行具體說明。6A02合金棒材的生產工藝包括步驟S1，加料熔煉：將800～820℃的鋁液與固體料混合，待溫度降至750～770℃時加入配料，攪拌熔煉10～20min後扒渣，得到熔煉物；其中，固體料是與鋁液原料的合金牌號相同的鋁廢料，鋁液與固體料的質量比為100：15～20，配料為生產6A02合金棒材必須的其他合金元素原料。在實際操作中，鋁液可以是電解得到的鋁液，根據電解鋁液的預分析結果選擇合適的鋁電解槽進行出鋁，然後將電解鋁液從電解槽抽至真空抬包中運至鑄造車間倒入熔煉爐內，再加入固體料。如此，生產流程一條線，因為電解而可以將得到的鋁液轉運後投入生產應用，與固體料混合，而無需再將鋁液凝固、轉移、再熔化，簡化了生產工藝，降低了生產能耗。固體料只要是與鋁液原料的合金牌號相同的鋁廢料均可，而鋁廢料可以選自重熔用鋁錠、鑄錠鋸切頭尾料、熱軋厚板切頭尾料中的一種或多種。待鋁液與固體料的混合物降溫至750～770℃(優選767～770℃)時，根據要生產製造的合金棒材來進行配料，加入熔煉爐中。配料選自鋁合金元素添加劑(如Cu元素添加劑、Mn元素添加劑等)、Al-Fe中間合金、Al-Cu中間合金、Al-Si中間合金、Mg錠中的一種或多種。加入配料後，充分攪拌熔煉，然後扒渣，取樣做快速分析，若成分符合所配製鋁合金的成分要求，即將扒渣後得到熔煉物轉入靜置爐中，進行後續精煉處理。在步驟S1中，通過降溫、攪拌扒渣等處理，可使熔煉物中的氫含量降低。在此需要說明的是，本領域的技術人員公知，由於生產的合金棒材的不同，配料的具體成分以及用量會存在差異，所以在此並不做限定。另外，扒渣為本領域的常見操作，即為去除液體表面浮渣，所以在此不再贅述。6A02合金棒材的生產工藝還包括步驟S2，精煉：將熔煉物與精煉劑混合，在730～750℃下精煉15～20min，精煉劑與熔煉物的質量比0.1～0.3：100。在精煉步驟中，將熔煉物與精煉劑混合精煉的方法為噴粉精煉法，具體操作為：可以將需要精煉的熔煉物倒入靜置爐中，然後將粉狀的精煉劑裝入噴粉罐，將「T」型精煉器和噴粉罐連接牢固，插入靜置爐的熔煉物中，打開氣體瓶氣閥，操作「T」型精煉器在靜置爐中來回移動。其中，氣體瓶中裝的是純度在99.9％以上(優選在99.99％以上)的保護氣體，選自氮氣、惰性氣體中的一種或多種，氣體瓶中的壓力為0.2～0.6MPa，噴出氣體的流量為5～6m3/h。利用噴粉精煉法來進行精煉，效果非常好。這是因為摻雜著粉狀精煉劑的氣泡進入熔煉物後，粉狀精煉劑熔化，以液體熔劑膜的形式包裹在氣泡表面，將氣泡表面的氧化膜溶解、吸附，使其瓦解。這時氫從熔煉物中經熔劑膜進入氣泡中的速度要比經氧化膜進入氣泡中的速度快得多，同時也防止了熔煉物與保護氣體中水分的直接接觸。另一方面，由於熔劑膜提高了氣泡表面的活性，加強了吸附除渣的能力，所以也使得除渣效果顯著提高，氧化夾雜量顯著降低。測量數據表明，通過本發明的爐內精煉處理，可使熔煉物中的氫含量降到0.3mL/100gAl～0.4mL/100gAl。而由於上述精煉過程中通入了保護氣體，經過上述處理後，要滿足澆鑄的需求，還可以進行改進，即在利用噴粉精煉法將熔煉物與精煉劑混合精煉之後，精煉步驟還包括：在混合精煉後的熔體表面撒施覆蓋劑，靜置10～15min，覆蓋劑與熔體的質量比為0.2～0.4：100。本發明中，覆蓋劑優選主要成分為KCl、MgCl2和CaF2的覆蓋劑。由於前面操作中，熔煉物中通入了氣體，氣體帶出了廢渣，在精煉完後，這些廢渣浮動於得到的熔體的表面，而往熔體表面撒施覆蓋劑，就能夠使表面浮動的廢渣沉降到靜置爐底部，後期需要把熔體倒出進行處理或者澆鑄時，廢渣就被留在了靜置爐底部，如此，就去除了廢渣。由於精煉劑為本領域技術人員公知並且常用的產品，其選擇又不做限制，所以在此不再一一舉例，本發明中，優選煙臺興鋁金屬材料有限公司生產的精煉劑。6A02合金棒材的生產工藝還包括步驟S3，優化：保持精煉後的熔體的溫度為715～725℃，利用純度在99.9％以上(優選在99.99％以上)的保護氣體自熔體的底部由下往上吹氣來除氫，然後進行熔體過濾；其中，保護氣體選自氮氣、惰性氣體中的一種或多種，保護氣體的壓力為0.2～0.6MPa、流量為5～6m3/h。在利用保護氣體由下往上吹氣時，可以利用高速旋轉的石墨轉子噴嘴從熔體底部吹入保護氣體，如此，可以在熔體表面不發生翻滾的情況下產生大量彌散、高速的細小氣泡。由於旋轉噴嘴的強烈攪拌作用，強化了氣泡在整個熔池內的擴散，從而有效的增大了氣體和液體接觸界面，促進了氣液接觸界面的更新，顯著改善了浮遊法淨化熔體的動力學條件。同時，由於細小氣泡在熔體中的上升速度緩慢，在離心力和上浮力的聯合作用下，氣泡在熔池中沿螺旋狀路徑上升，延長了氣液接觸作用的時間，從而更有效的除去熔體中的氫，在除氣同時，在浮選原理的作用下，氧化夾雜物也得到一定程度的除去。測量數據表明，採用本發明提供的方法優化除氫後，熔體中的氫含量降到0.17mL/100gAl～0.21mL/100gAl，淨化效率為46～51％。而在優化步驟中，進行熔體過濾具體為：將35～45ppi的泡沫陶瓷板加熱至600～750℃，然後過濾熔體。熔體過濾的方法有多種，優選利用泡沫陶瓷板(泡沫陶瓷過濾板)過濾，利用加熱後的泡沫陶瓷板對熔體進行過濾，既能夠避免泡沫陶瓷板的堵塞，又達到了有效去除熔體夾雜物的目的。此外，根據渣氣伴生的原理，在除去夾雜物的同時，熔體中的氫也會進一步下降，本發明中，採用泡沫陶瓷過濾板過濾後，熔體中的氫含量能夠降至0.12mL/100gAl～0.14mL/100gAl。其中，ppi是指每英寸多孔泡沫陶瓷板上網孔的個數。在合金成分允許的情況下，在優化步驟中，進行熔體過濾之後，還可以還包括：往熔體中加入變質劑，熔體與變質劑的質量比為100：0.01～0.03。加入變質劑能夠改善結晶過程，優選利用Al-Ti-B作為變質劑。6A02合金棒材的生產工藝還包括步驟S4，鑄造：對熔體進行鑄造，鑄造溫度為710～720℃，鑄造時所用的鑄造模具的外部水冷。鑄造時優選採用wagstaff鑄造技術，冷凝鑄造鑄錠。在不影響表面質量情況下，整個鑄造過程應儘量保持低溫、低液面和低速度。在鑄造過程中，還應根據鑄錠的表面質量和不同的鑄造階段，對鑄造速度和冷卻強度(水量、水壓)等適時做出適當調整。6A02合金棒材的生產工藝還包括步驟S5，後處理：去除鑄造得到的鑄錠的表面偏析層，然後進行加熱擠壓、淬火、人工時效處理。後處理步驟具體包括：去除鑄造得到的鑄錠的表面偏析層(鑄錠表面偏析層的單邊去除量應保持在3mm以下)，然後將鑄錠切割為短棒，加熱至450～470℃後進行正向擠壓，正向擠壓的速度為1～3m/min，再將短棒進行淬火、拉伸，在150～160℃下保溫7～9h，空冷後進行檢測。鑄錠表面質量要求高，去除鑄造得到的鑄錠的表面偏析層，能夠消除組織缺陷。鑄錠的表面粗糙度優選在Ra12.5以下，同時需保證鑄錠外表面的清潔。鑄錠經低倍檢驗合格後，可以切成Φ410×700mm-1500mm的短棒。然後採用工頻感應爐加熱短棒，控制溫度梯度為5～10℃/100mm。可以利用55MN擠壓機上進行擠壓，擠壓工藝參數見表一，擠壓模具工作帶寬度控制在5mm～10mm，生產出製品。製品從模孔流出後，控制製品出口溫度金屬溫度不低於460℃時，牽引拉伸，牽引速度與製品擠壓速度同步，弱風冷。表一擠壓工藝參數擠壓完畢，淬火時可以將棒材坯料置於空氣爐中進行，淬火溫度為510～530℃，保溫時間為180～220min。後處理步驟中，在淬火之後，在人工時效處理之前，還包括拉伸。拉伸能夠矯直產品，消除擠壓及淬火過程中所產生的殘餘應力。在拉伸矯直前後應進行尺寸測量，以滿足材料的尺寸公差要求。為了提高材料的力學性能，材料須在人工時效爐進行人工時效，其溫度為150～160℃，保溫7.5～8.5h，出爐空冷。材料經採用上述方法處理後，再取樣進行顯微組織、硬度、性能檢測，得到6A02合金棒材。本發明還提供了6A02合金棒材，是通過上述的6A02合金棒材的生產工藝製得。按重量百分數計，成分包括：Si0.9～1.10％、Fe0.20～0.40％、Cu0.40～0.55％、Mn0.20～0.30％、Mg0.60～0.80％、Zn≤0.20％、Ti≤0.15％、其餘雜質≤0.15％(其中，單個雜質≤0.05％)以及Al餘量。以下結合實施例對本發明的特徵和性能作進一步的詳細描述：實施例一本實施例要製備的6A02合金棒材，按重量百分數計，成分包括：Si1.0％、Fe0.4％、Cu0.5％、Mn0.3％、Mg0.75％、Zn0.2％、Ti0.15％、其餘雜質0.15％以及Al餘量。其生產工藝包括以下步驟：步驟S1：根據要製備的6A02合金棒材進行配比計算，將820℃的鋁液與重熔用鋁錠混合，待二者的混合物的溫度降至770℃時加入計算好的Cu元素添加劑、Mn元素添加劑、Si元素添加劑、Mg元素添加劑，攪拌熔煉20min後扒渣，得到熔煉物；其中，鋁液與重熔用鋁錠的質量比為100：20；步驟S2：將熔煉物與精煉劑(煙臺興鋁金屬材料有限公司生產)混合，在750℃下精煉20min，精煉劑與熔煉物的質量比0.3：100；步驟S3：保持精煉後的熔體的溫度為725℃，利用純度為99.9％的氮氣自熔體的底部由下往上吹氣，然後將45ppi的泡沫陶瓷板加熱至750℃，過濾熔體；其中，氮氣的壓力為0.6MPa、流量為6m3/h；步驟S4：利用wagstaff鑄造技術對熔體進行鑄造，鑄造溫度為720℃，鑄造時所用的鑄造模具的外部水冷；步驟S5：去除鑄造得到的鑄錠的表面偏析層並且表面偏析層的單邊去除量保持為3mm，接著將鑄錠切割為Φ410×1500mm的短棒，加熱至470℃後進行正向擠壓，正向擠壓的速度為3m/min，然後將短棒置於530℃進行淬火，保溫220min，再拉伸，在160℃下保溫9h實現人工時效，空冷後進行檢測。本實施例製得的6A02合金棒材符合成分和性能要求，其抗拉強度為340MPa，斷後伸長率為9％，布氏硬度為95HB。實施例二本實施例要製備的6A02合金棒材，按重量百分數計，成分包括：Si0.9％、Fe0.20％、Cu0.40％、Mn0.20％、Mg0.60％、Zn0.05％、Ti0.1％、其餘雜質0.05％以及Al餘量。其生產工藝包括以下步驟：步驟S1：根據要製備的6A02合金棒材進行配比計算，將800℃的鋁液與鑄錠鋸切頭尾料混合，待二者的混合物的溫度降至750℃時加入計算好的Cu元素添加劑、Mn元素添加劑、Al-Fe中間合金、Mg錠，攪拌熔煉10min後扒渣，得到熔煉物；其中，鋁液與固體料的質量比為100：15；步驟S2：將需要精煉的熔煉物倒入靜置爐中，然後將粉狀的精煉劑(煙臺興鋁金屬材料有限公司生產)裝入噴粉罐，將「T」型精煉器和噴粉罐連接牢固，插入靜置爐的熔煉物中，打開氣體瓶氣閥，操作「T」型精煉器在靜置爐中來回移動，保證是在730℃下精煉15min；其中，精煉劑與熔煉物的質量比0.1：100，氣體瓶中裝的是純度為99.99％的氬氣，氣體瓶中的壓力為0.2MPa，噴出氣體的流量為5m3/h；在上述操作後，往熔體表面撒施覆蓋劑，靜置10min，覆蓋劑(主要成分包括KCl、MgCl2和CaF2)與熔體的質量比為0.4：100；步驟S3：保持精煉後的熔體的溫度為715℃，利用純度為99.99％的氦氣自熔體的底部由下往上吹氣，然後將35ppi的泡沫陶瓷板加熱至600℃，過濾熔體，再往熔體中加入Al-Ti-B絲；其中，氦氣的壓力為0.2MPa、流量為5m3/h，熔體與Al-Ti-B絲的質量比為100：0.01；步驟S4：利用wagstaff鑄造技術對熔體進行鑄造，鑄造溫度為710℃，鑄造時所用的鑄造模具的外部水冷；步驟S5：去除鑄造得到的鑄錠的表面偏析層並且鑄錠表面偏析層的單邊去除量為0.5mm，接著將鑄錠切割為Φ410×700mm的短棒，加熱至450℃後進行正向擠壓，正向擠壓的速度為1m/min，然後將短棒在510℃保溫180min實現淬火，再拉伸，在160℃下保溫7.5h，完成人工時效，空冷後進行檢測。本實施例製得的6A02合金棒材符合成分和性能要求，其抗拉強度為365MPa，斷後伸長率為11％，布氏硬度為99HB。實施例三本實施例要製備6A02-T6合金棒材，按重量百分數計，成分包括：Si1.0％、Fe0.3％、Cu0.45％、Mn0.25％、Mg0.7％、Zn0.1％、Ti0.05％、其餘雜質0.05％以及Al餘量。其生產工藝包括以下步驟：步驟S1：根據要製備的6A02合金棒材進行配比計算，根據電解鋁液的預分析結果選擇合適的鋁電解槽進行出鋁，將電解鋁液從電解槽抽至真空抬包中運至鑄造車間倒入熔煉爐內，利用810℃的電解鋁液的高溫熱量熔化加入的重熔用鋁錠，待熔煉爐內物質溫度降至760℃時加入計算所需的Cu元素添加劑、Mn元素添加劑、Al-Fe中間合金、Mg錠，攪拌熔煉15min後扒渣，得到熔煉物；其中，鋁液與重熔用鋁錠的質量比為100：17；從熔煉物中取樣做快速分析，成分符合所配鋁合金的成分要求，所以將熔煉物轉入靜置爐中；步驟S2：將粉狀的精煉劑(煙臺興鋁金屬材料有限公司生產)按照2kg/t的用量裝入噴粉罐，將「T」型精煉器和噴粉罐連接牢固，插入靜置爐的熔煉物中，打開氣體瓶氣閥，操作「T」型精煉器在靜置爐中來回移動，保證是在740℃的條件下精煉18min；其中，氣體瓶中裝的是純度為99.99％的氮氣，氣體瓶中的壓力為0.4MPa，噴出氣體的流量為5.5m3/h；經以上操作之後，往熔體表面撒施覆蓋劑，靜置13min，覆蓋劑(主要成分包括KCl、MgCl2和CaF2)與熔體的質量比為0.3：100；步驟S3：保持精煉後的熔體的溫度為720℃，利用純度為99.99％的氮氣自熔體的底部由下往上吹氣，然後將40ppi的泡沫陶瓷板加熱至650℃，過濾熔體，再往熔體中加入Al-Ti-B絲；其中，氮氣的壓力為0.4MPa、流量為5.5m3/h，熔體與Al-Ti-B絲的質量比為100：0.02；步驟S4：採用wagstaff鑄造技術對熔體進行鑄造，鑄造溫度為715℃，鑄造時所用的鑄造模具的外部水冷；步驟S5：去除鑄造得到的鑄錠的表面偏析層並且鑄錠表面偏析層的單邊去除量為2mm，保證鑄錠的表面粗糙度為Ra12.5，同時保證其外表面潔淨，接著將鑄錠切割為Φ410×1000mm的短棒；利用感應爐將短棒加熱至460℃，在55MN正向擠壓機上進行擠壓，正向擠壓的速度為2m/min，製品從模孔流出後，控制製品出口溫度金屬溫度為460℃時，牽引拉伸，牽引速度與製品擠壓速度同步，弱風冷；然後將短棒空氣爐內進行淬火，淬火加熱溫度520℃，保溫時間200min，隨後再進行1.5％的拉伸矯直；再在155℃下保溫8h，空冷後取樣檢測。本實施例進行了重複試驗，按照上述操作步驟製備兩次，兩次製得的6A02-T6合金棒材均符合成分和性能要求，其力學性能結果參加表二：表二力學性能試樣號σbMPaδ％HB0013851511700238312117由上表可知，通過採用優化成分，結合擠壓及熱處理技術，解決了6A02合金力學性能問題，制定合理的工藝方案。掌握了高強鋁棒生產的關鍵技術，獲得了性能、組織、尺寸、表面均達到國外同類產品先進水平的材料。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp