CN109136669B - 一种铝合金锻件及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金锻件及其制备方法与应用，属于有色金属技术领域。按质量百分比计，其成分包括：0.6‑1.2％的Mg、0.6‑1.2％的Si、0.001‑0.8％的Cu、0.2‑0.8％的Mn、0.001‑0.3％的Cr、小于等于0.5％的Fe及0.005‑0.05％的Ti，余量为Al及不可避免的杂质。该铝合金锻件成分配比恰当，性能良好。其制备方法包括：按配比混合各成分，铸造，退火处理，锻造，固溶热处理，淬火处理，时效热处理。该制备方法简单高效，能显著提高锻件的整体强度、韧性、疲劳和耐蚀性。将其用于制备交通工具，能够提高交通工具的可靠性及耐久性。

Description

一种铝合金锻件及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及有色金属领域，且特别涉及一种铝合金锻件及其制备方法与应用。

背景技术

随着汽车、自行车等行业的快速发展，越来越多的汽车、自行车等交通工具采用具有质量轻、性能好、耐腐蚀等优点的6xxx系铝合金锻件代替传统的铸铁或钢铁冲压焊接部件。

传统的6xxx系铝合金锻造产品在进行高温形变热处理时会严重降低锻件的强度、疲劳等性能，从而无法获得良好的各项综合性能。

因此，需提供一种各项综合性能的铝合金锻件。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种铝合金锻件，该铝合金锻件成分配比恰当，性能良好。

本发明的目的之二在于提供一种上述铝合金锻件的制备方法，该制备方法简单高效，能显著提高锻件的整体强度、韧性、疲劳和耐蚀性。

本发明的目的之三在于提供一种上述铝合金锻件的应用，例如可将其用于制备交通工具，能够提高交通工具的可靠性及耐久性。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：

本发明提出一种铝合金锻件，按质量百分比计，铝合金锻件包括如下质量含量的成分：0.6-1.2％的Mg、0.6-1.2％的Si、0.001-0.8％的Cu、0.2-0.8％的Mn、0.001-0.3％的Cr、小于等于0.5％的Fe以及0.005-0.05％的Ti，余量为Al及不可避免的杂质。

优选地，每种杂质的含量小于等于0.05％，杂质的总含量小于等于0.15％。

本发明还提出一种上述铝合金锻件的制备方法，包括以下步骤：

按配比混合铝合金锻件的成分，铸造，退火处理，锻造，固溶热处理，淬火处理，时效热处理。

本发明还提出一种上述铝合金锻件的应用，例如可将其用于制备交通工具，交通工具包括汽车或自行车。

本发明较佳实施例提供的铝合金锻件及其制备方法与应用的有益效果包括：

本发明较佳实施例提供的铝合金锻件成分配比恰当，性能良好。其制备方法简单高效，能显著提高锻件的整体强度、韧性、疲劳和耐蚀性。将其用于制备交通工具，能够提高交通工具的可靠性及耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例中第一种锻件粗晶组织分布情况图；

图2为实施例中第二种锻件粗晶组织分布情况图；

图3为实施例中第三种锻件粗晶组织分布情况图。

具体实施方式

下面对本发明实施例的铝合金锻件及其制备方法与应用进行具体说明。

本发明实施例提供的铝合金锻件为6×××系铝合金，按质量百分比计，该铝合金锻件包括如下质量含量的成分：0.6-1.2％的Mg、0.6-1.2％的Si、0.001-0.8％的Cu、0.2-0.8％的Mn、0.001-0.3％的Cr、小于等于0.5％的Fe以及0.005-0.05％的Ti，余量为Al及不可避免的杂质。

优选地，每种杂质的含量小于等于0.05％，杂质的总含量小于等于0.15％，以避免杂质对材料晶型以及性能产生显著影响。

本发明人经研究发现，传统铝合金锻造产品在进行高温形变热处理时造成锻件强度、疲劳等性能严重下降的原因可能在于：传统的铝合金锻件生产后极易出现粗晶组织，该铝合金锻造产品在进行高温形变热处理时，材料内部晶粒易发生晶粒异常长大现象，这种晶粒异常长大的现象可能是导致铝合金锻造产品在进行高温形变热处理时锻件强度、疲劳等性能严重下降的原因。鉴于此，本发明人进行了大量的试验，通过对铝合金锻件的成分和/或工艺进行了优化，从而克服了上述问题。

其中，Mg和Si为本申请铝合金锻件的主要合金元素，二者通过在晶粒内部形成β’相来保证材料的强度。本申请中，将Mg和Si的质量含量均控制在0.6-1.2％，一方面可避免当Mg和Si元素含量过少时造成最终锻造产品的屈服强度较低；另一方面可避免当Mg和Si元素含量过高时，大量的弥散相析出，反而降低材料的韧性。此外，将Mg和Si元素含量之间的配合比例控制在上述条件下，能够较上述条件范围以外的情况使材料具有更佳的韧性、疲劳和耐腐蚀性能。优选地，Mg的质量含量控制在0.64-1.1％，Si的质量含量控制在0.68-1.15％。

Cu元素在本申请铝合金锻件中主要用于提高材料的时效硬化性能以及最终材料的强度。将其用量控制在0.001-0.8％范围，能够避免合金的耐腐蚀性能下降。优选地，Cu的质量含量控制在0.01-0.78％。

Ti在本申请铝合金锻件中为必不可少的微量添加元素，其主要用于在铸造过程中显著细化铸态晶粒。将Ti的质量含量控制为0.005-0.05％，一方面能够避免当Ti含量过少时，铸造组织粗大；另一方面能够避免当Ti含量过多时，晶粒细化效果不明显，同时也形成大量第二相，对韧性不利。优选地，Ti的质量含量控制在0.01-0.05％，更优选为0.03％。

本申请中，Fe的质量含量小于等于0.5％，该范围下能够降低其与其他元素一起形成粗大难溶的金属间化合物的可能性，进而避免合金元素过多导致形成过多的第二相，降低材料的力学性能、韧性和疲劳性能。优选地，Fe的质量含量控制在0.19-0.25％。

Mn和Cr按照0.2-0.8％和0.001-0.3％的比例配合后，首先能使含Fe相从针状的β相转变为块状的α相，在一定程度上减轻脆性针状的β相对韧性、疲劳等性能的有害影响。其次在均匀化过程中，Mn和Cr会析出细小弥散的第二相，即α-Al(FeMnCr)Si相，这些热稳定的第二相能在形变热处理过程中阻止位错的移动，从而抑制粗晶组织的产生。优选地，Mn的质量含量控制在0.25-0.78％，Cr的质量含量控制在0.01-0.29％。

承上，具有上述成分的铝合金锻件能使材料具有较佳的韧性、疲劳和耐腐蚀性能等，原因可能在于能从源头方面降低或避免粗大组织的出现。

此外，本申请还提供了上述铝合金锻件的制备方法，可参考地，该制备方法可包括以下步骤：按配比混合铝合金锻件的成分，铸造，退火处理，锻造，固溶热处理，淬火处理，时效热处理。

其中，铸造可以为水平连续铸造或垂直半连续铸造。铸造过程中凝固速度大于10℃/s，优选为10-50℃/s，例如可以为10℃/s、、15℃/s、20℃/s、25℃/s、30℃/s、35℃/s、40℃/s、45℃/s或50℃/s。凝固速度指合金铝业从铸造温度到固相线之间的冷却速度。将凝固速度控制在上述范围有利于使最终锻件具有良好的性能。凝固速度过快会造成铸造难度大，但凝固速度低于10℃/s会导致合金的延伸率及韧性较差。

经上述铸造后所得的铸锭的晶粒小于200μm，铸锭的二次枝晶臂间距小于35μm，以降低粗晶组织出现的可能性。晶粒尺寸和二次枝晶臂间距是从铸造后的铸锭中间取样进行统计，试样经过电解抛光覆膜后进行偏光观察。

进一步地，退火温度为350-540℃，如350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、480℃、500℃、520℃或540℃等。退火时间不低于4h，优选为4-8h，例如4h、5h、6h、7h或8h等。退火升温速度对析出第二相的分布均匀性有着较大的影响，当升温速度过大时，析出相的密度较小，且尺寸较大，不利于控制材料的粗晶组织。退火温度和退火时间不足时，析出第二相的密度较少，对抑制材料粗晶组织不利，当退火温度过高时，析出相的尺寸则较粗大，同样不利于控制粗晶。

在本申请中，铸造后的铸锭优选以不高于1000℃/h的升温速率加热至退火温度。退火后还包括出炉冷却，以使退火状态的铝合金材料的析出第二相的密度大于8.5×10¹⁹m^-3，第二相的平均直径小于0.8μm。

值得说明的是，为了明确退火状态析出第二相的尺寸和密度，对测定方法做出规定：采用透射电镜(TEM)对样品进行随机拍摄10个以上的视野，放大倍数为20000倍。对图像进行观察分析，取第二相的最大长度作为直径，每个视野的照片随机测量5个以上的粒子，然后将所有测量的粒子尺寸进行平均，即得到粒子的平均直径。每个视野的照片统计第二相的数目，并考虑拍照的视野面积和样品厚度，得到其体积，从而计算出第二相的分布密度。

本申请中，退火处理与锻造之间还可包括挤压处理，该步骤为可选步骤，而非必须进行。挤压主要是将退火后的铸锭加热至一定温度进行加压制坯。值得说明的是，挤压步骤中，挤压坯的出口温度不低于500℃。

本申请中，锻造是将退火处理所得的铸锭(无挤压处理的情况)或挤压坯(有挤压处理的情况)加热至一定温度进行锻造。作为可选地，锻造可选择性地包括辊锻、弯曲、预锻和终锻，但值得说明的是，无论何种选择，终锻过程均是必须的。较佳地，本申请中，终锻温度不低于370℃。

挤压和锻造热变形加工是影响粗晶的关键工序，当挤压出口温度或锻造终锻温度过低时，材料在热变形过程的变形储能较大，越容易导致粗晶的产生。

固溶热处理包括：将锻造切边后所得的锻件升温至固溶热处理的温度，然后保温至少2h。较优地，锻造切边后所得的锻件可以是于2h内升温至固溶热处理的温度。固溶热处理的温度不低于540℃。固溶温度和保温时间决定了材料的强度，当固溶温度较低或保温时间不足时，材料的强度较差。

固溶热处理后随即进行淬火处理，也即将固溶热处理后的锻件于15s内浸入至温度不超过80℃的水中。

进一步地，将淬火处理后的锻件于24h内置于温度为170-185℃(例如170℃、172℃、175℃、178℃、180℃、182℃或185℃等)的条件下保温4-10h以进行时效热处理，然后出炉空冷。

在一些实施方式中，制备工艺为包括：铸造凝固速度为10.5-14.5℃/s，退火处理过程中升温速度为100-800℃/h，退火速度为360-540℃，退火时间为5h，挤压出口温度为505-530℃，锻造终锻温度为380-450℃，固溶温度为540-555℃，固溶保温时间为3h，时效热处理温度为178℃，时效热处理保温时间为6h。

在一些优选的实施方式中，制备工艺为包括：铸造凝固速度为14.5℃/s，退火处理过程中升温速度为100℃/h，退火速度为500℃，退火时间为5h，挤压出口温度为505℃，锻造终锻温度为450℃，固溶温度为555℃，固溶保温时间为3h，时效热处理温度为178℃，时效热处理保温时间为6h。

承上，本申请所提出的制备工艺，铸锭采用较低温度(350℃-540℃)退火处理不低于4小时，以使退火状态的铝合金材料的析出第二相密度大于8.5×10¹⁹/m^-3、平均直径小于0.8μm。固溶处理温度设置为不低于540℃，保温时间至少为2h，之后出炉在15秒内浸入到不高于80℃水中进行淬火处理，能够使铝合金锻件获得较高的强度，保证Mg₂Si充分溶入铝合金基体。同时，当铝合金材料需挤压制坯时，将挤压出口温度设置为不低于500℃，锻造加工后，锻坯的终锻温度设置为不低于370℃，可有效控制锻件粗晶，降低制备过程中的变形储能。各工艺结合后，能显著降低铝合金锻件的粗晶组织，从而提高锻件的整体强度、韧性、疲劳和耐蚀性。

而传统的铝合金制备工艺，为了保证材料的强度，往往采用高温均匀化热处理且均匀化温度往往高于固溶温度，因此，本申请与传统的铝合金制备工艺截然不同。

在本申请中，铝合金锻件的屈服强度为365-387MPa；抗拉强度为386-412MPa；延伸率为10.2-12.9％，优选为11.7-12.9％；冲击韧性为16-24J/cm²。

此外，本申请还提供了一种上述铝合金锻件的应用，例如可将其用于制备交通工具，交通工具包括汽车或自行车，以使锻件具有较少的粗晶组织，以保证零件的可靠性及耐久性。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例

通过水平连续铸造的方法将如表1所示的合金成分铸造成直径为Φ120mm的圆棒，按照如表2的方法进行热处理，然后在半径处截取Φ100mm×120mm的圆柱形锭坯。在油压机上沿轴向以15mm/s的恒定速度进行锻造，锻造后的高度为35mm，变形量为70％，之后锻坯进行T6热处理。

热处理后的锭坯，沿直径剖开进行低倍组织观察，并统计粗晶面积率，锻件粗晶分布情况如图1至图3所示，由于粗晶区和未再结晶区对光线反射效果不同而呈现不同的颜色，图1至图3中颜色较深的区域为粗晶区，颜色较淡的区域为未再结晶区。其中，图1表现出无粗晶组织，图2表现出低粗晶组织化，图3表现出高粗晶组织化。另外，在锻件厚度的中心部位取样进行拉伸力学性能、冲击试验和中性盐雾试验，得到材料的强度、冲击韧性和耐中性盐雾腐蚀时间，试验方法分别遵照相应的国家标准。其中耐中性盐雾腐蚀时间需大于240小时，如果不满足，则判定材料不合格。

表1合金成分

表2加工工艺

表2加工工艺(续)

表3组织特性及锻件性能

表3组织特性及锻件性能(续)

表1中所示的不同成分的铝合金，编号①-⑨为本发明涉及到的成分范围内的合金，编号

为本发明之外的对比合金。表2中所示为不同的加工工艺，编号A-I为本发明涉及到加工工艺范围，编号J-R为本发明之外的对比加工工艺。表3为不同的合金在不同加工工艺下的组织特征及性能(力学性能、冲击韧性和耐中性盐雾试验均按本领域相应的常用测试标准进行测试)。

从表3的结果可以看出，Mg和Si为本合金的主要强化元素，当该两种合金元素不足时，材料经过人工时效后的强度较低，当该两种元素过高时，合金的韧性较差，见表3编号(10)-(13)例。Cu元素能显著提高合金T6处理后的强度，但当Cu元素过高后，使材料的耐腐蚀性能下降，见表3编号(14)例。Mn和Cr是本发明中控制粗晶组织的主要元素，当Mn含量过低时，没有足够的元素在退火过程中析出弥散分布的第二相粒子，导致材料经过T6处理后强度较低，见表3编号(15)例。当Mn和Cr元素含量过高时，会在铸态材料的晶界上生成大量的第二相，导致合金的韧性较差，见表3编号(16)-(17)例。Fe元素是合金中不可避免的元素，当Fe元素含量过高时，会在铸态材料的晶界上生成大量的第二相，同时，使铸造时固溶到材料内的Mn和Cr元素含量降低，从而材料抑制粗晶的能力变弱。这样导致材料的延伸率和韧性变差，见表3编号(18)例。

合金凝固速度决定了材料的晶粒尺寸和二次枝晶臂间距。凝固速度越慢，晶粒尺寸和二次枝晶臂间距越大，虽然粗大的组织有利于控制粗晶，但合金的延伸率和韧性较差，见表3编号(27)例。铸锭退火升温速度对析出第二相的分布均匀性有着较大的影响，当升温速度过大时，析出相的密度较小，且尺寸较大，不利于控制材料的粗晶组织，见表3编号(28)例。退火温度和退火时间是本发明的关键，当退火温度和退火时间不足时，析出第二相的密度较少，对抑制材料粗晶组织不利，当退火温度过高时，析出相的尺寸则较粗大，同样不利于控制粗晶，见表3编号(29)-(31)例。固溶温度和保温时间决定了材料的强度，当固溶温度较低或保温时间不足时，材料的强度较差，见表3编号(33)、(34)例。挤压和锻造热变形加工是影响粗晶的关键工序，当挤压出口温度或锻造终锻温度过低时，材料在热变形过程的变形储能较大，越容易导致粗晶的产生，见表3编号(32)、(35)例。

综上所述，本发明提供的铝合金锻件成分配比恰当，性能良好。其制备方法简单高效，能显著降低铝合金锻件的粗晶组织，提高锻件的整体强度、韧性、疲劳和耐蚀性。将其用于制备交通工具，能够提高交通工具的可靠性及耐久性。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种铝合金锻件，其特征在于，按质量百分比计，所述铝合金锻件包括如下质量含量的成分：0.64-1.1%的Mg、0.68-1.15%的Si、0.01-0.78%的Cu、0.25-0.78%的Mn、0.01-0.29%的Cr、0.19-0.25%的Fe以及0.01-0.05%的Ti，余量为Al及不可避免的杂质；

所述铝合金锻件由包括以下步骤的工艺制得：

按配比混合所述铝合金锻件的成分，铸造，退火处理，锻造，固溶热处理，淬火处理，时效热处理；

退火处理与锻造之间还包括挤压处理，挤压坯出口温度不低于500℃；

固溶热处理包括：将锻造后所得的锻件升温至固溶热处理的温度，然后保温至少2h，固溶热处理的温度不低于540℃；

退火状态的铸锭析出的第二相密度大于8.5×10¹⁹m^-3、平均直径小于0.8μm；

每种所述杂质的含量小于等于0.05%，所述杂质的总含量小于等于0.15%；

所述铝合金锻件的屈服强度为365-387MPa；抗拉强度为386-412MPa；延伸率为11.7-12.9%；冲击韧性为16-24J/cm²。

2.如权利要求1所述的铝合金锻件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

按配比混合所述铝合金锻件的成分，铸造，退火处理，锻造，固溶热处理，淬火处理，时效热处理；

退火温度为350-540℃，退火时间不低于4h；

退火处理与锻造之间还包括挤压处理，挤压坯出口温度不低于500℃；

固溶热处理包括：将锻造后所得的锻件升温至固溶热处理的温度，然后保温至少2h，固溶热处理的温度不低于540℃。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，退火时间为4-8h。

4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，铸造为水平连续铸造或垂直半连续铸造，铸造过程中凝固速度大于10℃/s。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，铸造过程中凝固速度为10-50℃/s。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，铸造所得的铸锭的晶粒小于200μm，所述铸锭的二次枝晶臂间距小于35μm。

7.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，锻造包括处理温度不低于370℃的终锻。

8.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，淬火处理包括：将固溶热处理后的锻件于15s内浸入至温度不超过80℃的水中。

9.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，时效热处理包括：将淬火处理后的锻件于24h内置于温度为170-185℃的条件下保温4-10h。

10.如权利要求1所述的铝合金锻件的应用，其特征在于，所述铝合金锻件用于制备交通工具。

11.根据权利要求10所述的铝合金锻件的应用，其特征在于，所述交通工具包括汽车或自行车。

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