一种耐腐蚀铝合金的制备方法
技术领域
本发明涉及合金材料技术领域,具体涉及一种耐腐蚀铝合金的制备方法。
背景技术
铝是一种在地壳中分布广泛的金属元素,纯铝具有质量轻、密度小、可塑性好等优点,可以进行各种机械加工。但是纯铝的强度低,因此只有通过合金化才能得到可作为结构材料使用的各种铝合金。铝合金以铝为基体,可以根据不同的需要添加铜、硅、镁、锌、锰、镍、铁、钛、铬或锂等金属。铝合金的密度低,强度和比刚度高,主要分为两大类:铸造铝合金和变形铝合金,主要用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面。目前铝合金已成为继钢铁之后应用最广泛的金属材料。常规的铝合金的制备过程比较复杂,第一步将铝锭熔化后加入合金元素,通过搅拌使其合金化,浇铸冷凝后得到铝合金锭;第二步将铝合金锭车掉氧化物外表皮,再将该铝合金锭预热后经挤压机挤出得到铝合金棒,此时得到的棒材性能较低,不能直接使用;第三步将铝合金棒在一定温度下进行固溶处理;第四步对棒材在一定温度下进行时效处理,使得金属间化合物沉淀在晶界上从而起到增强效果,最终使得材料获得理想的力学性能。
轻质、高强是铝合金的显著特点。如变形铝合金中7系铝合金具有强度高、硬度高、密度低和热加工性能好的优点,因而在航空航天领域作为重要的结构材料得到广泛应用。而耐腐蚀则是铝合金材料的另一大突出特点,铝合金的表面易生成一层致密、牢固的Al2O3保护膜,这层保护膜只有在卤素离子或碱离子的激烈作用下才会遭到破坏,因此具有很好的耐大气(包括工业性大气和海洋大气)腐蚀和海水腐蚀的能力,能抵抗多数酸和有机物的腐蚀。采用缓蚀剂,可耐弱碱液腐蚀;采用保护措施,可以提高铝合金的耐蚀性能。在各种牌号的变形铝及铝合金中,5系铝合金由于添加了金属锰和镁属于防锈铝合金,具有优秀的抗蚀性。
如5083铝合金是耐腐蚀铝合金的代表牌号,是5系中应用最广的一个牌号合金,主要制备过程是将全致密的铝合金锭经热轧、冷轧及退火工艺得到高耐腐蚀铝合金。目前美国利用该方法制备得到5083铝合金的强度为270MPa,屈服强度为110HB。但是由于我国原材料行业的纯度问题始终无法解决,再加上工艺缺陷导致最终合金中杂质过多,大大影响了合金的耐腐蚀性。此外合金中起主要增强作用的Mg5Al8或Mg2Al3等金属间化合物在晶界中分布不均匀,从而导致该合金的强度与耐腐蚀性与进口材料相比仍有一定的差距,因而在使用高耐蚀铝合金的关键领域,如海运舰船、飞机部件、运输设备和医疗器械等大多采用进口5083铝合金。
因此为满足我国现代工业发展对高强、高耐腐蚀铝合金材料的不断需求,如何在材料组成与制备方法上有所革新,在保持抗蚀性基本不变的同时,还能最大限度的提高耐腐蚀铝合金材料的强度,一直是领域内的前沿学者亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明要解决的技术问题在于提供一种耐腐蚀铝合金的制备方法,本发明提供的制备方法,能够使得铝合金具有较好的耐腐蚀性能的基础上,还能具有较好的力学强度,同时制备方法简单,成本低,易于实现规模化生产。
本发明提供了一种耐腐蚀铝合金的制备方法,包括以下步骤,
a)将99.4~100重量份的铝粉、0~0.3重量份的锰粉和0~0.3重量份的镁粉进行高能球磨后,得到混合粉末;
b)将所述混合粉末经过等静压成型后,得到预制坯;
c)将步骤b)得到的预制坯预热后,再进行热挤压,得到铝合金。
优选的,所述混合粉末的粒度为小于等于1μm;
所述铝粉的粒度小于等于500目;所述锰粉的粒度小于等于500目;所述镁粉的粒度小于等于500目。
优选的,所述高能球磨的时间为20~40h;所述高能球磨的球料比为(7~12):1。
优选的,所述步骤a)具体为,
将防锻剂、99.4~100重量份的铝粉、0~0.3重量份的锰粉和0~0.3重量份的镁粉进行高能球磨后,得到混合粉末;
所述防锻剂为所述防锻剂为无水乙醇、丙酮、聚乙二醇和煤油中的一种或多种。
优选的,所述等静压成型为冷等静压成型。
优选的,所述等静压成型的压力为100~250MPa;所述等静压成型的时间为0.5~10min。
优选的,所述预热的温度为500~560℃;所述预热的时间为30~60min。
优选的,所述热挤压的温度为430~450℃;所述热挤压的压力为800~1600T。
优选的,所述热挤压的挤压比为(4.5~72):1;所述热挤压的挤压速度为0.5~4mm/s。
本发明还提供了一种如上述任意一项技术方案所制备的耐腐蚀铝合金,包括:
锰 0~0.3 重量份;
镁 0~0.3 重量份;
铝 99.4~100 重量份。
本发明提供了一种耐腐蚀铝合金的制备方法,包括以下步骤,首先将99.4~100重量份的铝粉、0~0.3重量份的锰粉和0~0.3重量份的镁粉进行高能球磨后,得到混合粉末;然后将所述混合粉末经过等静压成型后,得到预制坯;最后将上述步骤得到的预制坯预热后,再进行热挤压,得到铝合金。与现有技术相比,本发明利用高能量干式球磨过程,在高能量磨球介质的碰撞作用下,使各组分粉末之间发生反复的冷焊和断裂,形成细化的复合颗粒,发生固态扩散反应,使得微量的合金元素的原子进入金属铝的晶格得到了细小均匀的铝合金固溶体复合粉末;再利用等静压对粉体进行加压成型,获得均匀的坯体;然后进行预热,将包裹在颗粒表面的气体释放出去,重新暴露高活性表面;最后通过热挤压过程将坯体中的具有高活性表面的粉体颗粒快速烧结成型,使颗粒间实现有效键合,制得的铝合金的微观组织细小均匀,最终实现了合金强度与耐腐蚀性能的提高。本发明提供的制备方法具有挤压时同时实现快速烧结,无需单独的烧结过程以及后续的固溶、时效等热处理过程即可实现高性能的特点,同时具有工艺简捷、操作方便、步骤少等优点,适合于大规模的工业化生产。实验结果表明,本发明制备的铝合金棒材,其屈服强度能够达到525MPa,拉伸强度能够达到581MPa,96小时盐雾腐蚀量仅为2.3mg/m2。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的耐腐蚀铝合金的XRD结构图;
图2为本发明实施例2制备的铝合金的扫描电镜照片;
图3为本发明实施例2制备的铝合金的合金元素Mn的面扫描图谱;
图4为本发明实施例2制备的铝合金的合金元素Mg的面扫描图谱。
具体实施方式
为了进一步理解本发明,下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点,而不是对发明权利要求的限制。
本发明所有原料,对其来源没有特别限制,在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明所有原料,对其纯度没有特别限制,本发明优选采用分析纯。
本发明提供了一种耐腐蚀铝合金的制备方法,包括以下步骤,
a)将99.4~100重量份的铝粉、0~0.3重量份的锰粉和0~0.3重量份的镁粉进行高能球磨后,得到混合粉末;
b)将所述混合粉末经过等静压成型后,得到预制坯;
c)将步骤b)得到的预制坯预热后,再进行热挤压,得到铝合金。
本发明首先将铝粉和合金元素粉末进行高能球磨后,得到混合粉末。所述铝粉的重量份优选为99.4~100,更优选为99.5~99.9,更优选为99.6~99.8,最优选为99.65~99.75;所述锰粉的重量份优选为0~0.3,更优选为0.05~0.25,更优选为0.1~0.2,最优选为0.12~0.18;所述镁粉的重量份优选为0~0.3,更优选为0.05~0.25,更优选为0.1~0.2,最优选为0.12~0.18。
本发明对所述铝粉没有特别限制,以本领域技术人员熟知的用于制备铝合金材料的铝粉即可。本发明对所述铝粉的粒度没有特别限制,以本领域技术人员熟知的用于细磨前的铝粉的粒度即可,本发明优选为小于等于500目,更优选为小于等于600目,最优选为700~1000目。本发明对所述锰粉的粒度没有特别限制,以本领域技术人员熟知的用于细磨前的锰粉的粒度即可,本发明优选为小于等于500目,更优选为小于等于600目,最优选为700~1000目。本发明对所述镁粉的粒度没有特别限制,以本领域技术人员熟知的用于细磨前的镁粉的粒度即可,本发明优选为小于等于500目,更优选为小于等于600目,最优选为700~1000目。本发明对所述混合粉末的粒度没有特别限制,以本领域技术人员熟知的高能球磨的粒度即可,本发明为保证后续过程的效果和产品性能,所述混合粉末的粒度优选为小于等于1μm,更优选为小于等于800nm,最优选为小于等于500nm。
本发明对所述高能球磨的概念没有特别限制,以本领域技术人员熟知的高能球磨即可。本发明对所述高能球磨的具体条件没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际生产情况、元素组成以及产品性能要求进行选择,本发明所述高能球磨的时间优选为20~40小时,更优选为22~38小时,更优选为25~35小时,最优选为28~32小时,示例性地,所述的混合时间可以为21h,23h,25h,27h,29h,31h,33h,36h或38h;本发明所述高能球磨的球料比优选为(7~12):1,更优选为(8~11):1,更优选为(8.5~10.5):1,最优选为(9~10):1,示例性地,所述高能球磨的球料比可以为:7:1,8:1,9:1或10:1。本发明对所述高能球磨的磨球没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际生产情况、元素组成以及产品性能要求进行选择,本发明优选为Φ25mm的磨球。本发明对所述高能球磨的撞击或振动频率没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际生产情况、元素组成以及产品性能要求进行选择。本发明对所述高能球磨的设备没有特别限制,以本领域技术人员熟知的高能球磨的设备即可。
本发明为提高球磨效果,优选还加入防锻剂;本发明对所述防锻剂没有特别限制,本发明优选为复合防锻剂,更优选为无水乙醇、丙酮、聚乙二醇和煤油中的一种或多种,更优选为无水乙醇、聚乙二醇和煤油中的一种或多种,最优选为无水乙醇和煤油。本发明对所述防锻剂的加入量没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际生产情况、元素组成以及产品性能要求进行调整,本发明所述无水乙醇的加入量与铝合金总质量的比值优选为(6~10)mL:1kg,更优选为(7~9)mL:1kg,最优选为8mL:1kg;本发明所述煤油的加入量与铝合金总质量的比值优选为(8~12)mL:1kg,更优选为(9~11)mL:1kg,最优选为10mL:1kg。
本发明采用高能球磨对原料进行混合,获得了均匀细小的颗粒,同时球磨过程中严格控制球磨时间,能够保证混合粉末充分破碎和混合均匀。球磨过程中添加适量的乙醇和煤油作为防锻剂和表面包覆剂,不仅可以克服铝粉严重的锻结行为,同时气态分子可以包裹在细小颗粒的表面,避免了球磨后的颗粒粉体表面过度氧化,保持适度的活性易于后续的操作。
本发明然后将上述步骤得到的混合粉末经过等静压成型后,得到预制坯。本发明对所述等静压成型没有特别限制,以本领域技术人员熟知的等静压成型方法即可本发明优选为冷等静压成型。本发明对所述冷等静压成型的具体条件没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际生产情况、元素组成和产品性能要求进行选择,本发明所述冷等静压成型的压力优选为100~250MPa,更优选为125~225MPa,更优选为150~200MPa,最优选为170~180MPa,示例性地,所述压力可以为100MPa,120MPa,140MPa,160MPa,190MPa,210MPa,230MPa或250MPa;本发明所述冷等静压成型的时间,即保压时间优选为0.5~10min,更优选为1~8min,更优选为2~6min,最优选为3~5min,示例性地,所述保压时间可以为30s,50s,1min,3min,5min,8min或10min。
本发明最后将上述步骤得到的预制坯预热后,再进行热挤压,得到铝合金。本发明对所述铝合金的形态没有特别限制,本领域技术人员可以根据实际生产情况、外观要求和加工要求进行选择,本发明优选为棒材。本发明所述预热的温度优选为500~560℃,更优选为510~550℃,更优选为520~540℃,最优选为525~535℃,示例性地,所述预热的温度可以为505℃,515℃,545℃或555℃;所述预热的时间优选为30~60min,更优选为35~55min,最优选为40~50min,示例性地,所述的预热时间可以为:30min,32min,37min,45min或57min。本发明对所述预热的气氛条件没有特别限制,本发明所述预热的环境优选为空气条件。本发明对所述预热的设备没有特别限制,以本领域技术人员熟知的加热设备即可,本发明优选为马沸炉。
本发明所述热挤压的温度优选为430~450℃,更优选为435~445℃,最优选为438~442℃,示例性地,所述热挤压的温度可以为432℃,437℃,442℃,447℃或450℃;所述热挤压的压力优选为800~1600T,更优选为900~1500T,更优选为1000~1400T,最优选为1100~1300T,示例性地,所述压力为可以为850T,950T,1050T,1150T,1250T,1350T,1450T或1550T;所述热挤压的挤压比优选为(4.5~72):1,更优选为(10~65):1,更优选为(20~50):1,最优选为(30~40):1,示例性地,所述挤压比可以为5:1,12:1,21:1,33:1,44:1或66:1;所述热挤压的挤压速优选度为0.5~4mm/s,更优选为1~4.5mm/s,更优选为1.5~4.0mm/s,最优选为2.0~3.0mm/s,示例性地,所述挤压速度可以为0.75mm/s,1.25mm/s,1.75mm/s,2.25mm/s,2.5mm/s或3.5mm/s。本发明对所述热挤压的设备没有特别限制,以本领域技术人员熟知的挤压设备即可,本发明优选为挤出机。本发明对所述热挤压后冷却方式没有特别限制,以本领域技术人员熟知的冷却方式即可,本发明优选为水冷。
本发明对高能球磨后的混合粉末复合成型、预热并进行热挤压的过程,是利用冷等静压成型对粉体进行加压成型,可以保证坯体的各部位致密度均匀。再利用马沸炉对坯体进行预热,短时间加热过程可快速给体系提供能量,将表面吸附的防锻剂和表面包覆剂迅速脱附掉,重新暴露新鲜高活性的粉体表面。热挤压过程可起到了颗粒间快速键合的作用,同时促使晶界变窄,实现晶粒细化,挤压和烧结同步进行,从而使得制得的铝合金的微观组织细小均匀,最终得到微观组织细小均匀的具有较高合金强度与耐腐蚀性能的铝合金。
本发明提供了一种如上述任意一项技术方案所制备的耐腐蚀铝合金,包括:
锰 0~0.3 重量份;
镁 0~0.3 重量份;
铝 99.4~100 重量份。
本发明所述铝合金的元素含量的优选范围与前述制备方法中一致,在此不再一一赘述。
本发明提供的制备方法相比铝合金的传统工艺,突破了传统工艺的限制,并未将改进工作的研究集中在配方和时效工艺制度方面,而是从粉体出发,采用多孔非致密的粉末坯体替代全致密的铝锭作为前驱体,从而制备高性能铝合金材料,并且克服了铝粉的氧化及以及快速实现致密化烧结的固有难题。本发明不经历烧结过程、固溶过程、时效过程,直接采用从金属粉末出发,利用高能球磨制粉、等静压成型、热挤压相结合的技术制备得到高性能的铝合金棒材。本发明具有挤压时同时实现快速烧结,无需单独的烧结过程和后续的固溶、时效等热处理过程即可实现高性能的特点,并且全程可在空气气氛下进行,具有工艺简捷、操作方便、步骤少等优点,适合于大规模的工业化生产。实验结果表明,本发明制备的铝合金棒材,其屈服强度能够达到525MPa,拉伸强度能够达到581MPa,96小时盐雾腐蚀量仅为2.3mg/m2。
为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的一种耐腐蚀铝合金的制备方法进行详细说明,本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
a)将重量为100千克的铝粉作为原料放入球磨罐中,钢球重量为1吨,添加800毫升无水乙醇、1000毫升煤油作为防锻剂。机械制粉40小时后得到的混合粉末;
b)将所述混合粉末等静压成型,压力为100MPa,得到坯体;
c)将所述坯体在空气环境下加热,加热温度为560℃,保温30分钟;预热后的坯体立即放入挤出机的挤压桶中,挤压桶加热温度为450℃,在挤压比为72:1,挤压速度为0.5mm/s,压力为800T的工艺条件下将样品挤出,经过水冷后得到高强、耐腐蚀铝合金棒材。
实施例1制备的铝合金经切割取样并抛光处理后,强度按照GB/T228.1-2010对其进行测试,盐雾腐蚀测试依照GB/T10125-1997标准进行测试,测试结果如表1所示。
实施例2
a)将重量为100千克,含锰粉为0.1%,镁粉为0.3%,铝粉为99.6%的原料放入球磨罐中,钢球重量为1吨,添加800毫升无水乙醇、1000毫升煤油作为防锻剂。机械制粉36小时后得到的混合粉末;
b)将所述混合粉末等静压成型,压力为130MPa,得到坯体;
c)将所述坯体在空气环境下加热,加热温度为540℃,保温40分钟;预热后的坯体立即放入挤出机的挤压桶中,挤压桶加热温度为440℃,在挤压比为18:1,挤压速度为1mm/s,压力为1000T的工艺条件下将样品挤出,经过水冷后得到高强、耐腐蚀铝合金棒材。
实施例2制备的铝合金经切割取样并抛光处理后,强度按照GB/T228.1-2010对其进行测试,盐雾腐蚀测试依照GB/T10125-1997标准进行测试,测试结果如表1所示。
参见图1,图1为本发明实施例2制备的耐腐蚀铝合金的XRD结构图,通过图1可以看出仅有基体铝的峰,不存在金属间化合物的峰。图2为本发明实施例2制备的铝合金的扫描电镜照片,通过图2可以看出基体组织细小均匀;图3为本发明实施例2制备的铝合金的合金元素Mn的面扫描图谱,图3中的白点部分为铝合金中的元素Mn,图4为本发明实施例2制备的铝合金的合金元素Mg的面扫描图谱,图4中的白点部分为铝合金中的元素Mg。通过图3和图4可以看出合金元素Mn和Mg均匀弥散分布。
实施例3
a)将重量为100千克,含锰粉为0.3%,镁粉为0.3%,铝粉为99.4%的原料放入球磨罐中,钢球重量为1吨,添加1000毫升无水乙醇、800毫升煤油作为防锻剂。机械制粉30小时后得到的混合粉末;
b)将所述混合粉末等静压成型,压力为180MPa,得到坯体;
c)将所述坯体在空气环境下加热,加热温度为520℃,保温50分钟;预热后的坯体立即放入挤出机的挤压桶中,挤压桶加热温度为430℃,在挤压比为12:1,挤压速度为3mm/s,压力为1200T的工艺条件下将样品挤出,经过水冷后得到高强、耐腐蚀铝合金棒材。
实施例3制备的铝合金经切割取样并抛光处理后,强度按照GB/T228.1-2010对其进行测试,盐雾腐蚀测试依照GB/T10125-1997标准进行测试,测试结果如表1所示,同比测试的为美国铝业公司生产的5083铝合金。
实施例4
a)将重量为100千克,含锰粉为0.2%,镁粉为0.2%,铝粉为99.6%的原料放入球磨罐中,钢球重量为1吨,添加1000毫升无水乙醇、800毫升煤油作为防锻剂。机械制粉35小时后得到的混合粉末;
b)将所述混合粉末等静压成型,压力为250MPa,得到坯体;
c)将所述坯体在空气环境下加热,加热温度为500℃,保温60分钟;预热后的坯体立即放入挤出机的挤压桶中,挤压桶加热温度为450℃,在挤压比为4.5:1,挤压速度为4mm/s,压力为1600T的工艺条件下将样品挤出,经过水冷后得到高强、耐腐蚀铝合金棒材。
实施例4制备的铝合金经切割取样并抛光处理后,强度按照GB/T228.1-2010对其进行测试,盐雾腐蚀测试依照GB/T10125-1997标准进行测试,测试结果如表1所示。
实施例5
a)将重量为100千克,含锰粉为0.3%,镁粉为0.2%,铝粉为99.5%的原料放入球磨罐中,钢球重量为1吨,添加1000毫升无水乙醇、800毫升煤油作为防锻剂。机械制粉40小时后得到的混合粉末;
b)将所述混合粉末等静压成型,压力为200MPa,得到坯体;
c)将所述坯体在空气环境下加热,加热温度为550℃,保温35分钟;预热后的坯体立即放入挤出机的挤压桶中,挤压桶加热温度为430℃,在挤压比为8:1,挤压速度为3mm/s,压力为1350T的工艺条件下将样品挤出,经过水冷后得到高强、耐腐蚀铝合金棒材。
实施例5制备的铝合金经切割取样并抛光处理后,强度按照GB/T228.1-2010对其进行测试,盐雾腐蚀测试依照GB/T10125-1997标准进行测试,测试结果如表1所示。
表1本发明实施例提供的铝合金的屈服强度、拉伸强度和硬度的测试结果
由测试结果可知,通过本发明提供的制备方法制备的耐腐蚀铝合金具有较高的屈服强度和拉伸强度,能够满足现代工业对高强度耐腐蚀铝合金材料的需求。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。