CN106555086A - 一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材及其制备方法 - Google Patents

一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，按照质量百分比计，包括以下组分Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu 1.3％～3.5％，Sc 0％～0.3％，Y 0％～0.3％，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。还提供一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材制造方法，上述一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材及其制造方法中，通过向铝合金中复合添加微量的Ce，及Y和/或Sc微合金化元素，有效地改善了铝合金材料的力学强度，解决了铝合金棒材普遍存在强度低的问题。

Description

一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝型材领域，特别是涉及一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材及其制备方法。
背景技术
铝的密度小(ρ＝2.7g/cm3)，大约是铁的1/3，熔点低(660℃)，铝是面心立方结构，故具有很高的塑性(δ：32～40％，ψ：70～90％)，易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态σb值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb值分别可达24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”(强度与比重的比值σb/ρ)胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50％以上。
但铝的强度仍然有待提升，目前普通铝合金的强度一般为400MPa左右，部分铝合金虽然强度有所提高，但是其抗腐蚀性能较差，在一定程度上制约了其应用。
发明内容
基于此，有必要提供一种力学强度较高的耐蚀性能好的Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材及其制备方法。
一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，按照质量百分比计，包括以下组分：锌(Zn)5.6％～10％，镁(Mg)1.86％～5％，铜(Cu)1.3％～3.5％，钪(Sc)0％～0.3％，钇(Y)0％～0.3％，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 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu 1.3％～3.5％，Sc 0.1％～0.3％，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 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu 1.3％～3.5％，Y 0.1％～0.3％，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，还包括Zr 0.1％～1％。
在其中一个实施例中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu 1.3％～3.5％，Sc 0.1％～0.3％，Y 0.1％～0.3％，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。
在其中一个实施例中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn：8.5％，Mg：2.6％，Cu：1.86％，Sc：0.2％，Y：0.2％，Ce：0.3％，Si：0.04％，Fe：0.04％，Mn、Ti及Cr元素≤0.1，其他杂质元素合计≤0.15，余量为铝Al。
一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材的制备方法，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470℃×18h均匀化退火后，再在450℃进行热挤压，之后在温度为480℃条件下进行固溶处理，水淬后在160℃保温18小时后拉拔成高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，所述高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu1.3％～3.5％，Sc 0％～0.3％，Y 0％～0.3％，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-Y、Al-Sc、Al-Ce、Al-Ti、Al-Si、Al-Fe、Al-Mn及Al-Cr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430℃，挤压比为15.6。
在上述高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材及其制备方法中，通过向铝合金中复合添加微量的Ce，及Sc或/和Y及微合金化元素，有效地改善了铝合金材料的力学强度和耐蚀性能，解决了铝合金材料普遍存在强度低、耐蚀性差的问题。
附图说明
图1为一实施方式的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材的制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材及其制备方法作进一步的说明。
一实施方式的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu 1.3％～3.5％，Sc 0％～0.3％，Y 0％～0.3％，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。
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、强度及耐腐蚀性能。
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。
优选地，在一实施方式中，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu 1.3％～3.5％，Sc 0.1％～0.3％，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Y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，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 5.6％～10％，Mg1.86％～5％，Cu 1.3％～3.5％，Y 0.1％～0.3％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe0％～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Y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，还包括Zr 0.1％～1％。
在一实施方式中，优选地，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu 1.3％～3.5％，Sc 0.1％～0.3％，Y 0.1％～0.3％，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。添加起增强组织性能作用的掺杂改性稀土元素Zr、Y和Ce，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：8.5％，Mg：2.6％，Cu：1.86％，Sc：0.2％，Y：0.2％，Ce：0.3％，Si：0.04％，Fe：0.04％，Mn、Ti及Cr元素≤0.1，其他杂质元素合计≤0.15，余量为铝Al。
在上述高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材中，微量的Sc对铝合金棒材的强化机理在于，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的细晶强化、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元素可减少由于添加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。
稀土元素Y对合金铸态组织晶粒细化作用显著，进而有效提升材料的力学性能。Y也对Cu元素造成棒材在焊接过程中的热裂纹倾向有改善作用，改善铝合金棒材的抗拉强度、耐热耐震和抗腐蚀能力，同时又可以提高其导电性能改善焊接性，而不会影响铝合金材料的导电性能，从而明显地改善铝合金棒材的强度和焊接性能，又可以起到一定的净化去氢的作用，改善铝合金的组织结构。此外Y与Al、Cu等形成弥散分布的高熔点化合物，也提升了铝合金棒材的热稳定性与耐热性。
微量Zr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替代昂贵的Sc，可大辐降低原料成本。
在上述高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材中，通过向铝合金中复合添加微量的Ce，及Sc或/和Y及微合金化元素，有效地改善了铝合金材料的力学强度，解决了铝合金材料普遍存在强度低的问题。上述高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材具有超高力学强度，且综合性能好，强度高韧性好，抗拉强度达到600MPa以上，断后伸长率达到11％，较普通铝合金棒材强度提高约25％，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棒材低40％以上。同时原料成本控制合理，具有较强的市场竞争力，较好地满足了现代科技发展对高性能铝合金材料的苛刻要求。
如图1所示，一实施方式的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材的制备方法，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470℃×18h均匀化退火后，再在450℃进行热挤压，之后在温度为480℃条件下进行固溶处理，水淬后在160℃保温18小时后制成高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，所述高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu1.3％～3.5％，Sc 0％～0.3％，Y 0％～0.3％，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-Y、Al-Sc、Al-Ce、Al-Ti、Al-Si、Al-Fe、Al-Mn及Al-Cr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430℃，挤压比为15.6。
上述高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材的制备方法中，通过向铝合金中复合添加微量的Ce，及Sc或/和Y及微合金化元素，有效地改善了铝合金材料的力学强度，解决了铝合金棒材普遍存在强度低的问题。上述高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材具有超高力学强度，且综合性能好，强度高韧性好，抗拉强度达到600MPa以上，断后伸长率达到11％，较普通铝合金棒材强度提高约25％，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棒材低40％以上。同时原料成本控制合理，具有较强的市场竞争力，较好地满足了现代科技发展对高性能铝合金材料的苛刻要求。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
本申请通过控制组成配方和加工工艺使得铝合金棒材机械性能明显优于不加稀土Sc、Y和Ce的7系铝合金，抗拉强度＞600Mpa，延伸率A≥10％，平均抗拉强度增加了189Mpa，强度和延伸率提高近40％。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7系铝合金棒材低40％以上。满足高端铝合金对材料强度和耐蚀性能要求，可以替代进口铝材、不锈钢和超级钢。
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 (9)

1.一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu 1.3％～3.5％，Sc0％～0.3％，Y 0％～0.3％，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所述的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu1.3％～3.5％，Sc 0.1％～0.3％，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。
3.根据权利要求1所述的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu1.3％～3.5％，Y 0.1％～0.3％，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。
4.根据权利要求3所述的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，其特征在于，按照质量百分比计，还包括Zr 0.1％～1％。
5.根据权利要求1所述的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu1.3％～3.5％，Sc 0.1％～0.3％，Y 0.1％～0.3％，Ce 0.1％～0.5％，Si 0％～0.2％，Fe0％～0.3％，Mn 0％～0.3％，Ti 0％～0.2％，Cr 0％～0.3％，杂质≤0.15％，余量为Al。
6.根据权利要求1所述的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，其特征在于，按照质量百分比计，包括以下组分：Zn：8.5％，Mg：2.6％，Cu：1.86％，Sc：0.2％，Y：0.2％，Ce：0.3％，Si：0.04％，Fe：0.04％，Mn、Ti及Cr元素≤0.1，其他杂质元素合计≤0.15，余量为铝Al。
7.一种高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材的制备方法，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470℃×18h均匀化退火后，再在450℃进行热挤压，之后在温度为480℃条件下进行固溶处理，水淬后在160℃保温18小时后制成高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材，所述高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材按照质量百分比计，包括以下组分：Zn 5.6％～10％，Mg 1.86％～5％，Cu1.3％～3.5％，Sc 0％～0.3％，Y 0％～0.3％，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。
8.根据权利要求7所述的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材的制备方法，其特征在于，所述中间合金为Al-Y、Al-Sc、Al-Ce、Al-Ti、Al-Si、Al-Fe、Al-Mn及Al-Cr中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的高强耐蚀Al-Zn-Mg-(Cu)系铝合金棒材的制备方法，其特征在于，在所述热挤压过程中，挤压模具温度430℃，挤压比为15.6。
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