CN109972002B

CN109972002B - 高耐疲劳性铝材及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN109972002B
Application number: CN201910418600.2A
Authority: CN
Inventors: 蔺亚强; 张军; 马军; 金榕; 程磊
Original assignee: Jiangsu Hengtong Electric Power Special Wire Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Hengtong Wire and Cable Technology Co Ltd; Jiangsu Hengtong Electric Power Special Wire Co Ltd
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2039-05-20
Also published as: CN109972002A

Abstract

本发明公开了一种高耐疲劳性铝材的制备方法，包括原材料选择及熔炼、铝液成分分析、合金化处理、精炼、扒渣、成分调整、炉外精炼及除渣、连续铸造、连续轧制的步骤。本发明还公开了由所述方法制备得到的铝材，以及其在制备汽车冷凝管中的应用。本发明制备的高耐疲劳性铝材，耐疲劳性能好，且抗拉强度能符合挤压用铝合金材料的要求。

Description

高耐疲劳性铝材及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种高耐疲劳性铝材及其制备方法和应用。

背景技术

近年来铝合金在车辆上的使用受到广泛的重视，替代其它的材料(如钢、塑料等)用作汽车零部件，可用于汽车车身、车轮、油箱、铝罐、机器盖板、电机壳等结构。虽然铝合金具有成型性好、导热性好、塑性好、强度高等优点，但是其抗疲劳性能还有待提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高耐疲劳性铝材的制备方法，由该方法制备的铝材耐疲劳性能好，且抗拉强度、导电率都符合挤压用铝合金材料的要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高耐疲劳性铝材的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照以下成分的比例，选择原料进行配料，并将原料中的铝源投入熔化炉中熔炼：Si：0.03～0.06wt％、Mn：0.70～0.85wt％、Fe：0.20～0.35wt％、Cu：0.10～0.35wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Cr：0.05～0.15wt％、Zr：0.035～0.050wt％、Sc：0.01～0.02wt％、Al：余量；

S2、将熔炼好的铝液转移到保温炉，搅拌均匀后取样进行成分分析，检测铝液中Al、Mn、Si、Fe、Cu、Ti、Cr、Zr、Sc的含量；

S3、当保温炉内铝液温度为740±10℃时，向炉中加入铝硅合金、铝铁合金、铝铜合金、铝锰合金、铝铬合金和铝锆合金，搅拌使铝液均匀；接着使铝液升温到750±10℃，加入铝钛合金和铝钪合金，搅拌均匀；

S4、向保温炉内的铝液中通入精炼剂进行精炼；

S5、扒去铝液表面的浮渣；

S6、从炉内铝液取样进行成分分析，确认铝液的成分为：Si：0.03～0.06wt％、Mn：0.70～0.85wt％、Fe：0.20～0.35wt％、Cu：0.10～0.35wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Cr：0.05～0.15wt％、Zr：0.035～0.050wt％、Sc：0.01～0.02wt％；若取样结果与上述成分不符，应进行调整，再取样分析；若取样结果符合要求，则当铝液温度达到740±10℃后，开炉放流；

S7、将铝液引入在线除气装置和过滤装置，以除气除渣；

S8、对铝液进行连续浇铸，控制浇铸温度为675～695℃，引桥上的铸坯温度为530～570℃；

S9、对浇铸得到的铸坯进行连续轧制，控制入轧温度为520～540℃，终轧温度≤300℃。

进一步地，步骤S1中，还包括对各原料进行成分检测的步骤，以保证各成分符合此产品工艺要求，防止各成分超出范围。

进一步地，步骤S1中，选择纯度≥99.7％的铝锭、AlSi₁₂、AlFe₂₀、AlCu₅₀、AlMn₁₀、AlCr₁₀、AlZr₁₀、AlTi₁₀和AlSc₁₀作为原料进行配料。

进一步地，步骤S2中，当熔化炉铝液温度≥720℃时，转入保温炉搅拌均匀，在750～780℃下保温。

进一步地，步骤S4中，所述精炼剂为高效喷粉精炼剂，精炼剂用量为0.15～0.4％，精炼剂载体为纯度为99.999％的高纯氮气，精炼时间控制在20～30分钟，氮气压力控制在10～15KPa。

进一步地，步骤S4中，当铝液温度为750±10℃时开始精炼，精炼过程铝液温度控制在740±10℃。

进一步地，步骤S5中，扒渣过程铝液温度控制在730±10℃。

进一步地，步骤S7中，所述过滤装置为双级陶瓷过滤板，所述陶瓷过滤板的孔隙规格40PPI和60PPI。

进一步地，步骤S8中，采用钢带加U型结晶轮的环绕四周冷却法对铸坯进行冷却，冷却水的温度为25～35℃。

进一步地，步骤S9中，轧制过程采用乳化液对轧辊和铝材进行润滑和冷却，乳化液浓度为12～16％。优选地，乳化液的浓度为14％。

进一步地，还包括采用0.5～0.6MPa的压缩空气对轧制得到的铝材进行干燥和清洁的步骤。

进一步地，还包括对清洁后的铝材进行自然冷却的步骤。优选地，所述自然冷却的时间不小于24h。

本发明还提供了由所述方法制备得到的高耐疲劳性铝材，其成分为：Si：0.03～0.06wt％、Mn：0.70～0.85wt％、Fe：0.20～0.35wt％、Cu：0.10～0.35wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Cr：0.05～0.15wt％、Zr：0.035～0.050wt％、Sc：0.01～0.02wt％、Al：余量。

此外，本发明还提供了所述的高耐疲劳性铝材在制备汽车冷凝管中的应用。

本发明的有益效果：

1.单一的锰元素不作为一种提升耐疲劳性的材料，而在本发明中，发明人发现添加锰元素之后，其与铝合金材料的其他组分共同作用，提升了材料的耐疲劳性能。此种材料在经过完全退火工艺，采取挤压成型为汽车冷凝器用材料，经过耐腐蚀试验，周期振动，疲劳性能明显提升。

2.本发明通过控制铝材中各项微量元素的含量，并通过添加各种微量合金元素的办法，实现了在浇铸凝固时所形成的微合金法的综合效益，最终消除了挤压成型法所产生的弊端：挤压薄管易破裂、容易出现漏洞，汽车冷凝管在使用工况由于长期周期性的运动造成的疲劳断裂现象。

3.本发明公开的铝合金配方，采用Fe、Si、Cu、Mn、Ti、Zr、Cr、Sc为主要添加成分，使制品的再结晶晶粒得以细化，强度、伸长率得到改善；结合本发明的生产工艺方法，制备的铝合金杆，且经过验证后，完全符合要求。

4.由本发明方法制得的9.5mm铝杆，在20℃时，抗拉强度在110～125MPa，延伸率达12％，耐腐性性能和耐疲劳性能均满足汽车冷凝器的要求。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如背景技术所述，现有的铝材存在耐疲劳性能低，无法满足汽车冷凝器材料的耐疲劳性能需求，为了解决这一问题，本发明提供了一种高耐疲劳性铝材的制备方法，参照附图1的工艺流程，具体步骤如下：

S1、原材料选择及熔炼：首先进行原材料检验和选择。检验目的是：保证各成分符合此产品工艺要求，防止各成分超出范围。按照如下的成分比例选择原料：Si：0.03～0.06wt％、Mn：0.70-0.85wt％、Fe：0.20-0.35wt％、Cu：0.10-0.35wt％、Ti：0.01-0.03wt％、Cr：0.05-0.15wt％、Zr：0.035-0.050wt％、Sc：0.01-0.02wt％、Al：余量。

优选地，选择Al99.70铝锭、AlSi₁₂、AlFe₂₀、AlCu₅₀、AlMn₁₀、AlCr₁₀、AlZr₁₀、AlTi₁₀和AlSc₁₀作为原料。

优选地，选用牌号Al99.70重熔铝锭，进行优化搭配使用。该铝锭具体化学成分见表1；

表1 Al99.70重熔铝锭的化学成分

采用工业用Al99.70的纯铝，使本发明制备的铝杆具有原材料供应充足、成本低、采购方便等优势；同时铝基体也可以采用精铝或高纯级铝作为基体合金，该铝基体比普通铝基材料具有更高的品质，加工成的产品在电性能和机械性能方面更具优势。

将铝锭投入熔化炉中，加热使之熔化。当熔化炉铝液温度≥720℃时，转入保温炉搅拌均匀，在750～780℃下保温。熔化炉可为熔化速率为8t/h的熔化炉。

S2、铝液成分分析：从所述铝液中取样，检测铝液中Al、Si、Fe、Cu、Mn、Ti等元素的含量。优选地，采用直读光谱仪进行快速分析。根据检验结果、铝锭投料总量和各中间合金的成分，可以修正所需铝硅、铝铁、铝铜、铝锰、铝铬、铝锆、铝钪、铝钛中间合金的加入量。

S3、合金化处理：当保温炉内铝液温度为740±10℃时，加入铝硅、铝铁、铝铜、铝锰、铝铬和铝锆中间合金。中间合金投放完毕后，对炉内熔体进行充分搅拌，可采用人工+电磁搅拌，搅拌时间≥30分钟，使铝液成分均匀。搅拌完成后，铝液迅速提温到750±10℃，此时需加入铝钛合金和铝钪合金。

S4、精炼：当铝液温度达到750±10℃时，采用99.999％的高纯氮气作载体，将喷粉精炼剂通入保温炉内熔体中进行精炼，同时对铝液进行充分搅拌，达到铝液除气、除杂等净化处理。精炼时控制精炼剂吹入的速度和氮气的压力，使精炼时间控制在45分钟以上，精炼温度控制在750～780℃。

优选地，所述喷粉精炼剂的主要成分为氯化钠、氯化钾和冰晶石，精炼剂用量为炉料总量的0.4％。

S5、扒渣：精炼完毕后，对铝液升温，熔体静置5～10分钟，当铝液温度≥730℃时，打开保温炉扒渣门进行扒渣，将铝液表面上的浮渣扒干净。

S6、成分调整：扒渣完成后，让铝液在保温炉内静置30～40分钟，并保持铝液温度在740±10℃，然后对炉内铝液取样进行化学成分分析，确认铝液化学成分组成为：Si：0.03～0.06wt％、Mn：0.70～0.85wt％、Fe：0.20～0.35wt％、Cu：0.10～0.35wt％、Ti：0.01～0.03wt％、Cr：0.05～0.15wt％、Zr：0.035～0.050wt％、Sc：0.01～0.02wt％。

取样位置至少为3处不同的地方，且分布均匀。如取样结果与上述成分不符，应进行调整，重新搅拌、静置后再取样分析。

S7、炉外精炼及除渣：当铝液化学成分符合要求、且温度达到740±10℃后，即可开炉放流。铝液从保温炉出来经过流槽进入在线除气装置和过滤装置,进行炉外精炼，再次除气除渣。优选地除渣时选用除渣仪进行，除渣过程需监视除渣效果。

为了控制铝液内有害气体，采用除气系统进行处理，并且采用测氢仪进行检测，除气后采用除渣仪进行除渣。

除气的指标要求如下表：

表2除气要求

在线除气之前/≤	在线除气之后/≤
		0.300ml/100g	0.15ml/100g

所述过滤装置优选为双级陶瓷过滤板，所述陶瓷过滤板的孔隙规格40PPI和60PPI。

S8、连续铸造：再次精炼后的洁净铝液进行连续浇铸，浇铸温度控制在675～695℃。控制结晶轮的速度、冷却水压力，使从结晶轮出来到引桥上的铸坯温度为530～570℃。优选地，铸造冷却水温度为25～35℃，冷却水总压力为0.30MPa。

S9、连续轧制：对制得的铸坯进行校直，控制进轧前铸坯温度保持在520～540℃，终轧温度≤300℃。

优选地，连续轧制过程中采用常规铝连轧乳化液对轧辊和铝杆进行润滑和冷却，乳化液浓度为12～16％，优选为14％，温度为65℃，压力为0.25MPa。

S10、自然冷却：轧制的铝材经收线后，放在场地上进行自然冷却处理。

S11、性能检测。

实施例1～4：制备直径为9.5mm的汽车冷凝器用轧制铝杆

1、原料配料

表3实施例1～4中铝材中各成分的配比

按照表3中的成分配比进行原料的配料，选择Al99.70重熔铝锭、AlSi₁₂、AlFe₂₀、AlCu₅₀、AlMn₁₀、AlCr₁₀、AlZr₁₀、AlTi₁₀和AlSc₁₀作为原料。

轧制铝杆的制备方法如下：

步骤一：将铝锭投入熔化炉中熔化，当熔化炉铝液温度≥720℃时，转入保温炉搅拌均匀，在750～780℃下保温。采用直读光谱仪检测铝液中各成分的含量。当保温炉内铝液温度为740±10℃时，预先加入其它合金后，对炉内熔体进行充分搅拌(人工+电磁搅拌)，搅拌时间：≥30分钟，使铝液成分均匀。搅拌完成后，铝液迅速提温到750±10℃，加入铝钛合金和铝钪合金。采用喷粉精炼剂(主要成分为：氯化钠、氯化钾、冰晶石)进行精炼，精炼剂用量为炉料总量的0.4％，利用纯度99.999％的高纯氮气将精炼剂吹入炉内铝液中进行精炼，同时对铝液再次进行充分搅拌。精炼完毕后，对铝液加温，熔体静置5～10分钟，当铝液温度≥730℃时，打开保温炉扒渣门进行扒渣，将铝液表面上的浮渣扒干净。扒渣完成后，让铝液在保温炉内静置30～40分钟，并保持铝液温度在740±10℃。然后从炉内铝液取样进行分析，确认铝液是否需要调整。若铝液成分符合要求，且温度达到740±10℃时，即可出炉，将铝液从保温炉出来经过流槽进入在线除气装置和过滤装置，进行炉外精炼，再次除气除渣。

步骤二：对步骤一的铝液进行连续铸造，浇铸温度控制在675-695℃；铸造过程采用钢带加U型结晶轮的环绕四周冷却法对铸坯成型，控制冷却水温度25±5℃。

步骤三：浇铸的铝坯进行连续轧制，轧制时控制起始温度520～540℃，终轧温度≤300℃。

步骤四：轧制后铝杆迅速采用惰性气体保护，放置于井式退货炉或箱式退火炉内进行完全退火工艺，退火温度440～490℃，升温时间3～5h，保温时间12～15h，用于改善后续挤压过程的良好流动性。

步骤五：退火后的铝杆需放置空冷。

步骤六：将铝杆采用0.1％的烧碱溶液进行清洗，采用钢刷进行去污处理。

步骤七：铝杆同时进杆2根，进行挤压成型，控制挤压温度350±20℃。控制逸料比例为8～15％。

步骤八：挤压好之后，表面采用特定的涂覆材料——石蜡涂覆于表面可提升耐腐蚀性能。

材料性能检测

实施例1～4制备的汽车冷凝器用轧制铝杆的性能参数如表4所示：

表4实施例1～4制备的铝杆的性能参数

由此可知，本发明的方法制备的汽车冷凝器用轧制铝杆，其强度、耐腐蚀性能、耐热性和耐疲劳性均符合要求。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种高耐疲劳性铝材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S4、向保温炉内的铝液中通入精炼剂进行精炼；

S5、扒去铝液表面的浮渣；

S7、将铝液引入在线除气装置和过滤装置，除气除渣；

S9、对浇铸得到的铸坯进行连续轧制，控制入轧温度为520～540℃，终轧温度200-300℃。

2.如权利要求1所述的高耐疲劳性铝材的制备方法，其特征在于，步骤S1中，选择纯度≥99.7％的铝锭、AlSi₁₂、AlFe₂₀、AlCu₅₀、AlMn₁₀、AlCr₁₀、AlZr₁₀、AlTi₁₀和AlSc₁₀作为原料进行配料。

3.如权利要求1所述的高耐疲劳性铝材的制备方法，其特征在于，步骤S2中，当熔化炉铝液温度≥720℃时，转入保温炉搅拌均匀，在750～780℃下保温。

4.如权利要求1所述的高耐疲劳性铝材的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述精炼剂为喷粉精炼剂，用量为0.15～0.4％；精炼剂载体为纯度为99.999％的高纯氮气，精炼时间控制在20～30分钟，氮气压力控制在10～15KPa。

5.如权利要求1所述的高耐疲劳性铝材的制备方法，其特征在于，步骤S4中，当铝液温度为750±10℃时开始精炼，精炼过程铝液温度控制在740±10℃。

6.如权利要求1所述的高耐疲劳性铝材的制备方法，其特征在于，步骤S7中，所述过滤装置为双级陶瓷过滤板，所述陶瓷过滤板的孔隙规格为40PPI和60PPI。

7.如权利要求1所述的高耐疲劳性铝材的制备方法，其特征在于，步骤S9中，轧制过程采用乳化液对轧辊和铝材进行润滑和冷却，乳化液体积浓度为12～16％。

8.如权利要求1所述的高耐疲劳性铝材的制备方法，其特征在于，还包括采用0.5～0.6MPa的压缩空气对轧制得到的铝材进行干燥和清洁的步骤。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的高耐疲劳性铝材。

10.权利要求9所述的高耐疲劳性铝材在制备汽车冷凝管中的应用。