CN107119216A - 一种高强耐腐蚀铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强耐腐蚀铝合金,该铝合金的组成成分及重量百分比为:Zn为9.8~11.5%,Mg为1.7~2.5%,Cu为1.8~2.8%,Zr为0.08~0.18%,Ce为0.05~0.15%,余量为Al及杂质,且所述杂质的总含量不超过0.08%,单个杂质的含量不超过0.04%。该高强耐腐蚀铝合金的制备方法,包括以下步骤:(1)熔炼;(2)浇铸;(3)两级均匀化处理;(4)切头、铣面;(5)热轧、中间退火与冷轧;(6)双级固溶处理、淬火;(7)时效处理。本发明制备得到的铝合金室温抗拉伸强度超过700MPa的同时还具有优异的耐腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明属于金属材料工程领域,尤其涉及一种铝合金及其制备方法。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu超硬系列(7000系)铝合金是可热处理强化的合金,具有密度小、加工性能好及焊接性能优良等特点,是航空航天、船舶、桥梁、大型容器、管道、车辆等领域中最重要的轻质结构材料之一。但这种合金制品在服役的过程中,往往由于应力腐蚀开裂(SCC)导致其失效,且SCC敏感性与强度之间矛盾至今仍然是7000系铝合金产业化应用的重大困扰。为了解决这个问题,国内外学者在合金成分上进行了优化设计,如不断提高锌镁比、降低镁与铜的总含量、合理引入微量元素与降低杂质元素含量等;另外,对合金的热处理工艺进行优化也是国内外学者研究的方向,如飞机上用量最多的超硬铝合金之一的7150铝合金,通过热处理工艺优化,可以使合金在60℃下,4mol/L的NaCl溶液中的应力腐蚀裂纹萌生时间发生显著改变,具体见表1:
表1:7150铝合金在60℃下,4mol/L的NaCl溶液中的应力腐蚀裂纹萌生时间
热处理工艺 | 裂纹萌生时间小于 |
T6 | 6h |
T77 | 27h |
T76 | 125h |
T76+T6 | 143h |
总之,合金成分优化及热处理工艺优化在提高7000系Al-Zn-Mg-Cu合金抗应力腐蚀水平上取得了一些进展。但通过合金成分优化及热处理工艺优化进一步提高7000系合金强度的同时并保证其具有良好的耐腐蚀性能仍然是新型高强Al-Zn-Mg-Cu研发的重要方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷,提供一种具有高强度且耐腐蚀的铝合金,并相应提供其制备方法。为解决上述技术问题,本发明提出的技术方案为:
一种高强耐腐蚀铝合金,该铝合金的组成成分及重量百分比为:Zn为9.8~11.5%,Mg为1.7~2.5%,Cu为1.8~2.8%,Zr为0.08~0.18%,Ce为0.05~0.15%,余量为A1及杂质,且所述杂质的总含量不超过0.08%,单个杂质的含量不超过0.04%。
上述超强铝合金中,常见的杂质为Fe、Si等物质。
作为一个总的技术构思,本发明还提供一种高强耐腐蚀铝合金的制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝、锌、铜源、锆源与铈源按配比依次加入熔炼炉中熔炼,完全熔化后经除气处理,再加入镁,完全熔化后再次除气处理得到熔融合金,静置1小时;
(2)将步骤(1)中静置后的熔融合金浇铸得到铸锭A;
(3)将步骤(2)中得到的铸锭A进行两级均匀化处理;
(4)切除步骤(3)中得到的铸锭A的头部,并对铸锭A的表面进行铣面加工3~5mm后得到铸锭B;
(5)将步骤(4)中得到的铸锭B进行热轧、中间退火与冷轧处理得到合金A;
(6)将步骤(5)中得到的合金A进行双级固溶处理后再淬火得到合金B;
(7)将步骤(6)得到的合金B进行时效处理。
上述制备方法中,优选的,所述铝为铝含量99.95%的高纯铝,所述锌为纯锌,所述铜源为铝铜中间合金,且铝铜中间合金中杂质总含量低于0.12%,所述锆源为铝锆中间合金,所述铈源为铝铈中间合金,所述镁为工业纯镁。更优选的,所述铜源为铜含量50%的铝铜中间合金,所述锆源为锆含量3%的铝锆中间合金,所述铈源为铈含量10%的铝铈中间合金。采用中间合金可以显著降低熔炼温度,缩短熔炼时间,如铜熔点太高,但铝铜中间合金的熔点略低于纯铝,使用铝铜中间合金有利于缩短熔炼时间,同时还可使铜在铝中分布更加均匀。
上述制备方法中,优选的,所述熔炼温度为760~780℃,所述浇铸温度为710~730℃,所述熔炼时一直加覆盖剂,所述覆盖剂为NaCl∶KCl∶NaAlF6=4∶4∶2的混合物。熔炼时加入覆盖剂可以防止熔融合金吸气、被氧化。
上述制备方法中,优选的,所述步骤(5)中,所述热轧总变形率不低于80%,热轧前进行预热,所述预热的工艺为在430~440℃下保温3~4小时,所述中间退火的工艺为在430~440℃下保温2~3小时,所述冷轧总变形率不低于50%。
上述制备方法中,优选的,所述除气处理中通入的气体为六氯乙烷或惰性气体。
上述制备方法中,优选的,所述两级均匀化处理中的一级均匀化处理的工艺为在430±5℃下保温15~18小时,二级均匀化处理的工艺为在460±3℃下保温30~35小时。
上述制备方法中,优选的,所述双级固溶处理为将经热轧、中间退火与冷轧处理后的合金在270±3℃下保温2~3小时进行第一级固溶处理,然后在465±3℃下保温1~1.5小时进行第二级固溶处理。
上述制备方法中,优选的,所述加入镁时多加入镁添加量的2~4%。多加入镁添加量的2~4%是充分考虑了熔炼过程中镁的烧损量,根据熔炼炉的炉型及大小在实际操作中通常多加2~4%的镁。
上述制备方法中,优选的,所述时效处理为T77时效,其工艺为依次经过125±1℃下保温20~22小时,空冷、175±1℃下保温1~2小时,水冷、125±1℃下保温20~22小时,空冷。
上述制备方法中,优选的,所述淬火为在室温水中淬火。所述两级固溶处理在盐浴炉或惰性气体保护炉中进行。采用盐浴炉操作,合金在出炉时表面粘附一层盐膜,能有效防止合金被氧化,惰性气体保护炉也能有效防止合金被氧化。
上述制备方法中,由于镁加入后熔体更容易吸气和氧化,所以本发明合金熔炼时先加入铝、锌、铜源、锆源与铈源后再加入镁。上述制备方法中,除气处理主要是为了除去氢气。二级均匀化处理时,一级均匀化处理时温度较低,此温度既可以防止铸锭凝固时非平衡结晶而导致局部严重偏析,而不至于发生过烧现象,同时还有利于含Ce或者含Zr的析出物在铸锭中二次均匀析出;二级均匀化处理温度较高更有利于提高铸锭组成成分分布的均匀性,提升均匀化处理的效果。二级固溶处理时,第一级低温固溶处理是让冷轧态合金充分回复,释放能量,从而在第二级高温固溶处理时合金基体很难再结晶软化,有利于合金基体保持较高的强度,第二级高温固溶处理是为了获得尽可能高的过饱和度。采用两级固溶处理有利于保持基体强度的同时还为后续时效强化处理提供有利条件,从而进一步提高合金的强度。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1.本发明与已注册的各种7000系Al-Zn-Mg-Cu合金不同,本发明设计了新的铝合金成分配方,制备得到的铝合金的强度非常高的同时还具有优异的耐腐蚀性能。
2.本发明在制备铝合金时采用两级均匀化处理与两级固溶处理,并优化均匀化处理与固溶处理的相关参数,制备得到的铝合金室温抗拉伸强度超过700MPa的同时还具有优异的耐腐蚀性能。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述,但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义,下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的,并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明,本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1:
一种高强耐腐蚀铝合金,该铝合金的组成成分及重量百分比为:Zn为10.12%,Mg为2.04%,Cu为2.10%,Zr为0.12%,Ce为0.08%,Fe为0.035%,Si为0.032%,余量为Al及含量少于0.05%的其他杂质。
本实施例的高强耐腐蚀铝合金的制备方法,包括以下步骤:
(1)将铝、锌、铜源、锆源与铈源按配比依次加入熔炼炉中在770℃下进行熔炼,完全熔化后经氩气除气处理,再加入镁(包括烧损量,烧损量为镁添加量的3%),完全熔化后再次经氩气除气处理得到熔融合金,静置1小时;其中,铝为铝含量为99.95%的高纯铝,锌为纯锌,铜源为铜含量50%的铝铜中间合金,且铝铜中间合金中杂质总含量低于0.12%,锆源为锆含量3%的铝锆中间合金,铈源为铈含量10%的铝铈中间合金,镁为工业纯镁,熔炼炉以石墨坩埚或高纯氧化镁砖涂粘土石墨涂料做炉膛内衬材料,熔炼过程一直加NaCl∶KCl∶NaAlF6=4∶4∶2的混合物做覆盖剂;
(2)将步骤(1)中静置后的熔融合金浇铸得到铸锭A,保持浇铸温度为720℃;
(3)将步骤(2)中得到的铸锭A进行两级均匀化处理,其中,一级均匀化处理的工艺为在430℃下保温16小时,二级均匀化处理的工艺为在460℃下保温32小时;
(4)切除步骤(3)中得到的铸锭A的头部,并对铸锭A的表面进行铣面加工3~5mm后得到铸锭B;
(5)将步骤(4)中得到的铸锭B进行热轧、中间退火与冷轧处理得到合金A,其中,热轧总变形率不低于80%,冷轧总变形率不低于50%,热轧前进行预热,其工艺为在430~440℃下保温3小时,中间退火的工艺为在430~440℃下保温2小时;
(6)将步骤(5)中得到的合金A进行双级固溶处理后再淬火得到合金B,其中,双级固溶处理为将经热轧、中间退火与冷轧处理后的合金在270℃下保温2小时进行第一级固溶处理,然后在465℃下保温1小时进行第二级固溶处理;
(7)将步骤(6)得到的合金B进行时效处理,且时效处理为T77时效,其工艺为依次经过125℃下保温20小时,空冷、175℃下保温1小时,水冷、125℃下保温20小时,空冷。
实施例2-4:
实施例2-4中的高强耐腐蚀铝合金的成分组成及制备方法均与实施例1相同,但组成成分中各成分的重量份不同,具体数据见表2。
表2:实施例中铝合金组成成分的重量份(重量百分比wt%)
实施例1-4中制备得到的高强耐腐蚀铝合金在室温下按标准GB/T3880.2-2006检测其力学性能,在60℃下,4mol/L的NaCl溶液中的检测其应力腐蚀裂纹萌生时间,结果如表3所示。
表3:实施例制备得到的铝合金的室温力学性能及应力腐蚀裂纹萌生时间
Claims (10)
1.一种高强耐腐蚀铝合金,其特征在于,该铝合金的组成成分及重量百分比为:Zn为9.8~11.5%,Mg为1.7~2.5%,Cu为1.8~2.8%,Zr为0.08~0.18%,Ce为0.05~0.15%,余量为Al及杂质,且所述杂质的总含量不超过0.08%,单个杂质的含量不超过0.04%。
2.一种如权利要求1所述的高强耐腐蚀铝合金的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将铝、锌、铜源、锆源与铈源按配比依次加入熔炼炉中熔炼,完全熔化后经除气处理,再加入镁,完全熔化后再次除气处理得到熔融合金,静置;
(2)将步骤(1)中静置后的熔融合金浇铸得到铸锭A;
(3)将步骤(2)中得到的铸锭A进行两级均匀化处理;
(4)切除步骤(3)中得到的铸锭A的头部,并对铸锭A的表面进行铣面加工3~5mm后得到铸锭B;
(5)将步骤(4)中得到的铸锭B进行热轧、中间退火与冷轧处理得到合金A;
(6)将步骤(5)中得到的合金A进行双级固溶处理后再淬火得到合金B;
(7)将步骤(6)得到的合金B进行时效处理。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述铝为铝含量99.95%的高纯铝,所述锌为纯锌,所述铜源为铝铜中间合金,且铝铜中间合金中杂质总含量低于0.12%,所述锆源为铝锆中间合金,所述铈源为铝铈中间合金,所述镁为工业纯镁。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述熔炼温度为760~780℃,所述浇铸温度为710~730℃,所述熔炼时一直加覆盖剂,所述覆盖剂为NaCl∶KCl∶NaAlF6=4∶4∶2的混合物。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述步骤(5)中,所述热轧总变形率不低于80%,热轧前进行预热,所述预热的工艺为在430~440℃下保温3~4小时,所述中间退火的工艺为在430~440℃下保温2~3小时,所述冷轧总变形率不低于50%。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述除气处理中通入的气体为六氯乙烷或惰性气体。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述两级均匀化处理中的一级均匀化处理的工艺为在430±5℃下保温15~18小时,二级均匀化处理的工艺为在460±3℃下保温30~35小时。
8.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述双级固溶处理为将经热轧、中间退火与冷轧处理后的合金在270±3℃下保温2~3小时进行第一级固溶处理,然后在465±3℃下保温1~1.5小时进行第二级固溶处理。
9.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述加入镁时多加入镁添加量的2~4%。
10.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述时效处理为T77时效,其工艺为依次经过125±1℃下保温20~22小时,空冷、175±1℃下保温1~2小时,水冷、125±1℃下保温20~22小时,空冷。
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