適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金及製備方法
2023-04-27 15:19:11 3
專利名稱：適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金及其製備方法，屬於有色金屬技術領域。
背景技術：
汽車行業多年來一直把促進汽車輕量化作為 首要解決的問題。為此，各國汽車製造廠家和研究機構都致力於從技術和經濟角度出發，開發和改善汽車材料及其工藝條件，以期在保證性能、控制成本的前提下，減輕汽車自重。鋁合金因其具有良好的成型性能和較高的強度、耐腐蝕性且成本低等優點，成為促進汽車輕量化的重要材料之一。汽車上採用的傳統結構用鋁合金是6061合金，由於其Mg和Si含量較低，熱處理後材料的屈服強度僅為280MPa左右。隨著汽車輕量化的發展需要，對材料的力學性能提出了更加嚴格的要求，同時要求材料更易於加工，生產成本更低。研究表明，在6X X X系合金中，通過增加Mg和Si的含量來提高Mg2Si強化相的數量可以進一步提高合金的強度，但增加到一定程度後，不僅不能獲得期望的強度值，還會嚴重降低材料的塑性及韌性。此外，6XXX系鋁合金在熱加工和固溶過程中易發生再結晶，產生粗大晶粒，導致力學性能急劇降低。目前，通過採用添加過渡元素(Mn、Cr)形成彌散相粒子的方法以阻礙合金髮生再結晶，細化晶粒，進而提高合金的塑性。然而，當合金中Mn和Cr含量超過一定範圍時，會產生大量的粗大脆性第二相，這些相對基體無強化作用，且是應力集中和裂紋源萌生之處，對鋁合金的斷裂韌性、疲勞性能和耐應力腐蝕性能均有不利影響。因此，充分發揮Mn、Cr元素的有益作用，開發具有優異成形性能的6X XX系鋁合金及其相應的製備工藝技術是推廣該系合金在汽車行業中廣泛應用的關鍵。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金及其製備方法，保證其具有較高的強度，同時加工性能優良。本發明的目的通過以下技術方案來實現
適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金，特點是其成分的質量百分含量為Mg0. 8 I. 4wt. %，Si 0. 8 I. 6wt. %，Cu 0. 2 0. 8wt. %，Mn 0. 2 I. Owt. %，Cr 0. I 0. 4wt. %，Ti0. 01 0. Iwt. %，Fe ( 0. 25wt. %，不可避免的雜質總和彡0. 15wt. %，餘量為Al。本發明適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金的製備方法,採用半連續鑄造方式製備合金鑄錠，在循環風爐中以0. riO°C/min的升溫速率加熱至52(T570°C，保溫4 10h，空冷；均勻化處理後的鑄錠重新加熱至45(T500° C後進行熱加工變形，熱加工終了溫度不低於350° C，然後進行T6熱處理，經530 570° C固溶處理I 2h，淬火，再經170 200° C時效處理4 9h。進一步地，上述的適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金的製備方法，合金鑄錠直徑為O3(T500mm，鑄造速度為7(Tl70mm/min，冷卻水流量為l 4m3/h。
更進一步地，上述的適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金的製備方法，均勻化處理後Mn、Cr彌散相粒子平均直徑小於120nm。再進一步地，上述的適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金的製備方法，T6熱處理後，合金亞晶尺寸小於10 ii m,材料的屈服強度380MPa以上,延伸率大於12%。本發明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在
本發明通過合理調整合金元素含量，優化工藝制度，嚴格控制熱加工及熱處理過程中的晶粒尺寸，避免材料在熱加工及固溶過程中發生粗大再結晶，均勻化處理後控制Mn、Cr彌散相粒子平均直徑小於120nm，固溶處理後亞晶尺寸小於10 ym，從而保證材料的屈服強度達到380MPa以上，延伸率大於12%，顯著提高了材料的力學性能，具有明顯的減重效果。
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下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明
圖I為實施例I合金經過均勻化處理後彌散相粒子分布照片；
圖2為比較例I合金經過均勻化處理後彌散相粒子分布照片。
具體實施例方式本發明適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金，成分的質量百分含量為Mg0. 8 I. 4wt. %，Si 0. 8 I. 6wt. %，Cu 0. 2 0. 8wt. %，Mn 0. 2 I. Owt. %，Cr 0. I 0. 4wt. %，Ti0. 01 0. Iwt. %，Fe ( 0. 25wt. %，不可避免的雜質總和彡0. 15wt. %，餘量為Al。Mg和Si是6X X X系鋁合金中的主要合金元素，形成了合金的主要強化相Mg2Si。該系合金通過Mg/Si比及過剩Si含量控制來提高材料強度，當Mg和Si含量過低時，時效過程中Mg2Si強化相生成數量少，材料強度較低；當Mg和Si含量過高時，一方面，材料的成型性能降低，另一方面，在鑄造過程中可能會生成初生Si相，顯著降低材料的韌性及疲勞性能。因此Mg和Si元素含量分別控制在0. 8^1. 4wt. %和0. 8^1. 6wt. %範圍內。Cu和其他合金元素一起形成第二相，通過固溶強化來提高材料強度。此外，Cu作為時效處理過程中Mg和Si元素的形核核心，使得強化相細小彌散均勻分布，顯著提高材料的時效硬化性能，但Cu含量不能過高，否則降低材料的耐腐蝕性能，因此其含量控制在0. 2 0. 8wt. %範圍內。Mn在合金中主要起抑制再結晶、穩定亞結晶組織的作用，既提高材料強度又提高韌性和耐腐蝕性能，但Mn含量過高會在鑄造過程中形成過多粗大金屬間化合物，嚴重降低材料的鑄造性、成型性能以及韌性，因此Mn含量不宜低於0. 2wt. %，同時不宜高於I. Owt. %。Cr在合金中的作用與Mn類似，但其作用效果略差，一般控制在0. 1^0. 4wt. %之間。同時Cr與Mn的總含量控制在0. 5wt. %和I. 3wt. %範圍內時，既能促進兩種元素的彌散相對亞結晶組織的控制作用，又能防止形成過多的粗大金屬間化合物，降低材料的韌性。Ti在合金中起細化鑄態晶粒作用，以不超過0. Iwt. %為宜。如果Ti含量過高，則容易生成粗大含Ti相，降低材料的韌性和疲勞性能。Fe 在合金中與其他元素一起形成 Al7Cu2Fe、Al12(Fe，Mn)3Cu2、(Fe，Mn)Al6 以及AlFeSi (Mn, Cr)等含Fe相，不宜超過0. 25wt. %，否則含Fe相數量過多降低材料的韌性和疲勞性能。
本發明系統研究了均勻化處理過程中Mn、Cr彌散相粒子的析出動力學、形核和長大過程，以及非平衡結晶相回溶入基體等行為規律的基礎上，提出有效調控Mn、Cr彌散相粒子尺寸、數量和分布的均勻化熱處理工藝，並進一步研究了 Mn、Cr彌散相組態對合金在熱加工及固溶處理過程中亞結晶組織的影響規律，以及時效過程中沉澱強化相析出動力學、GP區及0』』相形核及長大規律的基礎上，提出了獲得高比例亞晶分數和細小亞晶尺寸的熱加工工藝以及強化相粒子細小、彌散、均勻分布的T6熱處理工藝。本發明適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金的製備工藝為採用半連續鑄造方式製備合金鑄錠，合金鑄錠直徑為0 3(T500mm，鑄造速度為7(Tl70mm/min，冷卻水流量為f4m3/h，通過合理控制半連續鑄造工藝，使得合金鑄態晶粒尺寸小於130 ym，二次枝晶臂間距不大於40 ;在循環風爐中以0. riO°C/min的升溫速率加熱至52(T570°C，保溫riOh,空冷；均勻化處理後Mn、Cr彌散相粒子平均直徑小於120nm，均勻化處理後的鑄錠重新加熱至45(T500°C後進行熱加工變形，熱加工終了溫度不低於350° C，然後進行T6熱處理，經53(T570°C固溶處理I 2h，淬火，再經17(T200°C時效處理4 9h，T6熱處理後，合金亞晶尺寸小於IOy m，材料的屈服強度380MPa以上，延伸率大於12%。 上述成分的合金採用半連續鑄造方式鑄成直徑為0127mm圓錠，鑄造速度為140mm/min,冷卻水流量為3. 5m3/h,測量合金鑄態晶粒尺寸及二次枝晶臂間距。將合金鑄錠在循環風爐中進行均勻化處理，以0. 6^7°C/min的升溫速率升溫至54(T560°C，保溫4h，空冷，測量均勻化處理後Mn、Cr彌散相粒子平均直徑及平均面積比。一般而言，採用較慢的升溫速率有利於促進彌散相粒子均勻、細小、彌散析出。需要指出的是，Mn、Cr彌散相粒子的平均直徑和平均面積比採用20，000倍數下透射電鏡下觀察10個區域，每個粒子的最大長度作為直徑，所觀察粒子最大長度的平均值作為平均直徑，Mn、Cr彌散相粒子所佔總面積與觀測區域面積的比值作為彌散相粒子的平均面積比。然後將均勻化處理後的鑄錠加熱至450° C後進行鍛造，鍛造加工率為50%，終鍛溫度不低於350° C，以避免加工過程中發生再結晶而產生粗大晶粒。最後對鍛件進行T6熱處理，經550° C固溶處理2h，淬火，再經180° C時效處理6h，測量T6態合金亞晶尺寸及力學性能。下面結合具體實施方式
對本發明作進一步的補充與說明。實施例I
鋁合金成分以重量百分比計Mg 0. 83wt. %，Si I. 35wt. %，Cu 0. 47wt. %，Mn 0. 64wt. %，Cr 0. 29wt. %, Fe 0. 14wt. %，Ti 0. 03wt. %。合金鑄錠在循環風爐中進行均勻化處理以0. 6°C/min的升溫速率升至560°C，空冷；合金經過均勻化處理後彌散相粒子分布照片如圖I所示。然後在450° C進行鍛造，鍛造加工率為50%，終鍛溫度不低於350° C。最後對鍛件進行T6熱處理經550° C固溶處理2h，淬火，再經180° C時效處理6h。實施例2
鋁合金成分以重量百分比計Mg 0. 80wt. %, Si I. 22wt. %, Cu 0. 41wt. %,Mn 0. 65wt. %,Cr 0. 26wt. %, Fe 0. 16wt. %，Ti 0. 02wt. %。合金鑄錠在循環風爐中進行均勻化處理以7° C/min的升溫速率升至550° C，保溫4h，空冷。然後在450° C進行鍛造，鍛造加工率為50%，終鍛溫度不低於350° C。最後對鍛件進行T6熱處理經550° C固溶處理2h，淬火，再經180° C時效處理6h。實施例3鋁合金成分以重量百分比計Mg 0. 83wt. %，Si I. 35wt. %，Cu 0. 47wt. %，Mn 0. 64wt. %，Cr 0. 29wt. %, Fe 0. 14wt. %，Ti 0. 03wt. %。合金鑄錠在循環風爐中進行均勻化處理以7° C/min的升溫速率升至540° C，保溫4h，空冷。然後在450° C進行鍛造，鍛造加工率為50%，終鍛溫度不低於350° C。最後對鍛件進行T6熱處理經550° C固溶處理2h，淬火，再經180° C時效處理6h。實施例4
鋁合金成分以重量百分比計Mg 0. 83wt. %，Si I. 35wt. %，Cu 0. 47wt. %，Mn 0. 64wt. %，Cr 0. 29wt. %, Fe 0. 14wt. %，Ti 0. 03wt. %。合金鑄錠在循環風爐中進行均勻化處理以7° C/min的升溫速率升至560° C，保溫4h，空冷。然後在450° C進行鍛造，鍛造加工率為50%，終鍛溫度不低於350° C。最後對鍛件進行T6熱處理經550° C固溶處理2h，淬火，再經180° C時效處理6h。比較例I
鋁合金成分以重量百分比計Mg 0. 83wt. %，Si I. 35wt. %，Cu 0. 47wt. %，Mn 0. 64wt. %，Cr 0. 29wt. %, Fe 0. 14wt. %，Ti 0. 03wt. %。合金鑄錠在循環風爐中進行均勻化處理以3° C/min的升溫速率升至575° C，保溫4h，空冷；合金經過均勻化處理後彌散相粒子分布照片如圖2所示。然後在450°C進行鍛造，鍛造加工率為50%，終鍛溫度不低於350°C。最後對鍛件進行T6熱處理經550° C固溶處理2h，淬火，再經180° C時效處理6h。上述實施例I 4製備所得合金與比較例合金的測試結果如下表所示
權利要求
1.適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金，其特徵在於其成分的質量百分含量為Mg O. 8 I. 4wt. %，Si O. 8 I. 6wt. %，Cu O. 2 O. 8wt. %，Mn O. 2 I. Owt. %，Cr O. Γθ. 4wt. %，TiO. ΟΓΟ. lwt. %，Fe ( 0. 25wt. %，不可避免的雜質總和彡O. 15wt. %，餘量為Al。
2.權利要求I所述的適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金的製備方法，其特徵在於採用半連續鑄造方式製備合金鑄錠，在循環風爐中以O. riO°C/min的升溫速率加熱至52(T570°C，保溫4 10h，空冷；均勻化處理後的鑄錠重新加熱至450 500° C後進行熱加工變形，熱加工終了溫度不低於350° C，然後進行T6熱處理，經53(T570° C固溶處理f 2h，淬火，再經170 200°C時效處理4 9h。
3.根據權利要求2所述的適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金的製備方法，其特徵在於合金鑄錠直徑為Φ3(Γ500πιπι，鑄造速度為7(Tl70mm/min，冷卻水流量為f4m3/h。
4.根據權利要求2所述的適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金的製備方法，其特徵在於均勻化處理後Mn、Cr彌散相粒子平均直徑小於120nm。
5.根據權利要求2所述的適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金的製備方法，其特徵在於T6熱處理後,合金亞晶尺寸小於10 μ m,材料的屈服強度380MPa以上,延伸率大於12%。
全文摘要
本發明涉及適用於熱加工的高強度Al-Mg-Si-Cu合金及製備方法，成分Mg 0.8～1.4wt.%，Si 0.8～1.6wt.%，Cu 0.2～0.8wt.%，Mn 0.2～1.0wt.%，Cr 0.1～0.4wt.%，Ti 0.01～0.1wt.%，Fe≤0.25wt.%，不可避免的雜質≤0.15wt.%，餘量為Al；工藝合金鑄錠在循環風爐中以0.1～10oC/min升溫速率加熱至520～570oC，保溫4～10h，空冷；均勻化處理後的鑄錠加熱至450～500oC後熱加工變形，終了溫度不低於350oC，進行T6熱處理，530～570oC固溶處理1～2h，淬火，再170～200oC時效處理4～9h。
文檔編號C22C21/08GK102787262SQ201210240858
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月12日 優先權日2012年7月12日
發明者張惠琳, 王雛豔, 錢維鋒, 長海博文, 韓逸, 馬科 申請人:蘇州有色金屬研究院有限公司