CN106553008A - 一种稀土掺杂改性铝合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种稀土掺杂改性铝合金焊丝，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc 0％～0.2％，Zr 0％～0.4％，Ce0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。还提供一种稀土掺杂改性铝合金焊丝的制备方法。上述稀土掺杂改性铝合金焊丝及其制备方法中，通过向铝合金中复合添加微量的Ce，及Sc或/和Zr微合金化元素相互作用，有效地改善了铝合金材料的力学及耐蚀性能，得到的铝合金焊丝强度高、韧性强且成本低。

Description

一种稀土掺杂改性铝合金焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝型材领域，特别是涉及一种稀土掺杂改性铝合金焊丝及其制备方法。
背景技术
大型铝型材广泛应用于航天航空和地面交通运输厢体制造，如中国、美国、加拿大、日本、俄罗斯、德国和法国等国生产的高铁列车车厢已大量使用铝合金型材，大型铝型材配用的高性能铝合金焊丝市场需求激增，且基本依赖进口。焊丝的成分和配比直接关系到焊丝的使用性能。铝合金中添加稀土元素具有积极作用，改善合金的组织和性能，但稀土元素加入不当，也会形成粗大的金属间化合物，显著降低力学性能，同时造成巨大资源浪费，因此必须在原料成本和综合性能之间取得平衡。
通常，铝合金焊丝中添加稀土元素的结果要么焊丝的性能提升有限，且性能指标提升不均衡，抗拉强度提升了，但材料塑性和耐蚀性没有提升，制约焊丝整合使用性能；要么与普通铝合金与不锈钢相比，在耐腐蚀性能上有较大差距，制约着铝合金的应用，成为铝合金的劣势。实际应用中，环境中的水、盐分、二氧化硫等无法避免，特别是在沿海地区和某些重工业区，由于湿度大、盐分高、污染重，因此材料的抗腐蚀能力对于产品的使用寿命起到重要作用，如何提高铝合金的耐蚀性能尤其重要。
发明内容
基于此，有必要提供一种力学性能和耐蚀性能较好的稀土掺杂改性铝合金焊丝及其制备方法。
一种稀土掺杂改性铝合金焊丝，按照质量百分比计，包括以下组分：锌(Zn)0.05％～0.1％，镁(Mg)3％～6％，铜(Cu)0.01％～0.1％，钪(Sc)0％～0.2％，锆(Zr)0％～0.4％，铈(Ce)0.1％～0.5％，硅(Si)0％～0.2％，铁(Fe)0％～0.3％，锰(Mn)0％～0.3％，钛(Ti)0％～0.2％，铬(Cr)0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为铝(Al)。
在其中一个实施例中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc 0.05％～0.2％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
在其中一个实施例中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Zr 0.1％～0.4％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
在其中一个实施例中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc 0.1％～0.15％，Zr 0.1％～0.3％，Ce 0.2％～0.4％，Si 0.15％～0.2％，Fe 0.15％～0.3％，Mn 0.15％～0.3％，Ti 0.1％～0.2％，Cr 0.1％～0.3％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al。
在其中一个实施例中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn：0.05％，Mg：5％，Cu：0.05％，Sc：0.1％，Zr：0.2％，Ce：0.3％，Si：0.15％，Fe：0.15％，Mn：0.15％，Ti：0.1％，Cr：0.1％，其他杂质元素合计≤0.15，余量为铝Al。
一种稀土掺杂改性铝合金焊丝的制备方法，包括：
将感应电炉加热至发红状态，清洗石墨坩埚，加入纯Al并加热熔化后停止加热；
加入纯Cu、纯Zn及中间合金，充分搅拌后加入纯Mg，通入氩气或六氯乙烷进行熔炼保护和精炼；
除去表面浮渣后，静置保温10～15分钟，浇入铁模中，自然冷却脱模成铸锭；
将所述铸锭经420℃×18h均匀化退火后，再在420℃进行热挤压，然后在160℃保温18小时后拉拔成稀土掺杂改性铝合金焊丝，所述稀土掺杂改性铝合金焊丝包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc0％～0.2％，Zr 0％～0.4％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
在其中一个实施例中，所述中间合金为Al-Ce、Al-Zr、Al-Sc、Al-Ti、Al-Cr、Al-Mn、Al-Fe及Al-Si中的至少一种。
在其中一个实施例中，在所述热挤压过程中，挤压模具温度为380℃，挤压比为10.1。
在上述稀土掺杂改性铝合金焊丝及其制备方法中，通过向铝合金中复合添加微量的Ce，及Sc或/和Zr微合金化元素，有效地改善了铝合金材料的力学及耐蚀性能，得到的铝合金焊丝强度高、韧性强且成本低。上述稀土掺杂改性铝合金焊丝综合性能好，抗拉强度达到400MPa以上，断后伸长率达到14％，较普通铝合金焊丝提高约20％，抗腐蚀性能良好，经250小时盐雾腐蚀测试，平均失重较普通铝合金焊丝低于40％以上。较好地满足了现代科技发展对高性能铝合金焊丝的苛刻要求。
附图说明
图1为一实施方式的稀土掺杂改性铝合金焊丝的制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对稀土掺杂改性铝合金焊丝及其制备方法作进一步的说明。
一实施方式的稀土掺杂改性铝合金焊丝，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc 0％～0.2％，Zr 0％～0.4％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
稀土元素Ce对铝合金有细化变质、净化、合金化等作用。Ce可显著改善合金的塑性，细化合金的晶粒。当加入量为0.2％～0.3％时，Ce可以提高合金的室温和高温强度，其中高温强度的提高源于Al8Cu4Ce相的生成，合金具有良好的塑性及耐腐蚀性能。
考虑到如果添加的稀土元素含量太低，对于性能的提升并不明显，随着含量的提高，其对于材料的综合性能的改善也逐步加强，但是当稀土元素的添加量达到一定值后，过多添加的Sc、Ce等稀土元素及Zr元素形成粗大的化合物，对晶粒结构产生不利的影响，从而使得材料的综合性能不升反降。
在一实施方式中，按照质量百分比计，包括以下组分：在其中一个实施例中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu0.01％～0.1％，Sc 0.05％～0.2％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。即不添加Zr元素，添加起增强组织性能作用的掺杂改性稀土元素Sc和Ce，也可以显著地提升铝合金材料的综合性能。
在一实施方式中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Zr 0.1％～0.4％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。即不添加稀土Sc元素，添加起增强组织性能作用的掺杂改性稀土元素Ce和Zr元素，也可以显著地提升铝合金材料的综合性能。
优选地，在一实施方式中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc 0.1％～0.15％，Zr 0.1％～0.3％，Ce 0.2％～0.4％，Si 0.15％～0.2％，Fe 0.15％～0.3％，Mn 0.15％～0.3％，Ti 0.1％～0.2％，Cr 0.1％～0.3％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al。微量的稀土元素Sc及适量的Ce和Zr元素，可以很好地改善材料的力学性能和耐蚀性能。
在一实施方式中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn：0.05％，Mg：5％，Cu：0.05％，Sc：0.1％，Zr：0.2％，Ce：0.3％，Si：0.15％，Fe：0.15％，Mn：0.15％，Ti：0.1％，Cr：0.1％，其他杂质元素合计≤0.15，余量为铝Al。
在上述稀土掺杂改性铝合金焊丝中，Sc与Al元素发生微合金化作用，弥散的Al3Sc颗粒对合金产生强烈地细晶强化、亚结构强化、弥散强化和共格强化等强化作用，Sc元素沿枝晶和晶界分布，形成网状组织，提高晶界强度和抗蠕变性能，使裂纹不易扩展。此外添加Sc还可以减少Cu元素造成合金焊接过程中的热裂纹倾向，明显改善合金的强度。Zr元素的添加，其能大量进入Al3Sc相中，形成强化颗粒Al3(Sc.Zr)，Al3(Sc.Zr)的晶格类型、点阵参数与Al3Sc相差甚小，因此其对基体的强化作用与Al3Sc相当，甚至Al3(Sc.Zr)比Al3Sc的热稳定性能更好，在高温加热下不易发生聚集，因此形成的Al3(Sc.Zr)保证了强化效果和抑制再结晶效果。Al3(Sc.Zr)金属间化合物即使在450℃高温退火，仍无明显长大，且与基体保持共格关系，克服了一般时效硬化型高温铝合金在高温时共格或半共格相向平衡相转变而失去共格的缺点。Zr与Sc相辅相成，使得组织结构更为均匀，强度增加。微量Zr还能一定程度提高合金的断裂韧性，并且由于其淬火敏感性较小，Zr可以提高铝合金的淬透性和焊接性。此外Zr的价格不到Sc的百分之一，用Zr替代部分昂贵的Sc，可大辐降低原料成本。
稀土元素Ce对铝合金有细化变质、净化、合金化等作用。Ce可显著改善合金的塑性，细化合金的晶粒。
在上述稀土掺杂改性铝合金焊丝中，通过向铝合金中复合添加微量的Sc、Zr及Ce微合金化元素，有效地改善了铝合金材料的力学及耐蚀性能，得到的铝合金焊丝强度高、韧性强且成本低。上述稀土掺杂改性铝合金焊丝综合性能好，抗拉强度达到400MPa以上，断后伸长率达到14％，较普通铝合金焊丝提高约20％，抗腐蚀性能良好，经250小时盐雾腐蚀测试，平均失重较普通铝合金焊丝低40％以上。较好地满足了现代科技发展对高性能铝合金焊丝的苛刻要求。
如图1所示，一实施方式的稀土掺杂改性铝合金焊丝的制备方法，包括：
S110、将感应电炉加热至发红状态，清洗石墨坩埚，加入纯Al并加热熔化后停止加热；
S120、加入纯Cu、纯Zn及中间合金，充分搅拌后加入纯Mg，通入氩气或六氯乙烷进行熔炼保护和精炼；
S130、除去表面浮渣后，静置保温10～15分钟，浇入铁模中，自然冷却脱模成铸锭；
S140、将所述铸锭经420℃×18h均匀化退火后，再在420℃进行热挤压，然后在160℃保温18小时后拉拔成稀土掺杂改性铝合金焊丝，所述稀土掺杂改性铝合金焊丝包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc0％～0.2％，Zr 0％～0.4％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
在一实施方式中，所述中间合金为Al-Ce、Al-Zr、Al-Sc、Al-Ti、Al-Cr、Al-Mn、Al-Fe及Al-Si中的至少一种。
在一实施方式中，在所述热挤压过程中，挤压模具温度为380℃，挤压比为10.1。
上述稀土掺杂改性铝合金焊丝的制备方法中，通过向铝合金中复合添加微量的Sc、Zr及Ce微合金化元素，有效地改善了铝合金材料的力学及耐蚀性能，得到的铝合金焊丝强度高、韧性强且成本低。上述稀土掺杂改性铝合金焊丝综合性能好，抗拉强度达到400MPa以上，断后伸长率达到14％，较普通铝合金焊丝提高约20％，抗腐蚀性能良好，经250小时盐雾腐蚀测试，平均失重较普通铝合金焊丝低40％以上。且上述制备方法工艺步骤少，工艺简单，成本低廉，适合工业化生产。
以下通过具体实施例来进一步说明。
请参阅表1，表1为实施例1～实施例3及对比实施例的组分表，各组分按质量百分比计。
表1 实施例和对比例的组分含量
请参阅表2和表3，表2和表3为实施例和对比例的综合性能检测结果。
表2 实施例和对比例的力学性能测试结果
表3 实施例和对比例的盐雾腐蚀测试结果
本申请的稀土掺杂改性铝合金焊丝的强度和韧性显著优于不加稀土Sc、Y和Ce的铝合金焊丝，抗拉强度平均值为412.67MPa，平均延伸率为12.1％。较不加稀土Sc、Y和Ce的铝合金焊丝强度提高近100MPa，延伸率提高34％。稀土掺杂改性铝合金焊丝的抗腐蚀性能良好，经250小时盐雾腐蚀测试，平均失重较不加稀土Sc、Y和Ce的铝合金焊丝低40％以上。满足大型铝型材地高性能铝合金焊丝的苛刻技术要求，具备替代国外进口高性能铝合金焊丝的性能指标，具有广阔的市场前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种稀土掺杂改性铝合金焊丝，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc 0％～0.2％，Zr0％～0.4％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的稀土掺杂改性铝合金焊丝，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc 0.05％～0.2％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的稀土掺杂改性铝合金焊丝，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Zr0.1％～0.4％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
4.根据权利要求1所述的稀土掺杂改性铝合金焊丝，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc0.1％～0.15％，Zr 0.1％～0.3％，Ce 0.2％～0.4％，Si 0.15％～0.2％，Fe 0.15％～0.3％，Mn 0.15％～0.3％，Ti 0.1％～0.2％，Cr 0.1％～0.3％，其他杂质元素合计≤0.15％，余量为铝Al。
5.根据权利要求1所述的稀土掺杂改性铝合金焊丝，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn：0.05％，Mg：5％，Cu：0.05％，Sc：0.1％，Zr：0.2％，Ce：0.3％，Si：0.15％，Fe：0.15％，Mn：0.15％，Ti：0.1％，Cr：0.1％，其他杂质元素合计≤0.15，余量为铝Al。
6.一种稀土掺杂改性铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，包括：
将感应电炉加热至发红状态，清洗石墨坩埚，加入纯Al并加热熔化后停止加热；
加入纯Cu、纯Zn及中间合金，充分搅拌后加入纯Mg，通入氩气或六氯乙烷进行熔炼保护和精炼；
除去表面浮渣后，静置保温10～15分钟，浇入铁模中，自然冷却脱模成铸锭；
将所述铸锭经420℃×18h均匀化退火后，再在420℃进行热挤压，然后在160℃保温18小时后拉拔成稀土掺杂改性铝合金焊丝，所述稀土掺杂改性铝合金焊丝包括以下组分：Zn 0.05％～0.1％，Mg 3％～6％，Cu 0.01％～0.1％，Sc0％～0.2％，Zr 0％～0.4％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe 0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
7.根据权利要求6所述的稀土掺杂改性铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，所述中间合金为Al-Ce、Al-Zr、Al-Sc、Al-Ti、Al-Cr、Al-Mn、Al-Fe及Al-Si中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的稀土掺杂改性铝合金焊丝的制备方法，其特征在于，在所述热挤压过程中，挤压模具温度为380℃，挤压比为10.1。
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