一种添加金属元素Ti的6061合金及其合成工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种添加金属元素Ti的6061合金及其合成工艺。
【背景技术】
[0002] 铝合金是一种较年轻的金属材料，在20世纪初才开始工业应用。第二次世界大战 期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，由于军事工业对铝材的需求量骤减，铝工业界便 着手开发民用铝合金，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、 电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。 现在，铝材的用量之多，范围之广，仅次于钢铁，成为第二大金属材料。
[0003] 1、高强度铸造铝合金和变形铝合金 一般铸造错合金包括AlSi系、AlCu系、AlMg系和AlZn系4个系列，其中以AlCu系和AlZn系铝合金的强度最高，但多数在200Mpa~300Mpa之间，高于400Mpa的只有AlCu系的 少数几个牌号，但因采用精铝基体且加入贵重元素，制造成本很高;AlZn系铸造合金的耐 热性能很差。因此，一般铸造铝合金与变形铝合金相比因强韧性稍逊使其应用范围受到较 大的限制。许多重要用途如特种重载车负重轮、航空用铝合金等多采用变形铝合金，而不是 铸造铝合金。变形铝合金通过挤压、乳制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了致密 度，因而具有很高的强度、优良的韧性以及良好的使用性能。但是，对设备和工装模具要求 高，工序多，因此变形铝合金生产周期长、成本很高。与变形铝合金相比，铸造铝合金具有价 格低廉、组织各向同性、可以获得特殊的组织、易于生产形状复杂的零件、可以小批量生产 也可以大批量生产等诸多优点。因此，开发出能够替代部分变形铝合金的高强韧铸造铝合 金材料及其铸造成形工艺，可以达到以铸代锻、缩短制造周期、降低制造成本的目的，具有 重要的理论意义和重大的实际应用价值。
[0004] 在高强韧铸造铝合金的发展过程中，法国于20世纪初研制成功的A-U5GT占有重 要的地位，在目前具有代表性的高强韧铸造铝合金中它的历史最久、应用最为广泛。我国目 前没有与它对应的牌号。
[0005] 2、高温铝合金 高温合金又称耐热高强合金、热强合金或超合金，是在20世纪40年代随着航空涡轮发 动机的出现发展起来的一种重要金属材料，能在高温氧化气氛和燃气腐蚀条件下长期承受 较大的工作负荷，主要用于燃气轮机的热端部件，是航空航天、舰船、发电、石油化工和交通 运输工业的重要结构材料。其中有些合金亦可用于生物工程作骨科和齿科材料。
[0006] 常用的高温合金包括镍基、铁基和钴基合金，能在600~1100°C高温环境下工作； 而耐热铝合金则是冷战期间发展起来的。耐热高强铝合金适于在400°C以下的热环境中长 期承受较大的工作载荷，在航空航天、重工机械等领域得到越来越多的应用。除航空涡轮发 动机、燃气轮机等直接与高温燃气接触的部件之外，其余高温高压强动力部件均可采用耐 热商强错合金铸造。
[0007] 由于铝合金比较容易加工，随着加工技术水平的提高，在强度满足要求的情况下， 人们越来越多地采用变形铝合金替代铸造铝合金。因此耐热高强铝合金又分为铸造用合金 和变形用合金两大类。
[0008] 而在国民经济和国防现代化建设和发展中具有广泛用途和极光明前景的耐热高 强变形铝合金，国内外文献中报导较少，已知的2219、2A02、2A04、2A06、2A10、2A11、2A12、 2A14、2A16、2A17、2A50、2A70、2A80等2XXX系变形铝合金及7A04等7XXX系变形铝合金，在 250°C以上温度下强度多数小于100Mpa，而其主要合金元素除Cu、Mn外，都是以Si、Mg、Zn 作为主微合金化元素，而不添加这几种元素、且250°C以上温度下强度在150Mpa以上的耐 热高强变形铝合金材料未见报导。
[0009] 3、铝合金的变质处理 熔体的高质化处理是铝合金熔炼的核心环节和追求目标，同时是获得优质铝合金材料 的基础和前提。高质化处理主要包括两个方面：一是纯净化，二是结构单元细化及均匀化。 前者主要是采取把杂质固态化滤除和"以气除气"的方法降低熔体杂质和氢含量，工艺过程 会产生废渣和废气；后者通常称为变质处理，是以添加剂或机械、物理方法使构成铝合金熔 体及固溶体的基本单元一结晶体一的尺寸变得尽可能小、分布尽可能均匀，因添加剂进入 合金熔体，成为合金的有效成份，因而过程中不产生废渣和废气。变质处理特别是使用高效 变质剂是调整铝合金铸态组织的根本手段。而合金的制备工艺对合金性质有着重大影响， 然后现在技术在制备合金时，得到的合金性质都不尽如人意。
【发明内容】
[0010] 本发明要解决的技术问题是：提供一种添加金属元素Ti的6061合金及其合成工 艺，以获得性能优异的6061合金。
[0011] 本发明的技术方案是：一种添加金属元素Ti的6061合金，其合金成分质量分数 为：Si:0· 350，Fe:0· 091，Mg:0· 530,Ti:0· 035,杂质〈0· 05,其余为A1。
[0012] -种添加金属元素Ti的6061合金的合成工艺，根据上述合金组分，电解低钛铝合 金锭、铝硅中间合金及工业纯镁熔配钛的6061合金锭，并挤压成型材，合金固溶处理后，进 行 170-180°C/8-12h+190-210°C/8-12h的时效处理。
[0013]最佳时效处理为：175°C/8h+200°C/10h。
[0014] 本发明的有益效果： (1) Ti含量影响6061合金的时效硬化速度、时效峰值时间及硬度峰值，Ti含量较高时， 时效硬化速度较快，达到峰值硬度的时间短，但峰值硬度低； (2) Ti含量影响强化相的形貌及分布，影响合金的力学性能，随着Ti含量的增加，强化 相体积增大，密度减小，合金的强度也减小。
【具体实施方式】
[0015] 用电解低钛铝合金锭、铝硅中间合金及工业纯镁熔配钛含量不同的6061合金锭， 并挤压成型材，合金的化学成分见表1。合金固溶处理后，行175°c及200°C时效。用HVS. 50型数显维氏硬度计测量6061合金的硬度，载荷98. 1N，保持时间30S，每个试样测5个点 的维氏硬度。取平均值。用日产H. 800透射电镜观察6061合金强化相的形貌及分布，操作 电压为120kV。拉伸性能在MTS8 10液压伺服材料试验机上进行。
[0016] 表1 6061合金的化学成分（质量分数）
钛含量影响时效硬化速度、达到峰值硬度的时间及峰值硬度。6061合金的强化相是Mg2Si，其沉淀析出过程为：过饱和固溶体一含大量空的针状GP区一内部有序的针状GP区 (pill) -棒状B(Mg2Si)过渡相一板状13(Mg2Si)平衡相。Mg、Si原予脱溶后形成Mg、Si 原子的富集区即GP区，GP区较小，对合金强化作用较弱，GP区长大成B..后，因与铝基体 共格，在周围存在共格畸变，阻碍错运动，此时合金强度最大。进一步时效形成与基体半共 格的棒状B相，，强化作用减弱。进一步时效，形成平衡相Mg2Si，与基体失去共格作用，合 金的强度大大降低，即所谓的过时效。时效初期，主要是GP区的长大，随时效时间的延长， 硬度增加，以GP区的强化为主。试验合金的合金化元素大致相同，1号合金Ti含量为0. 035%，相对较少，时效初期硬化速度较快。3号合金的Ti含量为0. 070%，是1号合金的 一倍，时效初始阶段，合金的硬度增大较慢，这说明Ti阻碍了GP区的形成。这是由于钛能 优先与空位结合，降低溶质原子的扩散速度，从而降低GP区的形核速度及长大速度。随时 效时间延长.强化相变为，合金达到峰值硬度。3号合金的Ti含量是1号合金的一倍，达 到峰值硬度的时间较早。过时效以后，合金的强化相变为B及B，因此可以认为钛加速了B 相的形成。这可能是因为含Ti原子团簇可作为p及p相形核的异质质点，使B及p相形 成。总之，Ti对6061合金时效硬化特性的影响表现在随Ti含量增加.时效初期合金硬化 速度变慢，但达到峰值时效的时间提前，峰值硬度降低。6061合金经175°CX8h时效后， 力学性能如表2所示。密度最大，且抗拉强度也最大。2号试样的Ti含量为0。043%，其 强化相稍有长大，强化相密度也变化不大.抗拉强度稍有降低。3号合金中已有一部分强化 相变得较粗大.同时强化相的密度显著降低，抗拉强度最小。微观组织决定力学性能，只有 当强化相均匀弥散分布且密度与大小协调时，合金的强度才最大。因钛含量不同，所以合金 的强化相密度及分布也不同。Ti优先与空位相互作用。降低了溶质原子的扩散速度，阻碍 了GP区的形核，而先形成的GP区不断长大。钛含量越高，最初形成的GP区密度越小，最终 的强化相B.-的密度也减小，合金的强度越低。
[0017] 表2合金经175°CX8h时效后的力学性能
【主权项】
1. 一种添加金属元素Ti的6061合金，其特征在于：其合金成分质量分数为：Si:0. 350 ，Fe:0· 091，Mg:0· 530,Ti:0· 035,杂质〈0· 05,其余为A1。2. 如权利要求1所述的一种添加金属元素Ti的6061合金的合成工艺，其特征在于： 根据上述合金组分，电解低钛铝合金锭、铝硅中间合金及工业纯镁熔配钛的6061合金锭， 并挤压成型材，合金固溶处理后，进行170_180°C/8-12h+190-210°C/8-12h的时效处理。3. 根据权利要求2所述的一种添加金属元素Ti的6061合金及其合成工艺，其特征在 于：最佳时效处理为：175°C/8h+200°C/10h。
【专利摘要】本发明公开了一种添加金属元素Ti的6061合金，其特征在于：其合金成分质量分数为：Si：0.350，Fe：0.091，Mg：0.530，Ti：0.035，杂质<0.05，其余为Al。一种添加金属元素Ti的6061合金的合成工艺，其特征在于：根据上述合金组分，电解低钛铝合金锭、铝硅中间合金及工业纯镁熔配钛的6061合金锭，并挤压成型材，合金固溶处理后，进行170-180℃/8-12h+190-210℃/8-12h的时效处理。最佳时效处理为：175℃/8h+200℃/10h。
【IPC分类】C22C1/03, C22F1/047, C22C21/08
【公开号】CN105274404
【申请号】CN201410296028
【发明人】徐本伦
【申请人】徐本伦
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2014年6月27日