一种高Mn含量Al-Mn合金及其制备方法与流程

本发明属于金属材料及冶金技术领域，具体涉及一种高mn含量al-mn合金及其制备方法。

背景技术：

金属元素mn是铝合金的一个重要合金元素，特别是在3000系铝合金中，mn是主要元素。mn原子固溶到al基体中，产生固溶强化效果，使合金强度得到提高。所以，增加合金中的mn含量，有利于提高合金的强度。但是，随着mn含量的增加，将会在合金中形成金属间化合物相a16mn，而且mn含量越高，金属间化合物相al6mn越粗大。如果mn含量超过了al-mn合金的共晶成分，al6mn成为初生相，则更加粗大。如果合金中含有fe元素，则fe元素会结合到al6mn相中，形成al6(femn)相，如果合金中含有si，可能会形成all5(mefe)3si2相，使金属间化合物相更加粗大。粗大的金属间化合物相对合金的力学性能有破坏作用。金属间化合物相越粗大，对力学性能的破坏作用越强烈。所以必须将mn含量限制中一定范围，防止形成粗大的金属间化合物相。比如，3000系合金中，aa3003，aa3004和aa3005合金的mn含量为1.0-1.5wt％。生产中往往控制在下限。其它合金中的mn含量更低，mn的强化作用难以充分发挥。这个问题一直困恼着al-mn系合金的研发。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种高mn含量al-mn合金及其制备方法，变质处理是铝合金生产中的一种工艺，本申请通过添加变质剂改变合金中的粗大相的尺寸和形貌，减轻粗大相对合金力学性能的损害，通过变质处理，改变合金中的粗大金属间化合物相al6mn、al6(femn)以及all5(mnfe)3si2相的尺寸和形貌，减轻它们对合金力学性能的损害，进一步提高合金中mn的含量，分发挥mn的固溶强化效果，进一步提高合金的力学性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高mn含量al-mn合金，成分按重量百分比为：mn1.2～2.4％，si≤0.7％，fe≤0.8％，cu≤0.5％，cr0.15～1.0％，mg≤0.5％，zn≤0.25％，ti≤0.25％，zr≤0.25％，余量为al和杂质，其中杂质含量≤1.0％。

所述的高mn含量al-mn合金经轧制获得0态轧板产品抗拉强度125～145mpa，屈服强度48～61mpa，延伸率35～45％，

一种高mn含量al-mn合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)按配比准备mn，si，fe，mg，cu，zn，ti，zr，cr和al；其中，所述的al为铝锭；

(2)将铝锭加热熔化形成铝熔体，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，其中，所述的铝熔体温度控制在700～760℃，所述的合金熔体温度控制在700～760℃；

(3)采用精炼剂对合金熔体进行精炼处理，精炼处理后静置20～40min，扒渣后浇注成铸件，其中，所述的浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，并经过陶瓷板过滤；

(4)将铸件放入均质化炉中进行均匀化处理，获得均匀化产物，冷却后制得高mn含量al-mn合金；其中，所述的均匀化处理温度550～620℃，时间为8～24h。

所述的步骤(1)中，mg为镁锭。

所述的步骤(1)中，mn为锰添加剂或铝锰中间合金。

所述的步骤(1)中，fe为铁添加剂或铝铁中间合金。

所述的步骤(1)中，si为金属硅或铝硅中间合金。

所述的步骤(1)中，cu为纯铜或铝铜中间合金。

所述的步骤(1)中，cr为铬添加剂或铝铬中间合金。

所述的步骤(1)中，zr为锆添加剂或铝锆中间合金。

所述的步骤(1)中，zn为锌锭。

所述的步骤(1)中，ti为钛添加剂或铝钛中间合金。

所述的步骤(2)中，加入cu、cr、mn和fe时，分别选用铝铜中间合金、铝铬中间合金、铝锰中间合金和铝铁中间合金，或者分别选用铜添加剂、铬添加剂、锰添加剂和铁添加剂。

所述的步骤(3)中，铸件根据需要，可以为圆棒或扁锭等状态。

所述的步骤(3)中，精炼剂可选用任何具有精炼效果的铝合金精炼剂，比如promag粒状精炼剂，按质量配比，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.05～0.5％。

所述的步骤(3)中，在线除气是采用snif在线除气装置将氩气喷入铝合金熔体中，氩气流量为3-5m³/h。

所述的步骤(3)中，在线添加晶粒细化剂是采用喂丝机将al-5ti-1b丝通入铝合金熔体中，al-5ti-1b丝的添加量为0.5～2.0kg/t铝合金熔体，优选为1.0kg/t铝合金熔体。

所述的步骤(4)中，铸件在均匀化处理后经过去除表皮处理。

所述的步骤(4)中，制得的高mn含量al-mn合金可以根据铸件状态进行后续处理，具体为：

当制得高mn含量al-mn合金的铸件为扁锭时，处理过程为：将均匀化处理后的扁锭轧制成板材；

当制得高mn含量al-mn合金的铸件为圆棒时，处理过程为：将均匀化处理后的圆棒在400～500℃预热，然后挤压成型材；并在圆棒挤压和/或扁锭轧制前，根据工艺要求将圆棒或扁锭切成所需要的尺寸。

本发明的有益效果：

本发明的高mn含量al-mn合金提高了合金中mn的含量，从而提高了mn的强化作用；同时，加入元素cr，细化金属间化合物相al6mn、al6(femn)或者al15(mnfe)3si2，减轻相关化合物相对合金力学性能的损害，因此本发明方法制备的高mn含量al-mn合金充分发挥了mn的固溶强化效果，进一步提高了合金的力学性能。

附图说明：

图1为同样凝固条件下aa3003合金和实施例3制备的高mn含量al-mn合金的凝固组织图，其中，图1(a)为aa3003合金凝固组织图；图1(b)为实施例3制备的高mn含量al-mn合金的凝固组织图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行；所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；所描述的不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例中，如果圆棒表面质量较好，均匀化处理后直接进行挤压；如果圆棒表面质量欠佳，则均匀化处理后需将表皮去掉；而用于板带材生产的扁锭，则均匀化处理后将表皮去掉。

本发明实施例中在线除气是采用snif在线除气装置，将氩气喷入铝合金熔体中，氩气流量为3-5m³/h，转子转速为300-700r/min。

本发明实施例中在线添加晶粒细化剂是采用喂丝机将al-5ti-1b丝通入铝合金熔体中，al-5ti-1b丝的添加量为0.5-2.0kg/t铝合金熔体，优选为1.0kg/t铝合金熔体。

本发明实施例中，添加的中间合金选用85mn剂、金属硅、镁锭、锌锭、85ti剂、85cr剂和al-50cu中间合金。

实施例1

一种高mn含量al-mn合金，成分按重量百分比为：mn1.2wt％，cu0.15wt％，cr0.9wt％，fe0.5wt％，si0.3wt％，余量为al和杂质，其中杂质含量≤1.0％。

一种高mn含量al-mn合金的制备方法，包括以下步骤：

1、熔铸：合金设计成分为mn1.2wt％，cu0.15wt％，cr0.9wt％，fe0.5wt％，si0.3wt％，余量为al和杂质；准备铝锭、金属硅、85锰剂(含85％mn的铝合金元素添加剂)、85铬剂(含85％cr的铝合金元素添加剂)；al-50cu中间合金；

2、将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在750℃，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在720-750℃；取样分析化学成分，如有必要，再次添加原料，确保化学成分合格；

3、利用旋转喷吹装置将promag精炼剂吹入铝合金熔体中，进行精炼处理，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.35％；精炼处理后静置20min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成扁锭；

4、将扁锭分切成合适的尺寸，进行均匀化处理。均匀化处理温度600℃，时间12h；

5、将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，然后，经过开坯、热轧至3mm厚，经450℃/1h退火后得到高mn含量al-mn合金o态(完全退火态)热轧板；

6、高mn含量al-mn合金的o态抗拉强度125mpa，屈服强度48mp，延伸率45％。本合金是在aa3003合金的基础上添加0.9％cr，细化了金属间化合物相al6(mnfe)，使合金性能得到了提高。

实施例2

一种高mn含量al-mn合金，成分按重量百分比为：mn1.5wt％，mg0.3wt％，zn0.2wt％，ti0.15wt％，zr0.07，cr0.15wt％，fe0.5，si0.3wt％，余量为al和杂质，其中杂质含量≤1.0％。

一种高mn含量al-mn合金的制备方法，包括以下步骤：

1、熔铸：合金设计成分为mn1.5wt％，mg0.3wt％，zn0.2wt％，ti0.15wt％，zr0.07，cr0.15wt％，fe0.5，si0.3wt％，余量为al和杂质；准备铝锭、金属硅、85锰剂(含85％mn的铝合金元素添加剂)、85铬剂(含85％cr的铝合金元素添加剂)；al-50cu中间合金；

2、将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在750℃，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在720-750℃；取样分析化学成分，如有必要，再次添加原料，确保化学成分合格；

3、利用旋转喷吹装置将promag精炼剂吹入铝合金熔体中，进行精炼处理，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.35％；精炼处理后静置20min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成扁锭；

4、将扁锭分切成合适的尺寸，进行均匀化处理。均匀化处理温度600℃，时间12h；

5、将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，然后，经过开坯、热轧至3mm厚，经450℃/1h退火后，进一步冷轧，得到高mn含量al-mn合金h16态冷轧板；

6、高mn含量al-mn合金在h16态的抗拉强度205mpa，屈服强度195mp，延伸率2.5％。与aa3003合金相比，提高了mn的含量，又利用cr细化了金属间化合物相al6(mnfe)，使合金性能得到了提高。

实施例3

一种高mn含量al-mn合金，成分按重量百分比为：mn1.8wt％，cu0.15wt％，cr0.35wt％，fe0.5wt％，si0.3wt％，余量为al和杂质，其中杂质含量≤1.0％。

一种高mn含量al-mn合金的制备方法，包括以下步骤：

1、熔铸：合金设计成分为mn1.8wt％，cu0.15wt％，cr0.35wt％，fe0.5wt％，si0.3wt％，余量为al和杂质；准备铝锭、金属硅、85锰剂(含85％mn的铝合金元素添加剂)、85铬剂(含85％cr的铝合金元素添加剂)；al-50cu中间合金；

2、将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在750℃，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在720-750℃；取样分析化学成分，如有必要，再次添加原料，确保化学成分合格；

3、利用旋转喷吹装置将promag精炼剂吹入铝合金熔体中，进行精炼处理，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.35％；精炼处理后静置20min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成扁锭；

4、将扁锭分切成合适的尺寸，进行均匀化处理。均匀化处理温度600℃，时间12h；

5、将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，然后，经过开坯、热轧至3mm厚，经450℃/1h退火后得到高mn含量al-mn合金o态(完全退火态)热轧板；

6、高mn含量al-mn合金o态抗拉强度145mpa，屈服强度61mp，延伸率42％。

对比例：作为对比，按aa3003合金的成分进行了实验，成分为mn1.2wt％，cu0.15wt％，fe0.5wt％，si0.3wt％，余量为al；制备方法同本实施例，对比例产品在o态的抗拉强度114mpa，屈服强度45mp，延伸率43％；

图1为同样凝固条件下aa3003合金和本实施例高mn含量al-mn合金的凝固组织图，其中，图1(a)为aa3003合金凝固组织图；图1(b)为本实施例制备的高mn含量al-mn合金凝固组织图；由附图1可知，虽然本实施例大幅度提高了mn的含量，但利用cr变质，细化了富mn富fe金属间化合物相，本实施例中的金属间化合物相al6(mnfe)依然非常细小，从而，合金的力学性能有较大幅度的提高。

实施例4

一种高mn含量a1-mn合金，成分按重量百分比为：mn1.8wt％，cu0.15wt％，cr0.35wt％，fe0.5wt％，si0.3wt％，余量为al和杂质，其中杂质含量≤1.0％。

一种高mn含量al-mn合金的制备方法，包括以下步骤：

1、熔铸：合金设计成分为mn1.8wt％，cu0.15wt％，cr0.35wt％，fe0.5wt％，si0.3wt％，余量为al和杂质；准备铝锭、金属硅、85锰剂(含85％mn的铝合金元素添加剂)、85铬剂(含85％cr的铝合金元素添加剂)；al-50cu中间合金；

2、将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在750℃，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在720-750℃；取样分析化学成分，如有必要，再次添加原料，确保化学成分合格；

3、利用旋转喷吹装置将promag精炼剂吹入铝合金熔体中，进行精炼处理，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.35％；精炼处理后静置20min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成φ100mm圆棒；

4、将圆棒进行均匀化处理。均匀化处理温度600℃，时间12h；

5、将均匀化处理后的圆棒分切成合适的尺寸，然后，在450℃预热2h，在600吨挤压机上挤压成型材，然后经450℃/ih退火后得到高mn含量al-mn合金o态(完全退火态)型材；

6、高mn含量al-mn合金o态型材的抗拉强度142mpa，屈服强度60mp，延伸率41％。

实施例5

一种高mn含量al-mn合金，成分按重量百分比为：mn1.8wt％，cu0.15wt％，cr0.15wt％，fe0.5wt％，si0.3wt％，余量为al和杂质，其中杂质含量≤1.0％。

一种高mn含量al-mn合金的制备方法，包括以下步骤：

1、熔铸：合金设计成分为mn1.8wt％，cu0.15wt％，cr0.15wt％，fe0.5wt％，si0.3wt％，余量为al和杂质；准备铝锭、金属硅、85锰剂(含85％mn的铝合金元素添加剂)、85铬剂(含85％cr的铝合金元素添加剂)；al-50cu中间合金；

2、将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在750℃，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在720-750℃；取样分析化学成分，如有必要，再次添加原料，确保化学成分合格；

3、利用旋转喷吹装置将promag精炼剂吹入铝合金熔体中，进行精炼处理，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.35％；精炼处理后静置20min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成扁锭；

4、将扁锭分切成合适的尺寸，进行均匀化处理。均匀化处理温度600℃，时间12h；

5、将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，然后，经过开坯、热轧至3mm厚，经450℃/1h退火后，进一步冷轧，得到高mn含量al-mn合金h14态冷轧板；

6、高mn含量al-mn合金在h14态的抗拉强度172mpa，屈服强度163mp，延伸率15％。与aa3003合金相比，提高了mn的含量，又利用cr细化了金属间化合物相al6(mnfe)，使合金性能得到了提高。

实施例6

一种高mn含量al-mn合金，成分按重量百分比为：mn2.1wt％，cu0.15wt％，cr0.55wt％，fe0.5，si0.3wt％，余量为al和杂质，其中杂质含量≤1.0％。

一种高mn含量al-mn合金的制备方法，包括以下步骤：

1、熔铸：合金设计成分为mn2.1wt％，cu0.15wt％，cr0.55wt％，fe0.5，si0.3wt％，余量为al和杂质；准备铝锭、金属硅、85锰剂(含85％mn的铝合金元素添加剂)、85铬剂(含85％cr的铝合金元素添加剂)；al-50cu中间合金；

2、将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在750℃，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在720-750℃；取样分析化学成分，如有必要，再次添加原料，确保化学成分合格；

3、利用旋转喷吹装置将promag精炼剂吹入铝合金熔体中，进行精炼处理，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.35％；精炼处理后静置20min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成扁锭；

4、将扁锭分切成合适的尺寸，进行均匀化处理。均匀化处理温度600℃，时间12h；

5、将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，然后，经过开坯、热轧至3mm厚，经450℃/ih退火后得到高mn含量al-mn合金o态(完全退火态)热轧板；

6、高mn含量al-mn合金在o态的抗拉强度138mpa，屈服强度57mp，延伸率38％。与aa3003合金相比，较大幅度提高了mn的含量，又利用cr细化了金属间化合物相al6(mnfe)，使合金性能得到了很大提高，但由于合金中含有更多的金属间化合物相，延伸率有所降低。

实施例7

一种高mn含量al-mn合金，成分按重量百分比为：mn2.4wt％，cr1.0wt％，fe0.5，si0.3wt％，余量为al和杂质，其中杂质含量≤1.0％。

一种高mn含量al-mn合金的制备方法，包括以下步骤：

1、熔铸：合金设计成分为mn2.4wt％，cr1.0wt％，fe0.5，si0.3wt％，余量为al和杂质；准备铝锭、金属硅、85锰剂(含85％mn的铝合金元素添加剂)、85铬剂(含85％cr的铝合金元素添加剂)；a1-50cu中间合金；

2、将铝锭加热熔化形成铝熔体，温度控制在750℃，将其他原料加入铝熔体中，至全部原料熔化后，搅拌均匀，形成合金熔体，温度控制在720-750℃；取样分析化学成分，如有必要，再次添加原料，确保化学成分合格；

3、利用旋转喷吹装置将promag精炼剂吹入铝合金熔体中，进行精炼处理，精炼剂的用量为铝合金熔体总重量的0.35％；精炼处理后静置20min，扒渣后浇注，浇注过程中进行在线除气和在线添加晶粒细化剂，经过陶瓷板过滤浇注成扁锭；

4、将扁锭分切成合适的尺寸，进行均匀化处理。均匀化处理温度600℃，时间12h；

5、将均匀化处理后的扁锭表皮去掉，然后，经过开坯、热轧至3mm厚，经450℃/1h退火后得到高mn含量al-mn合金o态(完全退火态)热轧板；

6、高mn含量al-mn合金在o态的抗拉强度145mpa，屈服强度59mp，延伸率35％。与aa3003合金相比，较大幅度提高了mn的含量，又利用cr细化了金属间化合物相al6(mnfe)，使合金性能得到了很大提高，但由于合金中含有更多的金属间化合物相，延伸率有所降低。