改进型3004铝合金及其制备方法、其制成的保温门板和工艺

摘要

本发明公开了改进型3004铝合金配方，其配方按重量百分比（%）计算，具体含量成分包括：Si：≤0.30%；Fe：≤0.70%；Cu：0.50%～1.00%；Mn：1.00%～1.50%；Mg：1.50%～2.50%？？？？？？？？Zn：0.50%～1.50%杂质总和≤0.15%（单个杂质≤0.05%）；余量Al。还公开了该改进型3004铝合金的制备方法、用其制成的保温门板结构及该保温门板的铝板单元的制造工艺，其提供了一种改进型3004铝合金配方及工艺制作方法，使其以较为低廉的成本以及较高的寿命，使用在保温门板结构中，从而达到了提高3004系列铝合金在建筑铝型材中的使用强度、抗氧化性能以及使用寿命的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及改进型3004铝合金从材料配方、工艺制作至其制成的铝型材的用途技术领域，特别是涉及改进型3004铝合金及其制备方法、其制成的保温门板及工艺。

背景技术

3004铝合金，其成分为Si（硅）≤0.30%，Fe（铁）≤0.70%，Cu（铜）0.25%，Mn（锰）1.00%～1.50%，Mg（镁）0.80%～1.30%，Zn（锌）0.25%，杂值总和≤0.15%（单个≤0.05%），余量Al(铝)。起源于美国铝业学会，后逐渐被世界各国推广使用，逐渐形成国际标准ISO209:2007，我国标准GB/T3190-2008以之想对应。此3004铝合金，属于Al（铝）-Mn（锰）-Mg（镁）系变形铝合金，主要合金元素为Mn和Mg。此系列铝合金具有很好的加工性能、焊接性能、抗氧化和抗腐蚀性能，被广泛应用于食品饮料、建筑材料等行业。

但是由于此合金材料的强度相对较低，且不能进行热处理强化，为了使产品具有较高的强度，只能进行加工硬化处理，由于产品在进行加工硬化时，导致材料内部存在较大的残余应力，产品在具有较强的腐蚀性环境中，容易出现先发生局部腐蚀等现象；同时材料的强度较低，也限制了产品的使用范围。在保持材料具有较好的加工性能的同时，进一步使此材料具有更广泛的用途，很多企业都在从事对此材料进行改性等相关研究工作。在不改变材料的抗氧化、耐腐蚀性能的同时，使材料具有更高的强度，且加工性能更优化。现代建筑业的快速精美，特别是现代建筑业中的工房屋建造，需要具备轻量化、简便、快速建造和拆卸的要求，在保证材料具有较好的装配特性时，产品还要具有反复可拆卸的特点。

特别的，对于在海洋气候环境以及高原气候环境下，海洋气候环境降水量的季节分配比较均匀，降水日数多，但强度小。高原气候条件，寒冷干燥、日照时间长，太阳辐射强，昼夜温差大。总体上来说这两种气候环境温度、湿度以及太阳辐射强度变换频繁，将现有的3004铝合金材料制作的门窗，容易受到这两种环境气候的腐蚀，使用寿命不长。此外由于铝合金质量较为轻薄，直接使用其制成的铝门，一方面容易变形，另一方面难以应付寒冷和大风天气，即使铝合金耐腐蚀，但是其抗寒能力仍然较差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了改进型3004铝合金及其制备方法、其制成的保温门板及工艺，其目的在于提供一种改进型3004铝合金配方及工艺制作方法，使其以较为低廉的成本以及较高的寿命，使用在保温门板结构中，从而达到提高3004系列铝合金在建筑铝型材中的使用强度以及抗腐蚀的性能，使其适合于海洋气候以及高原环境使用的铝保温门板。

本发明所采用的技术方案是：改进型3004铝合金配方，其配方按重量百分比%计算，具体含量成分包括：

Si：≤0.30%Fe：≤0.70%Cu：0.50%～1.00%

Mn：1.00%～1.50%Mg：1.50%～2.50%Zn：0.50%～1.50%

杂质总和≤0.15%（单个杂质≤0.05%）；余量Al。本发明的改进型3004铝合金是在原配方上，对合金中的Cu、Mg和Zn元素进行微调，使得其具有更高的强度和抗氧化、腐蚀性能，并且制造工艺简单、价格相对较低。

本发明的进一步改进在于，在包括上述含量的基础上，该改性合金在熔炼的后期，还需加入锆Zr和/或锶Sr金属元素，改善合金的凝固结晶方式，生产的合金锭内部晶粒组织细密、均匀；合金铸锭材料在后继变形加工中，加工更容易，不容易出现缺陷，以提升材料的性能，其中Zr的有效含量为0.10%～0.20%，Sr的有效含量为0.05%～0.15%。同时，改进型3004铝合金的表面抗氧化性得到进一步的提升。

制备改进型3004铝合金的工艺方法，采用天然气炉熔炼工艺，并通过对合金成分进行优化控制和改进；包括如下步骤：

S101，铝合金3004材料熔化：把直接从市场购买来的合格的3004铝合金铸锭，在预烘烤炉加热到240℃～270℃，将其投入天然气炉熔化，其中合金锭的熔化温度为715℃～735℃；

S102，加入配置好的覆盖剂：在合金逐渐熔化的过程中，分至少3次逐渐加入配置好的覆盖剂NaCl和KCl，其中NaCl和KCl配比为1:1；

S103，熔化完成后，光谱分析材料成分，根据材料实际成分，按照上述材料成分加入Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn中间合金，熔化后光谱分析检查材料成分，满足上述要求；

S104，调整熔化炉温度，使合金液温度到达740℃～750℃，对铝合金熔液进行精炼处理，精炼剂为N2-Cl2混合气体，时间8～10分钟，除去表面的浮渣；

S105，合金液温度降低至715℃～735℃，加入变质剂Al-Zr和/或Al-Sr中间合金，并用勺子轻微搅动合金液，搅动时，不能破开合金液表面的覆盖剂；

S106，合金液成分光谱分析；

S107，成分合格后，合金液静置并降温到达700℃～710℃，进行合金液半连续铸造锭坯，厚度为70mm～80mm；

S108，性能测试：对合金锭加工成型材，进行室温板材拉伸性能测试。

本发明的进一步改进在于，步骤S1的铝合金3004材料熔化过程中，将其预烘烤炉加热到250-260℃，将其投入天然气炉熔化，其中合金锭的熔化温度为720℃～730℃。

步骤S5中合金液温度降低至720℃～730℃，加入变质剂Al-Zr和/或Al-Sr中间合金，并用勺子轻微搅动合金液，搅动时，不能破开合金液表面的覆盖剂。

基于改进型3004铝合金的保温门板，包括通过工字形连接件固连在一起的若干个铝板单元，每一个铝板单元包括对称地设置在脊梁左右两侧的左、右支撑部，左支撑部和右支撑部相对于脊梁的底部分别倾斜向下设置；脊梁包括左右对称设置的左、右阶梯部，和设置在其底部的空腔；每一个左阶梯部和右阶梯部分别设有不少于三个的台阶单元，每一个台阶单元向外突出的边缘部设有倒角或者拔模角；左支撑部和右支撑部上分别设置有若干根增强筋；每一个增强筋底部设有增强腔，每一个铝板单元的脊梁的空腔内设有填充物一，每一根增强筋的增强腔内设有填充物二；位于填充物一和填充物二的底部还设有护板。本发明的保温门板直接将改进型3004铝合金制成的铝板单元作为保温门板的主体支撑结构，并将该铝板单元设置在成包括沿左右阶梯脊梁对称的倾斜的左、右支撑部和，每一个左支撑部和右支撑部表面分别设有若干增强筋，每一个增强筋底部设有增强腔，增强和脊梁的空腔内分别设有填充物一和填充物而，一方面是用来起到辅助支撑铝板单元的重量的，另一方面也起到保温和隔热的效果；最后本发明在填充物的底部设置护板，对填充物起到保护作用，同时对整个结构起到支撑的作用，具有较好的使用效果。本发明的结构，相对于现有技术，其结构简单，仅仅使用铝型材、填充物和护板便制成保温门板，在其安装使用时，节省了工序和物料。并且，该保温门板使用铝材支撑其外立面，可以起到很好的抗氧化、耐腐蚀性能，适合海洋或者高原的气候环境使用，具有较长的使用寿命。此外，使用改进型3004铝合金制成的铝型材，相对与相对于现有的铝材，具有较高的强度，故而其支撑性能也较强。

本发明的进一步改进在于，填充物二填充与对应的增强腔内；填充物一和填充物二为保温棉。具有较好的保温隔热效果，并且重量较轻。

本发明的进一步改进在于，每一根工字形连接件包括左、右连接部，并且左连接部和右连接部分别向上倾斜，从而更好地与铝板单元贴合装配，进而起到防雨的作用。

本发明的进一步改进在于，每一根工字形连接件通过位于其左、右连接部，顶部的压条固定在铝板单元上，增强其之间的连接强度。

一种制造上述保温门板的铝板单元的工艺方法，包括如下步骤：

S111，铝锭坯均匀化处理:在电阻加热炉里面进行，炉膛内部温度为520℃～530℃，均匀化时间为6小时～8小时；

S112，均匀化铝锭坯热轧:开始热轧温度为520℃，热轧终止温度为260℃，轧制后的坯料厚度为7.5mm～8.0mm；

S113，退火处理：将上述坯料冷轧至3.5mm～4.5mm后，进行再结晶退火处理，退火温度为270℃～280℃，退火时间为12小时～13小时；

S114，冷轧：将上述坯料再次进行一次或者多次冷轧，至最终厚度0.5mm～1.0mm；

S115，冲压成型：放入到模具中，模具表面涂抹润滑剂，模具温度380℃～400℃，对板材进行热模冲压成型，冲压速度5mm/秒～15mm/秒，保压时间0.5分钟～1分钟；

S116，清洗：对产品进行酸碱中和清洗，去除表面的油污，其中碱洗溶液NaOH浓度10%～20%，酸洗溶液HNO3浓度10%～20%；

S117，半成品成品退火处理：退火温度为200℃～220℃，退火时间为1小时钟～2小时。

本发明的进一步改进在于，步骤S117成品退火处理工艺中，退火温度为200℃～215℃，退火时间为1小时钟～1.5小时；并且所述步骤S117完成后，进行S118步精加工成品：将其取出自然冷却后，精加工得到铝板单元成品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的改进型3004铝合金配方在Mg和Zn、Cu、原有的配比上进行微调，加入变质剂Zr和/或Sr，使得其具有更高的强度和抗氧化性能，并且材料生产工艺简洁，价格相对较低。

此外，利用上述配方和工艺制作方法得到的改进型3004铝合金，其在应用时，有较好的使用寿命和抗氧化性能及强度。故而，本发明的保温门板直接将改进型3004铝合金制成的铝板单元作为保温门板的主体支撑结构，并将该铝板单元11设置在成包括沿左右阶梯脊梁2对称的倾斜的左、右支撑部1和10，每一个左支撑部1和右支撑部10表面分别设有若干增强筋4，每一个增强筋4底部设有增强腔41，增强41和脊梁2的空腔3内分别设有填充物一5和填充物而9，一方面是用来起到辅助支撑铝板单元的重量的，另一方面也起到保温和隔热的效果；最后本发明在填充物的底部设置护板7，对填充物起到保护作用，同时对整个结构起到支撑的作用，具有较好的使用效果。

本发明的结构，相对于现有技术，其结构简单，仅仅使用铝型材、填充物和护板便制成保温门板，在其安装使用时，节省了工序和物料。并且，该保温门板使用铝材支撑其外立面，可以起到很好的抗氧化、耐腐蚀性能，适合海洋或者高原的气候环境使用，具有较长的使用寿命。此外，使用改进型3004铝合金制成的铝型材，相对于现有的3004铝材，具有较高的强度，故而其支撑性能也较强。

本发明的改进型3004铝合金及其制备方法、用其制成的保温门板结构，其提供了一种改进型3004铝合金配方及工艺制作方法，使其以较为低廉的成本以及较高的寿命，使用在保温门板结构中，从而达到了提高3004系列铝合金在建筑铝型材中的使用强度、抗氧化性能以及使用寿命的目的。

附图说明

图1为制备改进型3004铝合金的工艺方法的一个实施例的流程图；

图2为基于改进型3004铝合金的保温门板的一个实施例的铝板单元的主视图；

图3为图2的实施例的铝板单元的正面三维结构示意图；

图4为图2的实施例的铝板单元的底部三维结构示意图；

图5为使用图2的实施例的铝板单元的保温门板三维结构示意图；

图6为图5的实施例的另一个角度的三维结构示意图；

图7为图5的实施例的底部的三维结构示意图；

图8为图5中的实施例的保温门板使用的连接件的放大的三维结构示意图；

图9为图5中的实施例的保温门板之间的连接效果示意图；

图10为图9中A处的局部放大结构示意图；

图11为生产保温门板的工艺流程图。

其中：1-左支撑部,2-脊梁,21-左阶梯部,22-右阶梯部；3-空腔,4-增强筋,41-增强腔；5-填充物一,6-连接件,61-左连接部，62-右连接部；7-护板,8-压条，9-填充物二，10-右支撑部，11-铝板单元，12-倒角或者拔模角。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例1

改进型3004铝合金配方，其配方按重量百分比（%）计算，具体成分含量包括：

Si：≤0.30%Fe：≤0.70%Cu：0.50%～1.00%

Mn：1.00%～1.50%Mg：1.50%～2.50%Zn：0.50%～1.50%

杂质总和≤0.15%单个杂质≤0.05%；余量Al。

在上述实施例中，在包括上述含量的基础上，该改性合金在熔炼的后期，还需加入锆Zr和/或锶Sr金属元素，以提升材料的性能，其中Zr的有效含量为0.10%～0.20%，Sr的有效含量为0.05%～0.15%。对改进型3004铝合金的表面抗氧化性有进一步的提升。

如图1所示，制备改进型3004铝合金的工艺方法，采用天然气炉熔炼工艺，并通过对合金成分进行优化控制和改进；包括如下步骤：

S101，铝合金3004材料熔化：把直接从市场购买来的合格的3004铝合金铸锭，在预烘烤炉加热到240℃～270℃，将其投入天然气炉熔化，其中合金锭的熔化温度为715℃～735℃；

S102，加入配置好的覆盖剂：在合金逐渐熔化的过程中，分至少3次逐渐加入配置好的覆盖剂NaCl和KCl，其中NaCl和KCl配比为1:1；

S103，熔化完成后，光谱分析材料成分，根据材料真实成分，按照上述材料成分加入Al-Cu，Al-Mg和Al-Zn中间合金，熔化后光谱分析检查材料成分，满足上述要求；

S104，调整熔化炉温度，使合金液温度到达740℃～750℃，对铝合金熔液进行精炼处理，精炼剂为N2-Cl2混合气体，时间8～10分钟，除去表面的浮渣；

S105，合金液温度降低至715℃～735℃，加入变质剂Al-Zr和/或Al-Sr中间合金，并用勺子轻微搅动合金液，搅动时，不能破开合金液表面的覆盖剂；

S106，合金液成分光谱分析；

S107，成分合格后，合金液静置并降温到达700℃～710℃，进行合金液半连续铸造锭坯，厚度为70mm～80mm；

S108，性能测试：对合金锭加工成型材，进行包括其成分、室温板材拉伸性能。

在上述实施例中，步骤S1的铝合金3004材料熔化过程中，将其预烘烤炉加热到250℃～260℃，将其投入天然气炉熔化，其中合金锭的熔化温度为720℃～730℃。

实施例2

进一步的，按照上述实施例1的方法，对合金成分和材料准备方法作改进，其改进为：

Si：≤0.30%Fe：≤0.70%Cu：0.90%～1.00%

Mn：1.00%～1.50%Mg：2.20%～2.50%Zn：1.20%～1.50%

杂质总和≤0.15%单个杂质≤0.05%；余量Al。

合金在熔炼的后期，加入锆Zr金属元素，以提升材料的性能，其中Zr的有效含量为0.18%～0.20%。

并且步骤S1中，中合金锭的熔化温度为730℃～735℃；

步骤S5中，合金液温度降低至730℃～735℃，加入变质剂Al-Zr。

实施例3

进一步的，按照上述实施例1的方法，对合金成分和材料准备方法作改进，其改进为：

Si：≤0.30%Fe：≤0.70%Cu：0.50%～0.60%

Mn：1.00%～1.50%Mg：1.50%～1.80%Zn：0.50%～0.80%

杂质总和≤0.15%单个杂质≤0.05%；余量Al。

合金在熔炼的后期，加入锶Sr金属元素，以提升材料的性能，其中Sr的有效含量为0.13%～0.15%。

并且步骤S1中，中合金锭的熔化温度为715℃～720℃；

步骤S5中，合金液温度降低至715℃～720℃，加入变质剂Al-Sr。

实施例4

进一步的，按照上述实施例1的方法，对合金成分和材料准备方法作改进，其改进为：

Si：≤0.30%Fe：≤0.70%Cu：0.70%～0.80%

Mn：1.00%～1.50%Mg：2.00%～2.10%Zn：0.90%～1.10%

杂质总和≤0.15%单个杂质≤0.05%；余量Al。

合金在熔炼的后期，加入锆Zr和锶Sr金属元素，以提升材料的性能，其中其中Zr的有效含量为0.10%～0.12%，Sr的有效含量为0.05%～0.08%。

并且步骤S1中，中合金锭的熔化温度为725℃～730℃；

步骤S5中，合金液温度降低至725℃～730℃，加入变质剂Al-Zr和Al-Sr。

如图2、图3、图4、图5和图7所示，基于改进型3004铝合金的保温门板，包括通过工字形连接件6固连在一起的若干个铝板单元11，每一个铝板单元包括对称地设置在脊梁2左右两侧的左、右支撑部1和10，左支撑部1和右支撑部10相对于脊梁2的底部分别倾斜向下设置；脊梁2包括左右对称设置的左、右阶梯部21和22，和设置在其底部的空腔3；每一个左阶梯部21和右阶梯部22分别设有不少于三个的台阶单元，每一个台阶单元向外突出的边缘部设有倒角或者拔模角12；左支撑部1和右支撑部10上分别设置有若干根增强筋4；每一个增强筋4底部设有增强腔41，每一个铝板单元11的脊梁2的空腔3内设有填充物一5，每一根增强筋4的增强腔41内设有填充物二9；位于填充物一5和填充物二9的底部还设有护板7。

在上述实施例中，参见图7，填充物二9填充与对应的增强腔41内；填充物一5和填充物二9为保温棉。具有较好的保温隔热效果，并且重量较轻。

在上述实施例中，如图5、图6和图8所示，每一根工字形连接件6包括左、右连接部61，62，并且左连接部61和右连接部62分别向上倾斜，从而更好地与铝板单元贴合装配，进而起到防雨的作用，参见图9和图10。每一根工字形连接件6通过位于其左、右连接部61，62顶部的压条8固定在铝板单元上，增强其之间的连接强度。

实施例5

一种制造上述保温门板的铝板单元的工艺方法，应用实施例1生产的铸锭，进行热轧和模锻加工，其主要包括如下步骤：

1)锭坯均匀化处理，在电阻加热炉里面进行，炉膛内部温度为520℃～530℃，均匀化时间为6小时～8小时；

2)均匀化锭坯热轧，开始热轧温度为520℃，热轧终止温度为260℃，轧制后的坯料厚度为7.5mm～8.0mm；

3)将上述坯料冷轧至3.5mm～4.5mm后，进行再结晶退火处理，退火温度为270℃～280℃，退火时间为12小时～13小时；

4)将上述坯料再次进行一次或者多次冷轧，至最终厚度0.5mm～1.0mm；

5)将轧制完成的板材，放入到模具中，模具表面涂抹润滑剂，模具温度380℃～400℃，对板材进行热模冲压成型，冲压速度5mm/秒～15mm/秒，保压时间0.5分钟～1分钟；

6)对产品进行酸碱中和清洗，去除表面的油污，其中碱洗溶液NaOH浓度10%～20%，酸洗溶液HNO3浓度10%～20%；

7)对成品进行退火处理，退火温度为200℃～220℃，退火时间为1小时钟～2小时。实施例6

进一步的，按照上述实施例5的方法，对实施例2的铸锭进行热轧和模锻加工，其改进为：

步骤1)锭坯均匀化处理，在电阻加热炉里面进行，炉膛内部温度为525℃～530℃，均匀化时间为8小时；

步骤3)将上述坯料冷轧至3.5mm～4.5mm后，进行再结晶退火处理，退火温度为275℃～280℃，退火时间为13小时；

5)将轧制完成的板材，放入到模具中，模具表面涂抹润滑剂，模具温度390℃～400℃，对板材进行热模冲压成型，冲压速度5mm/秒～10mm/秒，保压时间0.8分钟～1分钟；

实施例7

进一步的，按照上述实施例5的方法，对实施例3的铸锭进行热轧和模锻加工，其改进为：

步骤1)锭坯均匀化处理，在电阻加热炉里面进行，炉膛内部温度为525℃～530℃，均匀化时间为6.0小时；

步骤3)将上述坯料冷轧至3.5mm～4.5mm后，进行再结晶退火处理，退火温度为260℃～270℃，退火时间为12小时；

5)将轧制完成的板材，放入到模具中，模具表面涂抹润滑剂，模具温度390℃～400℃，对板材进行热模冲压成型，冲压速度5mm/秒～10mm/秒，保压时间0.8分钟～1分钟。

实施例8

进一步的，按照上述实施例5的方法，对实施例3的铸锭进行热轧和模锻加工，其改进为：

步骤1)锭坯均匀化处理，在电阻加热炉里面进行，炉膛内部温度为525℃～530℃，均匀化时间为7小时；

步骤3)将上述坯料冷轧至3.5mm～4.5mm后，进行再结晶退火处理，退火温度为275℃～280℃，退火时间为12.5小时。

综上所述，根据本发明实施例1至4的方法制备得到的锭坯材料，分别取样进行合金元素的光谱分析，得到表1中的相依材料成分。同时用所得的坯料，按照实施例5至8的方法进行加工，得到板材并取样进行力学性能测试，测试结果如表1所示。

根据材料学理论，铝合金中的Al-Mn-Mg系列变形合金，为了得到合金产品的最优化性能，对合金材料组织成分进行改善是最有效的方法，使合金锭和所生产的产品具有均匀、细密的内部组织，是材料具有优异的力学性能、耐腐蚀和抗氧化性能必要条件。在本发明中，为了得到所希望的性能，首先对合金成分进行优化，本发明针对3004材料成分中的Cu、Mg和Zn元素进行优化，在优化合金成分的过程中，为了得到更好的锭坯组织，加入变质剂Zr和/或Sr。

表1，实施例1-4中铝合金的材料成分和力学性能试验参数对比。

表1是实施例所得材料的具体成分值，以及用所得材料制成板材后取样进行力学性能测试的数值。实施例1同时调整合金中的Cu、Mg和Zn元素，并加入Zr和Sr，所得的是基础成分，材料的性能处于要求的下限。为了得到满足要求中值区域，同时验证合金成分的可调范围，以及加入变质元素的加入量。进行实施例2、3和4验证，从验证的结果得知，改进3004材料的性能，对合金成分做调整的同时，可以单独加入Zr、Sr，也可同时加入两个元素。且加入量在一定范围内可调。最好的加入方法是同时加入Zr和Sr，且它们的加入量最佳值0.1左右。

本发明的改进型3004铝合金及其制备方法、用其制成的保温门板结构，其提供了一种改进型3004铝合金配方及工艺制作方法，使其以较为低廉的成本以及较高的寿命，使用在保温门板结构中，从而达到了提高3004系列铝合金在建筑铝型材中的使用强度、抗氧化性能以及使用寿命的目的。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。