CN110257654B - 铝镁硅钪锆合金丝、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝镁硅钪锆合金丝、其制备方法及应用。该制备方法包括：将铝锭熔化，得到铝熔融液，并经第一精炼处理、第二精炼处理及晶粒细化处理，以使第二精炼铝液包括Mg元素4.5～6％、Si元素0.2～0.5％、Fe元素0.15～0.4％、Cu元素0.05～0.15％、Ti元素0.1～0.2％、Mn元素0.05～0.2％、Sc元素0.05～0.2％、Zr元素0.05～0.6％，余量为Al元素；然后依次进行在线除气、除渣、浇铸、轧制、退火、拉拔及退火处理，得到铝镁硅钪锆合金丝。上述铝镁硅钪锆合金丝具备制备成本低、抗拉强度高和伸长率高等优点。

Description

铝镁硅钪锆合金丝、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，具体而言，涉及一种铝镁硅钪锆合金丝、其制备方法及应用。

背景技术

高速列车的铝合金车体是以大型扁宽薄壁铝合金型材作为骨架的焊接结构件，焊接可减少40％的车辆制造工作量，从而降低车辆制造成本。开发高性能铝型材配用焊丝是铝型材焊接的保证。目前，轨道交通用高性能铝镁硅合金焊丝主要依靠进口，因此，开发新型铝镁硅合金焊丝制备工艺，不断提高国产铝焊丝的质量，成为当前铝型材配用焊丝研发的重点工作。

目前进口的铝合金焊丝中，通用性较好的ER5356焊丝是为5xxx系列合金而设计，在不超过276MPa的抗拉强度条件下使用的通用型填充材料，阳极化处理后具有良好的颜色配比性。铝镁硅合金焊丝是为6xxx系变形铝合金而设计，具有较好的热变形性能，可热处理强化，具有一定的抗拉强度和断后延伸率。国内现有变形铝合金牌号生产的铝镁硅系合金焊丝存在产品性能不稳定，抗拉强度及断后延伸率不能完全满足使用要求的问题。

现有文献(授权公告号CN106048272)提供了一种铝镁硅钪合金丝的制备方法，该制备方法包括通过向铝液中加入硅剂、钪剂、镁剂，再经精炼、静置、在线晶粒细化处理、烧铸、轧制、拉拔等过程，最终获得直径为0.15～0.4mm铝合金丝，合金丝需要经过6～15小时人工时效。但是钪价格昂贵，添加钪元素必将导致铝合金材料的制造成本增加。若能找到合适的合金元素完全或部分替代钪元素加入到铝合金中，仍能使铝合金获得细化、强化效果，有望开发出更为经济的铝合金制品，拓展含钪铝合金的应用范围。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种铝镁硅钪锆合金丝、其制备方法及应用，以解决现有的铝硅钪合金的性能较好，但成本较高的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铝镁硅钪锆合金丝的制备方法，该制备方法包括：将铝锭熔化，得到铝熔融液；使铝熔融液与第一精炼剂进行第一精炼处理，得到第一精炼铝液；将第一精炼铝液与镁剂、硅剂、钪剂、锆剂及第二精炼剂进行第二精炼处理，得到第二精炼铝液；对第二精炼铝液进行晶粒细化处理，以使第二精炼铝液包括Mg元素4.5～6％、Si元素0.2～0.5％、Fe元素0.15～0.4％、Cu元素0.05～0.15％、Ti元素0.1～0.2％、Mn元素0.05～0.2％、Sc元素0.05～0.2％、Zr元素0.05～0.6％，余量为Al元素；使经过晶粒细化处理过程得到的铝液依次进行在线除气、除渣、浇铸、轧制、退火、拉拔及退火处理，得到铝镁硅钪锆合金丝。

进一步地，晶粒细化处理过程中，Sc元素与Zr元素的重量比为1:(1～3)。

进一步地，在进行退火处理过程之后，制备方法还包括将退火处理得到的铝镁硅钪锆合金丝半成品进行固溶强化处理，得到铝镁硅钪锆合金丝。

进一步地，固溶强化处理的固溶温度为455～520℃，固溶时间为1～3h。

进一步地，铝锭中铝元素的纯度≥99.0wt％；优选地，镁剂选自镁锭、铝镁中间合金和铝镁硅中间合金组成的组中的一种或多种；优选地，硅剂选自铝硅中间合金、纯硅锭和铝硅镁中间合金组成的组中的一种或多种；优选地，钪剂为铝钪中间合金；优选地，锆剂选自铝锆中间合金、纯锆和铝硅锆中间合金组成的组中的一种或多种。

进一步地，铝硅中间合金中，硅元素的含量为20～25wt％；铝钪中间合金中，钪元素的含量为1.8～2.2wt％；铝锆中间合金中，锆元素的含量为4～5.5wt％。

进一步地，第一精炼剂和第二精炼剂分别独立地选自NaNO₃、NaCl、KCl、Na₃AlF₆、CaF₂、MgCl₂、C、C₂Cl₆和耐火砖粉组成的组中的一种或多种。

进一步地，第一精炼处理过程还包括：使铝熔融液与第一精炼剂依次经过精炼及静置处理，去除固渣，得到精炼中间产物；将精炼中间产物表面加入覆盖剂，得到第一精炼铝液。

进一步地，覆盖剂选自KCl、CaF₂、MgCl₂、BaCl₂和MgF₂组成的组中的一种或多种。

本申请一方面提供了一种铝镁硅钪锆合金丝，铝镁硅钪锆合金丝采用上述制备方法制得。

本申请又一方面还提供了一种上述铝镁硅钪锆合金丝在焊接领域中的应用。

应用本发明的技术方案，上述制备方法中，钪元素对铝合金有效的晶粒细化与再结晶抑制作用，可细化铝硅合金基体晶粒，提高其可焊性；引入Zr元素替代部分Sc元素，可有效降低铝硅钪合金丝的生产成本。且在第二精炼铝液中各组分的协同作用下，使得该方法制备出的铝合金丝组织均匀，成分偏析小，杂质含量少，并显著提高铝合金丝抗拉强度和伸长率等的综合力学性能。同时相比于钪元素，锆元素具有价格低廉的优点。因而采用上述方法制得铝镁硅钪锆合金丝不仅能够降低铝镁硅钪锆合金丝的制备成本，还能够使其具有较高的抗拉强度和伸长率等的综合力学性能。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术所描述的，现有的铝硅钪合金的性能较好，但成本较高的问题。为了解决上述技术问题，本申请提供了一种铝镁硅钪锆合金丝的制备方法，该制备方法包括：将铝锭熔化，得到铝熔融液；使铝熔融液与第一精炼剂进行第一精炼处理，得到第一精炼铝液；将第一精炼铝液与镁剂、硅剂、钪剂、锆剂及第二精炼剂进行第二精炼处理，得到第二精炼铝液；对第二精炼铝液进行晶粒细化处理，以使第二精炼铝液包括Mg元素4.5～6％、Si元素0.2～0.5％、Fe元素0.15～0.4％、Cu元素0.05～0.15％、Ti元素0.1～0.2％、Mn元素0.05～0.2％、Sc元素0.05～0.2％、Zr元素0.05～0.6％，余量为Al元素；使经过晶粒细化处理过程得到的铝液依次进行在线除气、除渣、浇铸、轧制、退火、拉拔及退火处理，得到铝镁硅钪锆合金丝。

第一精炼处理过程中，第一精炼剂的加入能够降低铝熔融液中的杂质含量；第二精炼处理过程中，第二精炼剂的加入不仅能够进一步降低第二精炼铝液中的杂质含量，还能够提高后续晶粒细化过程中合金的晶粒细化度。

上述制备方法中，钪元素对铝合金有效的晶粒细化与再结晶抑制作用，可细化铝硅合金基体晶粒，提高其可焊性；引入Zr元素替代部分Sc元素，可有效降低铝硅钪合金丝的生产成本。且在第二精炼铝液中各组分的协同作用下，使得该方法制备出的铝合金丝组织均匀，成分偏析小，杂质含量少，并显著提高铝合金丝抗拉强度和伸长率等的综合力学性能。同时相比于钪元素，锆元素具有价格低廉的优点。因而采用上述方法制得铝镁硅钪锆合金丝不仅能够降低铝镁硅钪锆合金丝的制备成本，还能够使其具有较高的抗拉强度和伸长率等的综合力学性能。

在一种优选的实施例中，晶粒细化处理过程中，Sc元素与Zr元素的重量比为1:(1～3)。Sc、Zr元素中重量比包括但不限于上述范围，而将其限定在上述范围内能够进一步增强；钪锆两种元素对铝合金的协同强化效应，从而进一步提高铝合金丝的综合力学性能。更优选地，晶粒细化处理过程中，Sc元素与Zr元素的重量比为1:1、1:2或1:2.5。

为了进一步提高铝镁硅钪锆合金丝的综合力学性能，在一种优选的实施例中，在进行退火处理过程之后，制备方法还包括将退火处理得到的铝镁硅钪锆合金丝半成品进行固溶强化处理，得到铝镁硅钪锆合金丝。

在一种优选的实施例中，固溶强化处理步骤的固溶温度为455～520℃，固溶时间为1～3h。熔化过程的固溶温度和固溶时间包括但不限于上述范围，而将其限定在上述范围内有利于进一步提高铝镁硅钪锆合金丝的综合力学性能。更优选地，固溶强化处理步骤的固溶温度为455、480、500℃或520℃。

上述制备方法中铝锭、硅剂、钪剂、锆剂可以采用本领域常用的种类。在一种优选的实施例中，铝锭中铝元素的纯度≥99.0wt％。优选地，镁剂包括但不限于镁锭、铝镁中间合金和铝镁硅中间合金组成的组中的一种或多种，其中镁锭中镁元素的纯度≥99.0wt％；优选地，硅剂包括但不限于铝硅中间合金、纯硅锭和铝硅镁中间合金组成的组中的一种或多种；优选地，钪剂包括但不限于铝钪中间合金；优选地，锆剂包括但不限于铝锆中间合金、纯锆和铝硅锆中间合金组成的组中的一种或多种。采用上述原料有利于降低铝镁硅钪锆合金中的杂质含量，进而提升铝镁硅钪锆合金综合性能。更优选地，铝硅中间合金中，硅元素的含量为20～25wt％；铝钪中间合金中，钪元素的含量为1.8～2.2wt％；铝锆中间合金中，锆元素的含量为4～5.5wt％。更优选地，铝硅中间合金中硅元素的含量为20～25wt％；铝钪中间合金中钪元素的含量为1.8、2wt％或2.2wt％；所述铝锆中间合金中，锆元素的含量为4wt％、5wt％或5.5wt％。

上述制备方法中，第一精炼剂和第二精炼剂可以采用本领域常用的种类。在一种优选的实施例中，第一精炼剂和第二精炼剂分别独立地包括但不限于NaNO₃、NaCl、KCl、Na₃AlF₆、CaF₂、MgCl₂、C、C₂Cl₆和耐火砖粉组成的组中的一种或多种。相比于其它精炼剂，采用上述几种精炼剂有利于进一步降低铝镁硅钪锆合金中的杂质含量，进而提升铝镁硅钪锆合金综合性能。

在一种优选的实施例中，第一精炼处理过程还包括：使铝熔融液与第一精炼剂依次经过精炼及静置处理，去除固渣，得到精炼中间产物；将精炼中间产物表面加入覆盖剂，得到第一精炼铝液。覆盖剂的加入可以延长第一精炼滤液的凝固时间。更优选地，覆盖剂包括但不限于KCl、CaF₂、MgCl₂、BaCl₂和MgF₂组成的组中的一种或多种。优选地，以占精炼中间产物的重量百分含量计，覆盖剂的用量为0.1～0.5％。

上述制备方法中，上述制备方法包括将晶粒细化后得到的铝液进行在线除气、除渣、浇铸、轧制退火和拉拔处理均可以采用本领域常用的方法进行。在一种优选的实施例中，轧制过程采用三辊轧机，将浇铸后的产品轧制成直径9.5～9.6mm的铝合金杆，然后再将铝合金杆进行脱货、拉拔等处理，得到1.6～3mm的铝合金丝，在进行二次退火处理，最后进行固溶强化处理，得到所需的产品铝镁硅钪锆合金丝。相比于其它直径范围，采用上述直径范围内的铝合金杆进行拉拔有利于提高铝镁硅钪锆合金丝的性能。

本申请的另一方面还提供了一种铝钪中间合金，铝钪中间合金采用上述制备方法制得。上述制备方法中，钪元素对铝合金有效的晶粒细化与再结晶抑制作用，可细化铝硅合金基体晶粒，提高其可焊性；引入Zr元素替代部分Sc元素，可有效降低铝硅钪合金丝的生产成本。且在第二精炼铝液中各组分的协同作用下，使得该方法制备出的铝合金丝组织均匀，成分偏析小，杂质含量少，并显著提高铝合金丝抗拉强度和伸长率等的综合力学性能。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1

本实施方式的铝镁硅钪锆合金丝的制备工艺按以下步骤：

(1)首先将纯铝锭(铝元素纯度≥99.9wt％)熔化，待其熔化后向熔体中加入第一精炼剂(NaNO₃、KCl、MgCl₂、C的重量比为7:6:6:1，占熔体的百分含量为0.3wt％)进行第一精炼处理，静置后进行扒渣处理，之后在铝熔体表面均匀地撒上适量覆盖剂(KCl、CaF₂、MgCl₂、MgF₂重量比为7:10:68:15，占铝熔体的0.2wt％)，用量以覆盖熔体表面为宜，得到第一精炼铝液；

(2)按设计好的合金成分在步骤(1)铝液中加入镁剂(镁锭，镁元素纯度≥99.9wt％)、硅剂(铝硅中间合金，含硅量20wt％)、钪剂(铝钪中间合金，含钪量2wt％)、锆剂(铝锆中间合金，含锆量5wt％)，搅拌15min至混合均匀；

(3)用氮气将第二精炼剂(KCl、CaF₂、MgCl₂、BaCl₂、C的重量比为38:5:7:44:6，占第一精炼铝液的重量百分含量为0.1％)吹入第一精炼铝液中进行第二精炼处理，得到第二精炼铝液；

(4)将第二精炼铝液静置约25min；

(5)向步骤(4)第二精炼铝液中加入铝钛硼晶粒细化剂进行在线晶粒细化处理，控制铝液中各化学成分质量百分比为：Mg 4.53％、Si 0.45％、Fe 0.16％、Cu 0.1％、Ti0.15％、Mn 0.05％、Sc 0.1％、Zr 0.2％，余量为Al；

(6)将步骤(5)所得铝液在线除气、除渣，进行浇铸，再经三辊轧机轧制成直径9.5mm的铝合金杆；

(7)将上述铝合金杆进行退火、拉拔，最终获得直径1.6mm铝合金丝，最后进行成品退火处理，退火温度300℃，退火保温时间1.5h；

(8)步骤(7)所得铝合金丝进行固溶处理，固溶温度为455℃，固溶时间为2h。

本实施例所制备的铝镁硅钪锆合金丝与相同工艺制备的普通铝镁硅钪锆合金单丝线性能进行测试(测试方法见GB/T 3195-2008)，测试结果见表1。

表1

	抗拉强度(MPa)	伸长率(％)
			普通铝镁硅钪锆合金丝	448	6.9
本发明铝镁硅钪锆合金丝	472	8.2

实施例2

本实施方式的铝镁硅钪锆合金丝的制备工艺按以下步骤：

(1)首先将纯铝锭(铝元素纯度≥99.9wt％)熔化，待其熔化后向熔体中加入第一精炼剂(NaNO₃、KCl、MgCl₂、C的重量比为7:6:6:1，占熔体的百分含量为0.3wt％)进行第一精炼处理，静置后进行扒渣处理，之后在铝熔体表面均匀地撒上适量覆盖剂(KCl、CaF₂、MgCl₂、MgF₂重量比为7:10:68:15，占铝熔体的0.2wt％)，用量以覆盖熔体表面为宜，得到第一精炼铝液；

(2)按设计好的合金成分在步骤(1)铝液中加入镁剂(镁锭，镁元素纯度≥99.9wt％)、硅剂(铝硅中间合金，含硅量20wt％)、钪剂(铝钪中间合金，含钪量2wt％)、锆剂(铝锆中间合金，含锆量5wt％)，搅拌15min至混合均匀；

(3)用氮气将第二精炼剂(KCl、CaF₂、MgCl₂、BaCl₂、C的重量比为38:5:7:44:6，占第一精炼铝液的重量百分含量为0.1％)吹入第一精炼铝液中进行第二精炼处理，得到第二精炼铝液；

(4)将第二精炼铝液静置约25min；

(5)向步骤(4)第二精炼铝液中加入铝钛硼晶粒细化剂进行在线晶粒细化处理，控制铝液中各化学成分质量百分比为：Mg 5.48％、Si 0.28％、Fe 0.15％、Cu 0.1％、Ti0.15％、Mn 0.08％、Sc 0.2％、Zr 0.2％，余量为Al；

(6)将步骤(5)所得铝液在线除气、除渣，进行浇铸，再经三辊轧机轧制成直径9.5mm的铝合金杆；

(7)将上述铝合金杆进行退火、拉拔，最终获得直径1.6mm铝合金丝，最后进行成品退火处理，退火温度300℃，退火保温时间1.5h；

(8)步骤(7)所得铝合金丝进行固溶处理，固溶温度为455℃，固溶时间为2h。

本实施例所制备的铝镁硅钪锆合金丝与相同工艺制备的普通铝镁硅钪锆合金单丝线性能对比如表2。

表2

	抗拉强度(MPa)	伸长率(％)
			普通铝镁硅钪锆合金丝	457	7.1
本发明铝镁硅钪锆合金丝	481	9.4

实施例3

与实施例1的区别为：

晶粒细化处理后，第二精炼铝液包括Mg 4.53％、Si 0.45％、Fe 0.16％、Cu0.1％、Ti 0.15％、Mn 0.05％、Sc 0.1％、Zr 0.4％，余量为Al。

性能测试方法同实施例1，本实施例所制备的铝镁硅钪锆合金丝性能如下：抗拉强度为459MPa，伸长率为7.2％。

实施例4

与实施例1的区别为：

固溶强化处理的固溶温度为400℃，固溶时间为4h。

性能测试方法同实施例1，本实施例所制备的铝镁硅钪锆合金丝性能如下：抗拉强度为451MPa，伸长率为6.7％

对比例1

晶粒细化处理后，第二精炼铝液包括Mg元素3％、Si元素0.1％、Fe元素0.5％、Cu元素0.2％、Ti元素0.05％、Mn元素0.4％、Sc元素0.02％、Zr元素0.3％，余量为Al元素。

性能测试方法同实施例1，本实施例所制备的铝镁硅钪锆合金丝性能如下：抗拉强度为433MPa，伸长率为6.5％。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

比较实施例1至4及对比例1可知，将铝镁硅钪锆合金丝中各元素的量限定在本申请保护的范围内有利于提高铝镁硅钪锆合金丝的综合性能。

比较实施例1和3可知，将Sc与Zr的重量比限定在本申请优选的范围内有利于提高铝镁硅钪锆合金丝的综合性能。

比较实施例1和4可知，将固溶温度和时间限定在本申请优选的范围内有利于提高铝镁硅钪锆合金丝的综合性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种铝镁硅钪锆合金丝的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

将铝锭熔化，得到铝熔融液；

使所述铝熔融液与第一精炼剂进行第一精炼处理，得到第一精炼铝液；

将所述第一精炼铝液与镁剂、硅剂、钪剂、锆剂及第二精炼剂进行第二精炼处理，得到第二精炼铝液；

所述第二精炼铝液包括Mg元素4.5～6％、Si元素0.2～0.5％、Fe元素0.15～0.4％、Cu元素0.05～0.15％、Ti元素0.1～0.2％、Mn元素0.05～0.2％、Sc元素0.05～0.2％、Zr元素0.05～0.6％，余量为Al元素；

对所述第二精炼铝液进行晶粒细化处理；

使经过所述晶粒细化处理过程得到的铝液依次进行在线除气、除渣、浇铸、轧制、第一次退火、拉拔及第二次退火处理，得到所述铝镁硅钪锆合金丝；

其特征在于，所述晶粒细化处理过程中，所述Sc元素与Zr元素的重量比为1:(1～3)，所述第一精炼剂为NaNO₃、KCl、MgCl₂和C的混合物，重量比为7:6:6:1；所述第二精炼剂为KCl、CaF₂、MgCl₂、BaCl₂和C的混合物，重量比为38:5:7:44:6；

在进行所述第一次退火处理过程之后，所述制备方法还包括：将所述第一次退火处理得到的铝镁硅钪锆合金丝半成品进行固溶强化处理，得到所述铝镁硅钪锆合金丝，所述固溶强化处理的固溶温度为455～520℃，固溶时间为1～3h。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝锭中铝元素的纯度≥99.0wt％；

所述镁剂选自镁锭、铝镁中间合金和铝镁硅中间合金组成的组中的一种或多种；

所述硅剂选自铝硅中间合金、纯硅锭和铝硅镁中间合金组成的组中的一种或多种；

所述钪剂为铝钪中间合金；

所述锆剂选自铝锆中间合金、纯锆和铝硅锆中间合金组成的组中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述铝硅中间合金中，硅元素的含量为20～25wt％；所述铝钪中间合金中，钪元素的含量为1.8～2.2wt％；所述铝锆中间合金中，锆元素的含量为4～5.5wt％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一精炼处理过程还包括：

使所述铝熔融液与第一精炼剂依次经过精炼及静置处理，去除固渣，得到精炼中间产物；

将所述精炼中间产物表面加入覆盖剂，得到所述第一精炼铝液。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述覆盖剂选自KCl、CaF₂、MgCl₂、BaCl₂和MgF₂组成的组中的一种或多种。

6.一种铝镁硅钪锆合金丝，其特征在于，所述铝镁硅钪锆合金丝采用权利要求1至5中任一项所述的制备方法制得。

7.权利要求6所述的铝镁硅钪锆合金丝在焊接领域中的应用。