CN101838760B - 钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金，其特征在于：它主要由铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)、铁(Fe)、锆(Zr)、锶(Sr)和钪(Sc)组成，除铝外的质量百分比分别为：1.05～1.29％、0.9～1.18％、0.762～1.053％、0.435～0.662％、0.0902～0.117％、0.108～0.130％、0.0116～0.0379％和0.045～0.078％，余量为铝和少量杂质元素。该合金的制备工艺流程为：将纯Al熔化后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Sc中间合金、纯Zn、纯Mg精炼静置保温后浇铸成锭，经退火、锻压、固溶时效处理即可。本发明的抗晶间腐蚀性能不低于四级，抗剥落腐蚀性能达到PA级，可广泛应用于现代航空航天、武器装备等领域，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金及其制备方法，尤其是一种新型6000系铝合金及其制备方法，具体地说是一种钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金及其制备方法。
背景技术
进入21世纪，高端铝合金的需求量大增。我国大飞机项目启动、轨道交通进入发展期。6000系的6013铝合金是综合性能好的铝合金，它具有中等的强度、良好的成形性(熔铸性能、塑性成形性、焊接性)和抗腐蚀性，与6061铝合金相比，其强度、硬度高出15％以上且具有类似的抗腐蚀性和焊接性。当今世界上最先进的民用大型飞机A380的机身下壁板全部采用了6013铝合金的焊接整体壁板，减少了铆钉的应用，降低了成本。6013铝合金的良好的综合性能使其在轨道交通领域等许多领域也具有很好的应用前景，我国轨道交通的轻量化、高速化迫切需要更为先进的强度高、挤压性能好、焊接性好的铝合金。
众所周知，合金化及微合金化是提高铝合金组织和性能的有效手段。从6013铝合金的成分(镁(Mg)0.8～1.2，硅(Si)0.6～1.0，铜(Cu)0.6～1.1，锰(Mn)0.2～0.8，铁(Fe)0.5，余量为铝和杂质元素)来看，该合金尚未进行微合金化。向铝合金中加入微量钪(Sc)，能阻碍再结晶和晶粒长大，在加微量钪的基础上加入微量锆(Zr)，则能形成比Al3Sc尺寸更小、与基体的共格性更好的三元共格复合相Al3(Sc1-x，Zrx)，使Sc的微合金化作用倍增。而加入微量锶(Sr)则具有有效净化熔体、去除杂质、细化组织等作用，对对Sc、Zr的烧损也起到保护作用。
但是，到目前为止，我国尚未有一种具有自主知识产权的6013型铝合金可供使用，这一定程度上制约了我国航空航天、武器装备等工业的发展。
发明内容
本发明的目的是在6013合金主成分的基础上，通过调整合金的主合金化元素并微量添加钪、锆和锶元素，提供一种添加有微量元素钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金铝合金及其制备方法，满足航空航天、武器装备、轨道交通等领域的需求。
本发明的技术方案之一是：
一种钪、锆和锶复合微合金化的6013铝合金，其特征在于：它主要由铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)和锆(Zr)组成，其中，镁(Mg)的质量百分比为1.05～1.29％，硅(Si)的质量百分比为0.9～1.18％，铜(Cu)的质量百分比为0.762～1.053％，锰(Mn)的质量百分比为0.435～0.662％，锌(Zn)的质量百分比为0.0902～0.117％，锆(Zr)的质量百分比为0.108～0.130％，锶(Sr)的质量百分比为0.0116～0.0379％，钪(Sc)的质量百分比为0.045～0.078％，余量为铝和少量杂质元素，各组份的质量百分比之和为100％。
本发明的技术方案之二是：
一种钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金的制备方法，其特征是：
首先，将纯Al熔化后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Sc中间合金、纯Zn、纯Mg，待其熔化后加入六氯乙烷精炼，静置保温5～10min后去渣并浇铸成锭；
其次，对浇铸成锭的合金进行后处理；即可获得钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金。
所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12％，Al-Si中间合金中Si的质量百分比为10.21％，Al-Mn中间合金中Mn的质量百分比为10.02％，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89％，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11％，Al-Sc中间合金中Sc的质量百分比为2.0％。
所述的浇铸成锭合金的后处理其最佳工艺为470～490℃×24h退火、500～520℃预热后的锻压加工、至少一次560～570℃×2～4h固溶处理和151℃×8h+191℃×8h连续两次的时效处理。
所述的钪、锆和锶微合金化，其目的在于阻碍再结晶和晶粒长大，净化熔体、减轻杂质的危害、细化组织。
本发明的有益效果是：
(1)本发明铝合金具有硬度高、抗腐蚀性好等特点。如本发明铝合金的硬度为150.0～159.1HV，按国标GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测定方法)其晶间腐蚀抗力不低于四级，按国标GB/T 22639-2008(铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法)其抗剥落腐蚀性能处于PA级。
(2)本发明公开了一种钪、锆和锶复合微合金化的6000系铝合金的制备方法，一定程度上打破了国外对高性能铝合金的技术封锁，可满足我国航空航天、武器装备等领域的需求。
本发明通过大量的试验获得了理想的制备方法，尤其是通过采用按次序加入各中间合金及纯金属的方法来控制各组份含量，按本发明的工艺能容易地得到符合要求的铝合金材料。
(3)本发明的抗晶间腐蚀性能不低于四级，抗剥落腐蚀性能达到PA级，可广泛应用于现代航空航天、武器装备等领域，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例一的钪、锆和锶复合微合金化的6013型(固溶处理560℃×2h、时效处理151℃×8h+191℃×8h)铝合金晶间腐蚀横截面金相图。
图2是市售6061-T6铝合金(固溶处理560℃×2h、时效处理160℃×20h)晶间腐蚀横截面金相图。
图3是本发明实施例一的钪、锆和锶复合微合金化的6013型(固溶处理560℃×2h、时效处理151℃×8h+191℃×8h)铝合金剥落腐蚀后表面形貌光学显微镜图。
图4是市售6061-T6铝合金(固溶处理560℃×2h、时效处理160℃×20h)剥落腐蚀后表面形貌光学显微镜图。
图5是本发明实施例一的钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金(固溶处理560℃×2h+570℃×2h、时效处理151℃×8h+191℃×8h)晶间腐蚀横截面金相图。
图6是市售6061-T6铝合金(固溶处理560℃×2h+570℃×2h、时效处理160℃×20h)晶间腐蚀横截面金相图。
图7是本发明实施例一的钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金(固溶处理560℃×2h+570℃×2h、时效处理151℃×8h+191℃×8h)剥落腐蚀后表面形貌光学显微镜图。
图8是市售6061-T6铝合金(固溶处理560℃×2h+570℃×2h、时效处理160℃×20h)剥落腐蚀后表面形貌光学显微镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1、2、3、4、5、6、7、8所示。
一种钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金按以下方法制备而成按28kg铝合金配制为例。
首先，先将20.171kgA00等级纯Al(成分：99.79％Al，0.14％Fe，0.04％Si，本发明所有组份均采用质量百分比表示，下同)熔化后依次加入0.534kgAl-Cu中间合金(49.62％Al，50.12％Cu，0.15％Fe，0.11％Si)(Cu的损失率约为6.25％)、3.002kg Al-Si中间合金(89.62％Al，10.21％Si，0.17％Fe)(Si的损失率约为5％)、1.695kg Al-Mn中间合金(89.73％Al，10.02％Mn，0.19％Fe，0.06％Si)(Mn的损失率约为10％)、0.881kg Al-Zr中间合金(95.69％Al，4.11％Zr，0.20％Fe，0.10％Si)(Zr的损失率约为8％)、0.277kgAl-Sr中间合金(89.85％Al，9.89％Sr，0.16％Fe，0.10％Si)(Sr的损失率约为75％)、0.998kgAl-Sc中间合金(98％Al，2％Sc)(Sc的损失率约为8％)、0.032kg纯Zn(Zn的损失率约为8％)、0.41kg纯Mg(Mg的损失率约为20％)，所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝溶液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出(加入量为56g)，静置保温5～10min后去渣并浇铸成锭；对熔铸成锭的合金进行470～490℃×24h的退火、500～520℃预热后的锻压加工、560～570℃×2～4h固溶处理、151℃×8h+191℃×8h时效处理；即获得钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金。
本实施例的铝合金后处理时根据固溶处理方法的不同最终所得的材料性能有一定的差别，如经一次固溶处理560℃×2h、连续两次时效处理151℃×8h+191℃×8h后，实测硬度为150.0HV，比6061-T6(固溶处理560℃×2h、时效处理160℃×20h)铝合金的硬度高13.0％；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测定方法)其晶间最大腐蚀深度为211.95μm(附图1)，处于四级，而6061-T6铝合金的晶间最大腐蚀深度为295.58μm(附图2)；按GB/T
22639-2008(铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法)其表面仅出现点蚀(附图3)，达到PA级，而6061-T6铝合金的表面也仅出现点蚀(附图4)，但点蚀的数目要多，处于PB级。
本实施例的铝合金后处理时还可经两次连续的固溶处理560℃×2h+570℃×2h和两次连续的时效处理151℃×8h+191℃×8h后，实测硬度为161.1HV，比6061-T6(固溶处理560℃×2h+570℃×2h、时效处理160℃×20h)铝合金的硬度高25.9％；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测定方法)其晶间最大腐蚀深度为251.88μm，处于四级(附图5)，而6061-T6(固溶处理560℃×2h+570℃×2h、时效处理160℃×20h)铝合金的晶间最大腐蚀深度为211.96μm(附图6)；按GB/T 22639-2008(铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法)本铝合金表面仅出现点蚀(附图7)，达到PA级，6061-T6铝合金的表面虽也仅出现点蚀(附图8)，但点蚀的数目要多，处于PB级。
本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：1.17Mg，1.04Si，0.899Cu，0.546Mn，0.119Zr，0.104Zn，0.0245S r，0.0656Sc，余量为铝和少量杂质元素。
实施例二。
一种钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金，其制备方法为：
按28kg铝合金配制为例。
先将20.229kgA00等级纯Al(成分：99.79％Al，0.14％Fe，0.04％Si)熔化后依次加入0.454kgAl-Cu中间合金(49.62％Al，50.12％Cu，0.15％Fe，0.11％Si)(Cu的损失率约为6.25％)、3.41kg Al-Si中间合金(89.62％Al，10.21％Si，0.17％Fe)(Si的损失率约为5％)、1.351kg Al-Mn中间合金(89.73％Al，10.02％Mn，0.19％Fe，0.06％Si)(Mn的损失率约为10％)、0.963kg Al-Zr中间合金(95.69％Al，4.11％Zr，0.20％Fe，0.10％Si)(Zr的损失率约为8％)、0.429kgAl-Sr中间合金(89.85％Al，9.89％Sr，0.16％Fe，0.10％Si)(Sr的损失率约为75％)、0.685kgAl-Sc中间合金(98％Al，2％Sc)(Sc的损失率约为8％)、0.027kg纯Zn(Zn的损失率约为8％)、0.452kg纯Mg(Mg的损失率约为20％)，所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝溶液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出(加入量为56g)，静置保温5～10min后去渣并浇铸成锭；对熔铸成锭的合金进行470～490℃×24h的退火、500～520℃预热后的锻压加工、560～570℃×2～4h固溶处理、151℃×8h+191℃×8h时效处理；即获得钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金。
与实施例一一样，本实施例的铝合金后处理时根据固溶处理方法的不同最终所得的材料性能有一定的差别，如经固溶处理560℃×2h、时效处理151℃×8h+191℃×8h后，实测硬度为150.8HV，按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测定方法)其晶间最大腐蚀深度为218.73μm，处于四级，按剥GB/T22639-2008(铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法)其表面仅出现点蚀，达到PA级。
本实施例的铝合金经两次(也可两次以上)连续的固溶处理560℃×2h+570℃×2h和两次连续的时效处理151℃×8h+191℃×8h后，实测硬度为160.3HV；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测定方法)其晶间最大腐蚀深度为258.34μm，处于四级，按GB/T 22639-2008(铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法)本铝合金表面仅出现点蚀，达到PA级。
本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：1.29Mg，1.18Si，0.762Cu，0.435Mn，0.13Zr，0.0902Zn，0.0379Sr，0.045Sc，余量为铝和少量杂质元素。
实施例三。
一种钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金，其制备方法为：
按28kg铝合金配制为例。
先将20.198kgA00等级纯Al(成分：99.79％Al，0.14％Fe，0.04％Si)熔化后依次加入0.627kgAl-Cu中间合金(49.62％Al，50.12％Cu，0.15％Fe，0.11％Si)(Cu的损失率约为6.25％)、2.598kg Al-Si中间合金(89.62％Al，10.21％Si，0.17％Fe)(Si的损失率约为5％)、2.055kg Al-Mn中间合金(89.73％Al，10.02％Mn，0.19％Fe，0.06％Si)(Mn的损失率约为10％)、0.800kg Al-Zr中间合金(95.69％Al，4.11％Zr，0.20％Fe，0.10％Si)(Zr的损失率约为8％)、0.131kgAl-Sr中间合金(89.85％Al，9.89％Sr，0.16％Fe，0.10％Si)(Sr的损失率约为75％)、1.187kgAl-Sc中间合金(98％Al，2％Sc)(Sc的损失率约为8％)、0.036kg纯Zn(Zn的损失率约为8％)、0.368kg纯Mg(Mg的损失率约为20％)，所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝溶液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出(加入量为56g)，静置保温5～10min后去渣浇并铸成锭；对熔铸成锭的合金进行470～490℃×24h的退火、500～520℃预热后的锻压加工、560～570℃×2～4h固溶处理、151℃×8h+191℃×8h时效处理；即获得钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金。
与实施例一一样，本实施例的铝合金后处理时根据固溶处理方法的不同最终所得的材料性能有一定的差别，如经固溶处理560℃×2h、时效处理151℃×8h+191℃×8h后，实测硬度为151.2HV；按GB/T 7998-2005(铝合金晶间腐蚀测定方法)其晶间最大腐蚀深度为223.45μm，处于四级；按剥GB/T22639-2008(铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法)其表面仅出现点蚀，达到PA级。
本实施例的铝合金经经两次连续的固溶处理560℃×2h+570℃×2h和两次连续的时效处理151℃×8h+191℃×8h后，实测硬度为160.7HV，按GB/T7998-2005(铝合金晶间腐蚀测定方法)其晶间最大腐蚀深度为256.72μm，按GB/T 22639-2008(铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法)本铝合金表面仅出现点蚀，达到PA级。
本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：1.05Mg，0.90Si，1.053Cu，0.662Mn，0.108Zr，0.117Zn，0.0116Sr，0.078Sc，余量为铝和少量杂质元素。
以上仅列出了几个常见配比的铝合金的配比及制造方法，本领域的技术人员可以根据上述实例适当地调整各组份的配比并严格按上述步骤进行制造即可获得理想的钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (2)
1.一种钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金，其特征在于：它主要由铝(Al)、镁(Mg)、硅(Si)、铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)、锆(Zr)、锶(Sr)和钪(Sc)组成，其中，镁(Mg)的质量百分比为1.05～1.29％，硅(Si)的质量百分比为0.9～1.18％，铜(Cu)的质量百分比为0.762～1.053％，锰(Mn)的质量百分比为0.435～0.662％，锌(Zn)的质量百分比为0.0902～0.117％，锆(Zr)的质量百分比为0.108～0.130％，锶(Sr)的质量百分比为0.0116～0.0379％，钪(Sc)的质量百分比为0.045～0.078％，余量为铝和少量杂质元素，各组份的质量百分比之和为100％；并采用如下方法制备：
首先，将纯Al熔化后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Si中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金、Al-Sc中间合金、纯Zn、纯Mg，待其熔化后加入六氯乙烷精炼，静置保温5～10min后去渣并浇铸成锭；
其次，对浇铸成锭合金进行470～490℃×24h退火、500～520℃预热后的锻压加工、至少一次560～570℃×2～4h的固溶处理以及151℃×8h+191℃×8h连续两次时效处理的后处理，即可获得钪、锆和锶复合微合金化的6013型铝合金。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征是所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12％，Al-Si中间合金中Si的质量百分比为10.21％，Al-Mn中间合金中Mn的质量百分比为10.02％，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89％，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11％，Al-Sc中间合金中Sc的质量百分比为2.0％。
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