CN106967908B - 一种高强耐蚀Al-Mg系铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强耐蚀Al‑Mg系铝合金及其制备方法，所述高强耐蚀Al‑Mg系铝合金由以下成分及质量百分比组成：Mg 3.6～3.9%，Mn 1.1～1.4%，Si 0.3～0.5%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.01～0.02%，B 0.002～0.004%，RE 0.01～0.03%，Fe≤0.15%，Cr≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。本发明Al‑Mg系铝合金具有强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能优良的优点，适合于制造汽车、舰艇、游艇、客船、LNG液化气运输船、冷藏集装箱等交通运输工具用铝合金板材、管材、棒材和型材，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种高强耐蚀Al-Mg系铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体是涉及一种高强耐蚀Al-Mg系铝合金及其制备方法。

背景技术

随着我国交通运输事业和海洋事业的发展，对高强耐蚀铝合金的性能也提出了更高的要求。例如，随着汽车轻量化的发展，汽车引擎盖、行李箱盖、前后车门、车顶等汽车覆盖件急需用高强耐蚀的铝合金板来代替现有的不锈钢板，以达到减轻汽车重量和达到节能减排的目的。又如，随着我国海洋事业的快速发展，舰艇、游艇、客船、LNG液化气运输船、集装箱等海上交通运输工具都迫切需要采用高强耐蚀的铝合金来减轻自身重量，以达到提高运载能力和节能减排的目的。

Al-Mg系铝合金属于不可热处理强化型的中强度铝合金，具有良好的耐腐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能等，广泛用于船舶、压力容器、制冷装置、电视塔、装甲、导弹零件等，如船舶及轨道车辆的钣金件、汽车及飞机焊接件、液体罐车、冷藏车、飞机的油箱油管以及电器外壳等。但目前常用的Al-Mg系铝合金，如5005、5052、5083等，虽有耐腐蚀性能和焊接性能优良的优点，但是由于不可热处理强化，其强度仍然偏低，导致这些牌号的Al-Mg系铝合金在使用过程中其强度不足、抗冲击性能较差的问题日益突出，无法满足汽车、船舶等陆地和海上交通运输工具轻量化的发展要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、耐腐蚀，能够满足汽车、船舶等陆地和海上交通运输工具轻量化发展要求的高强耐蚀Al-Mg系铝合金及其制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的高强耐蚀Al-Mg系铝合金，其特点是由以下成分及质量百分比组成：Mg 3.6～3.9%，Mn 1.1～1.4%，Si 0.3～0.5%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.01～0.02%，B 0.002～0.004%，RE 0.01～0.03%，Fe ≤0.15%，Cr ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。

优选的，本发明所述的高强耐蚀Al-Mg系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Mg 3.8%，Mn 1.3%，Si 0.4%，Li 0.4%，Zr 0.015%，B 0.003%，RE 0.02%，Fe ≤0.15%，Cr ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。

其中，所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 13.6%，Nd 26.5%，Pm 16.4%，Sm9.6%，Eu 11.3%，Gd 22.6%。

本发明所述的高强耐蚀Al-Mg系铝合金的制备方法，其特点是包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al20Mn合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；

第二步：将铝锭在720～760℃加热熔化，并加入占原材料总重量为3.6～3.9%的镁锭、0.3～0.5%的速溶硅、5.5～7%的Al10Mn合金和1.5～2.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.2～0.4%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至700～740℃并静置1～2小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在480～500℃固溶处理2～3小时，水淬后，在130～150℃时效处理4～8小时，随炉冷却后得到高强耐蚀Al-Mg系铝合金。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明Al-Mg系铝合金的室温抗拉强度大于330MPa，屈服强度大于290MPa，伸长率大于15%，具有强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能优良的优点，适合于制造汽车、舰艇、游艇、客船、LNG液化气运输船、冷藏集装箱等交通运输工具用铝合金板材、管材、棒材和型材，具有广阔的市场应用前景。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明作进一步的详细说明。

本发明所述的高强耐蚀Al-Mg系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Mg 3.6～3.9%，Mn 1.1～1.4%，Si 0.3～0.5%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.01～0.02%，B 0.002～0.004%，RE0.01～0.03%，Fe ≤0.15%，Cr ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。

优选的，所述高强耐蚀Al-Mg系铝合金的成分及质量百分比组成为：Mg 3.8%，Mn1.3%，Si 0.4%，Li 0.4%，Zr 0.015%，B 0.003%，RE 0.02%，Fe ≤0.15%，Cr ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。

其中，所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 13.6%，Nd 26.5%，Pm 16.4%，Sm9.6%，Eu 11.3%，Gd 22.6%。

Mg是本发明Al-Mg系铝合金的主要合金元素，Mg在铝合金中溶解度很大，主要起固溶强化作用，另外，Mg在本发明铝合金的时效处理过程中形成强化效果极为显著的Mg₂Si相，增强铝合金的强度。随着Mg含量的增加，铝合金的强度越高。但Mg含量太高，铝合金铸锭的热裂倾向和塑性也会下降，成形加工性能变坏。为了确保铝合金具有足够的强度、塑性和成形加工性能，Mg含量选择为3.6～3.9%，优选的，Mg含量为Mg 3.8%。

Mn在本发明Al-Mg系铝合金中可形成MnAl₆化合物弥散质点，能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。Mn在铝合金中还能溶解杂质Fe，形成（Fe、Mn）Al₆，减小铁的有害影响，提高铝合金的抗腐蚀性能和焊接性能。但Mn含量太高也容易引起元素偏析，因此，选择添加1.1～1.4%的Mn，优选的，Mn含量为1.3%。

Li在时效过程还会析出纳米尺寸的Al₃Li、Al₂MgLi等强化相，这些强化相可钉扎位错、亚晶及晶界，抑制合金再结晶，提高铝合金的强度、塑性和焊接性能，添加0.3～0.5%的微量Li即可对铝合金产生明显的强化效果，优选的，Li添加量为0.4%。

Zr、B是以Al5Zr1B合金的形式加入到铝合金中，Al5Zr1B合金是由氟锆酸钾和氟硼酸钾的混合物与铝液反应得到，内部含有大量的ZrB₂粒子。Al5Zr1B合金是一种新型的铝合金晶粒细化剂，发明人的大量实验证明，Al5Zr1B合金比现有的Al5Ti1B和Al5Ti1C合金具有更强的晶粒细化能力，添加0.1～0.3%的Al5Zr1B合金，铝合金中含有0.005～0.015%的Zr和0.001～0.003%的B，可显著细化铝合金的晶粒，改善铝合金的组织均匀性，提高铝合金的塑性变形能力，优选的，Al5Zr1B合金添加量为0.2%，铝合金中含有0.01%的Zr和0.002%的B。

RE是含有Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd共六种轻稀土元素的混合稀土，轻稀土元素的物理化学性质活泼，能与铝合金液中的氢、氧、铁、锌、铜、铬等杂质元素反应生成高熔点、高稳定性的稀土化合物，对铝合金液有深度净化作用，可以消除杂质元素的有害影响，同时稀土元素还可以提高铝合金的腐蚀电位并在铝合金表面形成致密的稀土氧化膜，提高铝合金抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀的能力。发明人的实验研究表明，添加含Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd共六种轻稀土元素的混合稀土的效果比添加一种或少数几种轻稀土元素的效果都更好，因此，选择添加0.01～0.03%的混合轻稀土RE，优选的，RE混合轻稀土添加量为0.02%。

本发明还提供了所述高强耐蚀Al-Mg系铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al10Mn合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；

第二步：将铝锭在720～760℃加热熔化，并加入占原材料总重量为3.6～3.9%的镁锭、0.3～0.5%的速溶硅、5.5～7%的Al20Mn合金和1.5～2.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.2～0.4%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至700～740℃并静置1～2小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在480～500℃固溶处理2～3小时，水淬后，在130～150℃时效处理4～8小时，随炉冷却后得到高强耐蚀Al-Mg系铝合金。

本发明的制备方法，选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al20Mn合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料，通过优化主合金元素Mg的含量，添加速溶硅、Al10Mn合金、Al20Li合金进行微合金化，经精炼除气、除渣后，再加入Al5Zr1B合金和混合稀土RE，能够充分发挥Al5Zr1B合金和混合稀土RE对铝合金液的晶粒细化和深度净化作用，确保本发明Al-Mg系铝合金获得高强度、高塑性和优良的耐腐蚀性能和焊接性能。

为了更详尽的描述本发明的铝合金及制备方法，以下列举几个实施例作更进一步的说明。

实施例1：

本发明所述的高强耐蚀Al-Mg系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Mg 3.6%，Mn 1.1%，Si 0.3%，Li 0.3%，Zr 0.01%，B 0.002%，RE 0.01%，Fe ≤0.15%，Cr ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 13.6%，Nd 26.5%，Pm 16.4%，Sm 9.6%，Eu 11.3%，Gd 22.6%。制备方法由以下步骤组成：

第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al10Mn合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；

第二步：将铝锭在720℃加热熔化，并加入占原材料总重量为3.6%的镁锭、0.3%的速溶硅、5.5%的Al20Mn合金和1.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：用六氯乙烷对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.2%的Al5Zr1B合金和0.01%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至700℃并静置2小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在500℃固溶处理2小时，水淬后，在130℃时效处理8小时，随炉冷却后得到高强耐蚀Al-Mg系铝合金。

实施例2：

本发明所述的高强耐蚀Al-Mg系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Mg 3.8%，Mn 1.3%，Si 0.4%，Li 0.4%，Zr 0.015%，B 0.003%，RE 0.02%，Fe ≤0.15%，Cr ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 13.6%，Nd 26.5%，Pm 16.4%，Sm 9.6%，Eu 11.3%，Gd 22.6%。制备方法由以下步骤组成：

第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al20Mn合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；

第二步：将铝锭在740℃加热熔化，并加入占原材料总重量为3.8%的镁锭、0.4%的速溶硅、6.5%的Al20Mn合金和2%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：用六氯乙烷对铝合金液精炼除气除渣，再加入占原材料总重量为0.3%的Al5Zr1B合金和0.02%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至720℃并静置1.5小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在490℃固溶处理2.5小时，水淬后，在140℃时效处理6小时，随炉冷却后得到高强耐蚀Al-Mg系铝合金。

实施例3：

本发明所述的高强耐蚀Al-Mg系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Mg 3.9%，Mn 1.4%，Si 0.5%，Li 0.5%，Zr 0.02%，B 0.004%，RE 0.03%，Fe ≤0.15%，Cr ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 13.6%，Nd 26.5%，Pm 16.4%，Sm 9.6%，Eu 11.3%，Gd 22.6%。制备方法由以下步骤组成：

第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al20Mn合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；

第二步：将铝锭在760℃加热熔化，并加入占原材料总重量为3.9%的镁锭、0.5%的速溶硅、7%的Al20Mn合金和2.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：用六氯乙烷对铝合金液精炼除气除渣，再加入占原材料总重量为0.4%的Al5Zr1B合金和0.03%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至740℃并静置1小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在480℃固溶处理3小时，水淬后，在150℃时效处理4小时，随炉冷却后得到高强耐蚀Al-Mg系铝合金。

按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将实施例1-3的Al-Mg系铝合金加工成标准拉伸试样，在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。

表1 实施例1-3的Al-Mg系铝合金的拉伸力学性能

实施例序号	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率/%
				实施例1	336.1	295.8	18.5
实施例2	354.7	311.5	16.4
				实施例3	388.6	346.5	14.7

由表1的检测结果可见，本发明Al-Mg系铝合金的室温抗拉强度大于330MPa，屈服强度大于290MPa，伸长率大于14%，具有强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能优良的优点，适合于制造汽车、舰艇、游艇、LNG运输船、冷藏集装箱等交通运输工具用铝合金板材、管材、棒材和型材，具有广阔的市场应用前景。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种高强耐蚀Al-Mg系铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Mg 3.6～3.9%，Mn 1.1～1.4%，Si 0.3～0.5%，Li 0.3～0.5%，Zr 0.01～0.02%，B 0.002～0.004%，RE0.01～0.03%，Fe ≤0.15%，Cr ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 13.6%，Nd 26.5%，Pm 16.4%，Sm9.6%，Eu 11.3%，Gd 22.6%。

2.根据权利要求1所述的高强耐蚀Al-Mg系铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Mg 3.8%，Mn 1.3%，Si 0.4%，Li 0.4%，Zr 0.015%，B 0.003%，RE 0.02%，Fe ≤0.15%，Cr ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述RE的成分组成及质量百分比为：Pr 13.6%，Nd 26.5%，Pm 16.4%，Sm 9.6%，Eu 11.3%，Gd22.6%。

3.一种制备如上述任一权利要求所述高强耐蚀Al-Mg系铝合金的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯镁锭、速溶硅、Al20Mn合金、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土RE作为原材料；

第二步：将铝锭在720～760℃加热熔化，并加入占原材料总重量为3.6～3.9%的镁锭、0.3～0.5%的速溶硅、5.5～7%的Al10Mn合金和1.5～2.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.2～0.4%的Al5Zr1B合金和0.01～0.03%的混合稀土RE，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至700～740℃并静置1～2小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在480～500℃固溶处理2～3小时，水淬后，在130～150℃时效处理4～8小时，随炉冷却后得到高强耐蚀Al-Mg系铝合金。