一种高质量6系铝合金挤压铸坯及其制备方法与流程

本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种高质量6系铝合金挤压铸坯及其制备方法。

背景技术：

作为变形铝合金中的重要一员，6系铝合金大量被用作挤压件。组织结构对铸坯的挤压工艺性能、表面质量和其最终的力学性能均有着至关重要的影响：如果均匀化后续的冷却处理使合金元素过多地固溶于铝基体，显著的固溶强化效应会导致铸坯硬度较高从而难以挤压变形；如果均匀化后续的冷却处理使合金元素过多地析出、形成粗大的mg2si相，则固溶强化效应基本消失，同时粗大的第二相强化效应也非常有限，此时虽然锭坯材料的总体硬度大大降低有利于减小挤压变形的阻力，但是这些粗大的析出相在挤压过程中难以快速回溶，在线淬火之后大量残留，无法在后期时效环节中参与析出强化。另外这些粗大析出相的存在容易在挤压时产生诸多表面质量缺陷，更为严重的是这些粗大析出相在较高的挤压温度下还会发生局部熔化引起开裂。在实际生产中，常规的冷却处理效果不理想，经过均匀化热处理的铸坯往往难以得到及时的冷却降温处理，这导致铸锭内析出大量粗化的mg2si，这种铸坯材料无法保证最终的时效强度、优良的表面质量以及较高的挤压速度。

现有技术为了解决冷却响应迟缓的问题，采取对均匀化后刚出炉的铸坯直接喷洒水雾，该方法虽然可以获得快速降温的效果，但会造成严重的淬火应力甚至引起铸锭变形、开裂；也有技术通过各自相应的方案提升了铝合金的强度，但未对均匀化后铸锭的降温做特殊要求，为了解决热变形后基体固溶度低的问题而进行了单独的固溶热处理，该固溶环节增加了能耗和生产成本；也有在铸锭经过均匀化后采用了三级冷却的方式，希望在不产生淬火应力和尺寸变形的前提下达到了使高温铸锭加快降温的目的，然而采用的方法冷却强度有限，大量生产数据表明基体内的析出相尺寸仍然较大，无法在挤压过程中彻底溶解，因此最终产品的时效强度仍有很大的提升空间。

工业生产中，对于大尺寸铸坯均匀化后的降温问题很少有理想的应对方案，因此，解决工业现场中大尺寸铸锭的快速降温问题意义重大，有效地抑制均匀化后铸坯内mg2si析出相的长大和粗化成为一个需要解决的重要问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高质量6系铝合金挤压铸坯的制备方法，该方法可以获得一种工艺性能优异、可以保证最终的力学性能的高质量挤压铸坯。所述的“高质量”意为：

1.本发明方案制备的铸坯，基体内弥散的微米级mg2si析出相显著降低了硬度，有利于挤压变形；

2.避免粗大的析出相损害挤压件的表面质量；

3.细小的微米析出相在挤压后期快速回溶，在线淬火后具有很高的固溶度；保证了后期的时效强度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高质量6系铝合金挤压铸坯的制备方法，包括以下步骤，对均匀化处理后的6系铝合金铸锭进行后续处理，得到高质量6系铝合金挤压铸坯；所述后续处理为初步冷却处理、浸浴处理与后续冷却处理。

本发明公开的高质量6系铝合金挤压铸坯的制备方法为对经过均匀化加热后的铸锭依次进行初步冷却处理、浸浴处理与后续冷却处理，具体包括以下步骤：

初步冷却处理：经过均匀化热处理的6系铝合金铸锭出炉后，按照设定的速率冷却至所述6系铝合金铸锭的固溶度线温度；

浸浴处理：对经过初步冷却的6系铝合金铸锭进行设定时间与温度的浸浴处理；

后续冷却处理，对中温浸浴结束后的6系铝合金铸锭以设定的速率进行后续冷却处理。

本发明中，所述高质量6系铝合金挤压铸坯的制备方法主要针对于均匀化后的冷却处理，不涉及合金的成分调配以及均匀化升温和保温阶段，所述的均匀化升温和保温制度为合理的常规热处理即可。

本发明中，所述6系铝合金为各元素的质量百分比在以下范围内的任何牌号的铝合金材料：si0.3~1.3%、fe0~0.5%、cu0~1.2%、mn0~1.0%、mg0.3~1.3%、cr0~0.4%、ni0~0.2%、zn0~1.0%、ti0~0.2%、b0~0.1%、v0~0.2%、zr0~0.3%、sc0~0.2%，剩余含量为铝和不可控杂质。

本发明中，所述固溶度线温度为6系铝合金铸锭固溶处理所需的最低温度，根据不同成分决定，初步冷却处理的降温速率范围为1～5℃/min，优选3℃/min。

本发明中，所述浸浴处理的温度范围为300～400℃，所选的温度可以是该温度范围内的某一恒定值，也可以为该温度范围内的变化值。

本发明中，所述浸浴处理的方法包括盐浴、油浴以及其它液体介质浸浴等处理；优选的，浸浴处理采用盐浴处理，进一步优选的，采用硝酸盐浴处理，盐浴法可以快速使材料温度达到熔盐的温度，使材料的组织转变行为均发生在盐浴温度附近，避免材料在其它温度范围过多的停留。

本发明中，所述浸浴处理的时间为5～30分钟，优选的，时间为15分钟。

本发明中，所述后续冷却处理为，浸浴处理后的6系铝合金铸锭以2～10℃/min的冷却速率冷却至150℃以下；优选的，冷速速率为5℃/min。冷却至150℃以下为本领域常规认知，只要低于150℃即可。

本发明创造性的提出了均匀化后续浸浴处理步骤，克服了现有冷却技术落后的难题，本发明方案的有益效果在于：

1.铸坯的热量交换在后处理环节中以传导的方式进行，其热交换效率远高于热辐射和热对流，因此与风冷等常规冷却方式相比，本发明处理可以得到快速降温的效果，避免铸锭在500～400℃的高温阶段滞留时间过长而导致析出相粗大，进而避免粗大的析出相引起表面质量问题和挤压裂纹；

2.初步冷却后铸坯的温度（固溶度线温度）与浸浴处理温度的温差不超过200℃，这保证了快速降温的同时不产生较大的淬火应力和尺寸变形；

3.铸坯在浸浴槽内释放的热量可以收集循环使用，达到节能降耗的目的；

4.这些微米级的析出相降低了铸锭的硬度，有利于在挤压前期降低挤压能耗，提高挤压速度。随着挤压的进行，析出相在挤压后期逐渐回溶，保证了挤压出口处的淬火固溶度，为时效环节奠定良好的组织基础。

5.挤压后无需增设固溶环节，在线淬火后的固溶度即可媲美单独固溶处理的效果。

最终，本发明得到的铸坯组织拥有优异的工艺性能并保证产品的表面质量和最终的强度指标，对于指导实际生产中均匀化工艺的调控具有巨大的意义。

附图说明

图1为实施例一产品表面质量；

图2为实施例八产品表面质量；

图3为实施例五产品表面质量；

图4为对比例一产品表面质量；

图5为对比例二产品表面质量；

图6为实施例二十产品表面质量；

图7为实施例二十一产品表面质量。

具体实施方式

现有技术对于均匀化处理后的铝合金铸锭一般采用水冷或强风快速冷却的方法，以期望得到性能较好的铝合金铸锭，但是处理的产品挤压性能依然不佳，在实际工业生产中如果均匀化热处理使合金元素过多地固溶于铝基体或者使合金元素过多地析出形成粗大的mg2si相均会引起相应的工艺问题或产品性能缺陷问题。本发明创造性的提出后处理步骤，克服了现有技术需要快速冷却的技术偏见，实现了均匀化热处理使合金元素较少地固溶于铝基体并析出微米级尺寸的mg2si相，解决了现有技术的工艺问题或产品性能缺陷问题，本发明得到合理的铸坯组织，拥有优异的工艺性能并保证产品的表面质量和最终的强度指标，对于指导实际生产中均匀化工艺的调控具有巨大的意义。

一种高质量6系铝合金挤压铸坯的制备方法，步骤为：对均匀化处理后的6系铝合金铸锭进行后续处理，得到高质量6系铝合金挤压铸坯；所述后续处理为初步冷却处理、浸浴处理与后续冷却处理。本发明中，均匀化处理与后续处理之间没有其它处理步骤，即6系铝合金铸锭经过均匀化加热出炉后直接进行后续处理。

实施例一

φ178mm的6063合金铸棒，按质量百分比，其成分为：si0.3%、mg0.48%、fe0.12%、mn0.05%、ti0.02%、v0.03%、al98.9%，其它元素（不可避免的杂质）之和≤0.1%。

一种高质量6系铝合金挤压铸坯的制备方法，步骤如下：将常规φ152mm的6063合金铸棒原料在真空热处理炉内580℃保温5小时进行均匀化热处理；均匀化结束后出炉，以3℃/min的速率冷却至该成分的固溶度线温度（空冷），即460℃，进行初步冷却；然后立即放入温度为300℃的盐浴槽（kno3∶nano3质量配比为50%∶50%）中，保持熔盐的温度恒定在300℃浸浴15分钟（采用冷却循环系统保持温度稳定）；然后以5℃/min的冷速降温至150℃以下（风冷），得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例二

将实施例一中初步冷却的速率由3℃/min改为1℃/min，其余不变，得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例三

将实施例一中初步冷却的速率由3℃/min改为5℃/min，其余不变，得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例四

将实施例一中初步冷却的速率由3℃/min改为10℃/min，其余不变，得到对比的6系铝合金挤压铸坯。

实施例五

将实施例一中初步冷却后的温度由460℃改为420℃，其余不变，得到对比的6系铝合金挤压铸坯。

实施例六

将实施例一中的初步冷却处理、盐浴处理和后续冷却处理取消，改为均匀化出炉后以5℃/min风冷至150℃以下，得到对比的6系铝合金挤压铸坯。

实施例七

将实施例一中的初步冷却处理、盐浴处理和后续冷却处理取消，改为均匀化出炉后以50℃/min喷水雾冷却至150℃以下，得到对比的6系铝合金挤压铸坯。

实施例八

将实施例一中盐浴的温度调整为400℃，其余不变，得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例九

将实施例一中盐浴的温度调整为450℃，其余不变，得到对比的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十

将实施例一中盐浴的温度调整为250℃，其余不变，得到对比的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十一

将实施例一中的冷却循环系统关闭，盐浴的温度在300～400℃内变化，其余不变，得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十二

将实施例一中盐浴的时间调整为5分钟，其余不变，得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十三

将实施例一中盐浴的时间调整为30分钟，其余不变，得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十四

将实施例一中盐浴的时间调整为60分钟，其余不变，得到对比的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十五

将实施例一中的浸浴介质由熔盐改为棉油，其余不变，得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十六

将实施例一中，将浸浴结束后的冷速由5℃/min改为2℃/min，其余不变，得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十七

将实施例一中，将浸浴结束后的冷速由5℃/min改为10℃/min，其余不变，得到高质量的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十八

将实施例一中，将浸浴结束后的冷速由5℃/min改为20℃/min，其余不变，得到对比的6系铝合金挤压铸坯。

实施例十九

将实施例六中，挤压后的产品进行离线固溶并时效处理。

实施例二十

φ178mm的6系铝合金铸棒，按质量百分比，其成分为：si0.7%、mg0.9%、fe0.15%、mn0.3%、cr0.2%、cu0.5%、ti0.07%、zr0.12%、其它杂质元素之和≤0.1%，剩余为铝。

一种高质量6系铝合金挤压铸坯的制备方法，步骤如下：将常规φ300mm的6系合金铸棒原料在电阻热处理炉内560℃保温10小时进行均匀化热处理；均匀化结束后出炉，以2℃/min冷却至固溶度线温度550℃，进行初步冷却；然后立即放入温度为350℃的盐浴槽（nano3为100%）中，保持盐浴温度在300～400℃范围，浸浴20分钟结束；然后以5℃/min冷却至150℃以下，得到高质量的6系铝合金铸坯。

对比例一

实施例十九中的铝合金铸棒，企业均匀化生产流程如下：将常规φ300mm的6系合金铸棒在电阻热处理炉内560℃保温10小时进行均匀化热处理；均匀化结束后出炉，空冷20min；采用轴流风机冷却1～2h；然后喷水冷却至150℃以下。得到对比的6系铝合金铸坯。

实施例二十一

φ178mm的6系铝合金铸棒，按质量百分比，其成分为：si0.95%、mg0.65%、fe0.13%、mn0.5%、ti0.012%、v0.015%、zr0.12%、其它杂质元素之和≤0.15%，剩余为铝。

一种高质量6系铝合金挤压铸坯的制备方法，步骤如下：将常规φ178mm的6系合金铸棒原料在真空热处理炉内570℃保温8小时进行均匀化热处理；均匀化结束后出炉，以3℃/min冷至固溶度线温度530℃，进行初步冷却；然后立即放入温度为350℃的盐浴槽（nano3为100%）中，保持温度在300～400℃范围，浸浴15分钟结束；然后以5℃/min吹风冷却至150℃以下。得到高质量的6系铝合金铸坯。

对比例二

实施例二十中的铝合金铸棒，企业均匀化生产流程如下：将常规φ178mm的6系合金铸棒在真空热处理炉内570℃保温8小时进行均匀化热处理；均匀化结束后出炉，采用轴流风机冷却2h至150℃以下；喷水冷却至室温。得到对比的6系铝合金铸坯。

实施例、对比例中铸坯的冷却应力、析出相尺寸、挤压力、挤压表面质量、t5态强度指标见表1，测试方法为常规技术，比如挤压在挤压机上进行，拉伸按国标gb/t228-2002进行；并且除了实施例十九外，所有挤压后的产品都没有进行离线固溶并时效处理，说明本发明公开的方法制备的铝合金挤压铸坯挤压后无需增设固溶环节，在线淬火后的固溶度即可媲美单独固溶处理的效果。

表1实施例、对比例中的测试数据

实施例一至十九为6063合金的实施例，附图1为实施例一的产品表面质量，是最好；附图2为实施例八产品表面质量，为较好；附图3为实施例五的产品表面质量，存在挤压裂纹。附图4、附图5分别为对比例一、二的产品表面质量，存在挤压条纹；附图6、附图7分别为实施例二十、二十一的产品表面质量，为本发明优化的产品表面质量。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。