本發(fā)明屬于合金材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種鋁合金及其制備工藝與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量僅次于鋼。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機(jī)械性能，物理性能和抗腐蝕性能。在礦井巷道支護(hù)中，U型鋼作為礦井支護(hù)材料，早已被廣泛應(yīng)用，特別是在深部復(fù)雜巷道以及松軟煤層巷道中。U型鋼支架的連接，一直是采取直接搭接，當(dāng)巷道圍巖來壓時，使柵腿與柵梁的搭接迅速位移，在柵梁和柵腿之間的摩擦下易產(chǎn)生火花，給礦井的安全帶來危害，特別是高瓦斯礦井。因而國外發(fā)達(dá)國家對鋼材料在礦井中應(yīng)用的安全問題早就進(jìn)行了研究，但至今尚未獲得突破性進(jìn)展。且U型鋼支架的密度較大，運(yùn)輸和施工難度大，且成本高。6351鋁合金是6系列合金中強(qiáng)度較高的一種，強(qiáng)度比6061合金高，比6082合金稍低，如6351-T6型材要求最小抗拉強(qiáng)度為295Mpa，擠壓成型性好。其多用于公路交通設(shè)施的擠壓結(jié)構(gòu)材料，需要材料強(qiáng)度高的輸氣、輸油、輸水管道。但是，其材料力學(xué)性能仍不能滿足礦用支護(hù)材料的要求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提出一種鋁合金及其制備工藝；本發(fā)明還提供一種輕質(zhì)、高強(qiáng)的鋁合金U型礦用支架，不僅具有較高的強(qiáng)度、抗腐蝕性，優(yōu)良的沖擊韌性和塑性，且具有摩擦火花安全性好，密度小的優(yōu)點(diǎn)，可替代傳統(tǒng)的U型鋼制備的U型礦用支架。本發(fā)明的目的將通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)：一種鋁合金，其特征在于，該合金的化學(xué)成分具有質(zhì)量百分比含量為：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。一種鋁合金的制備工藝，包括以下步驟：備料→熔煉→加細(xì)化劑→加中間合金→成分調(diào)整→精煉→澆鑄；a、備料：按重量百分比準(zhǔn)備合金原料：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％以及鋁鈦硼細(xì)化劑和余量的鋁。b、熔煉：將以上合金各組分原料投入熔爐中，加熱熔爐進(jìn)行熔煉，使熔爐內(nèi)原料全部熔為合金溶液；c、加入細(xì)化劑在熔爐內(nèi)合金溶液溫度達(dá)到740℃左右時加入鋁鈦硼細(xì)化劑，強(qiáng)力攪拌直到混合均勻；d、分別向合金溶液中加入Al-Si20中間合金，Al-Ti8-B3中間合金，Al-Sc5中間合金、Al-Mn10中間合金迅速攪拌至混合均勻，使各合金成分溫度達(dá)到730℃-760℃，和爐內(nèi)溫度趨于一致(溫差不超過20℃)；e、成分調(diào)整：取樣檢測合金熔液的成分含量，根據(jù)設(shè)計(jì)的成分含量進(jìn)行調(diào)整，直至確認(rèn)各組成分符合設(shè)計(jì)的成分含量，所述設(shè)計(jì)的成分含量如下：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％，余量為Al；f、精煉：在經(jīng)成分調(diào)整后的合金熔液加入0.2％鋁合金精煉劑，用99.99％的氮?dú)鈬娙?，除去熔爐內(nèi)的氣體及雜質(zhì)，除去合金溶液表面浮渣；g、澆鑄：將精煉后的鋁合金熔液在靜置爐內(nèi)靜置30min，并將靜置爐內(nèi)的溫度保持在720℃-740℃之間；然后將鋁合金熔液通過鑄造機(jī)進(jìn)行鑄造成型，可制成規(guī)定尺寸的鍛造圓棒毛坯，以便于后續(xù)的加工。一種所述鋁合金鑄造的U型礦用支架，包括以下步驟：擠壓成型→剪切→熱處理→支架加工→U型礦用支架。a、擠壓成型：在1600-2000噸壓力機(jī)擠壓成型，將胚料加熱到400-450℃，在1800噸壓力下，用專用U型模具擠壓成型；b、剪切：成型后的鋁材用切割機(jī)切割柵梁和柵腿，柵梁用壓力機(jī)用模具壓力成弧形；c、熱處理：T6熱處理；d、支架加工及裝配：進(jìn)行精加工，得到鋁合金U型礦用支架，將柵梁和柵腿用連接件鏈接。所述連接件可為螺栓。進(jìn)一步的，所述熱處理為，將柵梁和柵腿料裝入固溶爐，固溶溫度500‐515℃，固溶時間3‐4.5小時，然后淬火，要求在10秒內(nèi)將零件浸入水溫35‐75℃的自來水中；再裝入時效爐，爐溫160‐180℃，保溫6小時，出爐后自然冷卻。一種鋁合金在制備礦用支護(hù)材料中的應(yīng)用，進(jìn)一步的，所述鋁合金在制備U型礦用支架中的應(yīng)用。通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)越性：本發(fā)明提供了一種鋁合金，包括以下組分：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％；余量的Al及不可避免的雜質(zhì)。0.3-1.2％的B能夠與Ti形成TiB2提高了晶粒細(xì)化程度，同時提高制備工藝過程中的淬透性，可使調(diào)質(zhì)后性能大為改善；0.05-0.3％的Sc對鋁合金有很好的延壓強(qiáng)化作用，同時提高鋁合金的強(qiáng)度；1-3％的Ti能細(xì)化晶粒，顯著提高室溫、高溫強(qiáng)度和鑄造性能。本發(fā)明提供的鋁合金，具有高強(qiáng)度、高塑性和高韌性，具有較好的綜合機(jī)械性能。且具有摩擦火花安全性好，密度小，耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，適用于各類工件的高強(qiáng)度，高支撐力，不易變形的要求。本發(fā)明提供的上述鋁合金鑄造的U型礦用支架，同樣具備以上優(yōu)點(diǎn)，且支撐力較高，支護(hù)強(qiáng)度大，不易變形。其力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度，伸長率和布氏硬度與U型鋼相近；密度為鋼的1/3，密度小，在井下有限的空間作業(yè)方便和省力；鋁合金U型支架之間碰撞不會產(chǎn)生火花，在易燃易爆的環(huán)境里施工不會有安全隱患；鋁合金U型支架具有抗腐蝕性，不會生銹，使用更安全，使用壽命更長；循環(huán)使用，方便回收，回收率高達(dá)99％，回收價值高，輕質(zhì)、高強(qiáng)的鋁合金U型支架可替代傳統(tǒng)的U型鋼制備的礦用U型鋼支架。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1柵梁，2柵腿，3螺栓。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。一種鋁合金，該合金的化學(xué)成分具有質(zhì)量百分比含量為：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％，余量為Al和不可避免的雜質(zhì)。實(shí)施例1按照表1中實(shí)施例1合金的組成將各原料制備得到鋁合金。鋁合金制備工藝具體步驟：備料→熔煉→加細(xì)化劑→加中間合金→成分調(diào)整→精煉。詳細(xì)步驟如下：先按照表1中實(shí)施例1鋁合金的組成準(zhǔn)備合金原料：將實(shí)施例1鋁合金各組分原料投入到熔煉爐中，加熱熔煉爐進(jìn)行熔煉，使熔煉爐內(nèi)原料全部熔為鋁合金溶液；在熔爐內(nèi)鋁合金溶液溫度達(dá)到740℃左右時加入鋁鈦硼細(xì)化劑(加入量至鈦和硼成分范圍)，強(qiáng)力攪拌直到混合均勻；分別向鋁合金溶液中加入Al-Si20中間合金，Al-Ti8-B3中間合金，Al-Sc5中間合金、Al-Mn10中間合金迅速攪拌至混合均勻，使各合金成分溫度和爐內(nèi)溫度在740-760°趨于一致；取樣檢測合金熔液的成分含量，根據(jù)設(shè)計(jì)的成分含量進(jìn)行調(diào)整，直至確認(rèn)各組成分符合設(shè)計(jì)的成分含量(見表1實(shí)施例1)。然后在經(jīng)成分調(diào)整后的合金熔液加入0.2％鋁合金精煉劑，除去熔爐內(nèi)的氣體及雜質(zhì)，除去合金溶液表面浮渣，將經(jīng)精煉后的合金熔液在720℃-740℃澆鑄成規(guī)定尺寸的鍛造圓棒毛坯，以便于后續(xù)的加工。U型礦用支架的制備工藝：將制備好的合金材料在1600-2000噸壓力機(jī)擠壓成型，將胚料加熱到400-450℃，在1800噸壓力下，用專用U型模具擠壓成型；成型后的鋁材用切割機(jī)切割得到柵梁和柵腿，柵梁用壓力機(jī)用模具壓力成弧形；再經(jīng)過T6熱處理，將成型后并剪切好的材料裝入固溶爐，固溶溫度500-515℃，固溶時間3-4.5小時，然后淬火，要求在10秒內(nèi)將零件浸入水溫35-75℃的自來水中；再裝入時效爐，爐溫160-180℃，保溫6小時，出爐后自然冷卻；進(jìn)行精加工，得到鋁合金U型礦用支架，如圖1所示，將柵梁1和柵腿2用螺栓3連接裝配。本發(fā)明得到的鋁合金物理性能：密度為2.76g·cm-3。實(shí)施例2～3按照實(shí)施例1的技術(shù)方案將表1所列的實(shí)施例2和實(shí)施例3的組分制備得到鋁合金及其制品鋁合金U型礦用支架。表1本發(fā)明實(shí)施例中鋁合金的組成及各組分的質(zhì)量百分含量(wt％)實(shí)施例SiMgMnTiBScAl和不可避免的雜質(zhì)10.60.40.41.00.30.3余量20.80.60.53.00.80.2余量31.20.80.82.51.20.05余量6351鋁合金0.70.50.50.200FeCuAl余量本發(fā)明得到的鋁合金的常規(guī)力學(xué)性能測試方法如下：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度(規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度)、伸長率根據(jù)GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測方法；彈性模量根據(jù)GB/T8653-1988標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測方法；布氏硬度根據(jù)GB/T231.1-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測方法。本發(fā)明將得到的鋁合金進(jìn)行力學(xué)性能及成形性能測試，結(jié)果如表2所示，表2為本發(fā)明實(shí)施例得到的鋁合金的性能測試結(jié)果。本發(fā)明將得到的鋁合金成品進(jìn)行摩擦火花安全性試驗(yàn)，具體根據(jù)步驟按照《GB/T13813-2008煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗(yàn)方法和判定規(guī)則》，按照判定規(guī)則為合格。表2本發(fā)明實(shí)施例1-3得到的鋁合金與對比例的性能測試結(jié)果由表2可以看出，本發(fā)明提供的鋁合金的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸性(伸長度)及硬度性能優(yōu)于現(xiàn)有的6351鋁合金，且接近U型鋼。同時材料力學(xué)性能接近U型鋼，強(qiáng)度相近，密度只為U型鋼的1/3左右，故鋁合金比強(qiáng)度更高，完全可以滿足和代替U型鋼作為U型礦用支架的材料。由以上實(shí)施例可知，本發(fā)明提供了一種鋁合金，包括以下組分：Si0.6-1.2％，Mg0.4-0.8％，Mn0.4-0.8％，Ti1-3％，B0.3-1.2％，Sc0.05-0.3％；余量的Al及不可避免的雜質(zhì)。在本發(fā)明中，0.3-1.2％的B能夠與Ti形成TiB2提高了晶粒細(xì)化程度，同時提高制備工藝過程中的淬透性，可使調(diào)質(zhì)后性能大為改善；0.05-0.3％的Sc對鋁合金有很好的延壓強(qiáng)化作用，提高鋁合金的強(qiáng)度；1-3％的Ti能細(xì)化晶粒，顯著提高室溫、高溫強(qiáng)度和鑄造性能，同時可以提高耐腐蝕性；0.4-0.8％的Mg，其既能保證得到的鋁合金的強(qiáng)度，又滿足了其作為U型礦用支架材料的塑性和抗腐蝕性的要求。因此，本發(fā)明提供的鋁合金即具有高強(qiáng)度、高塑性和高韌性等，具有較好的綜合機(jī)械性能，還具有摩擦火花安全性好，密度小，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。此鋁合金特征滿足其作為U型礦用支架的材料的條件，完全適用于礦山巷道礦用支架的鑄造。此鋁合金U型礦用支架，支撐力較高，支護(hù)強(qiáng)度大，不易變形，可替代傳統(tǒng)的U型鋼制備的U型礦用鋼支架。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)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(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3