一种连续挤压扁管用免热处理铝合金材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种连续挤压扁管用免热处理铝合金材料，按质量百分比计，铁Fe 0.01～0.30%，铜Cu 0.05～0.20%，锰Mn 0.20～0.80%,锆Zr 0.01～0.20%，稀土元素RE 0.01～0.20%，硅Si+钛Ti+硼B 0.0005～0.005%，锂Li+钠Na+钙Ca＜0.001%，其他单个杂质含量＜0.001%，杂质总含量＜0.01%，余量为铝Al。本发明通过加料熔化、成分分析、精炼、扒渣、静置保温、在线除气和过滤、连续铸造、连续轧制、在线清洗、收线等步骤来加工制备，在连续铸造阶段，通过严格控制铸坯温度的波动，使得产品性能稳定，组织无缺陷，第二相均匀细小，在进行挤压扁管前无需经过退火步骤，减少了表面氧化层，避免了挤压成品出现的划伤漏气和铝屑堵管现象，减少了能耗，提高了成品率。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种连续挤压扁管用免热处理铝合金材料及其制备方法，属于铝加工技术领域。

背景技术：

随着汽车轻量化需求的发展，铝合金材料在汽车工业上的应用越来越多，其中用于汽车散热器和冷凝器的铝合金扁管也随之需求大增。虽然每辆车的用量不大，但减重效果较为明显，与之伴随的是技术难度较高，难点主要在于扁管规格较多，壁厚很薄，对尺寸公差和耐腐蚀性能要求较高，同时要长期承受一定的压力而不产生变形。

目前铝扁管的牌号以3003合金为主，有两种加工方法：一种是采用半连续铸造铝圆棒，经过均质退火，扒皮、挤压成扁管，该工艺从国外引进，模具设计较为成熟，产品质量稳定；但缺点是一次性投资大，模具成本高，整改加工流程较长，换料时导致的停机次数较多，同时扒皮和压余造成的材料损失较大，综合成品率低。另外一种是采用连铸连轧铝杆，为提高挤压速度、减轻模具损耗，材料经过软化退火、打磨、碱洗后再进行连续挤压成扁管；这种方法可以实现连续不停的生产，成品率很高，但连续挤压的挤压力较小，需要对铝杆进行去应力退火，因此铝杆表面氧化物易造成铝屑堵管和划伤漏气现象，又降低了成品率。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种连续挤压扁管用免热处理铝合金杆及其制备方法，采用连铸连轧方法来生产铝扁管，在3003合金基础上对成分和加工工艺进行控制优化，使成品偏析现象大为减少，在进行挤压扁管前无需经过退火步骤，在保持挤压速度的同时，避免挤压成品出现划伤和铝屑堵管现象，从而达到减少能耗和提高成品率的目的。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种连续挤压扁管用免热处理铝合金材料，按质量百分比计，所述连续挤压扁管用免热处理铝合金材料的组成成分如下：铁Fe 0.01～0.30%，铜Cu 0.05～0.20%，锰Mn0.20～0.80%,锆Zr 0.01～0.20%，稀土元素RE 0.01～0.20%，硅Si+钛Ti+硼B 0.0005～0.005%，锂Li+钠Na+钙Ca＜0.001%，其他单个杂质含量＜0.001%，杂质总含量＜0.01%，余量为铝Al。

所述稀土元素RE为镧La和铈Ce的混合，二者之间的质量百分比为1:1 ；所述稀土元素RE与锆Zr元素的质量百分比也为1:1 。

所述的连续挤压扁管用免热处理铝合金材料的制备方法，包含以下具体步骤：

A、配料计算：根据设计好的元素化学成分计算纯铝锭、铝铁合金、铝铜合金、铝锰合金、铝锆合金、稀土合金铝锭的添加量；

B、加料熔化：将熔炼炉炉气温度快速升至800℃以上，按预先计算好的重量和先后顺序，将所有物料投入熔炼炉中进行熔炼，同时开启电磁搅拌使熔体均匀并加速熔化；

C、成分分析：添加物料全部熔化温度达到730～780℃后，取样并用直读光谱仪进行快速分析，并根据检测结果重复1-3步骤，直至各元素成分符合设计要求：铁Fe 0.01～0.30%，铜Cu 0.05～0.20%，锰Mn 0.20～0.80%,锆Zr 0.01～0.20%，镧La+铈Ce 0.01～0.20%，硅Si+钛Ti+硼B 0.0005～0.005%，锂Li+钠Na+钙Ca＜0.001%，其他单个杂质含量＜0.001%，杂质总含量＜0.01%，余量为铝Al；

D、倒炉：将成分合格温度在750±30℃的熔融铝液导入保温炉中；

E、精炼：用氮气作载体，将已去除Li、Na、Ca等碱金属元素的含氯精炼剂通入保温炉内的熔融铝液中进行精炼，进行除气除渣，精炼时控制精炼剂吹入的速度和氮气的压力，使精炼时间控制在25分钟以上；

F、扒渣：将浮在铝液表面上的铝渣清理干净；

G、静置保温：将铝液在保温炉内静置20～40分钟，同时温度保持在750±20℃；

H、在线除气和过滤：将铝液从保温炉中倒出来、经过流槽进入在线除气装置和过滤装置，进行进一步除气和除渣；

I、连续铸造：将铝液通过浇包进入到轮带式铸造机中，铝液温度控制在680～720℃，将铸造分成三个冷却水区域，每个冷却水区域的水流量和压力可以单独控制，使从结晶轮出来的铸坯温度为480～570℃，且波动在±10℃；

J、连续轧制：控制进轧前铸坯温度保持在450～550℃，同时采用乳化液对轧辊和铝杆进行润滑和冷却，调整乳化液温度，使得铝杆轧制温度平稳下降，终轧温度不低于300℃；

K、在线清洗：轧机出口使用冷却水和压缩空气进行两轮次吹扫，将铝杆表面乳化液吹扫干净；

L、收线：经过冷却后的铝杆通过一个电机驱动的甩头装置，以盘圆形式自然落入收线框内，两个收线框交替使用。

在步骤E中，所述的含氯精炼剂为氯化钾和氯化镁的混合物，其中氯化钾和氯化镁的质量百分比为1：1。

在步骤J中，乳化液为市售产品，用于铝合金材料的轧制阶段，用来对轧辊和铝杆进行润滑和冷却。

本发明的积极有益效果如下：

1、本发明结合目前常用的3003铝合金牌号，对化学成分进行了优化调整，调整了Cu和Mn两种元素的含量范围，同时引入了锆Zr元素、镧La、铈Ce 1：1混合的稀土元素，使铝基体元素得到净化，同时第二相的析出均匀而且细小（参考图3金相分析图），再后续通过利用工艺控制，使材料的屈服强度稍高于3003退火态铝杆，使偏析程度大为减少，使材料避免了均匀化退火，降低了表面氧化风险，经连续挤压时速度不变，成品率有效提高。

2、本发明严格控制制造过程的每个步骤、先后顺序以及各步骤的温度控制参数（参见图1工艺流程图），使得铝液加工过程中受到严格控制，元素偏析和第二相析出极为均匀，且铸坯温度能够根据后续性能要求有效控制。

3、轮带式铸造有着较快的冷却速度，因此很难避免合金元素的偏析，这种偏析对合金后续的加工不均匀性有着很大的影响。本发明在连续铸造阶段，将铝液通过浇包进入到轮带式铸造机中，铝液温度控制在680～720℃，将铸造分成三个冷却水区域（参见图2冷却水分区控制图），每个冷却水区域的水流量和压力可以单独控制，使从结晶轮出来的铸坯温度为480～570℃，且波动在±10℃；通过严格控制铸坯温度的波动，使得产品性能稳定，组织无缺陷，第二相均匀细小，在进行挤压扁管前无需经过退火步骤，减少了表面氧化层，避免了挤压成品出现的划伤漏气和铝屑堵管现象，从而达到减少能耗、提高成品率的目的。

本发明具体元素成分优化如下：

铜Cu元素可以固溶在铝基体中，析出时形成细小的CuAl

锰Mn元素能小幅度提高合金的强度，更能有效提高铝合金的塑性和耐腐蚀性能，但由于Mn元素在铝中的过冷度很大，在凝固过程中容易晶内偏析，所以后续使用时一般要进行均匀化退火。本发明将Mn控制在0.20～0.80%之间，在提升铝合金耐蚀性能的同时避免均匀后化退火。试验证明，锰Mn元素和铜Cu元素比例控制在（5-7）：1 时，耐蚀性能和强度达到最近匹配。

锆Zr元素能使铝合金的晶粒明显细化，但锆Zr较为昂贵，同时在铝中易于挥发，所以同时加入少量的RE稀土元素，降低锆Zr的添加量，减少锆Zr的挥发，两者比例为1：1，均控制在0.2wt%以下，效果最佳

硅Si元素在铝合金中固溶度很低，析出时容易形成硬的单晶硅，硬度较高，因此要控制在0.05wt%以下，Ti、B形成的TiB

Li、Na、Ca等碱金属是铝合金熔炼常见的杂质元素，单个杂质元素控制其重量百分比为小于0 .001wt%即可。

附图说明：

图1为本发明的制备方法流程图；

图2为本发明的连续铸造阶段冷却水区域分区控制示意图；

图3为本发明所制备的铝合金材料的金相分析图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的解释和说明：

实施例1：

一种连续挤压扁管用免热处理铝合金材料的制备方法，包含以下具体步骤：

1、配料计算：准备用于熔炼的铝锭、含铜量为20wt%的铝铜中间合金，20wt%的铝锰中间合金，含RE量为5wt%的铝稀土中间合金、含锆量为5wt%的铝锆中间合金，各元素的重量占比为Cu0 .05±0.03%、Mn0.8±0.05%、Zr0 .05±0.02%，RE0.1±0.02%，余量为铝和其他微量元素；

2、加料熔化：炼炉炉气温度快速升至820℃，将所有物料投入熔铝炉熔炼，同时开启电磁搅拌使熔体均匀并加速熔化；

3、成分分析：添加物料全部熔化温度达到740℃后，取样并用直读光谱仪进行快速分析，测得Cu0 .06%、Mn0.78%、Zr0 .06%，RE0.08%，

4、倒炉：将成分合格温度在750℃的铝液导入保温炉；

5、精炼：用氮气作载体，将含氯精炼剂（20kg/炉）通入保温炉内熔体中进行精炼，精炼时间控制在20分钟；

6、扒渣：将浮在铝液表面上的铝渣清理干净；

7、静置保温：铝液在保温炉内静置20分钟，同时温度保持在740℃；

8、在线除气和过滤：铝液从保温炉出来经过流槽进入在线除气装置和过滤装置，进一步除气、除渣；

9、连续铸造：铝液通过浇包进入到轮带式铸造机中，冷却水总压力0.3mpa，流量100L/Min，铝液温度控制在680-690℃，测量铸坯温度为480-530℃之间波动；

10、连续轧制：测得进轧前铸坯温度保持在470℃以上，乳化液温度控制65℃，终轧温度不低于300℃；

11、在线清洗：轧机出口使用冷却水和压缩空气两轮次吹扫，将铝杆表面乳化液吹扫干净；

12、收线：经过冷却后的铝杆成盘装落入收线框内。

实施例2：

一种连续挤压扁管用免热处理铝合金材料的制备方法，包含以下具体步骤：

1、配料计算：准备用于熔炼的铝锭、含铜量为20wt%的铝铜中间合金，为20wt%的铝锰中间合金，含RE量为5wt%的铝稀土中间合金、含锆量为5wt%的铝锆中间合金，Cu0 .1±0.03%、Mn0.8±0.05%、Zr0 .06±0.02%，RE0.06±0.02%，余量为铝和其他微量元素。

2、加料熔化：炼炉炉气温度快速升至850℃，将所有物料投入熔铝炉熔炼，同时开启电磁搅拌使熔体均匀并加速熔化；

3、成分分析：添加物料全部熔化温度达到750℃后，取样并用直读光谱仪进行快速分析，Cu0 .1%、Mn0.78%、Zr0 .06%，RE0.07%，

4、倒炉：将成分合格温度在750℃的铝液导入保温炉；

5、精炼：用氮气作载体，将含氯精炼剂（20kg/炉）通入保温炉内熔体中进行精炼，精炼时间控制在20分钟；

6、扒渣：将浮在铝液表面上的铝渣清理干净；

7、静置保温：铝液在保温炉内静置25分钟，同时温度保持在750℃；

8、在线除气和过滤：铝液从保温炉出来经过流槽进入在线除气装置和过滤装置，进一步除气、除渣；

9、连续铸造：铝液通过浇包进入到轮带式铸造机中，冷却水总压力0.3mpa，流量100L/Min，铝液温度控制在690-700℃，测量铸坯温度为490-540℃之间波动；

10、连续轧制：测得进轧前铸坯温度保持在480℃以上，乳化液温度控制63℃，终轧温度不低于300℃；

11、在线清洗：轧机出口使用冷却水和压缩空气两轮次吹扫，将铝杆表面乳化液吹扫干净；

12、收线：经过冷却后的铝杆成盘装落入收线框内。

实施例3～实施例9：

实施例3～实施例9 与 实施例1、实施例2的区别特征在于：各元素重量百分数不同，具体如下表：

实施例10～实施例13：

实施例10～实施例13 与 实施例1 的区别特征在于：铸造时总的压力和流量不变，但三个冷却区域的分区流量不同，具体如下：

实施例14：

实施例14为未退火的3003合金杆，与实施例1区别特征在于元素组成成分不完全相同；

实施例15：

实施例15为退火后的3003合金杆，与实施例1区别特征在于元素组成成分不完全相同，同时经过480℃/10h退火；

实验结果及分析如下表：

结合表一和实施例14表明：降低铝合金中添加的Mn和Cu均能够改变铝合金的屈服强度，且Cu对屈服强度的降低作用大于Mn，元素的偏析程度随着Mn的含量升高而加剧，同时Zr和RE的加入能够提高Mn在铝合金中的分配均匀度，使得Mn不易在铝合金内聚合而形成较大体积的第二相。

结合表二和实施例14表明：冷却水的分布对强度和Mn元素的偏析度有一定影响，进而能够影响到产品的屈服强度，同时经过试验组合，发现第二区冷却增大、一和三区减小时有利于减少Mn的偏析。

结合表一、表二和实施例15表明：Mn元素低于0.6%时，锰Mn：铜Cu重量比值小于4时，屈服强度普遍低于3003退火态材料，因此优选的锰Mn：铜Cu控制在4：1，且锰Mn大于0.6%。

综上所述：本发明优化了各元素的组成成分，严格控制了制造过程的每个步骤、先后顺序以及各步骤的温度控制参数，使得铝液在加工过程中受到严格控制，元素偏析和第二相析出极为均匀，使材料避免了均匀化退火，降低了表面氧化风险，经连续挤压时速度不变，成品率有效提高。