一种稀土铝合金材质制成的油气管型材及其制备方法与流程

本发明涉及一种稀土铝合金材质制成的油气管型材及其制备方法。

背景技术：

长期以来油气管型材是汽车，机床，大小型机械，设备制造，液压等通油通气领域中的主要部件。特别是近几年国民经济实现了持续快速增长，汽车，机床等设备制造业的迅速发展，对汽车，机床，大小型机械等带来更多的市场需求,随之而来的是对油气管型材需求量增大并提出了更高的要求。目前设备制造领域使用的油气管型材大多数都是用铜材质制成，少数有使用普通铝合金或纯铝材质制成的。为此生产油气管型材需要大量的铜原料，而我国是一贫铜的国家，每年工业所需铜原料大量由进口而来，对国家这一战略物资的储备是当务之急。而我国的铝资源储备量丰富，以铝代铜为思路研发了一种稀土铝合金油气管型材是根据稀土铝合金材质优良的物理特性及耐腐蚀性，使用有特定配方的稀土铝合金材质经铸锭扎制再经型材工艺制成油气管型材。稀土铝合金油气管型材有以下优点，比铜材质油气管型材成本低但有比铜材质及普通铝合金或纯铝材质的油气管型材更好的耐腐蚀性及更好的机械物理性能。在汽车，机床，大小型机械，液压等通油通气设备领域使用稀土铝合金油气管型材将为国家节约大量的铜材，在设备制造业及汽车制造业中降低生产成本。其优良的机械物理性能在设备制造各工艺环节减少能耗。如申请号CN2015103104628公开了一种稀土改性铝合金材料及其方法；其利用特定的多种稀土金属以及Cu、Zn、Mn、Ni，制备了一种高载合的稀土铝合金。但是其原料中仍需要铜金属，同时需要特定的多种稀土金属，这样造成了制造成本高，难以实现大批量的生产。

技术实现要素：

针对铜材料市场需求高，现有的稀土铝合金制备成本高而导致的大批量生产油气管型材成本高，本发明提供一种成本较低、综合物理性能都较好的稀土铝合金油气管型材及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

使用了一种以稀土铝合金材质制成油气管型材，稀土铝合金材质为一种Al-Fe-Si-Mg-S-R铝合金，其中组成重量比为：特配稀土铝合金材质，所述S的含量与Mg的含量的总和不超过0.35wt％，Fe的含量不超过0.5wt％，Si＝0.05wt％～0.15wt％；R＝0.005wt％～0.25wt％；余量的为Al；所述S为V、Ti、Cr、Mn、Ni中的一种或多种元素组合，R为稀土中的一种或多种元素组合。对于制备不同的部件，因要求的性能指标不一样采用不同的配方。

优选的，Fe的含量为0.02wt％～0.4wt％；Mg＝0.05wt％～0.12wt％；S＝0.02wt％～0.25wt％。

优选的，特配稀土铝合金材质，所述铝合金材质的抗拉强度≥200MPa；断裂伸长率≥20％；腐蚀率≤0.004mm/a；平均蠕变速度≤6×10-2％/h；疲劳弯折次数≥30。

优选的，所述稀土铝合金还包括Ag、Cu、V金属的一种或几种。

本发明还提供了上述的稀土铝合金材质的制备方法，包括以下步骤：

(1)铸造稀土铝合金铸锭：根据上述配比配置好各个组份的量；

(2)将步骤(1)的稀土铝合金铸锭进行固溶处理；固溶处理的温度为450℃～650℃，时间为45min～60min；

(3)将步骤(2)处理后的所述稀土铝合金铸锭进行与时效处理；

(4)将步骤(3)时效处理后的稀土铝合金铸锭进行轧制后再进行软化处理；

(5)将步骤(4)处理后的稀土铝合金进行油气管型材成型处理及后处理。

稀土铝合金固溶处理的温度为450℃～650℃，时间为45min～60min；所述时效处理的温度为300℃～480℃，时间为1h～4h。软化处理的温度为145℃～160℃，时间为3h～6h。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明采用了铁等低成本辅助元素，同时加入少量的稀土元素能够净化合金，细化晶粒和组织。稀土能很好的改善耐腐蚀性，铁能够改善稀土铝合金的机械强度与拉伸性能，明显提高稀土铝合金的高温抗蠕变性能与抗疲劳性能；一方面极大的提高了稀土铝合金的综合物理性能，另一方面降低了成本。本申请还限定了S与Mg的比例总和，控制好添加元素的比例能够保障对稀土铝合金性能不同的需求，稀土合金各成份良好的匹配使其具有较好的耐腐蚀性与机械物理综合性能。该方法制成的稀土铝合金油气管型材较现有铜材质油气管型材机械物理性能大幅提高，腐蚀率≤0.004mm/a优于于铜材质油气管型材及纯铝或普通铝合金材质油气管型材，造价低于铜材质油气管型材，使用寿命较铜材质油气管型材提高15～20年，稀土铝合金油气管型材的耐腐蚀性与机械物理性能得以显著提升。同时本申请采用的合成稀土铝合金油气管型材方法简易，步骤少，利于大批量的工业生产。

2.合理控制时效处理和软化处理的处理温度和时间，提高合金的内部有序性，增强稀土铝合金的耐腐蚀性与机械物理性能。

附图说明

图1为制造稀土铝合金油气管型材工艺流程图。

图2为稀土铝合金油气管材示意图

图3为稀土铝合金阀门件示意图

图4为稀土铝合金金相图对比图。

具体实施方式

本发明申请公开的稀土铝合金材质为一种Al-Fe-Si-Mg-S-R铝合金，其中组成重量比为：Fe＝0.02wt％～0.4wt％；Si＝0.05wt％～0.15wt％；Mg＝0.05wt％～0.12wt％；S＝0.02wt％～0.25wt％；R＝0.005wt％～0.25wt％；余量的为Al；所述S为V、Ti、Cr、Mn、Ni中的一种或多种元素组合，R为稀土中的一种或多种元素组合，对于制备不同的部件，因要求的性能指标不一样采用不同的配方。

本发明申请中采用的基体铝为用工业用纯铝，由于铝原料在我国储存较大本申请中使用的纯铝具有原料供应充足、成本低、采购方便等优势；基体铝可以采用纯度为99.5％～99.9％纯铝作为基体合金原料，铝基的纯度越高合成的稀土铝合金材质品质更高，最后制成的稀土铝合金油气管型材的耐腐蚀性和机械物理性能更好。

本发明申请中采用铝为基体，添加了微量的铁，铁可以改善铝合金的机械强度和拉伸性能，提高铝基的抗张强度、屈服极限以及耐热性能，提高合金的塑性，合金中铝与铁析出部分有Al3Fe，Al2Fe3、Al4Fe5化合物，弥散析出相能增强合金的抗疲劳性能和高温运行的耐热性能，铁的含量为0.05wt％～0.5wt％。

本发明申请中采用铝为基体，添加了微量的Mg能很好的改善耐腐蚀性，使得原铝基材质耐腐蚀性得以显著提高，同时减少对因加铁后对耐腐蚀性影响，又不失去因加铁对机械物理性能的提高。对Mg含量的加入应准确控制是对腐蚀率与物理性能的平衡，Mg的含量为0.05wt％～0.12wt％。

本发明申请中采用铝为基体，添加了微量的S成份，S为V、Ti、Cr、Mn、Ni中的一种或多种元素组合，所述S成份的加入可以提高合金的强度以及高温蠕变性能，并能改善抗疲劳性能，有助提高Fe、Mg固溶体在铝基中有序排列。Ti、Ni还可以改善合金的加工特性，V、Mn可以提高机械强度，提高耐腐蚀性，S的含量为0.02wt％～0.25wt％。

本发明申请中采用铝为基体，添加了微量的R成份的稀土元素，所述稀土元素R为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)中的一种或多种元素组合。所述R不仅可以提高合金的耐腐蚀性能，还能提高合金的抗疲劳性能，延长油气管型材的使用寿命,提高合金的超塑性及热学性能，改善合金的焊接性能。显助提高Fe、Mg固溶体在铝基中有序排列以增加耐腐蚀性。所述R的含量R＝0.005wt％～0.25wt％，优选地，其中R 总含量的55％应为Ce或La。

本发明申请中提供了一种Al-Fe-Si-Mg-S-R铝合金油气管型材的制备方法，包括以下步骤：

(1)铸造稀土铝合金铸锭；按上述比例配方将各元素配置后放入恒温冲天炉中熔炼，熔炼温度为760℃下熔炼，得到熔体稀土铝合金，再在680℃以下将熔体稀土铝合金进行铸造，得到稀土铝合金铸锭。

(2)制备完成稀土铝合金铸锭后，将所述稀土铝合金铸锭进行热处理，首先对稀土铝合金铸锭进行固溶处理，固溶处理的温度为450℃～650℃，时间为45min～60min，固溶处理能够提高铝合金的机械强度与高温抗蠕变性能及提高固溶体的有序性。固溶处理后的稀土铝合金铸锭将进行时效处理，时效处理的温度为300℃～480℃，时间为1h～4h，通过时效处理使稀土铝合金的性能均匀分布，特别是提高稀土铝合金的高温抗蠕变性能。

(3)将经过固溶处理，时效处理的稀土铝合金再进行软化处理，软化处理的温度为145℃～160℃，时间为3h～6h在惰性气体下进行。所述软化处理能够消除加工过程中的残余应力，进一步改善稀土铝合金的性能，尤其是优化稀土铝合金的机械性能与耐腐蚀性，提高铝合金的延展性能与抗疲劳性能，见图4的金相图对比。

(4)将经固溶处理与时效处理与软化处理后的稀土铝合金铸锭进行轧制，得到的稀土铝合金的抗拉强度≥200MPa；断裂伸长率≥20％；腐蚀率≤0.004mm/a；平均蠕变速度≤6×10-2％/h；疲劳弯折次数≥30的制备稀土铝合金油气管型材的胚料。

(5)按传统型材制做工艺将稀土铝合金油气管型材的胚料制成所需的型材：如管材，连接器等，此时制成的稀土铝合金油气管型材需经过退火处理，退火温度为400℃～420℃，时间为18～28h.

(6)经过退火处理的稀土铝合金油气管型材再经过化学，机械，物理等性能的检验后为最终稀土铝合金油气管型材，有需保证物理尺寸的部件还需经过精加工过程才能成为最终成品。

附图4中展示了铝基原材质金相图和稀土铝合金金相图，铝基原材质金相图外表不规则，可以看到稀土铝合金金相图的更为平整规则，从而可以判断其物理性能更加好。

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

[实施例1]

(7)本实施例一种稀土铝合金管材，适用于汽车用各型油管所需的管材，见图2。

(8)本实施例公开的稀土铝合金材质为一种Al-Fe-Si-Mg-S-R铝合金，其中组成重量比为：0.39wt％的Fe；0.05wt％的Si；0.031wt％的Mg；V0.2wt％的S；0.24wt％的R；余量的为Al；采用纯度为99.80％纯铝作为基体合金原料，铸造稀土铝合金铸锭；按上述比例配方将铝铁合金，铝硅合金，铝镁合金，铝S合金，铝R合金配置后放入恒温冲天炉中熔炼，熔炼温度为760℃熔炼，得到熔体稀土铝合金，在铝合金熔体中加入精炼剂并搅拌均匀，再静置保温30min再在650℃将熔体稀土铝合金进行铸造，得到稀土铝合金铸锭。

(9)将所述稀土铝合金铸锭进行热处理，首先对稀土铝合金铸锭进行固溶处理，固溶处理的温度为650℃，时间为60min，固溶处理能够提高铝合金的机械强度与高温抗蠕变性能及固熔体的有序性。固溶处理后的稀土铝合金铸锭将进行时效处理，时效处理的温度为480℃，时间为4h，通过时效处理使稀土铝合金的性能均匀分布，特别是提高稀土铝合金的高温抗蠕变性能。时效处理后的稀土铝合金再进行软化处理，软化处理的温度为160℃，时间为6h在惰性气体下进行。

(10)得到满足要求的抗拉强度等于230MPa；断裂伸长率等于25％；腐蚀率≤0.0038mm/a；平均蠕变速度等于6×10-2％/h；疲劳弯折次数等于36的制备稀土铝合金管材的胚料。

(11)按传统管材制做工艺将稀土铝合金管材的胚料制成所需型号的管材，此时制成的稀土铝合金管材需经过退火处理，退火温度为430℃，时间为24h。再经过化学，机械，物理等性能的检验合格后为最终稀土铝合金管材件，

[实施例2]

(12)本实施例制做一种稀土铝合金管材，适用于液压机所需液压泵输油管的管材，见图2。

(13)本实施例公开的稀土铝合金材质为一种Al-Fe-Si-Mg-S-R铝合金，其中组成重量比为：0.31wt％的Fe；0.07wt％的Si；0.045wt％的Mg；S是利用的V，0.21wt％的V；0.003wt％的R；采用纯度为99.80％纯铝作为基体合金原料，铸造稀土铝合金铸锭；按上述比例配方将铝铁合金，铝硅合金，铝镁合金，铝S合金，铝R合金配置后放入恒温冲天炉中熔炼，熔炼温度为740℃熔炼，得到熔体稀土铝合金，在铝合金熔体中加入精炼剂并搅拌均匀，再静置保温30min再在650℃将熔体稀土铝合金进行铸造，得到稀土铝合金铸锭。

(14)将所述稀土铝合金铸锭进行热处理，首先对稀土铝合金铸锭进行固溶处理，固溶处理的温度为620℃，时间为60min，固溶处理能够提高铝合金的机械强度与高温抗蠕变性能及固熔体的有序性。固溶处理后的稀土铝合金铸锭将进行时效处理，时效处理的温度为470℃，时间为3.6h，通过时效处理使稀土铝合金的性能均匀分布，特别是提高稀土铝合金的高温抗蠕变性能。时效处理后的稀土铝合金再进行软化处理，软化处理的温度为160℃，时间为6h在惰性气体下进行。

(15)得到满足要求的抗拉强度等于245MPa；断裂伸长率等于24％；腐蚀率≤0.004mm/a；平均蠕变速度等于5.8×10-2％/h；疲劳弯折次数等于35的制备稀土铝合金管材的胚料。

(16)按传统管材制做工艺将稀土铝合金管材的胚料制成所需型号的管材，此时制成的稀土铝合金管材需经过退火处理，退火温度为425℃，时间为23.5h。再经过化学，机械，物理等性能的检验合格后为最终稀土铝合金管材件，

[实施例3]

(17)本实施例制做一种稀土铝合金板材，适用于空气压缩机的空气管道的管材，见图2。

(18)本实施例公开的稀土铝合金材质为一种Al-Fe-Si-Mg-S-R铝合金，其中组成重量比为：0.22wt％的Fe；0.09wt％的Si；0.065wt％的Mg；S是Ti和Ni，0.13wt％的Ti和0.05wt％的Ni；0.11wt％的R；采用纯度为99.80％纯铝作为基体合金原料，铸造稀土铝合金铸锭；按上述比例配方将铝铁合金，铝硅合金，铝镁合金，铝S合金，铝R合金配置后放入恒温冲天炉中熔炼，熔炼温度为720℃熔炼，得到熔体稀土铝合金，在铝合金熔体中加入精炼剂并搅拌均匀，再静置保温30min再在650℃将熔体稀土铝合金进行铸造，得到稀土铝合金铸锭。

(19)将所述稀土铝合金铸锭进行热处理，首先对稀土铝合金铸锭进行固溶处理，固溶处理的温度为590℃，时间为55min，固溶处理能够提高铝合金的机械强度与高温抗蠕变性能及固熔体的有序性。固溶处理后的稀土铝合金铸锭将进行时效处理，时效处理的温度为450℃，时间为3.3h，通过时效处理使稀土铝合金的性能均匀分布，特别是提高稀土铝合金的高温抗蠕变性能。时效处理后的稀土铝合金再进行软化处理，软化处理的温度为155℃，时间为5.5h在惰性气体下进行。

(20)得到得到满足要求的抗拉强度等于236MPa；断裂伸长率等于23％；腐蚀率≤0.004mm/a；平均蠕变速度等于5.3×10-2％/h；疲劳弯折次数等于34的制备稀土铝合金板材的胚料。

(21)按传统板材制做工艺将稀土铝合金板材的胚料制成所需型号的板材，此时制成的稀土铝合金板材需经过退火处理，退火温度为410℃，时间为23h。再经过化学，机械，物理等性能的检验合格后为最终稀土铝合金板材件，

[实施例4]

(22)本实施例制做一种稀土铝合金阀门件，适用于输油管的管件连通体所需的阀门件，见图3。

(23)本实施例公开的稀土铝合金材质为一种Al-Fe-Si-Mg-S-R铝合金，其中组成重量比为：0.12wt％的Fe；0.12wt％的Si；0.081wt％的Mg；0.12wt％的V；0.02wt％的R；采用纯度为99.80％纯铝作为基体合金原料，铸造稀土铝合金铸锭；按上述比例配方将铝铁合金，铝硅合金，铝镁合金，铝S合金，铝R合金配置后放入恒温冲天炉中熔炼，熔炼温度为730℃熔炼，得到熔体稀土铝合金，在铝合金熔体中加入精炼剂并搅拌均匀，再静置保温30min再在650℃将熔体稀土铝合金进行铸造，得到稀土铝合金铸锭。

(24)将所述稀土铝合金铸锭进行热处理，首先对稀土铝合金铸锭进行固溶处理，固溶处理的温度为560℃，时间为55min，固溶处理能够提高铝合金的机械强度与高温抗蠕变性能及固熔体的有序性。固溶处理后的稀土铝合金铸锭将进行时效处理，时效处理的温度为430℃，时间为3h，通过时效处理使稀土铝合金的性能均匀分布，特别是提高稀土铝合金的高温抗蠕变性能。时效处理后的稀土铝合金再进行软化处理，软化处理的温度为155℃，时间为5.5h在惰性气体下进行。

(25)得到满足要求的抗拉强度等于210MPa；断裂伸长率等于22％；腐蚀率≤0.003mm/a；平均蠕变速度等于5.1×10-2％/h；疲劳弯折次数等于33的制备稀土铝合金阀门件的胚料。

(26)按传统阀门件压铸制做工艺将稀土铝合金阀门件的胚料制成所需型号的阀门件，此时制成的稀土铝合金阀门件需经过退火处理，退火温度为415℃，时间为22h。为保证所需型号的物理尺寸再经过精加工工艺，通过化学，机械，物理等性能的检验合格后为最终稀土铝合金板阀门件。