一种再生高强度铝合金及其生产工艺的制作方法

本发明属于铝合金生产，更具体地是涉及一种再生高强度铝合金及其生产工艺。

背景技术：

1、铝作为世界上用量仅次于钢铁的金属，其广泛的应用和巨大的市场需求使得铝资源的有效利用成为行业关注的焦点。特别是在铝的再生利用方面，随着废弃铝制品量的增加，再生铝已成为铝行业可持续发展的重要途径。再生铝的生产不仅能大幅度节约投资、降低成本，还能显著减少能源消耗和环境污染。并且，再生铝的能耗仅为原生铝的5％，且碳排放量远低于原生铝。

2、然而，尽管再生铝的生产具有显著的经济效益和环境效益，但现有的再生铝熔炼工艺技术水平仍然存在诸多技术问题。首先，国内再生铝熔炼工艺技术水平普遍较低，缺乏先进的在线检测技术，导致熔炼过程中合金成分的控制不够精确，难以生产出高质量、高附加值的高强度铝合金产品。这不仅影响了再生铝产品的市场竞争力，也限制了其在高端应用领域的发展。其次，在再生铝熔炼过程中，废铝原料的杂质含量多、成分复杂，如铁含量和锌含量经常超标，给合金成分的控制带来了极大的挑战。现有的熔炼工艺往往难以有效去除这些杂质，导致生产出的铝合金产品性能不稳定，难以满足市场需求。国内再生铝熔炼过程中还存在能源消耗高、环境污染重等问题。原生铝的生产过程需要消耗大量电能，而再生铝的生产虽然能耗较低，但由于技术水平的限制，其能耗和污染排放仍然较高，不利于行业的可持续发展。此外，现有技术中合金化、热处理等关键技术方面也存在不足，限制了再生铝产品的性能和应用范围，以及缺乏满足航空航天、汽车制造等领域对高性能、高强度铝合金材料的技术和能力，这些问题严重制约了再生铝产业的发展和应用领域的拓展，亟需通过技术创新和工艺改进加以解决。

3、高强度铝合金产品需具备高强度、高延伸率、高硬度的性能，而以往在不做热处理的条件下，硬度只能达到80hbw左右，硬度的降低可能会导致铝合金在遭受强大冲击或拉伸力时抗拉强度下降。在一些工业应用和制造过程中，硬度不足的铝合金零件可能在加工或使用过程中发生变形、磨损等问题，这会导致生产效率下降、成本增加，在汽摩配件中属于安全件的甚至可能造成生命财产损失。

技术实现思路

1、鉴于上述技术问题，本发明提供了一种再生高强度铝合金及其生产工艺，以期通过优化配料系统计算最佳的再生原料配比，采用先进的在线检测技术精确控制合金成分，并通过特定的熔炼和热处理工艺去除杂质、细化晶粒、提高合金性能，从而生产出成分组成、力学性能完全符合特定要求的再生高强度铝合金产品。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种再生高强度铝合金以质量百分比计，包含：铁0.7-0.9％，钒0.05-0.12％，硅5-7％，铜1.5-2.0％，锰0.2-0.4％，镁0.25-0.3％，锌≤0.8％，钛0.08-0.12％，锶0.005-0.01％，余量为铝。

3、区别于现有技术，本发明提供的再生高强度铝合金通过精准控制合金中铁、钒、硅、铜等元素的含量，能够显著提升铝合金的机械强度和延展性，钛、锶等微量元素，能够显著改善铝合金的晶粒细化效果，优化铸造性能，提高铸件的表面质量和内在质量，铜、锰和钛等元素的协同作用，赋予了材料更好的耐腐蚀性能，延长了使用寿命，尤其在恶劣的工作环境中，该合金表现出优异的抗氧化和抗腐蚀能力。这种优化配方使得该再生高强度铝合金在承受高应力时仍具有良好的韧性，适合应用于高强度需求的工业领域。由于采用生铝与再生铝的混合原料，有效降低了生产成本，合理的成分设计和再生铝的利用节约了原材料成本，符合环保和可持续发展的要求。

4、在优选的实施例中，再生高强度铝合金由包括以下步骤的制备方法制备得到：

5、备料：按重量百分比计，称取生铝50-55％、再生铝35-40％、金属硅5-7％、电解锰0.05-0.15％、光亮铜0.3-0.4％、钛剂0.4-0.6％、镁锭0.05-0.15％、铝钒0.4-0.6％、铝锶0.05-0.15％，备用；

6、加入第一批原料拌料、加热熔化：向溶解炉中加入所述生铝和再生铝，加热使之形成第一铝液，所述第一铝液温度为第一温度；

7、第一次浇注成分试样检测成分；

8、加入第二批原料拌料、加热合金化：将所述第一铝液温度调整到第二温度，加入所述金属硅、光亮铜、电解锰，加热保温，搅拌均匀，得到第二铝液；

9、第二次浇注成分试样检测成分；

10、加入第三批原料拌料、加热：将所述第二铝液温度调整到第三温度，加入所述钛剂、镁锭、铝钒，加热保温，搅拌均匀，得到第三铝液；

11、第三次浇注成分试样检测成分；

12、除气除渣：将所述第三铝液温度调整到第四温度后，加入除气剂，搅拌均匀，预热除气棒，除气，静置，去除表面浮渣，得到第四铝液；

13、加入第四批原料拌料、加热：将所述第四铝液温度调整到第五温度，加入所述铝锶，用氮气搅拌均匀，得到第五铝液；

14、第四次浇注成分试样检测成分：

15、压铸、热处理：控制所述第五铝液温度至第六温度，压铸，自然时效处理15d，检测压铸状态下的力学性能，t5热处理。

16、这样的实施例中，通过分批次、分阶段加入不同原料，并在每个阶段对合金成分进行在线检测，确保了合金成分的精确控制，这种分步骤的加工方式能够有效防止杂质的混入，提高了铝合金的纯度，进而提升了材料的整体性能和稳定性。在压铸和热处理步骤中，通过严格控制温度和压力条件，确保铝合金在压铸成型时获得最佳的晶粒结构和力学性能。这一过程有助于提高合金的强度、韧性和延展性，使得最终产品更适合于承受高强度负荷的应用场景。除气除渣步骤通过使用氮气和预热除气棒，有效去除了铝液中的气体和杂质，减少了铸件中的气孔、夹杂物等缺陷，显著提高了铸件的内在质量和表面质量，确保获得高精度、高质量的铝合金铸件。通过在不同阶段调整温度和保温时间，结合多次搅拌和合金化过程，确保了合金中各元素的充分融合，能够充分发挥各元素的协同作用，进一步提升材料的耐腐蚀性、导电性和其他综合性能。该方法合理利用再生铝与生铝的混合原料，在保证材料高性能的同时，减少了对原铝资源的依赖，有助于降低生产成本和环境负荷，符合可持续发展的要求。整个制备过程通过分批次、精确控制温度、时间以及成分检测，极大提高了工艺的可控性，能够有效应对不同生产条件下的变化，保证批次间产品质量的一致性。先经过自然时效，将工件放置在自然环境下经过自然时效15d，利用自然环境中的温度变化和材料内部的应力松弛原理，使内应力逐渐消除，再经过t5热处理提高铝合金的强度、硬度、力学性能和耐腐蚀性。

17、在优选的再生高强度铝合金中，保持锌和镁的质量比为2.5-3.0；保持硅和镁的质量比为35-55。这种配比能够在保证高强度的同时，避免因过高或过低的比例导致的材料脆性增加或韧性下降，确保合金在实际应用中的综合性能最优。锌和镁的适当配比还能增强铝合金的耐腐蚀性能。过量的锌可能会降低合金的耐腐蚀性，而通过控制锌和镁的比例，能够在提升强度的同时维持甚至改善材料的耐腐蚀能力，从而延长合金制品的使用寿命，尤其是在潮湿或腐蚀性环境中的应用。硅和镁的质量比为35-55可以改善合金的铸造性能。硅在铝合金中有助于降低熔点、改善流动性，并减少铸造过程中产生的热裂纹，而适量的镁则能够提高合金的硬度和强度。控制硅与镁的比例在35-55之间，能够在保证铸造性能的同时，提高合金的硬度和抗变形能力，适应复杂结构件的生产需求。锌和镁以及硅和镁的合理配比有助于优化铝合金的微观结构。控制这些元素的比例，可以有效细化晶粒，减少枝晶偏析现象，增强合金的均匀性。这种细化的微观结构不仅提升了合金的力学性能，还改善了材料的加工性，使其更易于后续的热处理和机械加工。通过保持适当的锌、镁、硅比例，能够优化合金的固溶处理和时效硬化过程。在热处理过程中，这些元素的合理配比能够促进合金的均匀析出，从而最大化提高合金的硬度和强度，使得最终产品在各种使用条件下表现出更优异的性能。

18、更优选地，保持锌和镁的质量比为2.7-2.9；保持硅和镁的质量比为40-50。这样的配比关系能显著提高再生高强度铝合金的强度和延展性。

19、优选地，所述压铸的工艺条件为：第六温度为620-670℃，压力范围为50-100mpa，所述第五铝液在型腔中的速度为60-120m/s。控制铝液在压铸过程中进入型腔的速度为60-120m/s，并在50-100mpa的压力下进行铸造，有助于增强铸件的致密性，适当的压射速度和压力可以有效填充模具的每一个细节，减少气孔、缩孔等铸造缺陷，最终提高铸件的密度和机械强度。压铸温度控制在620-670℃，能够确保铝液的良好流动性，同时避免因温度过高而导致的氧化和过度熔蚀模具。合适的温度范围可以减少冷隔和流痕等表面缺陷，使铸件表面更加光滑、平整，满足高质量表面要求的应用场景。在620-670℃的温度范围内进行压铸，结合50-100mpa的压力，能够有效平衡铸件的热应力，减少冷却过程中产生的热裂纹和铸件变形。合理的温度和压力控制可以确保铸件在冷却后保持良好的尺寸精度和形状稳定性。控制铝液在型腔中的速度为60-120m/s，使得铝液能够快速填充模具，提高压铸周期的效率。适当的速度不仅能够减少铸造时间，还可以确保铝液在模具中的均匀分布，减少二次加工的需求，从而提高整体生产效率。通过在压铸过程中精确控制温度、压力和铝液速度，能够有效控制铸件的晶粒结构，形成细小均匀的晶粒。这种优化的微观结构提高了铸件的强度、硬度和耐磨性，使得铸件能够在实际应用中表现出更优异的力学性能。压铸温度的合理控制有助于减少模具表面的热应力和磨损，降低模具的热疲劳效应。60-120m/s的铝液速度和50-100mpa的压力也能够减少模具的机械应力，延长模具的使用寿命，降低生产成本和提高经济效益。

20、更优选地，加入第一批原料拌料、加热熔化步骤中，所述第一温度为750-770℃；

21、加入第二批原料拌料、加热合金化步骤中，所述第二温度为750-780℃，加热保温时间为60-90min；

22、加入第三批原料拌料、加热步骤中，所述第三温度为730-750℃，加热保温时间为10-20min；

23、除气除渣步骤中，所述第四温度为710-740℃后，除气时间为20-30min，静置5-15min；

24、加入第四批原料拌料、加热步骤中，所述第五温度为690-740℃；

25、压铸、热处理步骤中，所述第六温度为630-660℃。

26、这样优选的实施例中，在加入每批原料后，通过严格控制温度、精确控制合金成分和保温时间，确保了合金元素的充分溶解和均匀分布，能够减少元素偏析现象，保证了铝合金成分的一致性和稳定性，进而提高了材料的力学性能。通过调整各阶段的温度，特别是在750-770℃、750-780℃、730-750℃等不同温度区间进行操作，结合合适的保温时间，可以精确控制铝液的粘度和流动性，有效减少铸造过程中出现的缺陷，如冷隔和缩孔，提升铸件的表面质量和内部致密性。合理的温度控制能够细化合金的晶粒结构，减少杂质的影响，形成更加均匀、致密的微观组织，使得铝合金表现出更高的强度、硬度和耐腐蚀性，满足更高要求的工业应用。在710-740℃的温度下进行除气处理，配合20-30分钟的除气时间和5-15分钟的静置时间，可以有效去除铝液中的气体和杂质，减少铸件中的气孔和夹杂物，显著提高铸件的质量和使用寿命。

27、更优选地，所述热处理温度为210-220℃，热处理时间为2-2.5h。这样能够促进铝合金中各元素的充分析出，强化铝合金的晶粒结构，优化材料的硬度和强度，合金元素更均匀地分布在基体中，形成稳定的化学结构，增强材料的耐腐蚀性能，使再生高强度铝合金在实际应用中具有更好的耐磨性、耐腐蚀性和抗冲击性能。适度的热处理时间(2-2.5小时)在保证材料强度的同时，避免了过度热处理导致的脆性增加。这样处理后的铝合金保持了良好的延展性和韧性，确保了在高强度应用中的可靠性，减少了断裂或失效的风险。

28、其中，优选所述除气剂为氮气，控制所述氮气流量为0.2-0.4mpa。从而有效减少铝液中的气泡，提高铝合金的纯净度。通过控制氮气能够高效地将铝液中的氢气和其他气体杂质带出，减少铸件中的气孔和夹杂物，提高铝合金的致密性和均匀性，进而提升铝合金的强度、硬度和韧性等机械性能，并确保铸件在承受外力具备更优异的抗疲劳性和抗冲击性。

29、优选地，所述钛剂含钛的质量分数为15％、铝钒含钒的质量分数为10％、铝锶含锶的质量分数为9％，镁锭含镁的质量分数为100％。通过优化铝锶和钛剂的含量，能够显著提高铝合金的铸造流动性，减少铸造过程中的缺陷，如缩孔和冷隔等。特别是锶元素的添加，有助于改善铝合金的流动性和填充性能，确保铸件成形时具有更高的精度和质量。它和镁的配合使用能够显著提高合金的韧性和延展性。含钛量为15％的钛剂能够在铝基体中形成细小的钛化物颗粒，这些颗粒起到细化晶粒的作用，从而增强合金的韧性。同时，含镁100％的镁锭则为合金提供了必要的强化效果，使得合金在保持高强度的同时，仍具备良好的延展性。通过对这些关键原料的品质管控，可以确保在合金熔炼过程中，各种元素能够均匀地分布在铝基体中，避免成分偏析和组织不均匀问题，提高了合金的力学性能，还增强了材料的整体一致性和可靠性。

30、优选地，所述第一次至第四次浇注成分试样检测成分均为在线检测。引入的在线检测包括但不限于结合了光谱分析法、电感耦合等离子体原子发射光谱法、火花源原子发射光谱法等分析技术在第一次至第四次浇注成分试样检测成分的应用，极大地提升了生产过程的实时监控和质量控制水平。在线检测技术能够实时反馈合金成分的变化，确保每一步骤中的合金成分均达到预定标准。这种即时的反馈机制有助于快速调整生产参数，从而确保铝合金产品的质量和性能稳定。相较于传统的离线检测方式，在线检测技术不仅提高了检测效率，还增强了生产过程的灵活性和可控性。在线实时监测手段的实施可确保合金成分的精确性，以及该技术在提高产品质量一致性方面的优势。

31、区别于现有技术，上述技术方案通过精确控制各原料的配比和温度，确保了合金成分的均匀性和稳定性，有效提升了铝合金的强度。特别是通过多批次原料的逐步加入和加热合金化，实现了合金元素的有效融合，提高了合金的性能。此外，除气除渣步骤的引入，进一步提升了铝合金的纯净度，减少了内部缺陷。整体而言，该工艺不仅提高了铝合金的强度，还优化了合金的性能，具有广阔的应用前景和市场竞争力。

32、在上述成分控制指标下，得到的再生高强度铝合金产品的抗拉强度可达到300mpa以上，延伸率可达1.8％以上，硬度达到100hbw以上。

33、上述
技术实现要素：
相关记载仅是本技术技术方案的概述，为了让本领域普通技术人员能够更清楚地了解本技术的技术方案，进而可以依据说明书的文字及附图记载的内容予以实施，并且为了让本技术的上述目的及其它目的、特征和优点能够更易于理解，以下结合本技术的具体实施方式及附图进行说明。