本發明屬于鋁合金材料及其制造領域，特別是涉及一種細小晶粒中等強度鋁合金及其制備方法與應用。
背景技術：
：Al-Mg-Si-Cu合金是鋁合金中常見的合金之一，因其比重輕、易加工、強度高等特性，因此被被廣泛應用于電子消費品、汽車業及航空業等領域。近幾年，隨著電子消費品和汽車輕量化的高速發展，鋁合金越來越多的被應用于一些結構件和裝飾件。如，筆記本電腦、平板電腦、智能手機、汽車的保險杠、汽車輪轂等。未來的鋁合金會朝著質量更輕、強度更強的方向發展。Al-Mg-Si-Cu合金中的Fe、Mn、Cr等元素的含量是影響合金晶粒成長行為的重要因素之一，此類元素含量過低或過高均易使合金加工過程中產生晶粒粗化現象，導致產品機械性能降低，裝飾效果惡化等缺陷。技術實現要素：本發明的首要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種細小晶粒中等強度鋁合金。本發明的另一目的在于提供所述的細小晶粒中等強度鋁合金的制備方法。本發明的再一目的在于提供所述細小晶粒中等強度鋁合金的應用。本發明的目的通過以下述技術方案實現：一種細小晶粒中等強度鋁合金，該合金包含以下按質量百分比計的組分：Si為0.58～0.63％，Mg為0.87～0.93％，Fe為0.12～0.14％，Cu為0.20～0.30％，Mn為0.10～0.15％，Cr為0.14～0.20％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si≤1.73。所述的合金包含以下按質量百分比計的組分：Si為0.585～0.621％，Mg為0.877～0.926％，Fe為0.124～0.138％，Cu為0.208～0.297％，Mn為0.104～0.146％，Cr為0.142～0.195％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si≤1.73。所述的Mg和Si的質量比優選為：Mg/Si＝1.46～1.50；更優選為：Mg/Si＝1.49～1.50。一種細小晶粒中等強度鋁合金的制備方法，包括如下步驟：(1)按照上述質量百分比進行備料，其中，鋁和鎂采用鋁錠和鎂錠，銅采用陰極銅；(2)將鋁錠加熱到730～760℃進行熔化，再加入鎂錠、陰極銅和中間合金、進行合金化，得到鋁熔體A；(3)向鋁熔體A中加入精煉劑，于730～750℃進行精煉，在精煉的同時向鋁熔體A中通入惰性氣體進行攪拌、排氣、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進行鑄造，鑄造溫度控制在680～700℃，得到合金圓鑄錠；(6)將合金圓鑄錠加熱到540±5℃后保溫10～12h，再用水霧強冷至室溫，得到細小晶粒中等強度鋁合金。步驟(2)中所述的中間合金為鋁硅合金(結晶硅與鋁硅合金)、鐵錠(鐵與鋁的合金)、錳錠(錳與鋁的合金)和鉻錠(鉻與鋁的合金)。步驟(2)中所述的加熱為采用熔煉爐進行加熱。所述的熔煉爐為蓄熱式節能爐。步驟(2)中所述的熔化的溫度優選為750℃。步驟(3)中所述的精煉劑的添加量按2kg/噸鋁熔體A計算。步驟(3)中所述的進行精煉的溫度優選為740℃，精煉的時間為30～50分鐘，優選為40分鐘。步驟(3)中所述的得到鋁熔體B還包括成分微調的步驟：將得到的鋁熔體B進行化學成分分析，若合金成分不在步驟(1)所述的范圍內，則通過成分微調，將合金成分控制在步驟(1)所述的范圍內。步驟(4)中所述的得到鋁熔體C還包括凈化的步驟。所述的凈化優選為將鋁熔體C依次通過箱式除氣裝置和板式過濾系統進行凈化。步驟(3)中所述的惰性氣體優選為高純氬氣。所述的氬氣的壓力為0.05～0.1Mpa，流量為12L/分鐘。步驟(4)中所述的靜置的時間為30～50min，優選為40min。步驟(5)中所述的鑄造優選為采用熱頂半連續鑄造法進行鑄造。所述的細小晶粒中等強度鋁合金在制造電子設備結構件型材中的應用。所述的細小晶粒中等強度鋁合金在制造管、棒、型材中的應用。所述的細小晶粒中等強度鋁合金在制造管、棒、型材中的應用，包括以下步驟：(i)將上述得到的細小晶粒中等強度鋁合金進行加熱；(ii)將合金進行擠壓加工，得到鋁合金管、棒、型材；(iii)進行人工時效處理。在步驟(ⅱ)與(ⅲ)之間還包括在線淬火和拉伸矯直的步驟。所述的在線淬火優選通過如下方法實現：使用水溫為30℃的水對鋁合金管、棒、型材進行快速冷卻，冷卻速度為40℃/s；所述的拉伸矯直優選通過如下方法實現：使用拉伸機對擠壓后的鋁合金管、棒、型材進行拉伸。所述的進行拉伸的拉伸量為0.5～1.0％。步驟(i)中所述的細小晶粒中等強度鋁合金還包括鋸切的步驟，將合金鋸切成合適的長度，優選為470mm。步驟(i)中所述的加熱采用電磁感應加熱，加熱的溫度為540～550℃；優選為540℃。步驟(ii)中所述的擠壓的溫度為520～530℃，優選為520℃；擠壓的速度(主缸前進速度)為1.8～2.1mm/s，優選為2.0mm/s；擠壓比λ<30，優選為20。步驟(iii)中所述的人工時效工藝為：170±5℃保溫8～12小時后空冷至室溫。在Al-Mg-Si-Cu合金，Si和Mg是形成主要強化相的組成元素，形成Mg2Si強化相。合金隨著Mg和Si含量的增加，其抗拉強度隨之增加。Mg2Si強化相中Mg和Si的質量百分比為1.73，本合金按照Mg/Si≤1.73設計，優選1.46-1.50。Si含量稍過量，目的是使Mg充分利用并形成強化相。在本發明合金中，Fe會與Al、Mn、Si等元素形成難溶的AlFeMnSi脆性相，增加合金的熱裂傾向。Fe與Al形成FeAl3可以細化再結晶晶粒，與Mn結合形成Al6(FeMn)可改善抗腐蝕性能。本發明將Fe的含量控制在0.12～0.14％之內，使合金在保持優異的力學性能的同時，并且細化晶粒。Cu在合金中與Al和Mg會形成強化相S(CuMgAl2)和CuAl，隨著Cu含量增加合金強度增加，延伸率降低。本發明將Cu的含量控制在0.20～0.30％之內，使合金在保證較高的力學性能的同時，保持較高的延伸率。Mn、Cr在均勻化退火中與Al發生相變反應，形成彌散相MnAl6和CrAl7。MnAl6和CrAl7可以提高再結晶溫度，使合金的再結晶困難，使之在擠壓過程中形成纖維組織。過量的Mn和Cr會產生粗大的金屬間化合物，且淬火敏感性增加。本發明中Mn和Cr的含量分別控制在0.10～0.14％和0.14～0.20％之內，使合金保證組織結構，且避免形成粗大的鋁鐵錳顆粒。本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果：1、本發明與傳統的6061合金相比具有如下優點：(1)傳統Al-Mg-Si-Cu合金的Mg、Si元素范圍大，可能出現Mg過剩的情況，本發明合金中Mg/Si≤1.73設計，優選1.46～1.50，避免了Mg過量時形成MgO、MgAl2O4等化合物；(2)本發明合金在T6狀態下抗拉強度≥334MPa，屈服強度≥307MPa，斷后延伸率≥14％，比國標中6061-T6合金的最低標準分別高26％、25％、75％以上；(3)普通6061合金產品T6態下晶粒尺寸介于200～300μm，本發明制備產品T6狀態下晶粒尺寸可控制在15～30μm之內，晶粒細小均勻，是各類鋁合金鍛壓制品的最佳原材料。2、本發明合金具有較高的力學性能和細小的晶粒組織特點，適用于制備電子設備結構件，也適用于制備一些對強度要求高的管材和棒材。具體實施方式下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例1原材料鋁錠：采用牌號為Al99.7的鋁錠，鋁錠中Al的質量百分比為99.70％以上，符合標準GB/T1196-2008《重熔用鋁錠》；鎂錠：采用牌號為Mg9990的鎂錠，鎂錠中Mg的質量百分比為99.9％以上，符合標準GB/T3499-2003《原生鎂錠》；鋁硅合金：采用結晶硅與鋁硅合金，其中鋁硅合金的硅的質量百分比為20％，符合標準YS/T282-2000《鋁中間合金錠》；鐵錠：采用鐵與鋁的合金，合金中Fe的質量百分比為75以上，符合標準YS/T282-2000《鋁中間合金錠》；陰極銅：2號標準銅，其中Cu的質量百分比為99.9％以上，符合標準GB/T467-2010《陰極銅》；錳錠：采用錳與鋁的合金，合金中Mn的質量百分比為75以上，符合標準YS/T282-2000《鋁中間合金錠》；鉻錠：采用鉻與鋁的合金，合金中Cr的質量百分比為75以上，符合標準YS/T282-2000《鋁中間合金錠》；精煉劑：采用牌號為PROMAGRI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，純度即體積百分數為≥99.999％。上述Al-Mg-Si-Cu合金的制備方法，包括以下步驟：(1)按各成分的質量百分比：Si為0.621％，Mg為0.926％，Fe為0.138％，Cu為0.297％，Mn為0.144％，Cr為0.192％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中，Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.49。(2)將上述原料中的鋁錠投入冶煉爐(蓄熱式節能爐)。(3)將鋁錠加熱到750℃進行熔化，鋁錠完全熔化后得到鋁熔體I，再向鋁熔體I中加入步驟(1)中準備的其它合金(鎂錠、鋁硅合金、陰極銅、錳錠和鉻錠)，對鋁熔體進行合金化，得到鋁熔體II。(4)按照2Kg/T鋁熔體II的比例向鋁熔體II中加入精煉劑，進行精煉，精煉溫度為730～750℃，精煉時間為40min，在精煉的同時向鋁熔體中通入高純氬氣進行攪拌、除氣，然后扒渣，得到鋁熔體III。其中氬氣的壓力控制為0.1MPa，流量控制為12L/min。(5)對步驟(4)中得到的鋁熔體III進行取樣分析，添加合金元素微調成分，將合金成分控制在步驟(1)所述的范圍內。(6)對得到的鋁熔體III進行靜置40min處理；(7)靜置后再將鋁熔體III依次通過箱式除氣裝置、板式過濾裝置進行除氣除雜，凈化后得到鋁熔體Ⅳ；(8)將鋁熔體Ⅳ采用熱頂半連續鑄造法鑄造，鑄造溫度控制在700℃，澆注獲得合金圓鑄錠；(9)將獲得的合金圓鑄錠在均質爐內加熱到540±5℃保溫12h后水霧冷至室溫，最終得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。實施例2按各成分質量百分比：Si為0.585％，Mg為0.879％，Fe為0.124％，Cu為0.208％，Mn為0.106％，Cr為0.145％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.50。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。實施例3按各成分的質量百分比：Si為0.600％，Mg為0.900％，Fe為0.131％，Cu為0.254％，Mn為0.136％，Cr為0.186％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.50。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。實施例4按各成分的質量百分比：Si為0.621％，Mg為0.926％，Fe為0.128％，Cu為0.297％，Mn為0.104％，Cr為0.142％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.49。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。實施例5按各成分的質量百分比：Si為0.588％，Mg為0.877％，Fe為0.134％，Cu為0.206％，Mn為0.146％，Cr為0.195％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.49。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。對比例1按各成分的質量百分比：Si為0.622％，Mg為0.925％，Fe為0.155％，Cu為0.294％，Mn為0.148％，Cr為0.197％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.48。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。對比例2按各成分的質量百分比：Si為0.587％，Mg為0.875％，Fe為0.112％，Cu為0.204％，Mn為0.109％，Cr為0.145％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.49。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。對比例3按各成分的質量百分比：Si為0.592％，Mg為0.879％，Fe為0.124％，Cu為0.241％，Mn為0.091％，Cr為0.147％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.48。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。對比例4按各成分的質量百分比：Si為0.600％，Mg為0.898％，Fe為0.125％，Cu為0.257％，Mn為0.107％，Cr為0.131％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.50。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。對比例5按各成分的質量百分比：Si為0.598％，Mg為0.894％，Fe為0.139％，Cu為0.252％，Mn為0.148％，Cr為0.215％，其它雜質總量≤0.15％，余量為Al進行配料；其中Mg和Si的質量比為：Mg/Si＝1.49。按照與實施例1相同的工藝生產得到擠壓需要的Al-Mg-Si-Cu合金鑄錠。效果實施例實施例1～5和對比例1～5中合金成分見表1，將制得的鋁合金圓鑄錠分別鋸切成470mm短料，按照以下工藝擠壓制成規格為直徑30mm的棒材。(ⅰ)鑄錠加熱采用電磁感應加熱，將上述合金鑄錠在鋁棒加熱爐中加熱到540℃；(ⅱ)擠壓工藝為：擠壓溫度520℃，型材擠壓比20，擠壓速度(主缸推進速度)2.0mm/s；(iii)固溶處理采用在線淬火：使用水溫為30℃的水對型材進行快速冷卻，冷卻速度為40℃/s；再使用拉伸機對擠壓后的型材進行拉伸，拉伸量控制在0.5～1.0％；(iv)時效工藝為：170℃保溫12h后空冷至室溫。2、按照GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》對上述棒材進行力學性能測試，根據國家標準GB/T6892-2015《一般工業用鋁及鋁合金擠壓型材》給出對比鋁合金6061-T6的力學性能，測試結果見表2(熱處理狀態為T6)。3、按照GB/T3246.1-2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法第1部分：顯微組織檢驗方法》測試試樣晶粒尺寸，測試結果見表3。表2：力學性能測試結果表3：不同合金平均晶粒尺寸表編號平均晶粒尺寸/μm普通6061合金200-300實施例115實施例225實施例324實施例430實施例519對比例184對比例2100對比例397對比例4117對比例576注：表3中普通6061合金的平均晶粒尺寸是用常規6061合金通過相同的制備工藝、相同的測試方法多次測量得到的平均數值。從表2中可以看出，與6061-T6國家標準對比，本發明合金在T6狀態下抗拉強度≥334MPa，屈服強度≥307MPa，斷后延伸率≥14％，比國標中6061-T6合金的最低標準分別高26％、25％、75％以上，具有較高的力學性能。從表3中可以看出，普通6061合金產品T6態下晶粒尺寸介于200～300μm，對比例1～5的合金T6態下晶粒尺寸介于76～117μm，晶粒尺寸遠遠大于本發明的晶粒大小；而本發明制備產品T6狀態下晶粒尺寸可控制在15～30μm之內，晶粒細小均勻，是各類鋁合金鍛壓制品的最佳原材料。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發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明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 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