本發明屬于合金材料
技術領域：
，特別涉及一種鋁合金及其制備工藝與應用。
背景技術：
：鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業中已大量應用。鋁合金密度低，但強度比較高，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業上廣泛使用，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械性能，物理性能和抗腐蝕性能。在礦井巷道支護中，U型鋼作為礦井支護材料，早已被廣泛應用，特別是在深部復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。因而國外發達國家對鋼材料在礦井中應用的安全問題早就進行了研究，但至今尚未獲得突破性進展。且U型鋼支架的密度較大，運輸和施工難度大，且成本高。6351鋁合金是6系列合金中強度較高的一種，強度比6061合金高，比6082合金稍低，如6351-T6型材要求最小抗拉強度為295Mpa，擠壓成型性好。其多用于公路交通設施的擠壓結構材料，需要材料強度高的輸氣、輸油、輸水管道。但是，其材料力學性能仍不能滿足礦用支護材料的要求。技術實現要素：鑒于上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的在于提出一種鋁合金及其制備工藝；本發明還提供一種輕質、高強的鋁合金U型礦用支架，不僅具有較高的強度、抗腐蝕性，優良的沖擊韌性和塑性，且具有摩擦火花安全性好，密度小的優點，可替代傳統的U型鋼制備的U型礦用支架。本發明的目的將通過以下技術方案得以實現：一種鋁合金，其特征在于，該合金的化學成分具有質量百分比含量為：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。一種鋁合金的制備工藝，包括以下步驟：備料→熔煉→加細化劑→加中間合金→成分調整→精煉→澆鑄；a、備料：按重量百分比準備合金原料：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，加熱熔爐進行熔煉，使熔爐內原料全部熔為合金溶液；c、加入細化劑在熔爐內合金溶液溫度達到740℃左右時加入鋁鈦硼細化劑，強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到730℃-760℃，和爐內溫度趨于一致(溫差不超過20℃)；e、成分調整：取樣檢測合金熔液的成分含量，根據設計的成分含量進行調整，直至確認各組成分符合設計的成分含量，所述設計的成分含量如下：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：在經成分調整后的合金熔液加入0.2％鋁合金精煉劑，用99.99％的氮氣噴入，除去熔爐內的氣體及雜質，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靜置30min，并將靜置爐內的溫度保持在720℃-740℃之間；然后將鋁合金熔液通過鑄造機進行鑄造成型，可制成規定尺寸的鍛造圓棒毛坯，以便于后續的加工。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切割柵梁和柵腿，柵梁用壓力機用模具壓力成弧形；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材料中的應用，進一步的，所述鋁合金在制備U型礦用支架中的應用。通過上述技術方案，本發明具有如下的優越性：本發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。0.3-1.2％的B能夠與Ti形成TiB2提高了晶粒細化程度，同時提高制備工藝過程中的淬透性，可使調質后性能大為改善；0.05-0.3％的Sc對鋁合金有很好的延壓強化作用，同時提高鋁合金的強度；1-3％的Ti能細化晶粒，顯著提高室溫、高溫強度和鑄造性能。本發明提供的鋁合金，具有高強度、高塑性和高韌性，具有較好的綜合機械性能。且具有摩擦火花安全性好，密度小，耐腐蝕的優點，適用于各類工件的高強度，高支撐力，不易變形的要求。本發明提供的上述鋁合金鑄造的U型礦用支架，同樣具備以上優點，且支撐力較高，支護強度大，不易變形。其力學性能抗拉強度，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方便和省力；鋁合金U型支架之間碰撞不會產生火花，在易燃易爆的環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；循環使用，方便回收，回收率高達99％，回收價值高，輕質、高強的鋁合金U型支架可替代傳統的U型鋼制備的礦用U型鋼支架。附圖說明圖1是本發明實施例的結構示意圖。圖中，1柵梁，2柵腿，3螺栓。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。一種鋁合金，該合金的化學成分具有質量百分比含量為：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。實施例1按照表1中實施例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→加細化劑→加中間合金→成分調整→精煉。詳細步驟如下：先按照表1中實施例1鋁合金的組成準備合金原料：將實施例1鋁合金各組分原料投入到熔煉爐中，加熱熔煉爐進行熔煉，使熔煉爐內原料全部熔為鋁合金溶液；在熔爐內鋁合金溶液溫度達到740℃左右時加入鋁鈦硼細化劑(加入量至鈦和硼成分范圍)，強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溫度在740-760°趨于一致；取樣檢測合金熔液的成分含量，根據設計的成分含量進行調整，直至確認各組成分符合設計的成分含量(見表1實施例1)。然后在經成分調整后的合金熔液加入0.2％鋁合金精煉劑，除去熔爐內的氣體及雜質，除去合金溶液表面浮渣，將經精煉后的合金熔液在720℃-740℃澆鑄成規定尺寸的鍛造圓棒毛坯，以便于后續的加工。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切割得到柵梁和柵腿，柵梁用壓力機用模具壓力成弧形；再經過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。本發明得到的鋁合金物理性能：密度為2.76g·cm-3。實施例2～3按照實施例1的技術方案將表1所列的實施例2和實施例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本發明實施例中鋁合金的組成及各組分的質量百分含量(wt％)實施例SiMgMnTiBScAl和不可避免的雜質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余量本發明得到的鋁合金的常規力學性能測試方法如下：抗拉強度、屈服強度(規定非比例延伸強度)、伸長率根據GB/T228-2002標準規定檢測方法；彈性模量根據GB/T8653-1988標準規定檢測方法；布氏硬度根據GB/T231.1-2002標準規定檢測方法。本發明將得到的鋁合金進行力學性能及成形性能測試，結果如表2所示，表2為本發明實施例得到的鋁合金的性能測試結果。本發明將得到的鋁合金成品進行摩擦火花安全性試驗，具體根據步驟按照《GB/T13813-2008煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗方法和判定規則》，按照判定規則為合格。表2本發明實施例1-3得到的鋁合金與對比例的性能測試結果由表2可以看出，本發明提供的鋁合金的彈性模量、抗拉強度、屈服強度、延伸性(伸長度)及硬度性能優于現有的6351鋁合金，且接近U型鋼。同時材料力學性能接近U型鋼，強度相近，密度只為U型鋼的1/3左右，故鋁合金比強度更高，完全可以滿足和代替U型鋼作為U型礦用支架的材料。由以上實施例可知，本發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。在本發明中，0.3-1.2％的B能夠與Ti形成TiB2提高了晶粒細化程度，同時提高制備工藝過程中的淬透性，可使調質后性能大為改善；0.05-0.3％的Sc對鋁合金有很好的延壓強化作用，提高鋁合金的強度；1-3％的Ti能細化晶粒，顯著提高室溫、高溫強度和鑄造性能，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，本發明提供的鋁合金即具有高強度、高塑性和高韌性等，具有較好的綜合機械性能，還具有摩擦火花安全性好，密度小，耐腐蝕等優點。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，支護強度大，不易變形，可替代傳統的U型鋼制備的U型礦用鋼支架。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 2 3