CN109825747B - 一种低成本高挤压性易切削含铋铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本高挤压性易切削含铋铝合金及其制备方法，该铝合金按质量百分比包括如下元素：Cu 2.35～2.65％、Si0.35～0.75％、Mn0.32～0.47％、Mg0.37～0.49％、Fe0.35～0.65％、Cr0.10～0.15％、Ti0.05～0.10％、Bi0.57～0.67％、Zr0.05～0.15％、Sc0.05～0.15％、Sn0.05～0.15％、余量为Al和不可避免的其它杂质，且不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。本发明优化设计铝合金元素的成分组成，使得铝合金能够获得高强度、高塑性，满足了高速车床对车削的要求，并通过优化工艺，使工艺流程简单，制备铝合金具有优异的综合力学性能、易切削性能，同时具有低成本、高挤压性、环保等优点。
Description
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种低成本高挤压性易切削含铋铝合金及其制备方法。
背景技术
易切削铝合金有70多年的历史，是通过向2XXX和6XXX系铝合金中加入小量的Pb和Bi元素来实现的，易切削铝合金可用于主缸制动活塞、连接器传送阀门、AC充气阀和零件、汽车、液压设备和电子产业的压力部件以及仪器仪表的工业需要高表面光洁度的精密铝合金结构件，有广泛的应用前景，我国是传统易切削铝合金生产的主要生产国，国外工业国家的易切削铝合金主要从我国进口，每年的消费量比较大，且随着汽车、电子等工业的发展，易切削铝合金将会有更大的用量，但Pb对人和环境有害，含铋易切削合金的研究势在必行。
在前人的基础上，目前国际上易切削铝合金的研究主要是在2XXX和6XXX合金中添加低熔点元素Sn、In、Bi、Pb元素或者添加高熔点元素或者化合物来改善铝合金的切削性能。这些低熔点元素与合金元素或者相互之间形成不溶于基体的低熔点相，典型的这种合金含有易切削组元如Pb-Bi、Bi-Sn、In-Bi、Sn、Bi、In-Sn等来改善切削性能，当他们的重量百分比数比例不在共晶点时，相应的熔点也会有变化，其切削机制为：工件在高速切削过程中机械能转变为热能，工件温度升高，当摩擦生热使的在切削刀具和材料的接触点附件的温度升高大达到或接近低熔点组元的熔点时，在接触点的这种化合物自动剥落。
Al-Cu-Mg-Mn系属于可热处理强化的中等强度铝合金，但采用现有的Al-Cu-Mg-Mn系高强度铝合金制造棒材时，都是通过添加铅和铋按合适的比例添加来改善铝合金的切削性能，主要原因是Al-Cu-Mg-Mn系铝合金的添加的Cu，Mg，Mn保证合金的强度，Pb和Bi形成低熔点共晶化合物，工件在高速切削过程中机械能转变为热能，工件温度升高，当摩擦生热使的在切削刀具和材料的接触点附件的温度升高大达到或接近低熔点组元的熔点时，在接触点的这种化合物自动剥落。但是，现在Pb的使用逐步被禁止及替代，现有Al-Cu-Mg-Mn系中等强度铝合金及其制备方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明针对上述存在的现有问题之一，提供一种低成本高挤压性易切削含铋铝合金及其制备方法，通过优化合金的成分配比和制备工艺，得到具有高挤压性，易切削，含铋的优点的铝合金。
为了达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种低成本高挤压性易切削含铋铝合金及其制备方法，按质量百分比包括如下元素：Cu 2.35～2.65％、Si0.35～0.75％、Mn0.32～0.47％、Mg0.37～0.49％、Fe0.35～0.65％、Cr0.10～0.15％、Ti0.05～0.10％、Bi0.57～0.67％、Zr0.05～0.15％、Sc0.05～0.15％、Sn0.05～0.15％、余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
另外，本发明还提供一种低成本高挤压性易切削含铋铝合金的制备方法，主要工艺步骤为熔铸-均质-挤压-在线淬火-精抽-时效；
具体包括如下步骤：
步骤一：合金添加前，需要做洗炉处理，防止杂质污染熔体，影响材料性能；
步骤二：按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝锭、镁锭、铋锭、纯铜、锡锭、铝铬合金、铝锰合金、铝铁合金、速溶硅、铝钛硼合金、锆钪复合添加剂为原材料进行配料；
步骤三：将铝锭在730～750℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、纯铜、锡锭、铝锰合金、铝铬合金、铝铁合金和速溶硅搅拌熔化成铝合金液；
步骤四：用高纯氮气和精炼剂对铝合金液喷吹精炼进行除气除杂处理，扒渣后，添加覆盖剂，再静置；
步骤五：将所述铝合金液导入流槽，然后加入铝钛硼合金进行在线细化变质处理；
步骤六：将经过在线细化变质处理的铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
步骤七：将经过在线除气过滤处理的铝合金液在铸造温度730～750℃半连续铸造成铝合金铸锭、锆钪复合添加剂待铸造充液完成，稳定铸造时，加入铝液内，保证锆钪吸收率；
步骤八：将半连续铸造铝合金铸锭进行均匀化处理，然后空冷却至室温；
步骤九：将均匀化处理后的所述半连续铸造铝合金铸锭挤压成形及短流程在线淬火，精抽；
步骤十：将挤压成形的铝合金进行低温短时加中温长时的时效处理，出炉冷却至室温后得到所述易切削含铋铝合金。
优选地，在所述步骤二中，所述铝锭是铝含量≥99.7％的铝锭，镁锭是镁含量≥99.95％的镁锭，铋锭是镁含量≥99.95％的铋锭，纯铜是铜含量≥99％的紫铜，铝铬合金是AlCr75合金，铝锰合金是AlMn75合金，铝铁合金是AlFe75合金，速溶硅是硅含量≥95％的块状硅，铝钛硼合金是AlTi5B1合金线，锆钪复合添加剂为65％锆、30％钪的复合添加剂。
优选地，在所述步骤四中，所述高纯惰性气体是纯度≥99.99％的氮气。
优选地，在所述步骤六中，所述除气机的石墨转子旋转速度为300～400转/分钟，氮气流量为1～2立方米/小时，所述泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为50～80ppi。
优选地，在所述步骤七中，所述半连续铸造的铸造速度为50～80毫米/分钟，冷却水压力为0.3～0.5MPa。
优选地，在所述步骤八中，所述的均匀化处理是将铝合金铸锭在520～530℃温度保温12～13小时。
优选地，在所述步骤九中，所述挤压及短流程在线淬火工艺是将均匀化处理后的铝合金铸锭先加热至420～480℃，在挤压速度8～25米/分钟、挤压比8～40、模具温度455～505℃条件下进行挤压成形，然后用水冷却至室温。
优选地，所述步骤九中，精抽变形量控制在6.0～7.0％，棒材规格为φ6-70㎜。
优选地，所述步骤十中，所述低温短时加中温长时的时效处理是将挤压铝合金先加热至105～110℃，保温2～3小时，后升温至165℃保温4～5小时，出时效炉空冷。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
(1)本发明通过优化设计合金元素成分，并在优化的制备工艺条件下，制备得到抗拉强度大，屈服强度良好的铝合金，并通过科学配比添加Bi元素，达到含铋也具有优异性能的目的；(2)本发明复合添加Zr和Sc不但可以降低Al-Al3Sc共晶点成分，而且还可以代替Al-Al3Sc粒子中的部分Sc原子而形成Al-Al3Sc1-xZrx粒子，形成低Cu含量配比的铝合金，提升铝合金的抗拉强度、屈服强度及伸长率，且Sc、Zr复合添加还可以大大降低成本；(3)本发明的猝火工序短，简化工艺，减少人工成本；精抽工艺使得变形量良好，制备的棒材表面光洁，性能好；(4)本发明的低温短时加中温长时热处理工艺，综合上不仅促进获得高挤压性，易切削的铝合金，还降低成本，具有推广意义。
具体的实施方式
以下结合具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明的保护范围不限于此。
本实施例提供了一种低成本高挤压性易切削含铋铝合金及其制备方法，按质量百分比包括如下元素：Cu 2.35～2.65％、Si0.35～0.75％、Mn0.32～0.47％、Mg0.37～0.49％、Fe0.35～0.65％、Cr0.10～0.15％、Ti0.05～0.10％、Bi0.57～0.67％、Zr0.05～0.15％、Sc0.05～0.15％、Sn0.05～0.15％、余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
本发明中，通过科学配比添加Bi元素，不含铅也能满足高速切削机床的要求；且添加合适的Zr元素，形成ZrAl3粒子，阻碍再结晶过程，细化晶粒，从而提高了合金的再结晶温度和固溶体的稳定性，从而提高了合金的耐热性。降低了合金的淬火敏感性，让该合金可以实现在线淬火，容易实施；Sc能显著细化铝合金铸锭晶粒，同时又能消除晶内枝晶组织，是唯一能生产出具有非枝晶组织半连续铸锭的变质剂，含有微量的Sc的铝及铝合金在强度、韧性、耐热性和可焊性等方面都有提高；但本发明中的Zr和Sc复合添加，不但可以降低Al-Al3Sc共晶点成分，而且还可以代替Al-Al3Sc粒子中的部分Sc原子而形成Al-Al3Sc1-xZrx粒子，这种粒子不仅继承了Al3Sc粒子的全部有益性质，而且热稳定性更高，具有最小的聚集倾向性，另外Sc、Zr复合添加还可以大大降低成本。而且0.05wt％的Sn能使硬度峰值增加100％，并使硬化效应显著提前，Sn的加入能使铝铜合金的峰值时间从24小时提前到1小时，大大节约了生产时间，节约了生产成本。同时Sn元素具有资源丰富以及价格低廉等优点，且其微合金化作用显著，添加1％的Mn，约可使合金强度提高约20-30MN/m2,能提高合金的耐热强度，满足了高速车床对切削性能的要求。
本发明还提供一种低成本高挤压性易切削含铋铝合金的制备方法，主要工艺步骤为熔铸-均质-挤压-在线淬火-精抽-时效；具体包括如下步骤：
步骤一：合金添加前，需要做洗炉处理，防止杂质污染熔体，影响材料性能；
步骤二：按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝锭、镁锭、铋锭、纯铜、锡锭、铝铬合金、铝锰合金、铝铁合金、速溶硅、铝钛硼合金、锆钪复合添加剂为原材料进行配料；
步骤三：将铝锭在730～750℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、纯铜、锡锭、铝锰合金、铝铬合金、铝铁合金和速溶硅搅拌熔化成铝合金液；
步骤四：用高纯氮气和精炼剂对铝合金液喷吹精炼进行除气除杂处理，扒渣后，添加覆盖剂，再静置；
步骤五：将所述铝合金液导入流槽，然后加入铝钛硼合金进行在线细化变质处理；
步骤六：将经过在线细化变质处理的铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理；
步骤七：将经过在线除气过滤处理的铝合金液在铸造温度730～750℃半连续铸造成铝合金铸锭、锆钪复合添加剂待铸造充液完成，稳定铸造时，加入铝液内，保证锆钪吸收率。
步骤八：将半连续铸造铝合金铸锭进行均匀化处理，然后空冷却至室温；
步骤九：将均匀化处理后的所述半连续铸造铝合金铸锭挤压成形及短流程在线淬火，精抽；
步骤十：将挤压成形的铝合金进行低温短时加中温长时的时效处理，出炉冷却至室温后得到所述易切削含铋铝合金。
在所述步骤二中，所述铝锭是铝含量≥99.7％的铝锭，镁锭是镁含量≥99.95％的镁锭，铋锭是镁含量≥99.95％的铋锭，纯铜是铜含量≥99％的紫铜，铝铬合金是AlCr75合金，铝锰合金是AlMn75合金，铝铁合金是AlFe75合金，速溶硅是硅含量≥95％的块状硅，铝钛硼合金是AlTi5B1合金线，锆钪复合添加剂为65％锆、30％钪的复合添加剂。
在所述步骤四中，所述高纯惰性气体是纯度≥99.99％的氮气。
在所述步骤六中，所述除气机的石墨转子旋转速度为300～400转/分钟，氮气流量为1～2立方米/小时，所述泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为50～80ppi。
在所述步骤七中，所述半连续铸造的铸造速度为50～80毫米/分钟，冷却水压力为0.3～0.5MPa。
在所述步骤八中，所述的均匀化处理是将铝合金铸锭在520～530℃温度保温12～13小时。
在所述步骤九中，所述挤压及短流程在线淬火工艺是将均匀化处理后的铝合金铸锭先加热至420～480℃，在挤压速度8～25米/分钟、挤压比8～40、模具温度455～505℃条件下进行挤压成形，然后用水冷却至室温。
所述步骤九中，精抽变形量控制在6.0～7.0％，棒材规格为φ6-70㎜。
所述步骤十中，所述低温短时加中温长时的时效处理是将挤压铝合金先加热至105～110℃，保温2～3小时，后升温至165℃保温4～5小时，出时效炉空冷。
另外，本发明的熔铸工序选用30吨大型熔炼炉(最大装炉量为35吨)，并采用天然气反射炉熔炼；加料顺序为纯铝锭，配比所用的原材料按照熔点的高低依次加入，熔化速率为6-8吨/小时，待固体的物料都熔化后，拔渣，添加覆盖剂，用量约30-35Kg/炉，铋锭用搅碎机搅碎成粉末状，用高压装置均匀的撒入熔体内部。在铸造过程采用最先进的油滑模铸造，偏析层相对热顶模铸造的低。
下面选取实施例1～4，各元素的质量百分比成分如下表1所示：
表1
上述实施例主要工艺步骤为熔铸-均质-挤压-在线淬火-精抽-时效。
具体包括如下步骤：
步骤一：合金添加前，需要做洗炉处理，防止杂质污染熔体，影响材料性能；
步骤二：按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝锭、镁锭、铋锭、纯铜、锡锭、铝铬合金、铝锰合金、铝铁合金、速溶硅、铝钛硼合金、锆钪复合添加剂为原材料进行配料；
步骤三：将铝锭在730～750℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、纯铜、锡锭、铝锰合金、铝铬合金、铝铁合金和速溶硅搅拌熔化成铝合金液；
步骤四：用纯度≥99.99％的氮气和精炼剂对铝合金液喷吹精炼进行除气除杂处理，扒渣后，添加2Kg/吨覆盖剂，再静置；
步骤五：将所述铝合金液导入流槽，然后加入铝钛硼合金进行在线细化变质处理；
步骤六：将经过在线细化变质处理的铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和在石墨转子旋转速度为300～400转/分钟，氮气流量为1～2立方米/小时，泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为50～80ppi，进行在线除气过滤处理；
步骤七：将经过在线除气过滤处理的铝合金液在铸造温度730～750℃，速度为50～80毫米/分钟，冷却水压力为0.3～0.5MPa进行半连续铸造成铝合金铸锭、锆钪复合添加剂待铸造充液完成，稳定铸造时，加入铝液内，保证锆钪吸收率。
步骤八：将半连续铸造铝合金铸锭在520～530℃温度保温12～13小时，进行均匀化处理，然后空冷却至室温；
步骤九：将均匀化处理后的铝合金铸锭先加热至420～480℃，在挤压速度8～25米/分钟、挤压比8～40、模具温度455～505℃条件下进行挤压成形，然后用水冷却至室温，且精抽变形量控制在6.0～7.0％，棒材规格为φ6-70㎜。
步骤十：低温短时加中温长时的时效处理是将挤压铝合金先加热至105～110℃，保温2～3小时，后升温至165℃保温4～5小时，出时效炉空冷至室温后得到所述易切削含铋铝合金。
优选地，在所述步骤二中，所述铝锭是铝含量≥99.7％的铝锭，镁锭是镁含量≥99.95％的镁锭，铋锭是镁含量≥99.95％的铋锭，纯铜是铜含量≥99％的紫铜，铝铬合金是AlCr75合金，铝锰合金是AlMn75合金，铝铁合金是AlFe75合金，速溶硅是硅含量≥95％的块状硅，铝钛硼合金是AlTi5B1合金线，锆钪复合添加剂为65％锆、30％钪的复合添加剂。
本发明的铝合金型号为2033，本发明采用的低温短时加中温长时时效工艺，记录如下表2所示：
表2
由表2可知，通过研究分析可知：铝合金时效采用低温短时加中温长时热处理将挤压铝合金先加热至105℃，保温2小时，后升温至165℃保温6小时，出时效炉空冷，工艺最佳，该种时效工艺主要目的就是改善合金的应力腐蚀性能，达到改善合金的综合性能的目的。
测试2033铝合金的性能记录如下表3。
表3
(备注：A-优、B-良、C-中、D-差划分)
由表3可知，通过对铝合金做X射线衍射物相分析/SEM背散扫描和能谱分析，透射电镜分析技术和金相试验技术研究2033铝合金各加工工序的棒材显微组织结构和力学性能的影响，其最佳的时效工艺为采用低温短时加中温长时热处理将精抽后铝合金先加热至105℃，保温2小时，后升温至165℃保温6小时，T8热处理过程，出时效炉空冷抗拉强度Rm≥460MPa，屈服强度Rp0.2≥390MPa，延伸率A≥10％。
相关类型产品的技术性能比较：
提供合金2011，合金2007与合金2033的各成分配比如下表4。
表4
性能比较记录如下表5。
表5
力学性能比较记录如下表6。
表6
由表4-6，根据本发明的成分与优化工艺能制备得到的铝合金抗拉强度能达到460MPa，屈服强度能达到390MPa，断后伸长率能达到15％，通过对本发明制备的铝合金进行切削性能分析，可以发现样品切削时，不贴切削工具，切削过程中切削与刀具以及工件容易分离。
综上所述，本发明通过添加微量元素、强化相组元的优化配比、淬火工艺及时效方式的优化，改善合金的综合性能，，制备得到高挤压性、高塑性，优良切削性能的铝合金，且生产效率化，环保化，满足欧盟对易切削材料的要求。
以上实施例仅说明本发明的实施方案，并没有对本发明有任何形式上的限制；任何从事本专业的技术人员，都有能力利用揭示的技术内容作出一些更动或修饰，成为等同变化的等效实施例，根据本发明技术实质，对本发明进行简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种低成本高挤压性易切削含铋铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：合金添加前做洗炉处理；
步骤二：按照铝合金挤压棒材的成分组成及质量百分比，选用铝锭、镁锭、铋锭、纯铜、锡锭、铝铬合金、铝锰合金、铝铁合金、速溶硅、铝钛硼合金、锆钪复合添加剂为原材料进行配料；
步骤三：将铝锭在730～750℃加热熔化，然后加入镁锭、铋锭、纯铜、锡锭、铝锰合金、铝铬合金、铝铁合金和速溶硅搅拌熔化成铝合金液；
步骤四：用高纯氮气和精炼剂对铝合金液喷吹精炼进行除气除杂处理，扒渣后，添加覆盖剂，再静置，且所述高纯惰性气体是纯度≥99.99％的氮气；
步骤五：将所述铝合金液导入流槽，然后加入铝钛硼合金进行在线细化变质处理；
步骤六：将经过在线细化变质处理的铝合金液依次流过设置在流槽上的除气机和泡沫陶瓷过滤板进行在线除气过滤处理，且所述除气机的石墨转子旋转速度为300～400转/分钟，氮气流量为1～2立方米/小时，所述泡沫陶瓷过滤板的孔隙率为50～80ppi；
步骤七：将经过在线除气过滤处理的铝合金液在铸造温度730～750℃半连续铸造成铝合金铸锭，且当铸造充液完成，稳定铸造时，将锆钪复合添加剂加入铝液内，且所述半连续铸造的铸造速度为50～80毫米/分钟，冷却水压力为0.3～0.5MPa；
步骤八：将半连续铸造铝合金铸锭进行均匀化处理，然后空冷却至室温，且所述的均匀化处理是将铝合金铸锭在520～530℃温度保温12～13小时；
步骤九：将均匀化处理后的所述半连续铸造铝合金铸锭挤压成形及短流程在线淬火，精抽，且所述挤压及短流程在线淬火工艺是将均匀化处理后的铝合金铸锭先加热至420～480℃，在挤压速度8～25米/分钟、挤压比8～40、模具温度455～505℃条件下进行挤压成形，然后用水冷却至室温；精抽的变形量控制在6.0～7.0％，棒材规格为φ6-70㎜；
步骤十：将铝合金进行先加热至105～110℃，保温2～3小时，后升温至165℃保温4～5小时，出时效炉空冷的时效处理，出炉冷却至室温后得到所述易切削含铋铝合金；
且所述易切削含铋铝合金按质量百分比包括如下元素：Cu 2.35～2.65％、Si0.35～0.75％、Mn0.32～0.47％、Mg0.37～0.49％、Fe0.35～0.65％、Cr0.10～0.15％、Ti0.05～0.10％、Bi0.57～0.67％、Zr0.05～0.15％、Sc0.05～0.15％、Sn0.05～0.15％、余量为Al和不可避免的其它杂质，不可避免的其它杂质单个含量≤0.05％，总量≤0.15％。
2.根据权利要求1所述的低成本高挤压性易切削含铋铝合金的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述铝锭是铝含量≥99.7％的铝锭，镁锭是镁含量≥99.95％的镁锭，铋锭是镁含量≥99.95％的铋锭，纯铜是铜含量≥99％的紫铜，铝铬合金是AlCr75合金，铝锰合金是AlMn75合金，铝铁合金是AlFe75合金，速溶硅是硅含量≥95％的块状硅，铝钛硼合金是AlTi5B1合金线，锆钪复合添加剂为64～66％锆、29～31％钪的复合添加剂。
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