一种微合金化的Al-Si合金及其铝合金杆的制备方法

摘要

本发明提供了一种微合金化的Al-Si合金，其退火后的微合金化铝合金杆抗拉强度110MPa以上，伸长率29％以上，在加工规格铝合金焊丝过程中不易断丝，焊丝表面光洁度高，焊接飞溅小，接头抗拉强度好，适用于大批量专业化生产铝硅合金焊丝。其成分如下：4.7～5.8wt％的硅Si；0～≤0.15wt％的铁Fe；0.01～0.1wt％的铜Cu；0.005～0.03wt％的锰Mn；0.01～0.1％的锶Sr；其余为铝。

说明书

技术领域

本发明涉及特种导线结构技术领域，具体为一种微合金化的Al-Si合金， 本发明还提供了一种铝合金杆的制备方法、一种铝硅合金焊丝。

背景技术

铝及其合金以其密度小、塑性好、比强度高、抗腐蚀性等优异性能，被 广泛应用于航空航天、汽车工业中，这也促使铝及铝合金焊接材料的广泛应 用。但是由于铝合金线膨胀系数较大，焊接裂纹倾向较大，会造成焊缝接头 力学性能的下降，甚至造成失效。

4043铝合金焊丝是以5％Si为主要成分的铝硅系合金焊丝，该焊丝具有 熔化后流动性好、凝固收缩率小、不易产生焊接热裂纹等特点，被广泛适用 于易产生焊接热裂纹的可热处理强化铝合金及铸铝的焊接。现有的铝合金焊 丝主要采用半连续铸造或水平牵引铸造—挤压—拉拔的工艺路线进行生产。 该工艺虽然工艺简单、成本低廉，但流程较复杂，产品质量欠佳、性能不够 稳定、生产规模适中等特点，只适合于中小型企业进行专业化生产。且铝硅 合金杆由于成分或工艺原因，在加工铝硅合金焊丝的过程中断丝率较高；生 产的铝硅合金焊丝质量不稳定，焊接性能较差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种微合金化的Al-Si合金，其退火后的 微合金化铝合金杆抗拉强度110MPa以上，伸长率29％以上，在加工规格铝合 金焊丝过程中不易断丝，焊丝表面光洁度高，焊接飞溅小，接头抗拉强度好， 适用于大批量专业化生产铝硅合金焊丝。

一种微合金化的Al-Si合金，其特征在于，其成分如下：4.7～5.8wt％ 的硅Si；0～≤0.15wt％的铁Fe；0.01～0.1wt％的铜Cu；0.005～0.03wt％的 锰Mn；0.01～0.1％的锶Sr；其余为铝。其以铝为基体，添加了Si及微量元 素Cu、Mn、Sr，其中微量Cu起固溶强化和弥散强化的作用；微量的Mn可提 高再结晶温度和细化再结晶晶粒，另一方面可以改善合金的抗腐蚀性能；Sr 是铝硅合金的变质剂，球化针状共晶硅，不仅可以改善材料的力学性能，还 可以提高制品表面光洁度；另外，各元素都不是孤立的起作用，其影响是交 互的，如对合金的力学性能、铸造性能、晶粒细化均有一定的作用。

其进一步特征在于：

优选地，铜Cu含量为0.015～0.05wt％；锰Mn的含量为0.008～0.015wt％； 锶Sr的含量为0.01～0.05wt％。

一种铝合金杆的制备方法，其特征在于：预先制出按照微合金化的Al-Si 合金成分配比的合金液，之后高效喷粉精炼剂通入装有铝液的保温炉内熔体 中进行精炼，扒渣后再次调整铝液内成分配比，之后进行浇铸铝坯，剪去前 段铝坯后，之后对其余铝坯进行轧制、形成铝杆，之后淬火，并将合金杆收 线后排列、放入退火炉内进行退火处理后取出获得成品。

其进一步特征在于：

其具体制备步骤如下：

(1)熔炼：将牌号为Al99.7的铝锭投入竖炉中熔炼，控制铝液温度达 到800℃左右；

(2)配料及烘料：待竖炉铝水化满后，按合金成分配料，将计算重量的 工业硅先加入保温炉内；

(3)放水：工业硅烘好后，向保温炉内放入所需的Al99.70普铝液；

(4)加料及搅拌：待铝水放好后，将过好秤的铝铜、铝锰中间合金从保 温炉的炉门口加入，搅拌铝液；

(5)精炼：搅拌完毕后，采用氮气喷粉精炼，将喷粉精炼剂装入喷粉精 炼机罐内，打开气源，并将精炼管通入炉内，进行移动吹扫式喷粉精炼，控 制好出粉速度，精炼时间不少于30min。精炼时气泡不能太大，应避免铝合金 液的激烈反应，以合金液呈轻微地沸腾状为宜；

(6)扒渣：精炼结束用扒渣工具进行扒渣，扒渣时应先从炉里面将内部 的浮渣扒向炉门口，聚集在炉门口处稍作停留，沉降片刻后再扒出炉外的渣 盘内，渣扒出炉门时注意动作缓慢，以免将炉内铝液带出炉外；

(7)取样送检：扒渣结束后用试样勺取2个样，样品送质量部用光谱分 析仪快速分析合金液含量；

(8)浇铸：待铝合金液温度为740～760℃时，浇铸前加入铝锶中间合金， 之后放水浇铸，保温炉倾动，炉内铝液流入在线除气腔内，在线转子的转速 设定为300rpm；铝液流入过滤箱以及大浇包，开始时船型浇包是被抬起，以 便最初的金属可以从背侧排放槽排放至放铝箱内，当金属液达到680℃，放下 大浇包，放入浮标，开始浇铸，保持小浇包内铝液温度在670～710℃；浇铸 过程中开启喂丝机，喂Al-Ti-B丝，速度设定为100～150cm/min；铝坯进轧 前必须将铸坯冷头剪去30米以上，然后根据铝坯外观质量、刀口平滑度、铝 坯的温度确定是否满足进轧条件；

(9)轧制、淬火：启动感应加热炉，停止剪坯，在坯料进粗轧机前应测 量铸锭的表面温度，并通过调节加热器的功率来保持铸坯温度在480～520℃； 打开淬火水阀门，使合金杆经冷却水冷却后，杆温控制在100℃以下，同时确 保合金杆表面干燥、圆整，不允许有错圆、折边、裂纹及夹杂物；

(10)收线：收线时要将铝杆排列整齐，且每卷合金杆的重量应控制在 1.5～2.5t；

(11)退火：将步骤(10)所得铝合金杆移入退火炉内进行退火处理， 加温至400～480℃，保温8～12h。

其更进一步特征在于：步骤(8)、(9)、(10)采用意大利普洛佩兹连铸 连轧生产线进行生产，确保达到本发明所述的最佳效果。

本发明还提供了一种铝硅合金焊丝，其为上述方案述铝合金或上述方案 制备的铝合金杆经多模拉丝—退火—多模拉丝—机械刮削—清洗烘干工艺流 程或本领域技术人员熟知的方法制得。

采用本发明后，退火后的微合金化铝合金杆抗拉强度110MPa以上，伸长 率29％以上，在加工规格铝合金焊丝过程中不易断丝，焊丝表面光洁度高，焊 接飞溅小，接头抗拉强度好，适用于大批量专业化生产铝硅合金焊丝。

附图说明

图1为本发明的微合金化的Al-Si合金所对应的合金杆的铝坯具体实施例一 的剖面金相图；

图2为本发明的微合金化的Al-Si合金所对应的合金杆的铝坯具体实施例二 的剖面金相图；

图3为本发明的微合金化的Al-Si合金所对应的合金杆的铝坯具体实施例三 的剖面金相图；

具体实施方式

一种微合金化的Al-Si合金，其成分如下：4.7～5.8wt％的硅Si；0～ ≤0.15wt％的铁Fe；0.01～0.1wt％的铜Cu；0.005～0.03wt％的锰Mn；0.01～ 0.1％的锶Sr；其余为铝。其以铝为基体，添加了Si及微量元素Cu、Mn、Sr， 其中微量Cu起固溶强化和弥散强化的作用；微量的Mn可提高再结晶温度和 细化再结晶晶粒，另一方面可以改善合金的抗腐蚀性能；Sr是铝硅合金的变 质剂，球化针状共晶硅，不仅可以改善材料的力学性能，还可以提高制品表 面光洁度；另外，各元素都不是孤立的起作用，其影响是交互的，如对合金 的力学性能、铸造性能、晶粒细化均有一定的作用。

优选地，铜Cu含量为0.015～0.05wt％；锰Mn的含量为0.008～0.015wt％； 锶Sr的含量为0.01～0.05wt％。

一种铝合金杆的制备方法，预先制出按照微合金化的Al-Si合金成分配比 的合金液，之后高效喷粉精炼剂通入装有铝液的保温炉内熔体中进行精炼， 扒渣后再次调整铝液内成分配比，之后进行浇铸铝坯，剪去前段铝坯后，之 后对其余铝坯进行轧制、形成铝杆，之后淬火，并将合金杆收线后排列、放 入退火炉内进行退火处理后取出获得成品。

其具体制备步骤如下：

(1)熔炼：将牌号为Al99.7的铝锭投入竖炉中熔炼，控制铝液温度达 到800℃左右；

(2)配料及烘料：待竖炉铝水化满后，按合金成分配料，将计算重量的 工业硅先加入保温炉内；

(3)放水：工业硅烘好后，向保温炉内放入所需的Al99.70普铝液；

(4)加料及搅拌：待铝水放好后，将过好秤的铝铜、铝锰中间合金从保 温炉的炉门口加入，搅拌铝液；

(5)精炼：搅拌完毕后，采用氮气喷粉精炼，将喷粉精炼剂装入喷粉精 炼机罐内，打开气源，并将精炼管通入炉内，进行移动吹扫式喷粉精炼，控 制好出粉速度，精炼时间不少于30min。精炼时气泡不能太大，应避免铝合金 液的激烈反应，以合金液呈轻微地沸腾状为宜；

(6)扒渣：精炼结束用扒渣工具进行扒渣，扒渣时应先从炉里面将内部 的浮渣扒向炉门口，聚集在炉门口处稍作停留，沉降片刻后再扒出炉外的渣 盘内，渣扒出炉门时注意动作缓慢，以免将炉内铝液带出炉外；

(7)取样送检：扒渣结束后用试样勺取2个样，样品送质量部用光谱分 析仪快速分析合金液含量；

(8)浇铸：待铝合金液温度为740～760℃时，浇铸前加入铝锶中间合金， 之后放水浇铸，保温炉倾动，炉内铝液流入在线除气腔内，在线转子的转速 设定为300rpm；铝液流入过滤箱以及大浇包，开始时船型浇包是被抬起，以 便最初的金属可以从背侧排放槽排放至放铝箱内，当金属液达到680℃，放下 大浇包，放入浮标，开始浇铸，保持小浇包内铝液温度在670～710℃；浇铸 过程中开启喂丝机，喂Al-Ti-B丝，，速度设定为100～150cm/min；铝坯进轧 前必须将铸坯冷头剪去30米以上，然后根据铝坯外观质量、刀口平滑度、铝 坯的温度确定是否满足进轧条件；

(9)轧制、淬火：启动感应加热炉，停止剪坯，在坯料进粗轧机前应测 量铸锭的表面温度，并通过调节加热器的功率来保持铸坯温度在480～520℃； 打开淬火水阀门，使合金杆经冷却水冷却后，杆温控制在100℃以下，同时确 保合金杆表面干燥、圆整，不允许有错圆、折边、裂纹及夹杂物；

(10)收线：收线时要将铝杆排列整齐，且每卷合金杆的重量应控制在 1.5～2.5t；

(11)退火：将步骤(10)所得铝合金杆移入退火炉内进行退火处理， 加温至400～480℃，保温8～12h。

步骤(8)、(9)、(10)采用意大利普洛佩兹连铸连轧生产线进行生产， 确保达到本发明所述的最佳效果。

微合金化的Al-Si合金所对应的合金杆以铝为基体，添加了Si及微量元 素Cu、Mn、Sr，其中微量Cu起固溶强化和弥散强化的作用；微量的Mn可提 高再结晶温度和细化再结晶晶粒，另一方面可以改善合金的抗腐蚀性能，；Sr 是铝硅合金的变质剂，球化针状共晶硅，不仅可以改善材料的力学性能，还 可以提高铝合金焊丝表面光洁度。另外，各元素都不是孤立的起作用，其影 响是交互的，如对合金的力学性能、铸造性能、晶粒细化均有一定的作用； 上述成分也离不开普洛佩兹生产设备和合理的工艺过程，这三者是有机的结 合。

本发明还提供了一种铝硅合金焊丝，其为上述方案述铝合金或上述方案 制备的铝合金杆经多模拉丝—退火—多模拉丝—机械刮削—清洗烘干工艺流 程或本领域技术人员熟知的方法制得。

以下提供微合金化的Al-Si合金所对应的合金杆的制备方法的三个具体 实施例，每个实施例所对应的组分见表1、每个实施例制备铝合金的性能测试 数据见表2：

表1实施例组分

表2实施例制备铝合金的性能测试数据表

通过上表的可以看出，本发明的铝硅合金材料从综合性能有明显的优势， 这种性能的优势不仅体现在成分上，同样也离不开先进的连铸连轧设备和合 理的工艺。本发明所得铝合金杆在加工规格为的ER4043铝硅合金焊 丝的过程中不断丝，且焊丝表面光亮，焊接时飞溅小，接头综合性能优良。

实施例一：

(1)熔炼：将牌号为Al99.7的铝锭投入竖炉中熔炼，控制铝液温度达 到800℃左右。

(2)配料及烘料：待竖炉铝水化满后，按合金成分配料(合金成分列于 表1)，将计算重量的牌号3303工业硅先加入保温炉内，炉温设定700℃，点 火烘烤30分钟。

(3)放水：工业硅烘好后，向保温炉内放入所需的Al99.70普铝液。

(4)加料及搅拌：待铝水放好后，将过好秤的铝铜、铝锰中间合金从保 温炉的炉门口加入，用铁耙子人工搅拌铝液4分钟，然后启动电磁搅拌进行 搅拌。

(5)精炼：搅拌完毕后，当温度达到745℃时，进行精炼，采用氮气喷 粉精炼。将喷粉精炼剂装入喷粉精炼机罐内，打开气源，并将精炼管通入炉 底，进行移动吹扫式(“#”型来回移动)喷粉精炼，精炼剂加入量为3kg/t， 控制好出粉速度，精炼时间不少于30min。精炼时气泡不能太大，应避免铝合 金液的激烈反应，以合金液呈轻微地沸腾状为宜。

(6)扒渣：精炼结束用扒渣工具进行扒渣，扒渣时应先从炉里面将内部 的浮渣扒向炉门口，聚集在炉门口处稍作停留，沉降片刻后再扒出炉外的渣 盘内。渣扒出炉门时注意动作缓慢，以免将炉内铝液带出炉外。

(7)取样送检：扒渣结束后用试样勺取2个样，样品送质量部用光谱分 析仪快速分析合金液含量。

(8)浇铸：浇铸前加入铝锶中间合金，待铝合金液温度为760℃时，即 可放水浇铸。保温炉倾动，炉内铝液流入在线除气腔内，在线转子的转速设 定为300rpm；铝液流入过滤箱以及大浇包，开始时船型浇包是被抬起，以便 最初的金属可以从背侧排放槽排放至放铝箱内，当金属液达到680℃，放下大 浇包，放入浮标，开始浇铸，保持小浇包内铝液温度在680±5℃；浇铸过程 中开启喂丝机(喂Al-Ti-B丝)，速度设定为140cm/min；铝坯进轧前必须将 铸坯冷头剪去30米以上，然后根据铝坯外观质量、刀口平滑度、铝坯的温度 确定是否满足进轧条件。

(9)轧制、淬火：启动感应加热炉，停止剪坯，在坯料进粗轧机前应测 量铸锭的表面温度，并通过调节加热器的功率来保持铸坯温度在480～520℃； 打开淬火水阀门，使合金杆经冷却水冷却后，杆温控制在100℃以下，同时确 保合金杆表面干燥、圆整，不允许有错圆、折边、裂纹及夹杂物。

(10)收线：收线时要将铝杆排列整齐，且每卷合金杆的重量应控制在 1.5～2.5t。步骤(8)、(9)、(10)采用意大利普洛佩兹连铸连轧生产线。

(11)退火：将步骤(10)所得铝合金杆移入退火炉内进行退火处理， 加温至420℃，保温10h。

对按上述方法制得的铝合金杆进行性能测试，结果见表2。

实施例二

(1)熔炼：将牌号为Al99.7的铝锭投入竖炉中熔炼，控制铝液温度达 到780℃左右。

(2)配料及烘料：待竖炉铝水化满后，按合金成分配料(合金成分列于 表1)，将计算重量的牌号3303工业硅先加入保温炉内，炉温设定720℃，点 火烘烤30分钟。

(3)放水：工业硅烘好后，向保温炉内放入所需的Al99.70普铝液。

(4)加料及搅拌：待铝水放好后，将过好秤的铝铜、铝锰中间合金从保 温炉的炉门口加入，用铁耙子人工搅拌铝液4分钟，然后启动电磁搅拌进行 搅拌。

(5)精炼：搅拌完毕后，当温度达到750℃时，进行精炼，采用氮气喷 粉精炼。将喷粉精炼剂装入喷粉精炼机罐内，打开气源，并将精炼管通入炉 底，进行移动吹扫式(“#”型来回移动)喷粉精炼，精炼剂加入量为4kg/t， 控制好出粉速度，精炼时间不少于30min。精炼时气泡不能太大，应避免铝合 金液的激烈反应，以合金液呈轻微地沸腾状为宜。

(6)扒渣：精炼结束用扒渣工具进行扒渣，扒渣时应先从炉里面将内部 的浮渣扒向炉门口，聚集在炉门口处稍作停留，沉降片刻后再扒出炉外的渣 盘内。渣扒出炉门时注意动作缓慢，以免将炉内铝液带出炉外。

(7)取样送检：扒渣结束后用试样勺取2个样，样品送质量部用光谱分 析仪快速分析合金液含量。

(8)浇铸：浇铸前加入铝锶中间合金，待铝合金液温度为750℃时，即 可放水浇铸。保温炉倾动，炉内铝液流入在线除气腔内，在线转子的转速设 定为300rpm；铝液流入过滤箱以及大浇包，开始时船型浇包是被抬起，以便 最初的金属可以从背侧排放槽排放至放铝箱内，当金属液达到680℃，放下大 浇包，放入浮标，开始浇铸(保持小浇包内铝液温度在675±5℃)；浇铸过程 中开启喂丝机(喂Al-Ti-B丝)，速度设定为120cm/min；铝坯进轧前必须将 铸坯冷头剪去30米以上，然后根据铝坯外观质量、刀口平滑度、铝坯的温度 确定是否满足进轧条件。

(9)轧制、淬火：启动感应加热炉，停止剪坯，在坯料进粗轧机前应测 量铸锭的表面温度，并通过调节加热器的功率来保持铸坯温度在480～520℃； 打开淬火水阀门，使合金杆经冷却水冷却后，杆温控制在100℃以下，同时确 保合金杆表面干燥、圆整，不允许有错圆、折边、裂纹及夹杂物。

(10)收线：收线时要将铝杆排列整齐，且每卷合金杆的重量应控制在 1.5～2.5t。步骤(8)、(9)、(10)采用意大利普洛佩兹连铸连轧生产线。

(11)退火：将步骤(10)所得铝合金杆移入退火炉内进行退火处理， 加温至450℃，保温9h。

对按上述方法制得的铝合金杆进行性能测试，结果见表2。

实施例三

(1)熔炼：将牌号为Al99.7的铝锭投入竖炉中熔炼，控制铝液温度达 到780℃左右。

(2)配料及烘料：待竖炉铝水化满后，按合金成分配料(合金成分列于 表1)，将计算重量的牌号3303工业硅先加入保温炉内，炉温设定750℃，点 火烘烤30分钟。

(3)放水：工业硅烘好后，向保温炉内放入所需的Al99.70普铝液。

(4)加料及搅拌：待铝水放好后，将过好秤的铝铜、铝锰中间合金从保 温炉的炉门口加入，用铁耙子人工搅拌铝液4分钟，然后启动电磁搅拌进行 搅拌。

(5)精炼：搅拌完毕后，当温度达到730℃时，进行精炼，采用氮气喷 粉精炼。将喷粉精炼剂装入喷粉精炼机罐内，打开气源，并将精炼管通入炉 底，进行移动吹扫式(“#”型来回移动)喷粉精炼，精炼剂加入量为4kg/tAl， 控制好出粉速度，精炼时间不少于30min。精炼时气泡不能太大，应避免铝合 金液的激烈反应，以合金液呈轻微地沸腾状为宜。

(6)扒渣：精炼结束用扒渣工具进行扒渣，扒渣时应先从炉里面将内部 的浮渣扒向炉门口，聚集在炉门口处稍作停留，沉降片刻后再扒出炉外的渣 盘内。渣扒出炉门时注意动作缓慢，以免将炉内铝液带出炉外。

(7)取样送检：扒渣结束后用试样勺取2个样，样品送质量部用光谱分 析仪快速分析合金液含量。

(8)浇铸：浇铸前加入铝锶中间合金，待铝合金液温度为740℃时，放 水浇铸。保温炉倾动，炉内铝液流入在线除气腔内，在线转子的转速设定为 300rpm；铝液流入过滤箱以及大浇包，开始时船型浇包是被抬起，以便最初 的金属可以从背侧排放槽排放至放铝箱内，当金属液达到680℃，放下大浇包， 放入浮标，开始浇铸，保持小浇包内铝液温度在685±5℃；浇铸过程中开启 喂丝机(喂Al-Ti-B丝)，速度设定为130cm/min；铝坯进轧前必须将铸坯冷 头剪去30米以上，然后根据铝坯外观质量、刀口平滑度、铝坯的温度确定是 否满足进轧条件。

(9)轧制、淬火：启动感应加热炉，停止剪坯，在坯料进粗轧机前应测 量铸锭的表面温度，并通过调节加热器的功率来保持铸坯温度在480～520℃； 打开淬火水阀门，使合金杆经冷却水冷却后，杆温控制在100℃以下，同时确 保合金杆表面干燥、圆整，不允许有错圆、折边、裂纹及夹杂物。

(10)收线：收线时要将铝杆排列整齐，且每卷合金杆的重量应控制在 1.5～2.5t。

步骤(8)、(9)、(10)采用意大利普洛佩兹连铸连轧生产线。

(11)退火：将步骤(10)所得铝合金杆移入退火炉内进行退火处理， 加温至450℃，保温12h。

对按上述方法制得的铝合金杆进行性能测试，结果见表2。

以上对本发明的具体实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明创造的 较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造 申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。