本发明属于合金材料
技术领域：
，特别涉及一种铝合金及其制备工艺与应用。
背景技术：
：铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金密度低，但强度比较高，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。在矿井巷道支护中，U型钢作为矿井支护材料，早已被广泛应用，特别是在深部复杂巷道以及松软煤层巷道中。U型钢支架的连接，一直是采取直接搭接，当巷道围岩来压时，使栅腿与栅梁的搭接迅速位移，在栅梁和栅腿之间的摩擦下易产生火花，给矿井的安全带来危害，特别是高瓦斯矿井。因而国外发达国家对钢材料在矿井中应用的安全问题早就进行了研究，但至今尚未获得突破性进展。且U型钢支架的密度较大，运输和施工难度大，且成本高。6351铝合金是6系列合金中强度较高的一种，强度比6061合金高，比6082合金稍低，如6351-T6型材要求最小抗拉强度为295Mpa，挤压成型性好。其多用于公路交通设施的挤压结构材料，需要材料强度高的输气、输油、输水管道。但是，其材料力学性能仍不能满足矿用支护材料的要求。技术实现要素：鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提出一种铝合金及其制备工艺；本发明还提供一种轻质、高强的铝合金U型矿用支架，不仅具有较高的强度、抗腐蚀性，优良的冲击韧性和塑性，且具有摩擦火花安全性好，密度小的优点，可替代传统的U型钢制备的U型矿用支架。本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种铝合金，其特征在于，该合金的化学成分具有质量百分比含量为：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％，余量为Al和不可避免的杂质。一种铝合金的制备工艺，包括以下步骤：备料→熔炼→加细化剂→加中间合金→成分调整→精炼→浇铸；a、备料：按重量百分比准备合金原料：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％以及铝钛硼细化剂和余量的铝。b、熔炼：将以上合金各组分原料投入熔炉中，加热熔炉进行熔炼，使熔炉内原料全部熔为合金溶液；c、加入细化剂在熔炉内合金溶液温度达到740℃左右时加入铝钛硼细化剂，强力搅拌直到混合均匀；d、分别向合金溶液中加入Al-Si20中间合金，Al-Ti8-B3中间合金，Al-Sc5中间合金、Al-Mn10中间合金迅速搅拌至混合均匀，使各合金成分温度达到730℃-760℃，和炉内温度趋于一致(温差不超过20℃)；e、成分调整：取样检测合金熔液的成分含量，根据设计的成分含量进行调整，直至确认各组成分符合设计的成分含量，所述设计的成分含量如下：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％，余量为Al；f、精炼：在经成分调整后的合金熔液加入0.2％铝合金精炼剂，用99.99％的氮气喷入，除去熔炉内的气体及杂质，除去合金溶液表面浮渣；g、浇铸：将精炼后的铝合金熔液在静置炉内静置30min，并将静置炉内的温度保持在720℃-740℃之间；然后将铝合金熔液通过铸造机进行铸造成型，可制成规定尺寸的锻造圆棒毛坯，以便于后续的加工。一种所述铝合金铸造的U型矿用支架，包括以下步骤：挤压成型→剪切→热处理→支架加工→U型矿用支架。a、挤压成型：在1600-2000吨压力机挤压成型，将胚料加热到400-450℃，在1800吨压力下，用专用U型模具挤压成型；b、剪切：成型后的铝材用切割机切割栅梁和栅腿，栅梁用压力机用模具压力成弧形；c、热处理：T6热处理；d、支架加工及装配：进行精加工，得到铝合金U型矿用支架，将栅梁和栅腿用连接件链接。所述连接件可为螺栓。进一步的，所述热处理为，将栅梁和栅腿料装入固溶炉，固溶温度500‐515℃，固溶时间3‐4.5小时，然后淬火，要求在10秒内将零件浸入水温35‐75℃的自来水中；再装入时效炉，炉温160‐180℃，保温6小时，出炉后自然冷却。一种铝合金在制备矿用支护材料中的应用，进一步的，所述铝合金在制备U型矿用支架中的应用。通过上述技术方案，本发明具有如下的优越性：本发明提供了一种铝合金，包括以下组分：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％；余量的Al及不可避免的杂质。0.3-1.2％的B能够与Ti形成TiB2提高了晶粒细化程度，同时提高制备工艺过程中的淬透性，可使调质后性能大为改善；0.05-0.3％的Sc对铝合金有很好的延压强化作用，同时提高铝合金的强度；1-3％的Ti能细化晶粒，显著提高室温、高温强度和铸造性能。本发明提供的铝合金，具有高强度、高塑性和高韧性，具有较好的综合机械性能。且具有摩擦火花安全性好，密度小，耐腐蚀的优点，适用于各类工件的高强度，高支撑力，不易变形的要求。本发明提供的上述铝合金铸造的U型矿用支架，同样具备以上优点，且支撑力较高，支护强度大，不易变形。其力学性能抗拉强度，伸长率和布氏硬度与U型钢相近；密度为钢的1/3，密度小，在井下有限的空间作业方便和省力；铝合金U型支架之间碰撞不会产生火花，在易燃易爆的环境里施工不会有安全隐患；铝合金U型支架具有抗腐蚀性，不会生锈，使用更安全，使用寿命更长；循环使用，方便回收，回收率高达99％，回收价值高，轻质、高强的铝合金U型支架可替代传统的U型钢制备的矿用U型钢支架。附图说明图1是本发明实施例的结构示意图。图中，1栅梁，2栅腿，3螺栓。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。一种铝合金，该合金的化学成分具有质量百分比含量为：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％，余量为Al和不可避免的杂质。实施例1按照表1中实施例1合金的组成将各原料制备得到铝合金。铝合金制备工艺具体步骤：备料→熔炼→加细化剂→加中间合金→成分调整→精炼。详细步骤如下：先按照表1中实施例1铝合金的组成准备合金原料：将实施例1铝合金各组分原料投入到熔炼炉中，加热熔炼炉进行熔炼，使熔炼炉内原料全部熔为铝合金溶液；在熔炉内铝合金溶液温度达到740℃左右时加入铝钛硼细化剂(加入量至钛和硼成分范围)，强力搅拌直到混合均匀；分别向铝合金溶液中加入Al-Si20中间合金，Al-Ti8-B3中间合金，Al-Sc5中间合金、Al-Mn10中间合金迅速搅拌至混合均匀，使各合金成分温度和炉内温度在740-760°趋于一致；取样检测合金熔液的成分含量，根据设计的成分含量进行调整，直至确认各组成分符合设计的成分含量(见表1实施例1)。然后在经成分调整后的合金熔液加入0.2％铝合金精炼剂，除去熔炉内的气体及杂质，除去合金溶液表面浮渣，将经精炼后的合金熔液在720℃-740℃浇铸成规定尺寸的锻造圆棒毛坯，以便于后续的加工。U型矿用支架的制备工艺：将制备好的合金材料在1600-2000吨压力机挤压成型，将胚料加热到400-450℃，在1800吨压力下，用专用U型模具挤压成型；成型后的铝材用切割机切割得到栅梁和栅腿，栅梁用压力机用模具压力成弧形；再经过T6热处理，将成型后并剪切好的材料装入固溶炉，固溶温度500-515℃，固溶时间3-4.5小时，然后淬火，要求在10秒内将零件浸入水温35-75℃的自来水中；再装入时效炉，炉温160-180℃，保温6小时，出炉后自然冷却；进行精加工，得到铝合金U型矿用支架，如图1所示，将栅梁1和栅腿2用螺栓3连接装配。本发明得到的铝合金物理性能：密度为2.76g·cm-3。实施例2～3按照实施例1的技术方案将表1所列的实施例2和实施例3的组分制备得到铝合金及其制品铝合金U型矿用支架。表1本发明实施例中铝合金的组成及各组分的质量百分含量(wt％)实施例SiMgMnTiBScAl和不可避免的杂质10.60.40.41.00.30.3余量20.80.60.53.00.80.2余量31.20.80.82.51.20.05余量6351铝合金0.70.50.50.200FeCuAl余量本发明得到的铝合金的常规力学性能测试方法如下：抗拉强度、屈服强度(规定非比例延伸强度)、伸长率根据GB/T228-2002标准规定检测方法；弹性模量根据GB/T8653-1988标准规定检测方法；布氏硬度根据GB/T231.1-2002标准规定检测方法。本发明将得到的铝合金进行力学性能及成形性能测试，结果如表2所示，表2为本发明实施例得到的铝合金的性能测试结果。本发明将得到的铝合金成品进行摩擦火花安全性试验，具体根据步骤按照《GB/T13813-2008煤矿用金属材料摩擦火花安全性试验方法和判定规则》，按照判定规则为合格。表2本发明实施例1-3得到的铝合金与对比例的性能测试结果由表2可以看出，本发明提供的铝合金的弹性模量、抗拉强度、屈服强度、延伸性(伸长度)及硬度性能优于现有的6351铝合金，且接近U型钢。同时材料力学性能接近U型钢，强度相近，密度只为U型钢的1/3左右，故铝合金比强度更高，完全可以满足和代替U型钢作为U型矿用支架的材料。由以上实施例可知，本发明提供了一种铝合金，包括以下组分：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％；余量的Al及不可避免的杂质。在本发明中，0.3-1.2％的B能够与Ti形成TiB2提高了晶粒细化程度，同时提高制备工艺过程中的淬透性，可使调质后性能大为改善；0.05-0.3％的Sc对铝合金有很好的延压强化作用，提高铝合金的强度；1-3％的Ti能细化晶粒，显著提高室温、高温强度和铸造性能，同时可以提高耐腐蚀性；0.4-0.8％的Mg，其既能保证得到的铝合金的强度，又满足了其作为U型矿用支架材料的塑性和抗腐蚀性的要求。因此，本发明提供的铝合金即具有高强度、高塑性和高韧性等，具有较好的综合机械性能，还具有摩擦火花安全性好，密度小，耐腐蚀等优点。此铝合金特征满足其作为U型矿用支架的材料的条件，完全适用于矿山巷道矿用支架的铸造。此铝合金U型矿用支架，支撑力较高，支护强度大，不易变形，可替代传统的U型钢制备的U型矿用钢支架。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3