一种铝合金及其挤压型材的加工方法与流程

本发明属于合金技术领域，具体涉及一种铝合金及其挤压型材的加工方法。

背景技术：

近年来，随着国家节能减排、绿色环保政策法规的实施，创建资源节约型、环境友好型社会步伐的加快，汽车轻量化越来越被社会所关注。铝及其合金加工材料由于具有密度小、比强度高、抗冲击性能好、耐腐蚀、良好的加工成型性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性，成为实现汽车轻量化最理想的首选材料。随着汽车轻量化的发展需要，对材料的力学性能提出了更加严格的要求，同时要求材料更容易加工变形，生产成本更低。

2xxx系和7xxx系铝合金虽然具有很高的强度，但是不容易挤压成型，难以生产一些形状复杂的空心型材。6xxx系铝合金为中等强度铝合金，但其相对较低的强度严重制约了6xxx系合金在某些强度要求较高的型材构件上的应用。同时增加Mg，Si，Cu等元素含量，可以提高铝合金的强度，但是过量的Cu含量会使合金在挤压时变形抗力增加，相应的空心型材的挤压生产困难。因此，合金开发时需要匹配好Mg，Si和Cu元素含量，使合金在达到较高强度的同时具有良好的挤压性能。

6xxx系型材在交通车辆上往往需要经MIG/TIG焊接，而焊接接头的强度软化严重，极大影响了车辆的使用寿命和安全性能。如6005A合金，焊接强度仅为母材的60％-65％。专利CN201210103588.4发明了一种高焊接强度的Al-Mg-Si合金，合金成分及重量百分比为Si 0.5％-0.9％，Mg 0.4％-0.7％，Mn<0.5％，Cr<0.3％，Mn+Cr 0.12％-0.5％，Fe<0.35％，Zn<0.2％，Ti<0.1％，Cu 0.2％-0.5％，另外还包括Er 0.2％-0.8％，Zr 0.2％-0.6％和Sc 0.3％-1.2％中的一种或多种，其他合金成分总量不超过0.15％，其余为Al，该合金焊接强度显著提高。专利CN201610372088.9公布了一种Al-Mg-Si合金及其型材的加工方法，该合金具有高的强度，良好的抗腐蚀性能和焊接强度，该专利合金配方中加入了Sc、Ag等元素，明显提高了焊接接头强度。专利CN201310645740.6公布了一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金，其通过加入Ce等稀土元素，使合金铸造组织细化，降低了焊接裂纹敏感性。但是上述专利制备的合金往往通过添加稀土元素Ce，Y等和贵金属元素Ag、Sc、Li等，铸锭制备工艺复杂，型材热处理和挤压成型过程难控制，并且使得合金成本较高，不适用于大批量应用的工业铝型材。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明通过合金成分优化及加工工艺的精确控制，提供一种铝合金及其挤压型材的加工方法，该合金强度高，同时焊接性能良好，并且生产成本低，同时，不含易挥发性等难熔炼合金成分，使得合金熔炼较为简单，型材的制备工艺方法也较为简单。

本发明采用如下技术方案：

一种铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及重量百分比为：Si 0.6％-1.4％，Mg 0.7％-1.3％，Cu 0.1％-1％，Mn 0.1％-1％，Ti 0.01％-0.15％，Zr≤0.2％，Cr≤0.5％，Fe≤0.4％，Zn≤0.25％，其余为Al；所述铝合金还需满足：Mg+Si+Cu的重量百分比范围为1.4％-3.7％、Mg/Si摩尔比为0.7-1.5、Mn+Cr+Zr的重量百分比范围为0.1％-1.7％。

根据上述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及重量百分比为：Si 0.6％-1.0％，Mg 0.7％-1.1％，Cu 0.1％-0.5％，Mn 0.1％-1％，Ti 0.01％-0.15％，Zr≤0.15％，Cr≤0.3％，Fe≤0.4％，Zn≤0.25％，其余为Al；所述铝合金还需满足：Mg+Si+Cu的重量百分比范围为1.4％-2.6％、Mg/Si摩尔比为0.7-1.5、Mn+Cr+Zr的重量百分比范围为0.1％-1.45％。

根据上述的铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及重量百分比为：Si 0.7％-1.0％，Mg 0.7％-1.0％，Cu 0.3％-0.5％，Mn 0.1％-0.5％，Ti 0.01％-0.05％，Zr≤0.05％，Cr≤0.05％，Fe≤0.4％，Zn≤0.25％，其余为Al；所述铝合金还需满足：Mg+Si+Cu的重量百分比范围为1.7％-2.5％、Mg/Si摩尔比0.8-1.3、Mn+Cr+Zr的重量百分比范围为0.1％-0.6％。

基于上述的铝合金的挤压型材的加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)对所述合金的铸锭进行均匀化处理，将铸锭从室温以一级或多级的升温方式升至500℃-580℃，并保温5h-30h；

(2)将步骤(1)得到的铸锭先加热到500℃-580℃，然后挤压成铝型材；

(3)挤压生产，型材挤压出口速度控制在0.5mm-4mm/s；

(4)在线淬火，型材淬火温度控制在430℃-560℃，淬火方式为水冷或强制风冷；

(5)挤压后进行拉伸矫直，拉伸量控制在0.5％-2.6％；

(6)挤压型材采用人工时效，时效温度为120℃-230℃，时间为1h-48h。

根据上述的加工方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，将铸锭从室温以1℃-100℃/h的升温速率升至400℃-470℃，保温3h-10h，再以10℃-100℃/h的升温速率升至530℃-580℃，保温5h-30h。

根据上述的加工方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，铸锭预热温度为520℃-560℃。

根据上述的加工方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，型材挤压出口速度控制在1mm-3mm/s。

根据上述的加工方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，型材的拉伸量控制在0.5％-2.0％。

根据上述的加工方法，其特征在于，所述的步骤(6)中，型材人工时效温度控制在140℃-200℃，时间为1h-16h。

本发明的一种铝合金，综合考虑各元素含量对性能的影响效果，调控各元素比例，通过合理调整6xxx系合金中主合金元素Mg、Si及微量元素含量，合理控制Mg/Si比，精确控制Cu含量，将Cu含量降低到0.35-0.55wt％范围内，同时适当添加Ti、Zr、Mn、Cr等微量元素，充分发挥固溶强化、析出强化、晶粒细化等复合强化作用，使组织中析出细小弥散相，抑制再结晶，合金挤压态组织为伸长的未再结晶的组织，同时Ti、Zr、Mn、Cr元素的添加能缩短焊接热影响区柱状晶的宽度，从而有效提高铝合金型材的强度和焊接性能。本发明的铝合金成分简单，不需要加入稀土元素和Sc、Li、Ag等贵金属元素，所以生产的铝型材具有熔铸工艺简单、型材制备工艺简单、成本低等优点，可广泛用于交通运输挤压铝型材。

本发明一种铝合金的挤压型材的加工方法，在工艺上采用了多级均匀化处理、强化固溶处理和时效等热处理工艺。采用多级均匀化热处理工艺，在工业化生产可允许的范围内最大限度的消除了基体宏观偏析，同时精确控制加热时的升温速率，以缓慢升温的方式促Mn、Cr或Zr元素的扩散，促进含Mn、Cr或Zr相均匀弥散析出，同时合理选择铸锭加热温度，挤压速率和拉伸矫直变形量保证挤压过程的稳定及型材的综合力学性能。通过对合金热处理和加工工艺优化，挤压后型材的组织致密，晶粒细小，综合性能优异，屈服强度大于320MPa，抗拉强度大于340MPa，延伸率大于9％，可获得兼具高强和优良焊接性能的交通运输用挤压铝型材。本发明工艺所制备的铝合金，力学性能高，焊接性能优异，远高于常规工艺制得的合金。

附图说明

图1为本发明实施例4合金扫描电镜下的显微组织。

图2为本发明实施例4合金挤压后显微组织EBSD形貌。

图3为本发明实施例4合金焊缝、熔合区、热影响区和母材处显微组织形貌。

图4为本发明实施例4热影响区处析出第二相形貌。

图5为本发明实施例4与对比例1合金焊接接头的显微硬度分布。

具体实施方式

本发明的一种铝合金，组分及重量百分比为：Si 0.6％-1.4％，Mg 0.7％-1.3％，Cu 0.1％-1％，Mn 0.1％-1％，Ti 0.01％-0.15％，Zr≤0.2％，Cr≤0.5％，Fe≤0.4％，Zn≤0.25％，其余为Al；其中，Mg+Si+Cu的重量百分比范围为1.4％-3.7％、Mg/Si摩尔比为0.7-1.5、Mn+Cr+Zr的重量百分比范围为0.1％-1.7％。

优选的，本发明的铝合金的组分及重量百分比为：Si 0.6％-1.0％，Mg 0.7％-1.1％，Cu 0.1％-0.5％，Mn 0.1％-1％，Ti 0.01％-0.15％，Zr≤0.15％，Cr≤0.3％，Fe≤0.4％，Zn≤0.25％，其余为Al；其中，Mg+Si+Cu的重量百分比范围为1.4％-2.6％、Mg/Si摩尔比为0.7-1.5、Mn+Cr+Zr的重量百分比范围为0.1％-1.45％。

优选的，本发明的铝合金的组分及重量百分比为：Si 0.7％-1.0％，Mg 0.7％-1.0％，Cu 0.3％-0.5％，Mn 0.1％-0.5％，Ti 0.01％-0.05％，Zr≤0.05％，Cr≤0.05％，Fe≤0.4％，Zn≤0.25％，其余为Al；其中，Mg+Si+Cu的重量百分比范围为1.7％-2.5％、Mg/Si摩尔比0.8-1.3、Mn+Cr+Zr的重量百分比范围为0.1％-0.6％。

本发明的铝合金的挤压型材的加工方法，包括以下步骤：

(1)对所述合金的铸锭进行均匀化处理，将铸锭从室温以一级或多级的升温方式升至500℃-580℃，并保温5h-30h；其中，优选的是将铸锭从室温以1℃-100℃/h的升温速率升至400℃-470℃，保温3h-10h，再以10℃-100℃/h的升温速率升至530℃-580℃，保温5h-30h；

(2)将步骤(1)得到的铸锭先加热到500℃-580℃，然后挤压成铝型材；优选的，铸锭预热温度为520℃-560℃；

(3)挤压生产，型材挤压出口速度控制在0.5mm-4mm/s；优选的，型材挤压出口速度控制在1mm-3mm/s；

(4)在线淬火，型材淬火温度控制在430℃-560℃，淬火方式为水冷或强制风冷；

(5)挤压后进行拉伸矫直，拉伸量控制在0.5％-2.6％；优选的，型材的拉伸量控制在0.5％-2.0％；

(6)挤压型材采用人工时效，时效温度为120℃-230℃，时间为1h-48h；优选的，型材人工时效温度控制在140℃-200℃，时间为1h-16h。

本发明的铝合金经MIG焊后焊接接头系数大于0.65。

铝合金成分范围宽，合金成分的选择及比例不合理，容易使得合金性能降低。通过优化合金成分以及适量控制合金杂质，能够对合金起到强化作用，增加其使用性能以及加工性能。

Si和Mg作为主合金元素，形成Mg₂Si强化相，合金强度随Mg₂Si相含量的增加而增大，但合金的强度并不是随着Mg₂Si量增加而一直增加，过量的Mg₂Si在固溶过程中不能溶入基体，时效处理时形成粗大的析出相，这会降低合金的强度和耐蚀性能。

Cu原子的加入能有效提高合金强度，但添加过多Cu的合金时效处理时，容易沿晶界处形成连续网状的含Cu的析出相，加速腐蚀发生。

Mn元素的添加使得6xxx系合金在均匀化过程中条状的β-AlFeSi相向近圆形的α-Al₁₅(FeMn)₃Si₂相的转化，促进Mg₂Si粒子的均匀分布和挤压变形的均匀，从而提高合金的强度、成形性能、韧性和耐腐蚀性。弥散析出Al₁₅(FeMn)₃Si₂,Al₆Mn相，能抑制再结晶，细化晶粒，提高合金的强度和韧性。而过量的Mn会形成粗大的AlMnFe，AlMnFeSi相，降低合金的强度、成形性能、耐蚀性能和淬火敏感性。

Cr元素的作用与Mn大致相同，Cr与Mn元素可以相互替代生成AlMnFeSi相和AlCrFeSi相。加入0.1-0.3wt％的Cr可抑制Mg₂Si相在晶界的析出，延缓自然时效过程，提高人工时效后的强度，减少合金变形过程中裂纹在晶界处形成并长大导致断裂的几率。微量的Cr还可提高再结晶温度，抑制再结晶，增加合金人工时效后的耐蚀性。但Cr对淬火敏感性影响很大，还会影响制品的表面质量。

Ti元素添加，合金凝固时形成Al₃Ti化合物，提高形核率，细化组织。焊接时，Al₃Ti细化晶粒，减少焊接热裂倾向，钉扎位错，提高再结晶温度，细化晶粒。

型材在生产过程中，热处理制度和挤压工艺制度，如铸锭温度、挤压速度等都会对挤压制品的力学性能产生影响，因此型材生产过程中需要选择合理正确的加工工艺参数。

下述实施例和对比例仅用于说明本发明，但并不能限定本发明的保护范围。

实施例1

本发明的一种铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.81％，Mg 0.75％，Cu0.36％，Mn 0.4％，Zr 0.1％，Cr 0.2％，Ti 0.02％，Fe 0.13％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以66℃/h升温速率升温至450℃保温5h，后以50℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为520℃，挤压速度3.4mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温12h。

实施例2

本发明的一种铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.81％，Mg 0.74％，Cu0.34％，Mn 0.1％，Zr 0.09％，Cr 0.2％，Ti 0.02％，Fe 0.11％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以66℃/h升温速率升温至450℃保温5h，后以50℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为520℃，挤压速度3.4mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温12h。

实施例3

本发明的一种铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.8％，Mg 0.74％，Cu 0.34％，Mn 0.1％，Cr 0.2％，Ti 0.02％，Fe 0.11％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以66℃/h升温速率升温至450℃保温5h，后以20℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为520℃，挤压速度3.5mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温12h。

实施例4

本发明的一种铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.74％，Mg 0.74％，Cu0.32％，Mn 0.16％，Ti 0.02％，Fe 0.18％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以68℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为560℃，挤压速度1.5mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温12h。

实施例5

本发明的一种铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.79％，Mg 0.82％，Cu0.33％，Mn 0.17％，Ti 0.02％，Fe 0.18％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以66℃/h升温速率升温至450℃保温5h，后以50℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为560℃，挤压速度2mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温8h。

实施例6

本发明的一种铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.79％，Mg 0.82％，Cu0.33％，Mn 0.17％，Ti 0.02％，Fe 0.18％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以66℃/h升温速率升温至450℃保温5h，后以50℃/h升温速率升温至560℃保温6h，强制风冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为560℃，挤压速度1.8mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温8h。

实施例7

本发明的一种铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.74％，Mg 0.74％，Cu0.32％，Mn 0.16％，Ti 0.02％，Fe 0.18％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以66℃/h升温速率升温至450℃保温5h，后以50℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为540℃，挤压速度1.82mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温8h。

实施例8

本发明的一种铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.97％，Mg 0.98％，Cu0.34％，Mn 0.1％，Ti 0.02％，Fe 0.09％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以66℃/h升温速率升温至450℃保温5h，后以70℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为520℃，挤压速度3.4mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温12h。

对比例1

一种对比用铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.97％，Mg 0.62％，Cu 0.25％，Mn 0.08％，Zr 0.01％，Cr 0.18％，Ti 0.04％，Fe 0.39％，Zn 0.2％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以68℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为560℃，挤压速度1.5mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温12h。

对比例2

一种对比用铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.79％，Mg 0.74％，Cu 0.19％，Mn 0.08％，Cr 0.18％，Ti 0.03％，Fe 0.32％，Zn 0.2％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以68℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为560℃，挤压速度1.5mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温12h。

对比例3

一种对比用铝合金，其组分及重量百分比为：Si 0.52％，Mg 0.8％，Cu 0.01％，Mn 0.01％，Cr 0.01％，Ti 0.02％，Fe 0.14％，Zn 0.1％，余量为Al。

对合金铸锭进行均匀化热处理，以68℃/h升温速率升温至560℃保温6h，空冷。对材料进行挤压，铸锭加热温度为560℃，挤压速度1.8mm/s，在线淬火，预拉伸1.5％，并人工时效175℃保温8h。

参见表1，本发明合金和对比用合金的性能指标。本发明通过合理调整合金中各合金元素的含量及配比，并控制加工工艺制度，可使材料获得较高的力学性能，如实施例中的铝合金强度普遍比对比例1、2和3高。本发明合金焊接性能优异，焊接接头拉伸强度高于对比例合金，最高达到255MPa，高于普通6061和6082合金焊后强度，并且焊后拉伸强度是母材的65％以上，焊接接头的强度损失量低于对比例合金。

参见图1，实施例4合金挤压后显微组织中第二相由颗粒状的AlFeMnSi相、AlCuFeMnSi相和Mg₂Si相组成。

参见图2，本发明合金中适当添加Mn元素，使得铸态组织中生成的条状的β-AlFeSi相向近圆形的α-Al₁₅(FeMn)₃Si₂相的转化，弥散析出的第二相，能抑制组织发生再结晶，细化晶粒，合金挤压态组织为伸长的未再结晶的组织，同时促进Mg₂Si粒子的均匀分布和挤压变形的均匀，从而提高合金的强度、成形性能和韧性。

参见图3，实施例4铝合金焊接接头的显微组织。图3(a)为树枝晶和胞状晶共存的焊缝大部区域；图3(b)和图3(c)分别为熔合区和热影响区，焊缝结晶从熔池边缘开始，晶粒由母材向熔池内继续生长，晶粒取向与母材尚未熔化晶粒的取向相同，体现出联生结晶的特点；靠近熔合区的焊缝边缘为典型的柱状晶组织，晶粒比较粗大，为母材融化后未充分与焊缝填充材料相混溶的区域；热影响区的典型特征是加工态组织大部分发生了再结晶，局部区域出现了粗大的再结晶组织；图3(d)为母材组织，在a(Al)基体上弥散分布着大量的强化相Mg₂Si。

参见图4，微量化Mn、Cr等元素会在焊接接头热影响区处析出细小的第二相，有效抑制焊缝处显微组织粗大，降低了热影响区间距，从而提高焊缝性能。

参见图5，本发明的铝合金与对比用铝合金焊接接头的显微硬度分布图，可以看到铝合金焊接接头焊缝的显微硬度比母材的低，距焊缝中心4mm区域，显微硬度随距离焊缝中心的增大而快速上升；距离焊缝中心8mm的区域存在一个硬度最低的区域，这说明热影响区存在软化区；距离焊缝中心20mm处，硬度恢复到母材硬度。从对比例1与实施例4的焊接接头硬度值分布图来看，本发明在整个热影响区的硬度值均高于对比例1，并且硬度回到母材硬度值的热影响区宽度小于对比例1，说明本发明合金焊接性能优于对比例1合金。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

表1实施例和对比例合金的性能指标