本發(fā)明屬于鋁合金材料及其制造領(lǐng)域，特別涉及一種Al-Mg-Si-Cu合金及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
Al-Mg-Si(-Cu)合金目前應(yīng)用最廣泛合金，占總鋁應(yīng)用量的60％以上。部分零件所用的Al-Mg-Si(-Cu)合金需要經(jīng)過大量CNC加工成需要的形狀。常規(guī)的Al-Mg-Si(-Cu)合金斷屑困難，加工過程纏繞刀具并會造成工件表面刮傷，影響效率及品質(zhì)。而Al-Cu合金，由于含有鉛、鉍等低熔點元素，雖有利于切削斷屑，但Al-Cu合金因擠壓成型困難，常伴有晶界腐蝕現(xiàn)象，而且含有環(huán)保限制物質(zhì)，局限了Al-Cu合金的廣泛應(yīng)用。因此，提供一種不含環(huán)保限制物質(zhì)、擠壓成型性良好，車削斷屑良好的合金具有重要意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種Al-Mg-Si-Cu合金。該合金既具有Al-Mg-Si-Cu合金較高強度、成型性，優(yōu)良的陽極氧化性能，同時具有良好的易切削性。
本發(fā)明的另一目的在于提供所述Al-Mg-Si-Cu合金的制備方法。
本發(fā)明的又一目的在于提供所述Al-Mg-Si-Cu合金的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種Al-Mg-Si-Cu合金，該合金包含以下按質(zhì)量百分比計的組分：Si為0.6～0.8％，Mg為1.0～1.2％，F(xiàn)e為0.25～0.5％，Cu為0.2～0.4％，Mn為0.1～0.15％，Cr為0.1～0.2％，Zn為0.10～0.20％，Ti≤0.10％，其他雜質(zhì)總量＜0.15％，余量為Al。
所述的合金優(yōu)選為包含以下按質(zhì)量百分比計的組分：Si為0.622～0.79％，Mg為1.03～1.18％，F(xiàn)e為0.25～0.45％，Cu為0.2～0.28％，Mn為0.11～0.14％，Cr為0.11～0.15％，Zn為0.11～0.15％，Ti≤0.10％，其他雜質(zhì)總量＜0.15％，余量為Al。
一種Al-Mg-Si-Cu合金的制備方法，包括如下步驟：
(1)按照上述質(zhì)量百分比進行備料，其中，鋁、鎂和鋅采用鋁錠、鎂錠和鋅錠；
(2)將鋁錠裝入熔煉爐，加熱到740～780℃進行熔化，再加入鎂錠、鋅錠、和中間合金進行合金化，得到鋁熔體A；
(3)向鋁熔體A中加入精煉劑，于730～760℃進行精煉，在精煉的同時向鋁熔體A中通入精煉氣體進行攪拌、排氣，然后扒渣，得到鋁熔體B；
(4)將熔體B靜置，得到鋁熔體C；
(5)將鋁熔體C于685～710℃條件下進行鑄造，得到合金圓鑄錠；
(6)將得到的合金圓鑄錠加熱至450±5℃后保溫4小時，再用水霧強冷至室溫，得到Al-Mg-Si-Cu合金。
步驟(2)中所述的中間合金優(yōu)選為AlSi12、AlMn10、AlCr3、AlCu40和AlFe20。
步驟(2)中所述的熔煉爐優(yōu)選為蓄熱式節(jié)能爐。
步驟(2)中所述的加熱的溫度優(yōu)選為750℃。
步驟(3)中所述的精煉劑的添加量按1.0kg/噸鋁熔體A計算。
步驟(3)中所述的精煉的溫度優(yōu)選為740℃；精煉的時間為15～30分鐘，優(yōu)選為25分鐘。
步驟(3)中所述的精煉氣體優(yōu)選為高純氬氣。
所述的氬氣的壓力為0.05～0.1Mpa，流量為12L/分鐘。
步驟(3)中所述的得到鋁熔體B還包括成分微調(diào)的步驟：將得到的鋁熔體B進行化學(xué)成分分析，若合金成分不在步驟(1)所述的范圍內(nèi)，則通過成分微調(diào)，將合金成分控制在步驟(1)所述的范圍內(nèi)。
步驟(4)中所述的得到鋁熔體C還包括凈化的步驟。
所述的凈化優(yōu)選為將鋁熔體C依次通過除氣裝置和過濾系統(tǒng)進行凈化。
所述的過濾系統(tǒng)優(yōu)選為70目泡沫陶瓷板。
步驟(4)中所述的靜置時間為25～40分鐘，優(yōu)選為40分鐘。
步驟(5)中所述的鑄造優(yōu)選為采用半連續(xù)水冷鑄造法進行鑄造。
步驟(6)中所述的加熱在均勻化熱處理爐中進行。
所述的Al-Mg-Si-Cu合金在加工電子設(shè)備結(jié)構(gòu)連接件所用的擠壓管棒型材中的應(yīng)用。
所述的Al-Mg-Si-Cu合金在加工電子設(shè)備結(jié)構(gòu)連接件所用的擠壓管棒型材中的應(yīng)用，包括如下步驟：
①將上述Al-Mg-Si-Cu合金裝入鋁棒加溫爐進行加熱；
②再將合金進行擠壓，得到合金材料；
③將得到的合金材料進行在線淬火；
④將淬火后的合金材料進行拉伸矯直；
⑤進行人工時效處理。
步驟①中所述的Al-Mg-Si-Cu合金還包括鋸切的步驟，將合金鋸切成合適的長度，優(yōu)選為500～650mm。
步驟①中所述的鋁棒加溫爐優(yōu)選為三區(qū)加溫方式的鋁棒加溫爐，一區(qū)(入口預(yù)熱區(qū))溫度為480～520℃，二區(qū)(中間保溫區(qū))溫度為540～560℃，三區(qū)(出口區(qū))溫度為480～500℃；所述的鋁棒加溫爐也可使用四區(qū)或五區(qū)式，其中，入口預(yù)熱區(qū)溫度為480～520℃，出口區(qū)溫度為480～500℃，中間段為保溫區(qū)，溫度設(shè)置為540～560℃，保溫區(qū)加熱的時間為2～3小時。
所述的入口預(yù)熱區(qū)的溫度優(yōu)選為480～500℃。
所述的中間保溫區(qū)的溫度優(yōu)選為540～550℃。
步驟①中所述的加熱的時間(從入口到出口的時間)優(yōu)選為5～5.5小時。
步驟②中所述的擠壓的速度優(yōu)選為2.0～3.0mm/s，擠壓的溫度優(yōu)選為480～490℃；擠壓比(擠壓系數(shù)λ)優(yōu)選為18～34。
步驟③中所述的在線淬火的方法優(yōu)選通過如下步驟實現(xiàn)：在15S內(nèi)通過水溫在10～50℃的水槽。
步驟③中所述的在線淬火的冷卻速率優(yōu)選為40℃/s。
步驟④中所述的拉伸優(yōu)選為使用拉伸機進行拉伸，實現(xiàn)材料矯直同時去除材料殘余應(yīng)力。
步驟④中所述的拉伸量為1～3％。
步驟⑤中所述的人工時效處理的條件為：170±5℃保溫10小時。
本發(fā)明中的合金成分設(shè)計時，在保證合金滿足6系合金中高強度基礎(chǔ)上，添加有利于形成顆粒物元素，并充分考慮熱加工成形時通過高溫析出相抑制再結(jié)晶形成，有利于形成纖維晶組織。在Al-Mg-Si-Cu合金中，Si和Mg元素是形成強化相的主要合金元素，兩者以1.73：1比例形成Mg2Si時效強化相，合金隨著Si、Mg含量的增加，其抗拉強度隨之增加。
Cu在Al-Mg-Si-Cu系合金以固溶形式存在，能提高沉淀相的彌散度，有利于提高合金的強度及陽極氧化表面光澤度。本發(fā)明將Cu的含量控制在0.2～0.4％，使合金具有更好的的綜合性能。
Mn及Cr能延滯鋁及其合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，顯著細化再結(jié)晶組織的晶粒。Mn、Cr的添加會使合金淬火敏感性增加。本發(fā)明Mn、Cr質(zhì)量百分比均控制在0.1～0.2％，通過熱處理過程高溫析出Al6Mn，Al7Cr彌散質(zhì)點，提高材料的再結(jié)晶溫度，促進形成纖維晶，有利于切削斷屑。
Fe可提高合金再結(jié)晶溫度，有利于熱加工時生成纖維晶組織。同時，含F(xiàn)e相在鋁合金熔煉溫度下形成液溶體，室溫下固溶度很小，主要以不溶或難溶的Al7Cu2Fe、AlFeMnSi等脆性相和共晶化合物的形式存在。以顆粒物2-10μm存在的含鐵相顆粒，有利于在車削過程中斷屑，因此，本發(fā)明需控制Fe質(zhì)量百分比均控制在0.25～0.50％。
隨著Fe元素含量提高，會增加合金中不可溶結(jié)晶相Al7Cu2Fe、AlFeMnSi數(shù)量，對合金力學(xué)性能及流動性、成型性帶來不利影響，本發(fā)明中加入一定量的Zn，Zn以固溶形式存在于基體中，可增加合金強度，保證良好切削性能，同時彌補Fe相帶來的負面影響。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：
1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，利用合金設(shè)計原理，通過合金成分合理配比，設(shè)計出達到技術(shù)指標的合金成分，并通過合適的制造方法，使合金呈現(xiàn)纖維組織、確保材料具有Al-Mg-Si-(Cu)合金較高強度、擠壓成型性，優(yōu)良的陽極氧化性能，并且具有良好的切削加工性，適用于制造電子設(shè)備零件，切削斷屑性以及切削效率、表面質(zhì)量均能滿足要求。
2、本發(fā)明中的合金在具備較高強度的同時還具有極佳的切屑性能，解決6系合金切屑不易斷屑的技術(shù)難題。
3、在T6狀態(tài)下，氧化表面光澤度可達到400GS(光澤度值)以上，比同等條件下6061合金高出10％以上。
4、考慮到本合金具有較高強度，同時具備優(yōu)良的陽極氧化性能，切削性能良好，本發(fā)明方法制備的合金可以作為制造對較高強度、裝飾性表面、而且需要大量CNC加工的高質(zhì)量需求的工業(yè)用鋁合金材料，如電子設(shè)備結(jié)構(gòu)連接件等。
附圖說明
圖1是本發(fā)明Al-Mg-Si-Cu合金的制備工藝流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1
原材料如下：
鋁錠：采用牌號為Al99.7的鋁錠，鋁錠中Al的質(zhì)量百分比為99.70％以上，F(xiàn)e的質(zhì)量百分比為0.12％，符合標準GB/T 1196-2008《重熔用鋁錠》；
鎂錠：采用牌號為Mg9990的鎂錠，鎂錠中Mg的質(zhì)量百分比為99.9％以上，符合標準GB/T 3499-2003《原生鎂錠》；
鋅錠：采用牌號為Zn9995的鋅錠，鋅錠中Zn的質(zhì)量百分比為99.95％以上，符合標準GB/T470-1997《鋅錠》；
合金添加劑(鋁硅、鋁錳、鋁鉻、鋁銅、鋁鐵)：分別采用AlSi12，AlMn10，AlCr3，AlCu40和AlFe20中間合金，質(zhì)量符合YS/T282-2000標準；
精煉劑：采用牌號為PROMAG RI粒狀精煉劑，符合標準YS/T491-2005《變形鋁及鋁合金用熔劑》；
精煉氣體：采用高純氬氣，純度即體積百分數(shù)為≥99.999％；
熔煉在線處理氣體：采用高純氬氣，純度即體積百分數(shù)為≥99.999％。
將原料按順序投入到蓄熱式節(jié)能爐中進行升溫熔煉，燃料采用天然氣，工藝流程如圖1所示，具體步驟如下：
1、鋁圓鑄錠的制造方法：
(1)根據(jù)電腦硬盤電子設(shè)備零件對材料性能的要求，抗拉強度σb≥280Mpa、屈服強度σ0.2≥250Mpa、延伸率δ≥8％，斷屑長度小于10mm。合金成分設(shè)計時，在要求提高合金強度外，還充分考慮熱加工成形時工件生成纖維晶組織，并形成有利于斷屑的顆粒物。
(2)原材料準備：鋁、鎂、鋅采用鋁錠、鎂錠和鋅錠，其中各成分按質(zhì)量百分比計：Si為0.65％，Mg為1.11％，F(xiàn)e為0.25％，Mn為0.14％，Cr為0.11％，Zn為0.11％，Cu為0.28％，Ti≤0.10％，余量為Al進行備料；
(3)裝爐：將上述原料中的鋁錠裝入熔煉爐(蓄熱式節(jié)能爐)；
(4)加溫熔化：將爐內(nèi)溫度控制在750℃，使鋁錠完全熔化成為鋁熔體I；
(5)合金化：向鋁熔體I中加入上述鎂錠、鋅錠和中間合金(AlSi12，AlMn10，AlCr3、AlCu40和AlFe20)，并攪拌使其熔化，對熔體進行初步合金化，得到鋁熔體II；
(6)精煉：在步驟(5)得到的鋁熔體II中加入精煉劑，用量為1.0kg/噸鋁熔體II，精煉溫度為740℃，精煉時間為25分鐘；精煉過程將得到的鋁熔體進行化學(xué)成分分析，若合金成分不在步驟(2)所述的范圍內(nèi)，則在精煉過程進行成分微調(diào)，將合金成分控制在上述的范圍內(nèi)；在精煉的同時通過爐底透氣磚向鋁熔體中通入高純氬氣進行攪拌、排氣，然后扒渣，得到鋁熔體III，其中，氬氣壓力控制在0.05～0.1MPa，流量控制在12L/分鐘；
(7)合金成分分析：對步驟(6)中得到的鋁熔體III進行合金元素分析，若合金成分不在步驟(2)所述的范圍內(nèi)，則通過成分微調(diào)，將合金成分控制在步驟(2)所述的范圍內(nèi)；
(8)靜置處理：將鋁熔體III靜置40分鐘，得到鋁熔體IV；
(9)在線除氣：采用除氣裝置進行除氫，將鋁熔體IV含氫量控制在0.25ml/100g.Al鋁以下；
(10)在線過濾：采用70目泡沫陶瓷板進行過濾；
(11)鑄造：采用半連續(xù)水冷鑄造法，鑄造溫度控制在685～710℃，澆鑄獲得鋁合金圓鑄錠；
(12)均勻化處理：在均勻化熱處理爐中加溫至450±5℃保溫4小時，然后用水霧快速冷卻至室溫，得到Al-Mg-Si-Cu合金圓鑄錠。
2、鋁擠壓型材、管材、棒制造方法：
選用規(guī)格為外徑33mm，壁厚5mm圓管為例(即按以下工藝擠壓制成)：
(1)將上述得到的Al-Mg-Si-Cu合金圓鑄錠(鋁棒)切成500mm長，使用三區(qū)式慢速鋁棒加溫爐加溫，一區(qū)(入口預(yù)熱區(qū))溫度500℃，二區(qū)(中間保溫區(qū))溫度550℃，三區(qū)(出口區(qū))溫度500℃，從入口到出口加熱5小時，其中，中間保溫區(qū)為2.5小時；
(2)將合金圓鑄錠在擠壓溫度為480～490℃，擠壓比(擠壓系數(shù)：擠壓筒腔的橫斷面面積同擠壓制品總橫斷面面積之比)為18，擠壓速度(主缸前進速度)為3.0mm/s的條件下擠壓成型(即將合金圓鑄錠在高溫高壓下通過模具擠壓形成所需要的的管棒型材)；
(3)進行在線淬火：在線淬火的冷卻速率為40℃/s(在15S內(nèi)通過水溫在10～50℃的水槽)；
(4)進行拉伸矯直：使用拉伸機進行拉伸，實現(xiàn)材料矯直同時去除材料殘余應(yīng)力，控制拉伸量為1～3％(拉伸變形量：擠出工件的頭部1.5％、擠出工件的尾部2.2％)；
(5)人工時效處理：時效溫度為170℃，時效時間10小時。
實施例2
1、鋁圓鑄錠制造方法：
按照Al-Mg-Si-Cu合金的化學(xué)成份按質(zhì)量百分比計：Si為0.79％，Mg為1.18％，F(xiàn)e為0.45％，Mn為0.11％，Cr為0.12％，Zn為0.15％，Cu為0.21％，Ti≤0.10％，余量為Al進行備料，按照與實施例1相同的工藝生產(chǎn)得到Al-Mg-Si-Cu合金圓鑄錠。
2、鋁擠壓型材、管材、棒制造方法：
選用規(guī)格為外徑33mm，壁厚5mm圓管為例：
(1)將上述得到的合金圓鑄錠(鋁棒)切成500mm長，使用五區(qū)式慢速鋁棒加溫爐，一區(qū)(入口預(yù)熱區(qū))溫度480℃，二區(qū)(中間保溫區(qū))溫度540℃，三區(qū)(中間保溫區(qū))溫度560℃，四區(qū)(中間保溫區(qū))溫度540℃，五區(qū)(出口區(qū))溫度480℃，從入口到出口加熱5.5小時，其中，中間保溫區(qū)為3小時；
(2)將合金圓鑄錠在擠壓溫度為480～490℃，擠壓比為34，擠壓速度(主缸前進速度)為2.0mm/s的條件下擠壓成型；
(3)進行在線淬火：在線淬火冷卻速率為40℃/s(在15S內(nèi)通過水溫在10～50℃的水槽)；
(4)進行拉伸矯直：使用拉伸機進行拉伸，實現(xiàn)材料矯直同時去除材料殘余應(yīng)力，控制拉伸量為1～3％(拉伸變形量：擠出工件的頭部1.3％，擠出工件的尾部1.8％)；
(5)人工時效處理：時效溫度為170℃，時效時間10小時。
實施例3
1、鋁圓鑄錠制造方法：
按照Al-Mg-Si-Cu合金的化學(xué)成份按質(zhì)量百分比計：Si為0.622％，Mg為1.03％，F(xiàn)e為0.35％，Mn為0.13％，Cr為0.15％，Zn為0.13％，Cu為0.20％，Ti≤0.10％，余量為Al進行備料，按照與實施例1相同的工藝生產(chǎn)得到Al-Mg-Si-Cu合金圓鑄錠。
2、鋁擠壓型材、管材、棒制造方法：
選用規(guī)格為外徑33mm，壁厚5mm圓管為例：
(1)將上述得到的合金圓鑄錠(鋁棒)切成650mm長，使用五區(qū)式慢速鋁棒加溫爐，一區(qū)(入口預(yù)熱區(qū))溫度500℃，二區(qū)(中間保溫區(qū))溫度540℃，三區(qū)(中間保溫區(qū))溫度560℃，四區(qū)(中間保溫區(qū))溫度540℃，五區(qū)(出口區(qū))溫度490℃，從入口到出口加熱5.5小時，其中中間保溫區(qū)為3小時；
(2)將合金圓鑄錠在擠壓溫度為擠壓480～490℃，擠壓比為30，擠壓速度(主缸前進速度)為2.0mm/s的條件下擠壓成型；
(3)進行在線淬火：在線淬火冷卻速率為40℃/s(在15S內(nèi)通過水溫在10～50℃的水槽)；
(4)進行拉伸矯直：使用拉伸機進行拉伸，實現(xiàn)材料矯直同時去除材料殘余應(yīng)力，控制拉伸量為1～3％(拉伸變形量：擠出工件的頭部1.1％、擠出工件的尾部1.5％)；
(5)人工時效處理：時效溫度為170℃，時效時間10小時。
實施例4
1、按照與實施例1相同的工藝生產(chǎn)得到Al-Mg-Si-Cu合金圓鑄錠。
2、選用規(guī)格為直徑40mm棒材為例：
按照與實施例1相同的鋁擠壓工藝生產(chǎn)得到鋁擠壓棒材。
實施例5
1、按照與實施例2相同的工藝生產(chǎn)得到Al-Mg-Si-Cu合金圓鑄錠。
2、選用規(guī)格為直徑40mm棒材為例：
按照與實施例2相同的鋁擠壓工藝生產(chǎn)得到鋁擠壓棒材。
實施例6
1、按照與實施例3相同的工藝生產(chǎn)得到Al-Mg-Si-Cu合金圓鑄錠。
2、選用規(guī)格為直徑40mm棒材為例：
按照與實施例3相同的鋁擠壓工藝生產(chǎn)得到鋁擠壓棒材。
實施例7
1、將實施例1～6獲得的擠壓管材或棒材用數(shù)控車床進行表面切削加工，切削量1mm，表面粗糙度Ra≤0.5，獲得切削表面的產(chǎn)品。
2、將上述切削后的產(chǎn)品進行硫酸陽極氧化處理，獲得陽極氧化表面。
效果實施例
1、將上述實施例1～6所制得的鋁擠壓管材或棒材進行以下檢測：
按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》對產(chǎn)品進行力學(xué)性能測試；根據(jù)國家標準GB/T 6892-2015《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》給出對比鋁合金6061-T6的力學(xué)性能，其中，鋁合金熱處理狀態(tài)為T6。
2、將上述實施例1～6按實施例7的方法進行加工所制得的產(chǎn)品，進行以下檢測：
(1)按照GB/T 16461-2016《單刃車削刀具壽命試驗》附錄G切屑特征對切屑進行特征判斷。
(2)按GB/T 20503-2006《鋁及鋁合金陽極氧化陽極氧化膜鏡面反射率和鏡面光澤度的測定20°、45°、60°、85°角度方向》對產(chǎn)品進行60°的鏡面光澤度測定。
測得的結(jié)果如表1所示，其中，切屑特性所得結(jié)果按相同的車削條件(同機臺同加工程序同刀具)；表面光澤度所得結(jié)果按相同的陽極氧化條件(相同的化學(xué)拋光預(yù)處理及相同的氧化封孔條件)。
表1不同鋁合金性能測試結(jié)果
注：表中Rm表示抗拉強度(σb/Mpa)；Rp0.2表示屈服強度(σ0.2/Mpa)；A50mm表示斷后延伸率(A50/％)。
選擇在本發(fā)明所指范圍的合金成分，隨成分配比和加工處理方法的不同，所得材料(部件)的性能會有差異，但材料總體特征為：
1、T6狀態(tài)下抗拉強度σb≥310Mpa、屈服強度σ0.2≥280Mpa、斷后延伸率A50≥12％；與6061-T6國家標準相比，本合金強度高出19％，屈服強度高出16％，斷后延伸率高出50％。
2、所得的切屑為“4.2(短)環(huán)形螺旋切屑”，比6061合金的“2.3(纏亂)管形切屑”更便于斷屑，有利于保護表面及提高生產(chǎn)效率。
3、同樣氧化處理條件下，本發(fā)明合金的光澤度較6061合金高10％左右。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。