CN116179906A - 一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材及其制备方法，属于铝合金带材制备领域。该5系铝合金带材中的成分组成及其含量为：Si≤0.06%，Fe≤0.1%，Cu≤0.1%，Mn≤0.1%，Mg 5.5~6.0%，Cr≤0.05%，Zn 0.2~0.4%，Ti≤0.02%，余量为Al及制造过程中产生的其他杂质，每种杂质的含量≤0.03%；其屈服强度≥300mpa、延伸率≥12%。与传统5系铝合金板带材或6系、7系合金挤压材相比，本发明铝合金板带材在兼具较好强度的基础上，还能实现冲压成型及很好的阳极外观，可实现利用冲压成型的方式获得3C电子产品外壳结构，因而具有生产效率高、生产成本低的应用特点。
Description
技术领域
本发明属于铝合金带材制备技术领域，具体涉及一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材及其制备方法。
背景技术
在温室效应的影响下，欧盟等国预期在2025年对出口产品征收碳税。为降低关税成本，践行绿色环保，越来越多的铝加工企业开始使用回收铝生产产品，但阳极氧化材对内部组织和成分的要求非常严格，使用回收铝生产制造的除渣会有很大的难度，但随着碳税的不断推进，使用废料生产的高强度阳极氧化材将更有市场竞争力。
铝材因阳极氧化后具有良好的耐腐蚀性和高表面硬度，在电子行业广泛应用在外壳部件上，而随着人们对审美观的提升，最终阳极氧化后的成品粗糙度Ra多要求在1.5μm以下，甚至更低，以实现极佳的手感和外观细腻度。另一方面，电子产品需要外壳部件的高强度提升整机的刚性和耐用性，故一般要求屈服强度≥300Mpa。在上述背景下业内多使用6061挤压型材制备电子产品外壳部件，以实现成品在高强度和低粗糙度下无料纹，但该工艺既浪费物料，影响效率，又没有添加使用回收铝的切入点。
现有技术中涉及阳极氧化材的产品极少涉及使用废料，而且产品的屈服强度也比较低，如公开号为CN 105525167A的专利《一种超高强度阳极氧化用铝合金带材及其制造方法》，其屈服强度下限只能达到230Mpa，且未涉及使用回收铝；另有公开号为CN 108149091A的专利《一种高强度高表面阳极氧化外观铝合金带材及其制备方法》，其屈服强度≥350Mpa，但其强化效果是以MgZn2的析出体现，会使固溶和时效热处理而成本增加。另有公开号为CN 110475882A的专利《具有高强度和高成形性的阳极氧化质量5XXX铝合金和其制备方法》，其屈服强度下限200Mpa，解决铝材直接阳极后的暗点、亮点或者暗线、亮线等小区域难于发现的阳极缺陷，与笔电阳极外观要求需要解决铝材经表面喷砂和阳极后的条带状、区域性阳极缺陷有很大不同，且均未添加废料，在碳税来临之际，将引起生产成本的增加。
另一方面，公开号为CN 105525167A中的专利中规范成品粗糙度为≤0.3μm，公开号为CN 110475882A的专利《具有高强度和高成形性的阳极氧化质量5XXX铝合金和其制备方法》中规范成品的粗糙度为0.1~0.35μm，但低粗糙度下容易引起表面擦划伤，质量成本显著增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材及其制备方法，其制得的5系合金轧制板带材的屈服强度≥300mpa，延伸率≥12%，可满足3C电子产品外壳结构和阳极外观需求。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材，以重量百分含量之和为100%计，该铝合金带材中的成分组成及其含量为：Si≤0.06%，Fe≤0.1%，Cu≤0.1%，Mn≤0.1%，Mg 5.5~6.0%，Cr≤0.05%，Zn 0.2~0.4%，Ti≤0.02%，余量为Al及制造过程中产生的其他杂质，每种杂质的含量≤0.03%，杂质总量不超过0.15%。
所述高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法是以非纯铝锭废料和高纯铝锭为原料，辅以中间合金锭，经熔化、铸造、热轧、冷轧及中间退火，制得所述5系铝合金带材；其包括以下步骤：
1）先将高纯铝锭进行熔炼，待其充分熔化后添加原料总重量40~50%的非纯铝锭废料和AL-Mg中间合金，然后经成分分析、熔体质量处理后，采用半连续铸造的方式获得大板锭；
2）将所得大板锭经锯切、铣面后送入加热炉进行加热，然后出炉热轧；
3）将热轧后的卷材经3~7道次冷轧后进行中间退火，随后进行成品道次轧制；
4）将轧制到成品厚度的产品经酸洗后进行拉弯矫直，获得厚度为0.4~1.0mm的终产品。
进一步地，所述非纯铝锭废料来源于同一铝合金生产工艺中各工序回收的头尾和冲压废料。
进一步地，步骤1）所述熔体质量处理是采用板式过滤器和深床过滤器进行双重过滤，以提升熔体质量。
进一步地，步骤2）所述加热的温度为450~530℃，时间为8-10h。
进一步地，步骤2）所述热轧的终轧温度为250~350℃，所得热轧坯料的厚度为2.5~4.0mm。
进一步地，步骤3）所述冷轧的第一道次使用Ra 0.4-0.6μm的冷轧辊，最后一道次使用Ra 0.2-0.3μm的冷轧辊，其余道次均使用Ra 0.3-0.4μm的冷轧辊；中间退火前的冷轧总压下率控制在50%以上。
进一步地，步骤3）所述中间退火的工艺条件为380~430℃/5~30s。
进一步地，步骤3）所述成品道次轧制使用Ra 0.3-0.5μm的冷轧辊；其总变形量5~15%。
进一步地，步骤4）所述拉弯矫直的延伸率设定为0.5~1.0%。
进一步地，步骤4）所得终产品的的屈服强度≥300mpa，延伸率≥12%，其表面任意位置的晶粒尺寸均≤30μm，且长宽比不超过1.2。
本发明以具有高强度的5系合金作为切入点，通过将Mg含量控制在5.5~6.0%范围内以提高强度；并通过添加一定量的Zn促进阳极氧化过程的腐蚀均匀性，同时，本发明还在铝合金带材的制备中添加不低于40%的非纯铝锭废料，其在改善Mg8Al5析出尺寸的同时，还能细化晶粒提高强度。
研究过程中发明人还发现，产品内部的晶粒大小和均匀性、轧制工艺和表面粗糙度等与成品的阳极外观联系密切，控制和降低冷轧轧制过程的成品表面粗糙度比仅仅控制成品的表面粗糙度，对阳极外观效果的改善更有效。
本发明的显著优势在于：
本发明提供了一种厚度0.4~1.0mm、屈服强度≥300Mpa、延伸率≥10%、屈强比≥0.8的5系铝合金带材及其制造方法，其添加有不少于40%的非纯铝锭废料，且力学性能满足笔电外壳冲压成型和整机刚度要求。与现有技术相比，本发明生产的铝板带材在具有高的成型性和喷砂后良好的阳极外观的基础上，还具有更高的屈服强度及更高的良率，且其由于添加回收铝及无需经过固溶时效而具有更低的生产成本。
附图说明
图1为实施例3所制备的高强度可阳极氧化5系铝合金带材经阳极处理后的表面情况图。
图2为对比例1所制备的铝合金带材经阳极处理后的表面情况图。
图3为对比例2所制备的铝合金带材经阳极处理后的表面情况图。
具体实施方式
一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材，以重量百分含量之和为100%计，该铝合金带材中的成分组成及其含量为：Si≤0.06%，Fe≤0.1%，Cu≤0.1%，Mn≤0.1%，Mg 5.5~6.0%，Cr≤0.05%，Zn 0.2~0.4%，Ti≤0.02%，余量为Al及制造过程中产生的其他杂质，每种杂质的含量≤0.03%，杂质总量不超过0.15%。
所述高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备包括以下步骤：
1）先将高纯铝锭进行熔炼，待其充分熔化后按与高纯铝锭的质量百分比为40:60~50:50添加非纯铝锭废料，并加入适量AL-Mg中间合金，然后经成分分析、熔体质量处理后，采用半连续铸造的方式获得大板锭；
2）将所得大板锭经锯切、铣面后送入加热炉，于450~530℃加热8-10h，然后出炉热轧，热轧的终轧温度250~350℃，所得热轧坯料的厚度为2.5~4.0mm；
3）将热轧后的卷材进行3~7道次冷轧，第一道次使用Ra 0.4-0.6μm的冷轧辊，最后一道次使用Ra 0.2-0.3μm的冷轧辊，其余道次均使用Ra 0.3-0.4μm的冷轧辊；冷轧总压下率控制在50%以上；然后以380~430℃/5~30s的工艺条件进行中间退火，随后使用Ra 0.3-0.5μm的冷轧辊进行成品道次轧制，其总变形量为5~15%；
4）将轧制到成品厚度的产品经酸洗后将延伸率设定为0.5~1.0%进行拉弯矫直，获得厚度为0.4~1.0mm、屈服强度≥300mpa，延伸率≥12%的终产品，其表面任意位置的晶粒尺寸均≤30μm，且长宽比不超过1.2。
以下对各成分的含量及工艺的限定理由加以说明：
Mg：合金中的Mg为保证合金板材强度所必须的添加元素，若含量低于5.5%，则成品屈服强度300Mpa的下限指标将不能满足，若含量超过6.0%，Mg含量增加将容易产生铸造和热轧过程的热裂，且Mg含量太高后容易引起阳极氧化腐蚀速度太快，不利于外观效果的控制；
Fe：Fe可提供部分强化效果，但Fe含量超过0.1%时将促进粗大β相的增多，该类化合物呈棒状或条状，影响阳极氧化后的外观质量，因而越低越好。
Ti：Ti能细化晶粒，均匀组织，但含量超过0.02%时，TiB2容易聚集而形成熔体夹渣；而若添加量不足，则达不到晶粒细化的作用。
Zn：Zn有利于提高材料的强度，当含量不足时可能会在保证晶粒长宽比的条件下强度不足，而含量超过0.4%时会因为电位差而加快材料腐蚀，甚至在中间退火过程形成固溶，强化效果反而牺牲，且更加容易腐蚀，不利于获得良好的阳极外观质量。
废料添加：废料的添加有利于增加形核质点，实现在少量Al-Ti合金添加下即能细化组织，添加量不足40%将难以保证晶粒长度≤30μm；进一步地，废料的添加还有利于镁含量超过5.5%的铸锭中AL-Mg相的分布，实现无需双级加热即可达到均质效果，且更加节能环保，还为未来的碳税减免争取利润空间。
冷轧变形量控制：中间退火后给予的冷轧变形量不足5%时，将很难利用加工硬化保证产品屈服强度，而超过15%将不利于控制和获得长宽比≤1.2的晶粒，进而恶化阳极氧化过程的晶间腐蚀均匀性，尤其对于Mg含量超过5.0%的铝合金晶粒长宽比控制不当将不利于喷砂和阳极氧化后条带状色差和斑块色差的控制；进一步地，中火后的小变形量还有利于将中间冷轧过程低粗糙度轧辊轧制条件下获得的均匀表面应力得到延续，并为减少后续工序擦划伤提供条件。
总之，本发明通过控制成分组成、冷轧轧辊的使用和成品冷轧道次的冷轧变形量，可减少成品表面的宏观应力差异，结合合理的拉弯矫直延伸率参数，有效控制了带材表面的宏观和微观应力，阳极氧化过程的应力腐蚀不均匀性得到进一步控制，为提升阳极氧化效果起到了积极的作用。
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材，其成分及其含量为Si 0.03wt%、Fe0.08wt%、Cu 0.03wt%、Mn 0.05wt%、Mg 5.5wt%、Cr 0.03wt%、Zn 0.4wt%、Ti 0.02wt%，余量为Al及制造过程中产生的其他杂质，每种杂质的含量≤0.03%，杂质总量不超过0.15%。
其制备方法包括以下步骤：
1）将60%的高纯铝锭送入熔炼炉进行熔化，随后添加40%的非纯铝锭废料和适量的AL-Mg中间合金，然后经炉内精炼后，依次经板式过滤器和管式过滤器进行熔体净化，随后进行半连续铸造，获得300×1250mm的铸锭；
2）将所得铸锭经过锯切、铣面后进入加热炉，于450℃下保温10h，然后出炉热轧，热轧终轧温度为350℃，所得热轧坯料的厚度为4.0mm；
3）将热轧后的卷材进行3道次冷轧，第一道次（4.0-2.6）使用Ra 0.6μm的冷轧辊，第二道次（2.6-1.8）使用Ra0.4μm的冷轧辊，第三道次（1.8-1.17）使用Ra 0.3μm的冷轧辊，冷轧总压下率为70%；然后使用气垫炉，以380℃/30s的工艺条件进行中间退火，随后使用Ra0.4μm的冷轧辊进行成品道次轧制（1.17-1.0），其总变形量为15%；
4）将轧制到成品厚度的产品经酸洗后将延伸率设定为1.0%进行拉弯矫直，分轴出成品。
所制得的铝合金带材厚度为1.0mm，表面晶粒长30μm，宽28μm，长宽比1.07，产品的抗拉强度为415Mpa，屈服强度为376Mpa，延伸率13.2%，满足笔电外壳的质量要求。
实施例2
一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材，其成分及其含量为Si 0.06wt%、Fe0.1wt%、Cu 0.1wt%、Mn 0.05wt%、Mg 6.0wt%、Cr 0.05wt%、Zn 0.2wt%、Ti 0.015wt%，余量为Al及制造过程中产生的其他杂质，每种杂质的含量≤0.03%，杂质总量不超过0.15%。
其制备方法包括以下步骤：
1）将55%的高纯铝锭送入熔炼炉进行熔化，随后添加45%的非纯铝锭废料和适量的AL-Mg中间合金，然后经炉内精炼后，依次经板式过滤器和管式过滤器进行熔体净化，随后进行半连续铸造，获得480×1550mm的铸锭；
2）将所得铸锭经过锯切、铣面后进入加热炉，于530℃下保温8h，然后出炉热轧，热轧终轧温度为250℃，所得热轧坯料的厚度为2.5mm；
3）将热轧后的卷材进行5道次冷轧，第一道次（2.5-1.7）使用Ra 0.4μm的冷轧辊，随后三个道次（1.7-1.1、1.1-0.78、0.78-0.58）使用Ra 0.3μm的冷轧辊，中火前冷轧道次（0.58-0.44）使用Ra 0.2μm的冷轧辊，冷轧总压下率为82.4%；然后使用气垫炉，以430℃/5s的工艺条件进行中间退火，随后使用Ra 0.3μm的冷轧辊进行成品道次轧制（0.44-0.4），其总变形量为10%；
4）将轧制到成品厚度的产品经酸洗后将延伸率设定为0.5%进行拉弯矫直，分轴出成品。
所制得的铝合金带材厚度为0.4mm，表面晶粒长25μm，宽21μm，长宽比1.2，产品的抗拉强度为378Mpa，屈服强度为310Mpa，延伸率16.6%，满足笔电外壳的质量要求。
实施例3
一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材，其成分及其含量为Si 0.03wt%、Fe0.06wt%、Cu 0.08wt%、Mn 0.07wt%、Mg 5.7wt%、Cr 0.03wt%、Zn 0.26wt%、Ti 0.018wt%，余量为Al及制造过程中产生的其他杂质，每种杂质的含量≤0.03%，杂质总量不超过0.15%。
其制备方法包括以下步骤：
1）将57%的高纯铝锭送入熔炼炉进行熔化，随后添加43%的非纯铝锭废料和适量的AL-Mg中间合金，然后经炉内精炼后，依次经板式过滤器和管式过滤器进行熔体净化，随后进行半连续铸造，获得420×1450mm的铸锭；
2）将所得铸锭经过锯切、铣面后进入加热炉，于480℃下保温10h，然后出炉热轧，热轧终轧温度为320℃，所得热轧坯料的厚度为3.0mm；
3）将热轧后的卷材进行4道次冷轧，第一道次（3.0-2.0）使用Ra 0.5μm的冷轧辊，随后两个道次（2.0-1.45、1.45-1.05）使用Ra 0.4μm的冷轧辊，中火前冷轧道次（1.05-0.845）使用Ra0.25μm的冷轧辊，冷轧总压下率为72%；然后使用气垫炉，以400℃/10s的工艺条件进行中间退火，随后使用Ra 0.35μm的冷轧辊进行成品道次轧制（0.845-0.8），其总变形量为5%；
4）将轧制到成品厚度的产品经酸洗后将延伸率设定为0.8%进行拉弯矫直，分轴出成品。
所制得的铝合金带材厚度为0.8mm，表面晶粒长28μm，宽24μm，长宽比1.17，产品的抗拉强度为406Mpa，屈服强度为352Mpa，延伸率12.6%，屈强比0.84，满足笔电外壳的质量要求。
对比例1
一种5A06铝合金带材，其合金成分及其含量为Si 0.05wt%、Fe 0.1wt%、Cu0.08wt%、Mn 0.6wt%、Mg 6.0wt%、Cr 0.03wt%、Zn 0.2wt%、Ti 0.02wt%，余量为Al及制造过程中产生的其他杂质，每种杂质的含量≤0.03%，杂质总量不超过0.15%。
其制备方法包括以下步骤：
1）将纯铝锭送入熔炼炉进行熔化，并加入适量适量的AL-Mg中间合金，经成分调整后进行半连续铸造，获得520×1350mm的铸锭；
2）将所得铸锭经过锯切、铣面后进入加热炉，于470℃下保温8h，然后出炉热轧，热轧终轧温度为320℃，所得热轧坯料的厚度为3.0mm；
3）将热轧后的卷材先进行3道次冷轧，各道次均使用Ra 0.5μm的冷轧辊进行生产，轧制厚度为“3.0-2.0-1.45-1.05”，冷轧总压下率为72%；然后进行热处理，以380℃/20s的工艺条件进行中间退火，随后使用Ra 0.4μm的冷轧辊进行成品道次轧制（1.05-0.8），其总变形量为24%；
4）将轧制到成品厚度的产品将延伸率设定为0.3%进行拉弯矫直，分轴出成品。
所制得的铝合金带材厚度为0.8mm，表面晶粒长53μm，宽38μm，长宽比1.4，产品的抗拉强度为430Mpa，屈服强度为370Mpa，延伸率9.8%，可见由于未通过添加废料和控制轧制工艺，使其晶粒尺寸显著增大，延伸率下降，产品经喷砂阳极后条带缺陷明显，冲压成型后边角开裂。
对比例2
一种5A06铝合金带材，其合金成分及其含量为Si 0.03wt%、Fe 0.15wt%、Cu0.08wt%、Mn 0.4wt%、Mg 6.2wt%、Cr 0.03wt%、Zn 0.3wt%、Ti 0.022wt%，余量为Al及制造过程中产生的其他杂质，每种杂质的含量≤0.05%，杂质总量不超过0.15%。
其制备方法包括以下步骤：
1）将纯铝锭送入熔炼炉进行熔化，并加入适量适量的AL-Mg中间合金，经成分调整后进行半连续铸造，获得520×1350mm的铸锭；
2）将所得铸锭经过锯切、铣面后进入加热炉，于480℃下保温4h，然后出炉热轧，热轧终轧温度为320℃，所得热轧坯料的厚度为4.0mm；
3）将热轧后的卷材先进行3道次冷轧，各道次均使用Ra 0.3μm的冷轧辊进行生产，轧制厚度为“4.0-3.0-1.7-1.1-0.85”，冷轧总压下率为79%；然后进行热处理，以380℃/20s的工艺条件进行中间退火，随后使用Ra 0.3μm的冷轧辊进行成品道次轧制（0.85-0.8），其总变形量为7%；
4）将轧制到成品厚度的产品将延伸率设定为0.5%进行拉弯矫直，分轴出成品。
所制得的铝合金带材厚度为0.8mm，表面晶粒长48μm，宽36μm，长宽比1.3，产品的抗拉强度为395Mpa，屈服强度为306Mpa，延伸率10.8%，可见由于成分组成不同且未添加非纯铝锭废料，使其晶粒尺寸显著增大，延伸率下降，产品经喷砂阳极后条带缺陷明显，冲压成型后边角开裂。
图1、2、3分别为实施例3及对比例1、2所制备的铝合金带材经阳极处理后的表面情况图。由图片对比可见，本发明制备的铝合金带材经阳极处理后其表面无条带缺陷，而对比工艺制备的铝合金带材经阳极处理后其表面存在明显条带缺陷。
与传统5系合金相比，本发明在铝锭组成、成分配方、生产工艺等方面进行改良，并在产品的生产过程中添加了回收铝，其所得可阳极氧化的高强度5系铝合金带材兼具良好的冲压性能、高强度和高阳极外观质量，非常适应电子产品生产降本、生产提效、质量提升的发展需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种高强度可阳极氧化5系铝合金带材，其特征在于，以重量百分含量之和为100%计，所述5系铝合金带材中的成分组成及其含量为：Si≤0.06%，Fe≤0.1%，Cu≤0.1%，Mn≤0.1%，Mg5.5~6.0%，Cr≤0.05%，Zn0.2~0.4%，Ti≤0.02%，余量为Al及制造过程中产生的其他杂质，每种杂质的含量≤0.03%，杂质总量不超过0.15%；
该5系铝合金带材的屈服强度≥300mpa，延伸率≥12%。
2.一种如权利要求1所述的高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法，其特征在于：以非纯铝锭废料和高纯铝锭为原料，辅以中间合金锭，经熔化、铸造、热轧、冷轧及中间退火，制得所述5系铝合金带材；其包括以下步骤：
1）先将高纯铝锭进行熔炼，待其充分熔化后添加原料总重量40~50%的非纯铝锭废料和AL-Mg中间合金，然后经成分分析、熔体质量处理后，采用半连续铸造的方式获得大板锭；
2）将所得大板锭经锯切、铣面后进行加热，然后出炉热轧；
3）将热轧后的卷材经3~7道次冷轧后进行中间退火，随后进行成品道次轧制；
4）将轧制到成品厚度的产品经酸洗后进行拉弯矫直，获得厚度为0.4~1.0mm的终产品。
3.根据权利要求2所述的高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法，其特征在于：所述非纯铝锭废料来源于同一铝合金生产工艺中各工序回收的头尾和冲压废料。
4.根据权利要求2所述的高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法，其特征在于：步骤2）所述加热的温度为450~530℃，时间为8-10h。
5.根据权利要求2所述的高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法，其特征在于：步骤2）所述热轧的终轧温度为250~350℃，所得热轧坯料的厚度为2.5~4.0mm。
6. 根据权利要求2所述的高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法，其特征在于：步骤3）所述冷轧的第一道次使用Ra 0.4-0.6μm的冷轧辊，最后一道次使用Ra 0.2-0.3μm的冷轧辊，其余道次均使用Ra 0.3-0.4μm的冷轧辊；中间退火前的冷轧总压下率控制在50%以上。
7.根据权利要求2所述的高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法，其特征在于：步骤3）所述中间退火的工艺条件为380~430℃/5~30s。
8. 根据权利要求2所述的高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法，其特征在于：步骤3）所述成品道次轧制使用Ra 0.3-0.5μm的冷轧辊；其总变形量5~15%。
9.根据权利要求2所述的高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法，其特征在于：步骤4）所述拉弯矫直的延伸率设定为0.5~1.0%。
10.根据权利要求2所述的高强度可阳极氧化5系铝合金带材的制备方法，其特征在于：步骤4）所得终产品的表面任意位置的晶粒尺寸均≤30μm，且长宽比不超过1.2。
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