光学铝合金和其制备方法与流程

1.本发明涉及铝合金材料制备技术领域，具体而言，涉及一种光学铝合金和其制备方法。


背景技术：

2.光学材料一般是指具有较高光学反射率而呈现镜面效果的金属或非金属材料。普通光学材料表面反射率≥70%即可满足应用需求，如汽车内饰、装饰面板和建筑装饰等；而对于芯片、雷达、太阳能、led和望远镜等光学器件领域，对材料表面的反射率要求更高，这就对光学材料提出了更高要求。目前，光学器件用材料主要分为金属材料和玻璃陶瓷等无机非金属材料两大类，而相比于sic陶瓷等非金属材料，金属材料具有更好的加工性能，可以充分利用现有的数控铣削工艺，实现复杂结构光学器件的加工。
3.铝合金由于重量轻、耐腐蚀和特定的机械/热性能，在制造金属光学反射镜等方面具有巨大的潜力。然而，高端芯片以及高端光学信息领域用高品质光学铝合金主要依靠进口，材料供应长期处于国外厂商垄断的情况下，极大的制约了我国半导体及高端光学信息行业的发展。近年来，国内采用6061铝合金通过精密磨削、磁流抛光、离子束抛光和镀膜(金/银)等一系列表面加工方法处理后，可以制备出表面光学反射率≥90%的镜面铝合金，但也仅仅达到半导体高端芯片以及高端光学信息领域应用的基本要求。
4.影响铝合金材料表面光洁度的主要因素有成分均匀性、组织均匀性、纳米沉淀性相分布均匀性、以及残余应力控制等，而采用传统工艺制备的铝合金通常具有较强的化学宏观偏析和不均匀的粗化组织，即使使用超高精密加工也无法实现优异的表面光洁度。cn113234973b提供了一种高品质镜面铝合金材料及其制备方法，通过在传统6061铝合金材料成分的基础上，适当降低铝合金中si、cu、mg的含量，同时添加微量元素ag、pb，并在制备过程中引入深冷变形、振动时效等措施，有效改善了合金的基体组织形态及晶粒形貌、尺寸，制备出了光学反射率更高的镜面铝合金，但该技术只在原有成分及制备工艺上进行优化，提高了材料的成分均匀性和组织均匀性，但仍不能满足高精度光学铝合金的材料要求。
5.因此，如何进一步提高铝合金材料的表面光学反射率，打破国外对高端芯片以及高端光学信息领域用高品质光学铝合金材料的垄断，降低国内光学材料的应用成本，成为本领域亟需解决的技术难题。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种光学铝合金和其制备方法，以解决现有技术中光学铝合金材料表面光学反射率偏低的问题。
7.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光学铝合金的制备方法，该制备方法包括：步骤s1，将原材料采用半连续铸造工艺制备铝合金原始铸锭，半连续铸造工艺包括对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造；步骤s2，将铝合金原始铸锭进行均匀化、切头尾、车皮，得到表面处理的合金原材料；步骤s3，采用熔
体纺丝法对表面处理的合金原材料进行快速凝固处理，得到快速凝固合金带材；步骤s4，将快速凝固合金带材经破碎处理后进行包套、冷压，得到冷压坯料；步骤s5，将冷压坯料经过1-2道次热挤压工序，制成棒料；步骤s6，将棒料进行固溶处理、时效处理，得到成品铝合金材料。
8.进一步地，铝合金原始铸锭包括以下组分：按质量百分比计，si含量0.40%~0.80%，fe含量≤0.10%；cu含量0.15%-0.40%，mn含量≤0.10%；mg含量0.80%-1.20%；cr含量0.15%-0.30%，ni含量≤0.05%，zn含量≤0.25%，ti含量0.05%-0.15%，zr含量0.02%-0.04%，v含量≤0.03%，sc含量0-0.20%，余量为al及杂质，且杂质总量低于0.15%，每种杂质元素含量低于0.05%。
9.进一步地，合金原材料的熔体温度为730-770℃，
10.和/或，过滤采用双级陶瓷过滤片进行过滤，双级陶瓷过滤片的第一级过滤片的孔径为35-45目，第二级过滤片的孔径为55-65目；
11.和/或，半连续水冷铸造的铸造速度为20-50mm/min，铝合金原始铸锭的直径为80-400mm。
12.进一步地，在步骤s2中，均匀化包括，将铝合金原始铸锭在490-560℃下保温，保温时间为8-16h；切头尾切掉的长度为100-150mm，车皮的深度为5-15mm。
13.进一步地，在步骤s3中，在甩带机中进行快速凝固处理，甩带机的熔化室中充入惰性气体，熔体温度为780~850℃。
14.进一步地，在步骤s3中，快速凝固处理的铜制冷却辊的旋转线速度为10-40m/s，优选的，冷却水流量1000-4000l/h。
15.进一步地，在步骤s3中，甩带机的喷嘴的压力差为15-30kpa，喷嘴的液体流出宽度为2.0-30.0mm。
16.进一步地，在步骤s4中，冷压在冷压模具中进行，保载压力为100-300mpa，保压时间为20-600s。
17.进一步地，在步骤s5中，热挤压的挤压筒温度为350-470℃，冷压坯料的加热温度为350-560℃，保温时间为20-60min；
18.和/或，热挤压的挤压模具温度为300-500℃，总挤压比为4-30，挤压速度≤6m/min。
19.进一步地，在步骤s6中，固溶处理的温度为510-570℃，时间为30-120min；
20.和/或，时效处理的温度为150-200℃，时间为1-8h。
21.根据本发明的另一方面，提供了一种光学铝合金，该光学铝合金由上述任一种的制备方法制备得到。
22.应用本发明的技术方案，利用快速凝固技术，可以显著细化晶粒组织，减少成分偏析，获得微米级的微观晶粒结构，可加工出高度平整的表面。另外，对快速凝固带材制备的冷压生坯料进行热挤压，能够保证成品棒材致密性和晶粒组织的均匀细化，对提升光学铝合金成品的表面状态具有重要作用。本发明采用“熔体纺丝-冷压-热挤压”的技术路线，能够获得成分均匀、晶粒组织均匀、纳米析出相弥散均匀的成品铝合金材料，可使本发明制备的光学铝合金表面精密加工后粗糙度达到ra3.0nm以下，增大了光学反射率，而且具有优异的抗拉强度和硬度。
附图说明
23.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
24.图1为本发明实施例1的制备方法工艺流程图；
25.图2为本发明实施例1制备的快速凝固合金带材样品；
26.图3为本发明实施例1制备的快速凝固合金带材的微观组织；
27.图4为本发明实施例1制备的快速凝固合金带材tem组织；
28.图5为本发明实施例4制备的快速凝固合金带材tem组织；
29.图6为本发明实施例1制备的成品材料样品；
30.图7为本发明实施例1制备的光学铝合金材料的金相组织；
31.图8为本发明实施例19制备的光学铝合金材料的金相组织；
32.图9为本发明实施例2制备的成品材料的低倍（50x）晶粒组织；
33.图10为本发明实施例2制备的成品材料的高倍（500x）晶粒组织；
34.图11为本发明实施例1的成品材料的纵截面sem组织；
35.图12为本发明实施例20的成品材料的纵截面sem组织；
36.图13为本发明实施例5制备的成品材料经过单点金刚石车削后的表面粗糙度测试结果。
具体实施方式
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
38.理论研究表明，铝合金材料的光学反射率主要与合金材料表面光洁度相关，而表面光洁度的大小主要取决于合金材料基体组织形态、晶粒形貌和大小以及第二相质点分布均匀性等。快速凝固是一种非平衡的凝固过程，以大于104~106k/s的冷却速率直接将液态材料瞬间冷凝成固态，一般生成非晶、准晶、微晶或纳米晶等，可得到一种具有特殊性能和用途的材料。现有技术中存在光学铝合金材料表面光学反射率偏低或者成本较高的问题，为了解决该问题，本技术提供了一种光学铝合金和其制备方法，利用快速凝固过程制备得到具有高光学反射率的光学铝合金材料。
39.根据本技术的一种典型的实施方式，提供了一种光学铝合金的制备方法，该制备方法包括：步骤s1，将原材料采用半连续铸造工艺制备铝合金原始铸锭，半连续铸造工艺包括对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造；步骤s2，将铝合金原始铸锭进行均匀化、切头尾、车皮，得到表面处理的合金原材料；步骤s3，采用熔体纺丝法对表面处理的合金原材料进行快速凝固处理，得到快速凝固合金带材；步骤s4，将快速凝固合金带材经破碎处理后进行包套、冷压，得到冷压坯料；步骤s5，将冷压坯料经过1~2道次热挤压工序制成棒料；步骤s6，将棒料进行固溶处理、时效处理，得到成品铝合金材料。
40.本技术利用快速凝固技术，可以显著细化晶粒组织，减少成分偏析，获得微米级的微观晶粒结构，可加工出高度平整的表面。另外，对快速凝固带材制备的冷压生坯料进行热挤压，能够保证成品棒材致密性和晶粒组织的均匀细化，对提升光学铝合金成品的表面状态具有重要作用。本发明采用“熔体纺丝-冷压-热挤压”的技术路线，能够获得成分均匀、晶
粒组织均匀、纳米析出相弥散均匀的成品铝合金材料，可使本发明制备的光学铝合金表面精密加工后粗糙度达到ra3.0nm以下，增大了光学反射率，而且具有优异的抗拉强度和硬度。
41.在本技术的一些典型的实施例中，上述铝合金原始铸锭包括以下组分：按质量百分比计，si含量0.40%~0.80%，fe含量≤0.10%；cu含量0.15%-0.40%，mn含量≤0.10%；mg含量0.80%-1.20%；cr含量0.15%-0.30%，ni含量≤0.05%，zn含量≤0.25%，ti含量0.05%-0.15%，zr含量0.02%-0.04%，v含量≤0.03%，sc含量0-0.20%，余量为al及杂质，且杂质总量低于0.15%，每种杂质元素含量低于0.05%。
42.通过对光学铝合金材料成分设计，严格降低杂质元素fe的含量，提高铝合金熔体纯净度，能够有效减少铝基体难溶fe相的体积，能够使成品材料在高精度表面加工过程中避免大块第二相造成的表面粗糙度提高，保证光学铝材料表面光洁度。另一方面，通过在常规al-mg-si系铝合金材料成分基础上，优化si、mg主合金元素的成分含量，控制析出相的原子比和尺寸，保证成品材料纳米析出相的尺寸稳定性。此外通过对mn元素含量的精确控制，有利于促进合金从alfesi相向alfemnsi相的转变。在此基础上添加微量合金元素cr、ti、zr等元素，改善合金相界间表面活性和铝基体硬度，提升材料的镜面精密加工成品率。
43.在本技术的一些实施例中，按质量百分比计，上述铝合金原始铸锭中fe含量≤0.08%；在本技术的一些实施例中，按质量百分比计，上述铝合金原始铸锭中fe含量≤0.06%；在本技术的一些实施例中，按质量百分比计，上述铝合金原始铸锭中fe含量≤0.04%。
44.上述铝合金原始铸锭中，按质量百分比计，si的含量可以列举为0.40%、0.45%、0.50%、0.55%、0.60%、0.65%、0.70%、0.75%、0.80%或者任意二者之间的范围。
45.上述铝合金原始铸锭中，按质量百分比计，mg的含量可以列举为0.80%、0.85%、0.90%、0.95%、1.00%、1.05%、1.10%、1.15%、1.20%或者任意二者之间的范围。
46.上述铝合金原始铸锭中，按质量百分比计，cr的含量可以列举为0.15%、0.20%、0.25%、0.30%或者任意二者之间的范围。
47.上述铝合金原始铸锭中，按质量百分比计，zr的含量可以列举为0.02%、0.025%、0.03%、0.035%、0.04%或者任意二者之间的范围。
48.在本技术的一些实施例中，按质量百分比计，上述铝合金原始铸锭中，mn含量≤0.09%；在本技术的一些实施例中，按质量百分比计，上述铝合金原始铸锭中mn含量≤0.07%；在本技术的一些实施例中，按质量百分比计，上述铝合金原始铸锭中mn含量≤0.06%；在本技术的一些实施例中，按质量百分比计，上述铝合金原始铸锭中mn含量≤0.04%。
49.上述铝合金原始铸锭中，按质量百分比计，sc的含量可以列举为0、0.02%、0.0/4%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%、0.14%、0.16%、0.18%、0.20%或者任意二者之间的范围。用于半连续铸造的原材料可以根据合金的组成选择相应的金属单质或者合金，在本技术的一些典型的实施例中，原材料包括：99.9%工业纯铝、工业纯镁，铝-铜中间合金、铝-锆中间合金、铝硅中间合金、铝-锰中间合金、铝铬中间合金、工业纯锌、铝-钛中间合金、铝-钒中间合金、铝-钪中间合金。
50.在本技术的一些实施例中，上述合金原材料的熔体温度为730-770℃。在本技术的
一些实施例中，半连续铸造的结晶器内铝液温度675-695℃，优选半连续水冷铸造的铸造速度为20-50mm/min，制备得到的铝合金原始铸锭的直径为80-400mm。
51.在本技术的一些实施例中，上述过滤采用双级陶瓷过滤片进行过滤，双级陶瓷过滤片的第一级过滤片的孔径为35-45目，第二级过滤片的孔径为55-65目，过滤效果较好，有利于提高最终铝合金产品表面的光洁度。
52.在本技术的一些典型的实施例中，在步骤s2中，均匀化包括，将铝合金原始铸锭在490-560℃下保温，保温时间为8-16h，对本技术的铝合金均匀化效果较好。在本技术的一些实施例中，切头尾切掉的长度为100-150mm，车皮的深度为5-15mm。
53.上述“快速凝固”是指熔融态的合金原料与快速旋转的冷却轮接触时，温度快速下降，得到金属带，将制得的金属带通过后续的致密化加工处理后，获得微米级的微观晶粒结构，可加工出高度平整的表面。
54.在本技术的一些实施例中，在步骤s3中，在甩带机中进行快速凝固处理，甩带机的熔化室中充入惰性气体，熔体温度为780~850℃，能够提高成品铝合金的表面光洁度，制备表面更加光滑、厚度更为均匀的快速凝固带材。上述惰性气体可以列举为氮气、氩气和氦气中的任意一种或者多种。在本技术的一些实施例中，先使甩带机的熔化室真空度为2-5
×
10-3
pa，再向熔化室中通入氩气进行保护，以保证熔化室内的氩气浓度，进一步提高铝合金的表面光洁度。
55.在本技术的一些实施例中，在步骤s3中，快速凝固处理的铜制冷却辊的旋转线速度10-40m/s，优选的，冷却水流量为1000-4000l/h，通过选择适宜的冷却辊旋转线速度和冷却水流量进一步提高快速凝固带材的表面光滑度和厚度的均匀性。优选的，甩带机的喷嘴压力差为15-30kpa，喷嘴的液体流出宽度2.0-30.0mm，对于得到表面光滑、厚度均匀的快速凝固合金带材作用明显。
56.在本技术的一些实施例中，上述步骤s3中，制备的带材厚度15-100μm，带材宽度2.0-30.0mm，制备的过程中冷却速率较高，有利于获得性能较好的铝合金材料。
57.在本技术的一些典型的实施例中，上述步骤s4包括：利用剪碎机对上述快速凝固合金带材进行粉碎，经过酒精超声清洗烘干后装入预先制作的包套中，利用压力机在冷压模具中进行冷压。在本技术的一些实施例中，冷压在冷压模具中进行，保载压力为100-300mpa，保压时间为20-600s，有助于提升冷压坯料的致密性，减少疏松、气孔缺陷，进而提高光学铝合金成品的表面光洁度。在本技术的一些实施例中，得到的冷压生坯为ф150-400mm。
58.在本技术的一些优选的实施例中，上述步骤s5中，热挤压的挤压筒温度为300-500℃，冷压坯料的加热温度为400-500℃，保温时间为20-60min；热挤压的挤压模具温度为300-500℃，总挤压比为4-30，挤压速度≤6m/min。通过挤压温度和挤压比的合理控制，进一步促使成品棒材致密性和晶粒组织的均匀细化，对提升光学铝合金成品的表面状态具有作用显著，增大光学反射率。在本技术的一些实施例中，通过热挤压得到ф20-120mm的挤压棒材。
59.上述步骤s6中，为了进一步提高成品铝合金材料的综合性能，优选的，固溶处理的温度为510-570℃，时间为30-120min。在本技术的一些实施例中，时效处理的温度为150-200℃，时间为1-8h，更好的控制成品材料晶粒尺度，合金的机械性能。
60.根据本技术的另一种典型的实施方式，提供了一种光学铝合金，该光学铝合金由上述任一种的制备方法制备得到。
61.本技术通过上述方法得到的光学率合金，通过有效控制成品材料晶粒尺度、再结晶体积分数、析出相尺寸及分布以及力学性能等关键指标，具有优异的表面加工性能，可通过单点金刚石精密车削、精密抛光技术等手段，获得表面粗糙度小于ra3nm的光学铝合金材料。
62.下面将结合实施例和对比例进一步说明本技术可以实现的有益效果。
63.实施例1
64.光学铝合金的制备方法工艺流程如图1所示
65.合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.67%；fe：0.075%；cu：0.30%，mn：0.084%；mg：0.90%；cr：0.21%，ni：0.03，zn：0.11%，ti：0.086%；zr：0.028%，v：0.013%，sc：0%，余量为al及杂质。采用上述原料进行配料，然后进行加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度740℃，结晶器内铝液温度695℃，铸锭直径ф178mm，铸造速度30mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行560℃、8h的均匀化，车皮、切头尾10mm后，加入单辊甩带机中，即单辊熔体旋转，进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为2
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度800℃，铜制冷却辊旋转线速度17m/s，冷却水流量2000l/h，喷嘴压力差20kpa，液体流出宽度10.0mm，制备的带材厚度40-60μm，带材宽度7.0-16.0mm；将合金带材经过机械剪碎，在酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力200mpa，保压时间30s，制成ф250mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行1道次热挤压，挤压筒温度400℃，生坯加热温度490℃，保温时间30min；挤压模具温度450℃，挤压比17.4，挤压速度3m/min，得到ф60mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效处理，固溶温度530℃，固溶时间60min；时效温度175℃，时效时间2h。
66.制备过程中形成的快速凝固合金带材如图2的照片所示，微观组织如图3所示，tem组织如图4所示；经过上述处理得到的光学铝合金的成品材料如图6所示，金相组织如图7所示，纵截面sem组织如图11所示。
67.实施例2
68.光学铝合金的制备方法，合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.63%；fe：0.077%；cu：0.30%，mn：0.083%；mg：0.85%；cr：0.22%，ni：0.03，zn：0.11%，ti：0.078%；zr：0.033%，v：0.015%，sc：0%，余量为al及杂质。对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度750℃，结晶器内铝液温度700℃，铸锭直径ф254mm，铸造速度25mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行530℃、16h的均匀化、切头尾、车皮10mm后，加入单辊甩带机中进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为3
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度810℃，铜制冷却辊旋转线速度30m/s，冷却水流量3500l/h，喷嘴压力差20kpa，液体流出宽度10.0mm，制备的带材厚度40-60μm，带材宽度7.0-16.0mm；将合金带材经过破碎、酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力200mpa，保压时间40s，制成ф150mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行1道次热挤压，挤压筒温度400℃，生坯加热温度450℃，保温时间30min；挤压模具温度450℃，挤压比9，挤压速度4m/min，得到ф50mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效
处理，固溶温度530℃，固溶时间60min；时效温度175℃，时效时间2h。该实施例的成品材料的低倍（50x）、高倍（500x）晶粒组织分别如图9、10所示。
69.实施例3
70.光学铝合金的制备方法，合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.71%；fe：0.068%；cu：0.34%，mn：0.085%；mg：0.86%；cr：0.22%，ni：0.015，zn：0.11%，ti：0.02%；zr：0.02%，v：0.015%，sc：0.02%，余量为al及杂质。对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度740℃，结晶器内铝液温度695℃，铸锭直径ф254mm，铸造速度20mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行560℃、8h的均匀化，切头尾、车皮10mm后，加入单辊甩带机中，即单辊熔体旋转，进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为2
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度820℃，铜制冷却辊旋转线速度17m/s，冷却水流量2000l/h，喷嘴压力差20kpa，液体流出宽度10.0mm，制备的带材厚度40-60μm，带材宽度7.0-16.0mm；将合金带材经过机械剪碎，在酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力200mpa，保压时间30s，制成ф240mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行1道次热挤压，挤压筒温度420℃，生坯加热温度530℃，保温时间30min；挤压模具温度480℃，挤压比16，挤压速度1.5m/min，得到ф60mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效处理，固溶温度560℃，固溶时间90min；时效温度175℃，时效时间2h。
71.实施例4
72.光学铝合金的制备方法，合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.69%；fe：0.072%；cu：0.32%，mn：0.089%；mg：0.83%；cr：0.20%；ni：0.01；zn：0.10%，ti：0.01%；zr：0.03%，v：0.01%，sc：0.13%，余量为al及杂质。对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度740℃，结晶器内铝液温度695℃，铸锭直径ф254mm，铸造速度20mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行540℃、8h的均匀化，切头尾、车皮10mm后，加入单辊甩带机中，即单辊熔体旋转，进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为2
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度830℃，铜制冷却辊旋转线速度17m/s，冷却水流量2000l/h，喷嘴压力差20kpa，液体流出宽度10.0mm，制备的带材厚度40-60μm，带材宽度7.0-16.0mm，其tem组织如图5所示；将合金带材经过机械剪碎，在酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力200mpa，保压时间30s，制成ф240mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行1道次热挤压，挤压筒温度420℃，生坯加热温度530℃，保温时间30min；挤压模具温度480℃，挤压比16，挤压速度1.5m/min，得到ф60mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效处理，固溶温度560℃，固溶时间90min；时效温度175℃，时效时间2h。
73.实施例5
74.光学铝合金的制备方法，合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.76%；fe：0.079%；cu：0.33%，mn：0.077%；mg：0.84%；cr：0.22%，ni：0.01，zn：0.10%，ti：0.04%；zr：0.026%，v：0.01%，sc：0.01%，余量为al及杂质。对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度740℃，结晶器内铝液温度695℃，铸锭直径ф254mm，铸造速度20mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行560℃、8h的均匀化，切头尾、车皮10mm后，加入单
辊甩带机中，即单辊熔体旋转，进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为2
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度810℃，铜制冷却辊旋转线速度23m/s，冷却水流量2500l/h，喷嘴压力差18kpa，液体流出宽度23.0mm，制备的带材厚度40-80μm，带材宽度15.0-28.0mm；将合金带材经过机械剪碎，在酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力120mpa，保压时间30s，制成ф405mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行2道次热挤压，道次1挤压筒温度300℃，生坯加热温度350℃，保温时间30min；挤压模具温度300℃，挤压比2.62，挤压速度0.5m/min，得到ф250mm的挤压棒材；道次2挤压筒温度420℃，生坯加热温度520℃，保温时间30min；挤压模具温度450℃，挤压比6.25，挤压速度1.2m/min，得到ф100mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效处理，固溶温度560℃，固溶时间90min；时效温度175℃，时效时间2h。
75.得到的成品材料经过单点金刚石车削后的表面粗糙度测试结果如图13所示。
76.实施例6
77.光学铝合金的制备方法，合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.63%；fe：0.077%；cu：0.30%，mn：0.083%；mg：0.85%；cr：0.22%，ni：0.03，zn：0.11%，ti：0.078%；zr：0.033%，v：0.015%，sc：0%，余量为al及杂质。对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度750℃，结晶器内铝液温度700℃，铸锭直径ф254mm，铸造速度25mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行560℃、12h的均匀化、切头尾、车皮10mm后，加入单辊甩带机中进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为3
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度810℃，铜制冷却辊旋转线速度30m/s，冷却水流量3500l/h，喷嘴压力差20kpa，液体流出宽度10.0mm，制备的带材厚度40-60μm，带材宽度7.0-16.0mm；将合金带材经过破碎、酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力200mpa，保压时间40s，制成ф150mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行1道次热挤压，挤压筒温度400℃，生坯加热温度450℃，保温时间30min；挤压模具温度450℃，挤压比9，挤压速度4m/min，得到ф50mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效处理，固溶温度530℃，固溶时间60min；时效温度175℃，时效时间6h。
78.实施例7
79.光学铝合金的制备方法，合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.67%；fe：0.075%；cu：0.30%，mn：0.084%；mg：0.90%；cr：0.21%，ni：0.03，zn：0.11%，ti：0.086%；zr：0.028%，v：0.013%，sc：0%，余量为al及杂质。对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度750℃，结晶器内铝液温度700℃，铸锭直径ф254mm，铸造速度25mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行530℃、16h的均匀化、切头尾、车皮10mm后，加入单辊甩带机中进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为3
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度810℃，铜制冷却辊旋转线速度15m/s，冷却水流量2000l/h，喷嘴压力差20kpa，液体流出宽度10.0mm，制备的带材厚度40-60μm，带材宽度7.0-16.0mm；将合金带材经过破碎、酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力200mpa，保压时间40s，制成ф150mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行1道次热挤压，挤压筒温度400℃，生坯加热温度450℃，保温时间30min；挤压模具温度450℃，挤压比9，挤压速度4m/min，得到ф50mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效处理，固溶温度530℃，固溶时间60min；时效温度175℃，时效时间2h。
80.实施例8
81.与实施例1的不同之处在于，将合金铸锭进行430℃、8h的均匀化。
82.实施例9
83.与实施例1的不同之处在于，合金原料中si的质量百分含量为0.3%。
84.实施例10
85.与实施例1的不同之处在于，合金原料中si的质量百分含量为1.0%。
86.实施例11
87.与实施例1的不同之处在于，合金原料中mg的质量百分含量为0.5%。
88.实施例12
89.与实施例1的不同之处在于，合金原料中mg的质量百分含量为1.5%。
90.实施例13
91.与实施例1的不同之处在于，合金原料中不含zr。
92.实施例14
93.与实施例1的不同之处在于，喷嘴压力差30kpa。
94.实施例15
95.与实施例1的不同之处在于，喷嘴压力差15kpa。
96.实施例16
97.与实施例1的不同之处在于，液体流出宽度5.0mm。
98.实施例17
99.与实施例1的不同之处在于，液体流出宽度30.0mm。
100.实施例18
101.与实施例1的不同之处在于，液体流出宽度35.0mm。
102.实施例19
103.光学铝合金的制备方法，合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.69%；fe：0.56%；cu：0.31%，mn：0.086%；mg：0.89%；cr：0.21%，ni：0.03，zn：0.12%，ti：0.09%；zr：0.02%，v：0.015%，sc：0%，余量为al及杂质。对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度740℃，结晶器内铝液温度695℃，铸锭直径ф178mm，铸造速度30mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行560℃、8h的均匀化，切头尾、车皮10mm后，加入单辊甩带机中，即单辊熔体旋转，进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为2
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度800℃，铜制冷却辊旋转线速度17m/s，冷却水流量2000l/h，喷嘴压力差20kpa，液体流出宽度10.0mm，制备的带材厚度40-60μm，带材宽度7.0-16.0mm；将合金带材经过机械剪碎，在酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力200mpa，保压时间30s，制成ф250mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行1道次热挤压，挤压筒温度400℃，生坯加热温度490℃，保温时间30min；挤压模具温度450℃，挤压比17.4，挤压速度3m/min，得到ф60mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效处理，固溶温度530℃，固溶时间60min；时效温度175℃，时效时间2h。
104.与实施例1相比，合金原材料采用工业纯铝，制备出的合金铸锭fe含量0.56%，远高于实施例1中合金的含fe量（0.075%）。制备出的成品材料横截面金相组织如图8所示，可以看到，该实施例中制备的成品材料组织中存在较多大块含fe相，这些含fe相尺寸较大，降低
材料的均匀性。
105.实施例20
106.光学铝合金的制备方法，合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.76%；fe：0.079%；cu：0.33%，mn：0.077%；mg：0.84%；cr：0.22%，ni：0.01，zn：0.10%，ti：0.04%；zr：0.026%，v：0.01%，sc：0.01%，余量为al及杂质。对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度740℃，结晶器内铝液温度695℃，铸锭直径ф254mm，铸造速度20mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行560℃、8h的均匀化，切头尾、车皮10mm后，加入单辊甩带机中，即单辊熔体旋转，进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为2
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度810℃，铜制冷却辊旋转线速度23m/s，冷却水流量2500l/h，喷嘴压力差18kpa，液体流出宽度23.0mm，制备的带材厚度40-80μm，带材宽度15.0-28.0mm；将合金带材经过机械剪碎，在酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力120mpa，保压时间30s，制成ф180mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行1道次热挤压，挤压筒温度300℃，生坯加热温度450℃，保温时间30min；挤压模具温度380℃，挤压比3.24，挤压速度0.5m/min，得到ф100mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效处理，固溶温度560℃，固溶时间90min；时效温度165℃，时效时间2h。
107.得到的成品材料的纵截面sem组织如图12所示。
108.实施例21
109.光学铝合金的制备方法，合金原料包括按质量百分比计的如下组分：si：0.63%；fe：0.077%；cu：0.30%，mn：0.083%；mg：0.85%；cr：0.22%，ni：0.03，zn：0.11%，ti：0.078%；zr：0.033%，v：0.015%，sc：0%，余量为al及杂质。对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造，得到铝合金原始铸锭，其中熔体温度750℃，结晶器内铝液温度700℃，铸锭直径ф254mm，铸造速度25mm/min；采用双级陶瓷过滤片进行过滤，过滤片目数分别为45目以及55目；将合金铸锭进行430℃、12h的均匀化、切头尾、车皮10mm后，加入单辊甩带机中进行快速凝固带材制备，熔化室真空度为3
×
10-3
pa，并通入氩气保护；熔体温度810℃，铜制冷却辊旋转线速度30m/s，冷却水流量3500l/h，喷嘴压力差20kpa，液体流出宽度10.0mm，制备的带材厚度40-60μm，带材宽度7.0-16.0mm；将合金带材经过破碎、酒精清洗烘干后进行包套、冷压，保载压力200mpa，保压时间40s，制成ф150mm的冷压坯料；再将冷压坯料进行1道次热挤压，挤压筒温度400℃，生坯加热温度450℃，保温时间30min；挤压模具温度450℃，挤压比9，挤压速度4m/min，得到ф50mm的挤压棒材；最后将棒料进行固溶、时效处理，固溶温度530℃，固溶时间60min；时效温度175℃，时效时间2h。
110.将上述实施例得到的铝合金成品进行测试，测试方法如下：
111.晶粒度测试：将成品材料制成光洁的金相试样，经过机械研磨、抛光后，进行阳极覆膜处理，置于型金相显微镜下观察并拍照，再依据gb/t 6394-2002直线截点法测量平均晶粒尺寸。
112.显微维氏硬度测试：将成品材料制成适当大小的金相试样，经过机械研磨、抛光后，在显微维氏硬度仪上进行硬度测试，每个样品十个硬度点，并取平均值。
113.精抛表面粗糙度测试：取相应直径的成品材料，经过机械车削后，在单点金刚石车床上进行精密车削，并利用高精度粗糙度仪对精密车削表面粗糙度进行测试。
114.上述指标的测试结果见下表1。
115.表1
[0116][0117]
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：利用快速凝固技术，可以显著细化晶粒组织，减少成分偏析，获得微米级的微观晶粒结构，可加工出高度平整的表面。另外，对快速凝固带材制备的冷压生坯料进行热挤压，能够保证成品棒材致密性和晶粒组织的均匀细化，对提升光学铝合金成品的表面状态具有重要作用。本发明采用“熔体纺丝-冷压-热挤压”的技术路线，能够获得成分均匀、晶粒组织均匀、纳米析出相弥散均匀的成品铝合金材料，可使本发明制备的光学铝合金表面精密加工后粗糙度达到ra3.0 nm以下，增大了光学反射率，而且具有优异的抗拉强度和硬度。
[0118]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光学铝合金的制备方法，其特征在于，包括：步骤s1，将原材料采用半连续铸造工艺制备铝合金原始铸锭，所述半连续铸造工艺包括对原料加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造；步骤s2，将所述铝合金原始铸锭进行均匀化、切头尾、车皮，得到表面处理的合金原材料；步骤s3，采用熔体纺丝法对所述表面处理的合金原材料进行快速凝固处理，得到快速凝固合金带材；步骤s4，将所述快速凝固合金带材经破碎处理后进行包套、冷压，得到冷压坯料；步骤s5，将所述冷压坯料经过1-2道次热挤压工序，制成棒料；步骤s6，将所述棒料进行固溶处理、时效处理，得到成品铝合金材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝合金原始铸锭包括以下组分：按质量百分比计，si含量0.40%~0.80%，fe含量≤0.10%；cu含量0.15%-0.40%，mn含量≤0.10%；mg含量0.80%-1.20%；cr含量0.15%-0.30%，ni含量≤0.05%，zn含量≤0.25%，ti含量0.05%-0.15%，zr含量0.02%-0.04%，v含量≤0.03%，sc含量0-0.20%，余量为al及杂质，且杂质总量低于0.15%，每种杂质元素含量低于0.05%。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述合金原材料的熔体温度为730-770℃，和/或，所述过滤采用双级陶瓷过滤片进行过滤，所述双级陶瓷过滤片的第一级过滤片的孔径为35-45目，第二级过滤片的孔径为55-65目；和/或，所述半连续水冷铸造的铸造速度为20-50mm/min，所述铝合金原始铸锭的直径为80-400mm。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在步骤s2中，所述均匀化包括，将所述铝合金原始铸锭在490-560℃下保温，保温时间为8-16h；所述切头尾切掉的长度为100-150mm，所述车皮的深度为5-15mm。5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，在甩带机中进行所述快速凝固处理，所述甩带机的熔化室中充入惰性气体，熔体温度为780~850℃。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，所述快速凝固处理的铜制冷却辊的旋转线速度为10-40m/s，冷却水流量1000-4000l/h。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤s3中，所述甩带机的喷嘴的压力差为15-30kpa，所述喷嘴的液体流出宽度为2.0-30.0mm。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s4中，所述冷压在冷压模具中进行，保载压力为100-300mpa，保压时间为20-600s。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s5中，所述热挤压的挤压筒温度为350-470℃，所述冷压坯料的加热温度为350-560℃，保温时间为20-60min；和/或，所述热挤压的挤压模具温度为300-500℃，总挤压比为4-30，挤压速度≤6m/min。10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s6中，所述固溶处理的温度为510-570℃，时间为30-120min；和/或，所述时效处理的温度为150-200℃，时间为1-8h。
11.一种光学铝合金，其特征在于，由权利要求1至10任一项所述的制备方法制备得到。

技术总结
本发明提供了一种光学铝合金和其制备方法。该制备方法包括：步骤S1，将原材料采用半连续铸造工艺制备铝合金原始铸锭，半连续铸造工艺包括加温熔化、合金化、精炼、扒渣、静置、除气、过滤、半连续水冷铸造；步骤S2，将铝合金原始铸锭进行均匀化、切头尾、车皮，得到表面处理的合金原材料；步骤S3，采用熔体纺丝法对表面处理的合金原材料进行快速凝固处理，得到快速凝固合金带材；步骤S4，将快速凝固合金带材经破碎处理后进行包套、冷压，得到冷压坯料；步骤S5，将冷压坯料经过1-2道次热挤压工序，制成棒料；步骤S6，将棒料进行固溶处理、时效处理，得到成品铝合金材料。该方法能细化晶粒组织，制备的材料可加工高度平整的表面。备的材料可加工高度平整的表面。备的材料可加工高度平整的表面。


技术研发人员：毛晓东 李英东 陈振宁 宋炜 蒋会学 胡国强 王国军 黄鸣东
受保护的技术使用者：中铝材料应用研究院有限公司
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/8/9