一种6XXX系铝合金及其制备方法与流程

本发明涉及金属合金技术领域，尤其涉及一种6xxx系铝合金及其制备方法。

背景技术：

6xxx系铝合金属于时效强化型铝合金，具有低密度、中等强度、焊接及成型性能良好等优点，作为结构件广泛应用于航空航天、汽车、高铁、建筑等领域。

众所周知，6xxx合金的性能受到稳定相β相的亚稳态β"相析出的影响，而铝合金中稳定β相的亚稳态β"相是否析出主要是由热处理过程决定的。因此，科技人员为了提高6xxx系铝合金的综合力学性能，一般将研究重点放在了铝合金热处理步骤，如采用多种热处理工艺手段增加铝合金的机械强度，尤其是借助一些在热处理过程中析出的纳米级沉淀相所引起的沉淀硬化是近年来研究的热点。

现有技术中，没有人通过在6xxx系铝合金中添加其它金属元素及其匹配的热处理来提高铝合金性能的研究。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种6xxx系铝合金及其制备方法。本发明在铝合金原料中加入元素硅、钇和锆，三者的联合作用提高了铝合金的综合性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种6xxx系铝合金，由包括以下重量百分含量的元素组分制备得到：mg0.8～1.5％，si1.5～3.0％，cu0.2～0.5％，mn0.2～0.5％，cr0.1～0.15％，y0.15～0.4％，zr0.1～0.3％，sr0.05～0.15％，ti0.01～0.04％，zn≤0.1％，fe≤0.5％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为al。

优选地，由包括以下重量百分含量的元素组分制备得到：mg0.92％，si2.0％，cu0.3％，mn0.4％，cr0.1％，y0.25％，zr0.15％，sr0.10％，ti0.02％，zn≤0.1％，fe≤0.2％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为al。

优选地，所述6xxx系铝合金的硬度值为129hbw，抗拉强度为411mpa，屈服强度为348mpa，延伸率为15％。

本发明还提供了上述技术方案所述6xxx系铝合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照铝合金中各元素重量百分含量称取纯铝锭、纯镁锭、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金；

(2)将所述步骤(1)中的原料与细化剂、覆盖剂和精炼剂熔炼，得到铝合金熔炼液；

(3)将所述步骤(2)得到的铝合金熔炼液依次进行铸造、退火、挤压、固溶处理和时效处理，得到所述6xxx系铝合金。

优选地，所述步骤(2)的熔炼包括以下步骤：(a)将纯铝锭熔化后，与铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、覆盖剂和精炼剂混合，进行一次熔炼，得到一次熔炼液；(b)将所述步骤(a)得到的一次熔炼液与纯镁锭混合，进行二次熔炼，得到二次熔炼液；(c)将所述步骤(b)得到的二次熔炼液与细化剂混合，进行三次熔炼，静置，得到铝合金熔炼液。

优选地，所述步骤(a)中一次熔炼的温度为750～800℃。

优选地，所述步骤(b)中二次熔炼的温度为720～750℃。

优选地，所述步骤(3)中退火的温度为520～540℃，时间为8～16h。

优选地，所述步骤(3)中固溶处理的温度为500～540℃，时间为1～3h。

优选地，所述步骤(3)中时效处理的温度为150～200℃，时间为4～12h。

本发明提供了一种6xxx系铝合金，由包括以下重量百分含量的元素组分制备得到：mg0.8～1.5％，si1.5～3.0％，cu0.2～0.5％，mn0.2～0.5％，cr0.1～0.15％，y0.15～0.4％，zr0.1～0.3％，sr0.05～0.15％，ti0.01～0.04％，zn≤0.1％，fe≤0.5％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为al。本发明的铝合金中过剩的si元素少量固溶在铝基体中，大多数以单相硅或化合物的形式分布在晶界处，过剩si可以提高合金的硬度及强度。钇锆元素联合添加可以细化铝合金的铸态组织，起到细晶强化的作用。从实施例可以看出，本发明的6xxx系铝合金硬度值为129hbw，抗拉强度达411mpa，屈服强度348mpa，延伸率15％。

附图说明

图1为实施例1中200倍的铸态铸锭的扫描电镜照片；

图2为实施例1中500倍的铸态铸锭的扫描电镜照片；

图3为实施例1中挤压铸锭的扫描电镜照片；

图4为实施例1中固溶铸锭的扫描电镜照片；

图5为实施例1中6xxx系铝合金的透射电镜照片。

具体实施方式

本发明提供了一种6xxx系铝合金，由包括以下重量百分含量的元素组分制备得到：mg0.8～1.5％，si1.5～3.0％，cu0.2～0.5％，mn0.2～0.5％，cr0.1～0.15％，y0.15～0.4％，zr0.1～0.3％，sr0.05～0.15％，ti0.01～0.04％，zn≤0.1％，fe≤0.5％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为al。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料包括重量百分含量为0.8～1.5％的mg，优选为0.9～1.4％，更优选为0.92～1.0％。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料包括重量百分含量为1.5～3.0％的si，优选为1.8～2.5％，更优选为2.0～2.2％。在本发明中，所述si元素少量固溶在铝基体中，大多数以单相硅或化合物的形式分布在晶界处，过剩si可以提高合金的硬度及强度。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料包括重量百分含量为0.2～0.5％的cu，优选为0.25～0.45％，更优选为0.3～0.4％。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料包括重量百分含量为0.2～0.5％的mn，优选为0.25～0.45％，更优选为0.3～0.4％。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料包括重量百分含量为0.1～0.15％的cr，优选为0.11～0.14％，更优选为0.12～0.13％。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料包括重量百分含量为0.15～0.4％的y，优选为0.20～0.35％，更优选为0.25～0.30％。在本发明中，钇在铝中的溶解度较小，一部分偏聚在晶界处，形成al3y等化合物相，强化晶界，同时可以改善晶界上粗大的fe，mn，cu，cr等化合物相，使这些析出相更为细小破碎；一部分固溶在铝基体中，在时效后可形成更为细小弥散的al3y、al3zr等相，起到弥散强化和定扎位错的作用，增强合金力学性能。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料包括重量百分含量为0.1～0.3％的zr，优选为0.12～0.25％，更优选为0.15～0.2％。在本发明中，钇锆元素联合添加可以细化铝合金的铸态组织，起到细晶强化的作用。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料包括重量百分含量为0.05～0.15％的sr，优选为0.06～0.14％，更优选为0.08～0.12％。在本发明中，由于铝合金中含有较多的过剩si，故添加了少量的sr变质剂，可以减少粗大的si相的形成，使si粒子更为破碎，分布更为均匀，改善合金的综合性能。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料包括重量百分含量为0.01～0.04％的ti，优选为0.015～0.03％，更优选为0.02～0.025％。

在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料中不可避免的包括fe和zn杂质，其中杂质zn的重量百分含量优选为≤0.1％；杂质fe的重量百分含量优选为≤0.5％。在本发明中，制备所述6xxx系铝合金的原料中不可避免的还含有除fe和zn以外的杂质，如硼、钠、氧。在本发明中，所述杂质合计≤0.15％；单个杂质≤0.05％。

本发明还提供了上述6xxx系铝合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)根据上述技术方案所述各元素重量百分比称取纯铝锭、纯镁锭、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金；

(2)将所述步骤(1)中的原料与细化剂、覆盖剂和精炼剂熔炼，得到铝合金熔炼液；

(3)将所述步骤(2)得到的铝合金熔炼液依次进行铸造、退火、挤压、固溶处理和时效处理，得到所述6xxx系铝合金。

本发明根据上述技术方案所述各元素重量百分含量称取纯铝锭、纯镁锭、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金。本发明对所述各原料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。本发明对所述原料的重量比没有特殊的限定，只要使各元素的重量百分含量满足mg0.8％～1.5％，si1.5～3.0％，cu0.2～0.5％，mn0.2～0.5％，cr0.1～0.15％，y0.15～0.4％，zr0.1～0.3％，sr0.05～0.15％，ti0.01～0.04％，zn≤0.1％，fe≤0.5％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为al即可。

准备好原料后，本发明将所述原料与细化剂、覆盖剂和精炼剂熔炼，得到铝合金熔炼液。本发明对细化剂、覆盖剂和精炼剂没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备铝合金常用的细化剂、覆盖剂和精炼剂即可，如，细化剂优选为al-5ti-1b，覆盖剂优选为45％nacl+45％kcl+10％na3alf6，精炼剂优选为c2f6。在本发明中，所述原料、细化剂、覆盖剂和精炼剂的质量比优选为150～200：2：2：1，更优选为160～190：2：2：1，最优选为170～180：2：2：1。

在本发明中，所述熔炼优选包括以下步骤：(a)将纯铝锭熔化后，与铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、覆盖剂和精炼剂混合，进行一次熔炼，得到一次熔炼液；(b)将所述步骤(a)得到的一次熔炼液与纯镁锭混合，进行二次熔炼，得到二次熔炼液；(c)将所述步骤(b)得到的二次熔炼液与细化剂混合，进行三次熔炼，静置，得到铝合金熔炼液。在本发明中，所述纯铝锭熔化温度优选为730～780℃，更优选为740～770℃，最优选为750～760℃。在本发明中，所述一次熔炼的温度优选为750～800℃，更优选为760～790℃，最优选为770～780℃。在本发明中，所述二次熔炼的温度优选为720～750℃，更优选为725～745℃，最优选为730～740℃。在本发明中，所述三次熔炼的温度优选为730～740℃。在本发明中，所述静置的时间优选为20～40min。本发明对纯铝锭熔化时间、一次熔炼时间、二次熔炼时间和三次熔炼时间没有特殊的限定，只要能够使合金完全熔融即可。

一次熔炼结束后，本发明优选进行第一次除气除渣处理。

二次熔炼结束后，本发明优选加入打渣剂，进行第二次除渣处理。

得到铝合金熔炼液后，本发明将铝合金熔炼液依次进行铸造、退火、挤压、固溶处理和时效处理，得到所述6xxx系铝合金。

在本发明中，所述铸造时铝合金熔炼液的温度优选为730～740℃。在本发明中，所述铸造的水压优选为0.01～0.03mpa，更优选为0.015～0.025mpa，最优选为0.02mpa。在本发明中，所述铸造的速度优选为20～30mm/min，更优选为22～28mm/min，最优选为24～26mm/min。本发明对铸造后铸锭的形状没有特殊的限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择即可。在本发明的实施例中，所述铸锭的直径优选为126mm，长度优选为400～410mm。

在本发明中，所述退火的温度优选为520～540℃，更优选为525～535℃，最优选为528～532℃。在本发明中，所述退火的时间优选为8～16h，更优选为10～15h，最优选为12～14h。在本发明中，所述退火结束后，本发明优选将退火后铸锭空冷至25℃。

在本发明中，所述挤压优选包括将退火后铸锭依次加热、保温再挤压。在本发明，所述加热的温度优选为440～460℃，更优选为445～455℃，最优选为450℃；所述保温的时间优选为10～12h。在本发明中，所述挤压时挤压筒的温度优选为460～480℃，更优选为465～475℃，最优选为470℃；所述挤压的速度优选为8～12m/min，更优选为9～11m/min，最优选为10m/min；所述挤压的挤压比优选为20～30。在本发明中，所述退火后铸锭在进行挤压前，为了避免铸锭表面擦划，优选将退火后铸锭车皮至直径为122mm，长度锯切至300mm。

在本发明中，所述固溶处理的温度优选为500～540℃，更优选为510～535℃，最优选为520～530℃。在本发明中，所述固溶处理的时间优选为1～3h，更优选为1.5～2.5h，最优选为2.0～2.3h。在本发明中，所述固溶结束后，本发明优选将铸锭水冷至室温。

在本发明中，所述时效处理的温度优选为150～200℃，更优选为160～190℃，最优选为170～180℃。在本发明中，所述时效处理的时间优选为4～12h，更优选为6～10h，最优选为8h。在本发明中，时效处理结束后，本发明优选将时效处理产物空冷至室温。

本发明的铝合金原料中过剩的si元素少量固溶在铝基体中，大多数以单相硅或化合物的形式分布在晶界处，过剩si可以提高铝合金的硬度和强度；由于铝合金中含有较多的过剩si，故添加了少量的sr变质剂，可以减少粗大的si相的形成，使si粒子更为破碎，分布更为均匀，改善合金的综合性能。钇锆联合添加可以细化铝合金的铸态组织，起到细晶强化的作用。钇在铝中的溶解度较小，一部分偏聚在晶界处，形成al3y等化合物相，强化晶界，同时可以改善晶界上粗大的fe，mn，cu，cr等化合物相，使这些析出相更为细小破碎；一部分钇和锆固溶在铝基体中，在时效后可形成更为细小弥散的al3y、al3zr等相，起到弥散强化和定扎位错的作用，增强合金力学性能。

本发明提供的6xxx系铝合金具有优异的综合性能，硬度值为129hbw，抗拉强度为411mpa，屈服强度为348mpa，延伸率为15％；同时还具有良好的机械加工性能和切削性能，可用于abs、oa、光学仪器部件等。

下面结合实施例对本发明提供的6xxx系铝合金及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种6xxx系铝合金，由包括以下重量百分含量的元素组分制备得到：mg0.92％，si2.0％，cu0.3％，mn0.4％，cr0.1％，y0.25％，zr0.15％，sr0.10％，ti0.02％，zn0.1％，fe0.2％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为al。

制备方法包括以下步骤：

(1)按照上述各元素重量百分含量称取纯铝锭、纯镁锭、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金；

(2)将纯铝锭于780℃熔化后，加入铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、覆盖剂和精炼剂，于780℃进行一次熔炼，得到一次熔炼液；降温至730℃，将得到的一次熔炼液与纯镁锭混合，进行二次熔炼，得到二次熔炼液；将得到的二次熔炼液与铝钛硼混合，于730℃进行三次熔炼，静置20min，得到铝合金熔炼液；

(3)将所述步骤(2)得到的铝合金熔炼液在740℃、水压为0.03mpa、速度为30mm/min的条件下进行铸造，得到直径为126mm，长度为410mm的铸态铸锭；铸态铸锭于540℃退火8h，出炉空气中冷却，得到退火铸锭；将退火铸锭车皮至直径为122mm，长度锯切至300mm，得到车皮铸锭；将车皮铸锭加热至440℃保温12h，出炉；在挤压筒温度为480℃，挤压速度为12m/min，挤压比25的条件下挤压，得到挤压铸锭；挤压的铸锭于510℃固溶处理2h，得到固溶铸锭；固溶铸锭于170℃时效处理8h，得到所述6xxx系铝合金。

采用gb/t231.1-2002测定6xxx系铝合金的硬度，结果为硬度为113hbw。

采用gb/t228-2002测定6xxx系铝合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率，结果为抗拉强度为371mpa，屈服强度为313mpa，延伸率为14.4％。

采用200倍和500倍扫描电镜观察铸态铸锭的微观结构，结果分别如图1和图2所示。从图1和图2可以看出：铸态铸锭为较均匀细小的等轴晶，等轴晶各向异性小，加工时变形均匀、塑性好，有利于后续的加工；另外，从图中可以看到明显的偏析现象；同时，还存在着一些未溶的残留相。对图中几点位置进行eds能谱分析显示，白色较为粗大的第二相主要是si和cu元素的非平衡相，灰色较为细小的第二相，主要含有fe、mn、cr等难溶相，以及少量的mg2si。因此，铸态铸锭需要进行退火处理，以消除偏析。

采用扫面电镜观察挤压铸锭和固溶铸锭的微观结构，结果分别如图3和图4所示。结合图3和图4可以看出：挤压铸锭沿挤压方向呈纤维状，晶界上存在大量残留相。经过固溶处理后，晶内残留相基本溶入基体中，晶界上的残留相大部分溶解，合金组织变得更加均匀。本发明的固溶铸锭形成了较为充分的过饱和固溶体，有利于在时效处理时析出更多且更加弥散的强化相，增强铝合金的力学性能。

采用透射电镜观察6xxx系铝合金的微观结构，结果分别如图5所示。从图5可以看出：al3y、al3zr以及其它的析出相分布均匀，尺寸在50～150nm之间，呈球状和块状，形貌类似。晶界处有较大尺寸的析出相，可以对晶界起到一定的强化作用；同时铝合金弥散均匀的析出针状的mg2si相，这种β"相强化作用最好，可以使铝合金具有最优的力学性能。同时al3y、al3zr以及其它的析出相亦较为均匀的分布。

实施例2

一种6xxx系铝合金，由包括以下重量百分含量的元素组分制备得到：mg0.90％，si2.2％，cu0.3％，mn0.4％，cr0.12％，y0.27％，zr0.15％，sr0.10％，ti0.03％，zn0.09％，fe0.17％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为al。

制备方法包括以下步骤：

(1)按照上述各元素重量百分含量称取纯铝锭、纯镁锭、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金；

(2)将纯铝锭于780℃熔化后，加入铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、覆盖剂和精炼剂，进行一次熔炼，得到一次熔炼液；降温至730℃，将得到的一次熔炼液与纯镁锭混合，进行二次熔炼，得到二次熔炼液；将得到的二次熔炼液与铝钛硼混合，于730℃进行三次熔炼，静置15min，得到铝合金熔炼液；

(3)将所述步骤(2)得到的铝合金熔炼液在730℃、水压为0.025mpa、速度为25mm/min的条件下进行铸造，得到直径为126mm，长度为400～410mm的铸态铸锭；铸态铸锭于530℃退火保温12h，出炉空气中冷却，得到退火铸锭；将退火铸锭车皮至直径为122mm，长度锯切至300mm，得到车皮铸锭；将车皮铸锭加热至450℃保温10h，出炉；在挤压筒温度为470℃，挤压速度为10m/min，挤压比25的条件下挤压；挤压后的铸锭于530℃固溶处理2h，于180℃时效处理8h，得到所述6xxx系铝合金。

采用与实施例1相同的方法测定6xxx系铝合金的硬度，结果为硬度为126hbw。

采用与实施例1相同的方法测定6xxx系铝合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率，结果为抗拉强度为411mpa，屈服强度为348mpa，延伸率为15％。

实施例3

一种6xxx系铝合金，由包括以下重量百分含量的元素组分制备得到：mg1.1％，si2.0％，cu0.32％，mn0.39％，cr0.11％，y0.28％，zr0.16％，sr0.09％，ti0.025％，zn0.1％，fe0.16％，单个杂质≤0.05％，合计杂质≤0.15％，余量为al。

制备方法包括以下步骤：

(1)按照上述各元素重量百分含量称取纯铝锭、纯镁锭、铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金；

(2)将纯铝锭于730℃熔化后，加入铝硅中间合金、铝铜中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钇中间合金、铝锆中间合金、铝锶中间合金、覆盖剂和精炼剂，进行一次熔炼，得到一次熔炼液；降温至730℃，将得到的一次熔炼液与纯镁锭混合，进行二次熔炼，得到二次熔炼液；将得到的二次熔炼液与铝钛硼混合，于730℃进行三次熔炼，静置25min，得到铝合金熔炼液；

(3)将所述步骤(2)得到的铝合金熔炼液在740℃、水压为0.03mpa、速度为30mm/min的条件下进行铸造，得到直径为126mm，长度为400～410mm的铸态铸锭；铸态铸锭于535℃退火保温14h，出炉空气中冷却；将退火的铸锭车皮至直径为122mm，长度锯切至300mm，车皮铸锭；将车皮铸锭加热至450℃保温12h，出炉；在挤压筒温度为475℃，挤压速度为10m/min，挤压比25的条件下挤压，得到挤压铸锭；挤压铸锭于540℃固溶处理2h，得到固溶铸锭；固溶铸锭于170℃时效处理10h，得到所述6xxx系铝合金。

采用与实施例1相同的方法测定6xxx系铝合金的硬度，结果为硬度为117hbw。

采用与实施例1相同的方法测定6xxx系铝合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率，结果为抗拉强度为396mpa，屈服强度为331mpa，延伸率为14.6％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。