一种铝合金及其制备方法与应用与流程

本发明涉及铝合金，具体涉及一种铝合金及其制备方法与应用。

背景技术：

1、薄壁多胞结构具有优异的吸能特性和轻便的质量，可广泛应用于汽车、飞机等交通工具的防撞吸能装置中。al-mg-si系铝合金和热挤压成型工艺因具有良好的加工成型性、可规模化生产、成本低廉等优势，被广泛用于制备薄壁多胞结构产品。热挤压制备的薄壁多胞结构型材通过焊接工艺与其它零件连接，为了保障防撞构件的吸能能力，薄壁多胞结构材料的焊接强度应不低于70％母材强度。为了保障防撞吸能装置在生命周期内安全可靠，薄壁多胞结构材料还需要具备优异的耐热性和耐撞性。其中，耐热性旨在评价制备薄壁多胞结构材料的强度在生命周期内抗环境温度的衰减能力，目前普遍要求材料于150℃保温1000h后屈服强度衰减低于5％；而耐撞性旨在评价薄壁多胞结构材料在碰撞过程中吸能能力，当前普遍采用准静态压溃实验方法进行评估。目前，挤压薄壁多胞结构的al-mg-si系合金的强度一般约300mpa，为了进一步实现交通工具的轻量化，提高燃油经济性和环保性能，研发更高强度且耐热耐撞可焊的al-mg-si系合金具有极其重要的意义。

2、采用现有高强度al-mg-si系合金热挤压制备薄壁多胞结构时存在较多的问题，采用较高合金元素含量的aa6061和aa6082合金可制备薄壁多胞结构型材，但合金的强度低于340mpa，且焊接性能、耐热性能和压溃性能均无法满足要求；采用高合金素含量的aa6110和aa6013合金无法通过热挤压制备薄壁多胞结构，并且该类合金在焊接过程中容易出现开裂。由此可知，当前高强度al-mg-si系合金均无法有效制备具有优异综合性能的薄壁多胞结构型材。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明通过配方优化制备得到了强度超过340mpa，同时又兼具良好耐热耐撞可焊的薄壁多胞结构型材。

2、本发明还提出一种上述铝合金的制备方法。

3、本发明还提出了一种铝型材，所述铝型材的制备原料包括上述铝合金。

4、根据本发明的一个方面，提出了一种铝合金，按重量百分数计，包括如下组分：mg:0.9-1.5、si:0.9-1.5、fe:0.12-0.60、cu:0.1-0.30、mn:0.2-0.6、v:0.04-0.12、sc:0.04-0.12和ni:0.05-0.15；

5、mg和si的重量百分数和为2.0-3.0；

6、mg和si的重量比为1.0-1.20。

7、根据本发明的第一方面，至少具有以下有益效果：

8、本发明所述高强耐热耐撞可焊al-mg-si系合金及其挤压材的生产方法，研究了mg、si、mn、cu、v、sc和ni等元素对al-mg-si系合金组织与性能的影响，结合工业化生产中al-mg-si系合金挤压材的生产工艺流程，提供了一种高强耐热耐撞可焊al-mg-si系合金。高cu含量的al-mg-si系合金具有较差的焊接性能和挤压成型性能；低mg/si比的al-mg-si系合金具有较差的热稳定性和压溃性能；而高mg/si的al-mg-si系合金具有较低的强度和较差的挤压成型性能。

9、本发明对高强度al-mg-si系合金中mg、si、cu、mn、v、sc和ni元素的含量、mg/si重量比和mn/fe重量比进行了优化，探明了合金元素的含量及其配比对al-mg-si系合金的力学性能、焊接性能、热稳定性和压溃性能的调控作用机理，包括以下两方面：

10、在合金成分方面：

11、本发明中mg、si元素含量均设定在0.90～1.50wt.％范围内，同时mg和si元素质量总和设定在2.0-3.0wt.％，mg/si质量比设定在1.0-1.20，cu元素含量设定在0.10-0.30wt.％，这是本发明的关键之处；mg和si作为al-mg-si系合金中主要合金元素，在均匀化热处理和热挤压过程中固溶于铝基体中，在随后时效热处理过程中析出β’和β”相，引起时效强化效应，余下的mg和si则固溶于铝基体中引起固溶强化效应。为了保证al-mg-si系合金强度大于340mpa，合金中mg和si元素总含量设定在2.0-3.0wt.％范围内。固溶于铝基体中的si可引al-mg-si系合金组织发生如下变化：一方面，在热处理过程中可促进析出相粗化，降低合金耐热性能；另一方面，在淬火和时效热处理过程中容易在晶界偏聚，降低晶界结合强度，使得合金的压溃性能降低。因此，在相同mg和si总含量下，提高合金中mg/si比，al-mg-si系合金耐热性能和压溃性能提高。普遍认为，固溶于铝基体中的mg原子可引起铝原子间距增大，而si原子则反之。因此，在相同mg和si总含量下，提高合金中mg/si比，al-mg-si系合金的空位扩散激活能和zener-hollomon参数z值提高，对应的热挤压变形抗力增大、可挤压性降低。本发明对mg/si重量比限定为1.0-1.20，这是基于使合金同时具有良好的耐热性、耐撞性、可挤压性的优选。cu元素与mg、si结合形成的q相(almgsicu)能产生较大的强化效果，同时该析出相还具有较好的热稳定性。但是，cu元素容易在晶界偏聚，使得al-mg-si系合金的焊接裂纹倾向增大。基于使合金同时具有高强度、耐热性和可焊性，本发明对cu元素的范围限定为0.10-0.30wt.％。

12、在本发明的一些实施方式中，当mg和si的重量百分数和为2.0-2.4时，所述铝合金包括如下组分：cu:0.20-0.30、v+sc:0.08-0.12、mn:0.40-0.6、fe:0.24-0.60和ni:0.10-0.15。

13、在本发明的一些实施方式中，当mg和si的重量百分数和为2.4-3.0时，所述铝合金包括如下组分：cu:0.10-0.20、v+sc:0.12-0.16、mn:0.2-0.3、fe:0.12-0.30和ni:0.05-0.10。

14、本发明中，根据不同mg和si元素含量设计不同的cu、v和sc元素含量，这是本发明的关键之处。在al-mg-si系合金熔炼中，v和sc元素与al元素结合形成纳米级al(v，sc)粒子，一方面，引起弥散强化效应；另一方面，在热挤压和后续焊接过程中可细化晶粒，引起细晶强化效应。然而，v和sc元素添加过量将产生两个方面的不利影响：一方面，在熔炼过程中容易与al、fe、mn元素结合形成粗大的金属间化合物，使得合金的强韧性降低；另一方面，在热挤压过程中提高热挤压变形抗力，使得合金可挤压性降低。基于使合金同时具有高强度、耐热性、可挤压性和可焊性，本发明对v、sc元素的范围均限定为0.04-0.12wt.％。当mg和si总量设定在2.0-2.4wt.％时，为了进一步提高合金的强度和耐热性能，添加微量cu(0.20-0.30wt.％)和mn(0.40-0.60wt.％)；为了在热挤压和焊接过程中获得细小的晶粒组织、提高合金的耐热性，同时添加微量v和sc(0.08-0.12wt.％)。当mg和si总量设定在2.4-3.0wt.％时，随mg和si含量增加，合金可挤压性降低，同时挤压晶粒组织因热挤压动态再结晶驱动力增大容易出现粗化，为了提高合金的可挤压性、并或获得细小的挤压晶粒组织，cu元素含量降低为0.10-0.20wt.％，v和sc元素含量增加至0.12-0.16wt.％。

15、本发明中，根据不同v、sc元素含量设计不同mn、fe元素含量，并控制mn/fe含量比值设定在1.0-1.7范围内，这也是本发明的关键之处。在铸锭均质处理过程中，mn元素可促进熔铸过程中形成的粗大片层状的β-alfesi相转变为细小、颗粒状的α-alfemnsi相，从而提高合金强韧性。当mn含量过高时，mn元素与fe、v、sc元素结合可形成粗大的金属间化合物，使得合金的塑性变形能力降低；同时，消耗部分v、sc元素，使得其抑制再结晶和晶粒长大的效果降低。因此，al-mg-si系合金中mn元素含量需要严格控制，基于使合金同时具有高强度和优异的耐撞性，本发明中mn元素含量设定在0.20-0.60wt.％。当mn元素含量一定时，过高的fe含量使得β-alfesi相不能充分转变为α-alfemnsi相，β-alfesi相带来的不利影响无法得到充分消除，从而影响合金强韧性。因此，al-mg-si系合金中fe元素含量需要严格控制，本发明中mn/fe含量比值设定在1.0-1.7，对应的fe元素含量设定在0.12-0.60wt.％。当mg和si总量设定为2.0-2.4wt.％时，对应较低的v、sc元素含量(0.08-0.12wt.％)，为了进一步提高合金的强度、耐撞性，mn元素含量设定为0.40-0.60wt.％，fe元素含量设定为0.24-0.60wt.％；当mg和si总量设定在2.4-3.0wt.％时，对应较高的v、sc元素含量(0.12-0.16wt.％)，为了避免形成粗大的金属间化合物，mn元素含量降低为0.20-0.30wt.％，fe元素含量设定为0.12-0.30wt.％。

16、本发明中，根据不同mg、si、cu、v、sc元素含量设计不同ni元素含量，这也是本发明的关键之处。ni与al结合可形成细小al3ni硬质粒子，在高温条件下可以有效阻碍位错的运动和原子扩散迁移，从而提高材料的耐热性和高温强度。但是，ni含量添加过量将导致合金中细小al3ni粒子转变为长针状，使得合金可挤压性和强韧性急剧降低。基于获得优异的耐热性能和压溃性能，当mg和si总量设定为2.0-2.4wt.％，ni元素含量设定为0.10-0.15wt.％；当mg和si总量设定为2.4-3.0wt.％，ni元素含量设定为0.05-0.10wt.％。

17、在本发明的一些实施方式中，所述铝合金的组分还包括cr、zn和ti。

18、在本发明的一些实施方式中，按重量份计，所述铝合金的组分包括mg:0.9-1.5、si:0.9-1.5、fe:0.12-0.60、cu:0.1-0.30、mn:0.2-0.6、v:0.04-0.12、sc:0.04-0.12和ni:0.05-0.15、cr0-0.03、zn 0-0.1和ti 0-0.03，余量为铝。

19、mg和si的重量百分数和为2.0-3.0；

20、mg和si的重量比为1.0-1.20；

21、根据本发明的二个方面，提出了一种铝合金的制备方法，包括以下步骤：

22、s1：将铝锭溶化后加入所述铝合金组分的中间合金进行合金化、精炼得到铝熔体；

23、s2：将所述铝熔体静置后净化、铸造得到铝合金铸锭；

24、s3：均匀化处理所述铝合金铸锭。

25、在本发明的一些实施方式中，步骤s1中，所示合金化的温度为730-750℃。

26、在本发明的一些实施方式中，步骤s1中，选用纯度≥99.7％的铝锭、纯度≥99.95％的镁锭，alsi20、alcu50、alv3、alsc2、alni10中间合金，mn75％、fe75％添加剂作为原材料。

27、在本发明的一些实施方式中，步骤s1中，所述精炼的步骤包括：用无钠精炼剂对炉内铝合金液进行喷吹精炼20-40分钟。

28、在本发明的一些实施方式中，步骤s1中，所述精炼后还包括扒渣后静置20-40min。

29、在本发明的一些实施方式中，步骤s2中，所述净化的步骤包括：将所述铝熔体经过流槽进入除气箱进行在线除气处理：转子旋转速度为300-400转/分钟、氩气流量为3-5立方米/小时；除气后溶液经过流槽进入过滤箱，通过40-60ppi的泡沫陶瓷过滤板进行在线过滤处理。

30、在本发明的一些实施方式中，步骤s2中，所述铸造的温度为710-730℃。

31、将铝锭在730-750℃加热熔化，然后加入相应的镁锭、中间合金及mn剂、fe剂，本发明所述成分范围的al-mg-si系合金，在熔炼和铸造过程中，极易凝固结晶形成粗大的金属间化合物，降低铸锭可挤压性，同时还将导致挤压产品耐热性能、压溃性能和焊接性能降低，因此本发明中对熔炼工艺需要进行特殊管控：采用低含量的alv3、alsc2、alni10中间合金，同时熔炼温度控制在730-750℃，铸造温度控制在710-730℃。

32、在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，所述均匀化处理的步骤包括第一级均匀化处理、第二级均匀化处理和第三级均匀化处理。

33、在本发明的一些实施方式中，所述第一级均匀化处理的步骤包括：以4-8℃/min的速度升温至450℃-480℃后保温3-6h。

34、在本发明的一些实施方式中，所述第二级均匀化处理的步骤包括：以2-4℃/min的速度升温至530-550℃后保温5h-8h。

35、在本发明的一些实施方式中，所述第三级均匀化处理的步骤包括：以1-3℃/min的速度升温至560-580℃后保温1-2h。

36、上述条件下使得针状含fe相充分转变为细小的颗粒状，同时避免纳米级第二相粒子长大。随后以2-4℃/min的冷却速度冷却至300℃后采取水雾快速冷却至室温，以便降低铸锭中mg、si元素固溶浓度，提高铸锭的可挤压性。采用本发明所述的铸锭均值工艺，一方面，通过消除fe元素不利影响、抑制纳米级第二相粒子(如al3v、al3sc、al6mn等)的长大，极大提高了合金的强韧性；另一方面，通过消除铸锭中合金成分偏析、降低mg和si元素固溶浓度，极大提高了合金的可挤压性。

37、根据本发明的三个方面，提出了一种铝型材，所述铝型材的制备原料包括所述的铝合金。

38、本发明的al-mg-si的铝型材通过对al-mg-si系合金中mg、si、cu、mn、v、sc和ni元素的含量、mg/si重量比和mn/fe重量比进行优化，使得合金的强度达到340mpa以上时，仍具有优异的焊接性能、热稳定性、防撞性和可挤压性。

39、本发明所述制备工艺简单、易实施，通过优化设计的熔炼和均质处理工艺，保证了本发明所述铝合金的挤压性，从而可工业化生产制备薄壁多胞结构；通过优化设计的挤压工艺，保证了薄壁多胞结构的综合性能。

40、本发明所述的生产方法成本低，并且制备的薄壁多胞结构型材的性能优于现有技术。

41、在本发明的一些实施方式中，所述铝型材的制备方法包括以下步骤：将所述铝合金热挤压、淬火后时效处理。

42、在本发明的一些实施方式中，所述热挤压工艺包括：将均匀化处理后的铸锭以60-80℃/min加热速度加热至500-520℃并以5-8m/min挤出速度挤出。

43、在本发明的一些实施方式中，所述挤出后还包括淬火。

44、在本发明的一些实施方式中，所述淬火的条件为：水冷淬火方式冷却至室温，对应的淬火温度为530-560℃、冷却速度≥1000℃/min。

45、本发明所述al-mg-si系合金挤压材的生产方法，其关键之处在于热挤压工艺。本发明所述的热挤压工艺为：铸锭通过永磁炉以60-80℃/min加热速度快速加热至500-520℃，并以5-8m/min挤出速度制备薄壁多胞结构型材，随后，采用水冷淬火方式冷却至室温，对应的淬火温度为530-560℃、冷却速度≥1000℃/min。上述热挤压工艺一方面保证合金中mg和si元素充分固溶于铝基体中，另一方面消除合金中晶界偏析和无沉淀析出带，提高挤压材料中晶界结合强度，同时抑制纳米级第二相粒子的长大。冷却后的型材进行在线调直，调直比率需要控制在1.5％-2.5％，随后在200-220℃时效温度下保温4-8h，通过调直工艺和时效热处理控制，达到消除材料中内应力的目的，降低材料在压溃过程中开裂倾向。

46、在本发明的一些实施方式中，所述时效处理的参数包括：200-220℃时效4-8h。