铆钉用高强度铝镁合金丝及其制备方法与流程

本发明涉及铆钉用金属材料领域，尤其涉及一种铆钉用高强度铝镁合金丝及其制备方法。

背景技术：

铝合金铆钉广泛用于建筑、汽车、飞机、家具等产品的铆接。目前加工铝合金铆钉的线材开裂率较高，如CN104717870 B所涉及的一种铁路货车车体铆钉用铝合金棒材，其开裂率就达到4.7％。而性能稍微好一点的工艺复杂且昂贵，如CN106544558 A提供了一种高强度铝合金铆钉线，线材性能强度较高，但工艺烦杂且昂贵，尤其是还要预先制备铝中间合金颗粒，很难在实践中得以推广。因此，如何用简单经济的工艺方法来解决铆钉线冷镦开裂率高的问题是目前行业的焦点。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种铆钉用高强度铝镁合金丝及其制备方法，本发明通过成分和工艺方法的创新，不仅能够解决线材冷镦开裂率高的问题，还能获得较好的机械性能；另外在确保产品性能的前提下，该工艺方法合理且经济。

本发明的第一个目的是提供一种铆钉用铝镁合金，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.01～0.05wt％；Fe 0.05～0.15wt％；Mn 0.03～0.20wt％；Mg 2.9～3.9wt％；Cr 0.05～0.20wt％；V 0.003～0.020wt％；Ti 0.008～0.04wt％；Be 0.00005～0.0005wt％，余量为Al及不可避免杂质。

进一步地，铆钉用铝镁合金以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.03wt％；Fe 0.12wt％；Mn 0.1～0.20wt％；Mg 2.9～3.8wt％；Cr 0.05～0.18wt％；V 0.003～0.018wt％；Ti 0.015～0.035wt％；Be 0.0002～0.0005wt％，余量为Al及不可避免杂质。

在本发明一具体实施例中，铆钉用铝镁合金，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.03wt％；Fe 0.12wt％；Mn0.10wt％；Mg 3.4wt％；Cr 0.05wt％；V 0.009wt％；Ti 0.015wt％；Be 0.0002wt％，余量为Al及不可避免杂质。

在本发明又一具体实施例中，铆钉用铝镁合金，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.01wt％；Fe 0.15wt％；Mn0.07wt％；Mg 2.9wt％；Cr 0.15wt％；V 0.003wt％；Ti 0.025wt％；Be 0.00008wt％，余量为Al及不可避免杂质。

在本发明另一具体实施例中，铆钉用铝镁合金，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.05wt％；Fe 0.15wt％；Mn0.20wt％；Mg 3.8wt％；Cr 0.18wt％；V0.018wt％；Ti 0.035wt％；Be 0.0005wt％，余量为Al及不可避免杂质。

本发明的铆钉用镁铝合金，通过添加适量的Fe以提高铆钉线材料的再结晶温度和延展性，然而Fe在铸造过程中容易在表面形成粗大铁相，因此通过添加适量的V、Be，避免铁相在表面富集和细化粗大铁相。

本发明的第二个目的是提供一种铆钉用铝镁合金丝的制备方法，采用上述铆钉用铝镁合金制备，包括以下步骤：

(1)熔炼：按照上述铆钉用铝镁合金的成分组成将铝锭和铝中间合金锭混合后熔炼，熔炼温度为740～775℃，保温30～60min；然后将熔炼后的熔体充分混匀，并去除其中的氢气和杂质；

(2)铸造：将步骤(1)所得洁净的铝镁合金熔体的温度控制在700～750℃，然后均匀冷却至300～450℃，冷却速度为10～30℃/秒，得到内部晶粒粒径≤100μm的铸坯；

(3)轧制：对所述铸坯进行热轧，进料温度为380～450℃，轧制完成后降温至280℃以下；

(4)拉拔与中间退火：将步骤(3)所得轧制材料进行冷拉拔，包括非成品拉和成品拉；其中，非成品拉时，材料的截面压缩率每变形40％～60％，需进行中间退火，然后再进行拉拔；成品拉时，材料的截面压缩率为10％～30％，即得到所述铆钉用铝镁合金丝；

为了控制非成品拉退火后的晶粒大小，发明人通过大量的试验，确定了一种新型退火工艺—L&H中间退火工艺以去除应力，该中间退火工艺包括以下步骤：将拉拔后的线材先升温至150～200℃，保温5～6小时；然后再以50～100℃/h的速度升温至340～420℃，保温0.5～1小时，然后冷至室温。

进一步地，在步骤(1)中，将熔炼后的熔体搅拌30～60min以实现充分混匀。

进一步地，在步骤(2)中，通过水冷轮式铜模进行冷却。

进一步地，在步骤(3)中，采用水或乳化液进行降温。

进一步地，乳化液为浓度12～15％的Quaker(奎克)Al WP105。该乳化液可通过商业途径获得。

进一步地，在步骤(4)中，冷拉拔在温度为20～60℃条件下进行。

进一步地，在步骤(4)中，所述中间退火过程中，在空气中进行冷却。

本发明的第三个目的是提供一种采用上述制备方法所制备的铆钉用铝镁合金丝，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.01～0.05wt％；Fe 0.05～0.15wt％；Mn 0.03～0.20wt％；Mg 2.9～3.9wt％；Cr 0.05～0.20wt％；V 0.003～0.020wt％；Ti 0.008～0.04wt％；Be 0.00005～0.0005wt％，余量为Al；

铆钉用铝镁合金丝的横截面晶粒粒径≤25μm，纵截面晶粒粒径≤50μm；抗拉强度为250～310MPa，延伸率≥4％，加工铆钉的冷镦开裂率≤0.0015％。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明的L&H退火工艺可以确保铆钉用铝镁合金丝的横截面晶粒≤25μm，纵截面晶粒≤50μm。通过本发明合金成分的设计和工艺的改进，所获得的合金丝的抗拉强度为250～310MPa，延伸率≥4％，加工铆钉的冷镦开裂率≤0.0015％，不仅能够解决线材冷镦开裂率高的问题，还能获得较好的机械性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为对比例1所制备的铝镁合金丝的SEM(扫描电镜)测试结果；

图2为实施例1所制备的铝镁合金丝的SEM(扫描电镜)测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

一种综合性能较好的用于加工铆钉的铝镁合金丝，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.03wt％；Fe 0.12wt％；Mn0.10wt％；Mg 3.4wt％；Cr 0.05wt％；V 0.009wt％；Ti 0.015wt％；Be 0.0002wt％，余量为Al及不可避免杂质。

其制备的方法如下：

(1)熔炼：按照上述成分配入相应重量的铝锭和铝中间合金锭，并一起投入熔炼炉中熔炼，熔炼温度760℃，保温35min。然后进行充分的搅拌(搅拌时间40min)并对成分合格的铝合金熔体进行氢气和杂质的消除处理。

(2)铸造：将上述步骤所得的洁净的铝合金熔体的温度控制在745℃，然后通过水冷轮式铜模快速均匀的冷却至400℃，铸造过程冷却速度控制在10～30℃/秒之间，从而获得内部晶粒细小(晶粒平均尺寸100μm)的铸坯。

(3)轧制：对上述步骤所得铸坯进行热轧，并得到所需线径的杆材(以5.9mm规格的铆钉线为例，需要Φ9.0mm)。采用与连铸机一起进行的连轧机，坯料进入轧机的温度控制在420℃，轧制完成后立刻用水或乳化液将材料温度降至280℃。

(4)拉拔(非成品拉)和中间退火：上述所得线径Φ9.0mm杆材冷拉拔至Φ6.3mm，非成品拉时，材料的截面压缩率每变形40％～60％，需采用L&H退火工艺退火(先升温至180℃，保温5小时；然后再以80℃/h的速度迅速升温至350℃，保温0.5小时，空冷至室温)。

(5)拉拔(成品拉)：将拉拔至Φ6.3mm且退完火的线材拉拔至所需线径Φ5.9mm。

对所得到的铝镁合金丝(Φ5.9mm)进行性能测试，其横截面平均晶粒尺寸24μm，纵截面平均晶粒尺寸45μm，抗拉强度260MPa，延伸率4.5％，加工铆钉的冷镦开裂率0.0008％。

实施例2

一种综合性能较好的用于加工铆钉的铝镁合金丝，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.01wt％；Fe 0.15wt％；Mn0.07wt％；Mg 2.9wt％；Cr 0.15wt％；V 0.003wt％；Ti 0.025wt％；Be 0.00008wt％，余量为Al及不可避免杂质。

其制备的方法如下：

(1)熔炼：按照上述成分配入相应重量的铝锭和铝中间合金锭，并一起投入熔炼炉中熔炼，熔炼温度750℃，保温60min。然后进行充分的搅拌(搅拌时间30min)并对成分合格的铝合金熔体进行氢气和杂质的消除处理。

(2)铸造：将上述步骤所得的洁净的铝合金熔体的温度控制在750℃，然后通过水冷轮式铜模快速均匀的冷却至420℃，铸造过程冷却速度控制在10～30℃/秒之间，从而获得内部晶粒细小(晶粒平均尺寸95μm)的铸坯。

(3)轧制：对上述步骤所得铸坯进行热轧，并得到所需线径的杆材(以4.6mm规格的铆钉线为例，需要Φ7.5mm)。采用与连铸机一起进行的连轧机，坯料进入轧机的温度控制在420℃，轧制完成后立刻用水或乳化液将材料温度降至250℃。

(4)拉拔(非成品拉)和中间退火：上述所得线径Φ7.5mm杆材冷拉拔至Φ5.35mm，非成品拉时，材料的截面压缩率每变形40％～60％，需采用L&H退火工艺退火(先升温至150℃，保温5小时；然后再以70℃/h的速度迅速升温至400℃，保温1小时，空冷至室温)。

(5)拉拔(成品拉)：将拉拔至Φ5.35mm且退完火的线材拉拔至所需线径Φ4.6mm。

对所得到的铝镁合金丝(Φ4.6mm)进行性能测试，其横截面平均晶粒尺寸25μm，纵截面平均晶粒尺寸50μm；抗拉强度275MPa，延伸率5％，加工铆钉的冷镦开裂率0.0005％。

实施例3

一种综合性能较好的用于加工铆钉的铝镁合金丝，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.05wt％；Fe 0.15wt％；Mn0.20wt％；Mg 3.8wt％；Cr 0.18wt％；V 0.018wt％；Ti 0.035wt％；Be 0.0005wt％，余量为Al及不可避免杂质。

其制备的方法如下：

(1)熔炼：按照上述成分配入相应重量的铝锭和铝中间合金锭，并一起投入熔炼炉中熔炼，熔炼温度775℃，保温40min。然后进行充分的搅拌(搅拌时间50min)并对成分合格的铝合金熔体进行氢气和杂质的消除处理。

(2)铸造：将上述步骤所得的洁净的铝合金熔体的温度控制在715℃，然后通过水冷轮式铜模快速均匀的冷却至380℃，铸造过程冷却速度控制在10～30℃/秒之间，从而获得内部晶粒细小(晶粒平均尺寸80μm)的铸坯。

(3)轧制：对上述步骤所得铸坯进行热轧，并得到所需线径的杆材(以3.8mm规格的铆钉线为例，需要Φ7.5mm)。采用与连铸机一起进行的连轧机，坯料进入轧机的温度控制在450℃，轧制完成后立刻用水或乳化液将材料温度降至270℃。

(4)拉拔(非成品拉)和中间退火：上述所得线径Φ7.5mm杆材冷拉拔至Φ5.5mm，非成品拉时，材料的截面压缩率每变形40％～60％，需采用L&H退火工艺退火(先升温至160℃，保温6小时；然后再以50℃/h的速度迅速升温至380℃，保温1小时，空冷至室温)。

(5)拉拔(成品拉)：将拉拔至Φ5.5mm且退完火的线材拉拔至所需线径Φ3.8mm。

对所得到的铝镁合金丝(Φ3.8mm)进行性能测试，其横截面平均晶粒尺寸20μm，纵截面平均晶粒尺寸46μm；抗拉强度300MPa，延伸率8％，加工铆钉的冷镦开裂率0.0003％。

对比例1

一种用于加工铆钉的铝镁合金丝，以其总重为基准，包括以下质量百分比的各组分：Si 0.03wt％；Fe 0.13wt％；Mn0.11wt％；Mg 3.4wt％；Cr0.06wt％；Ti0.017wt％；余量为Al及不可避免杂质。

采用上述元素组成，按照与实施例1相同的方法进行铝镁合金丝的制备。采用该方法制备的铝镁合金丝，其横截面平均晶粒尺寸25μm，纵截面平均晶粒尺寸47μm；抗拉强度263MPa，延伸率4.7％，加工铆钉的冷镦开裂率20％。

图1为未添加V和Be元素所制备的铝镁合金丝的SEM(扫描电镜)测试结果，从图中可以看出，未添加V和Be时，所制备的合金表面有粗大铁相(上边灰色大块颗粒即为铁相)。

图2为实施例1所制备的铝镁合金丝的SEM(扫描电镜)测试结果，从图中可以看出，该合金表面无粗大铁相。

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