CN108118273A - 一种改善铝合金抗腐蚀性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种改善铝合金抗腐蚀性能的方法，将铝合金在450‑550℃下进行固溶处理后水淬，然后进行第一次冷变形，接着在110℃‑180℃的温度下进行第一次人工时效处理12‑24h，再进行第二次冷变形，最后在110℃‑180℃的温度下进行第二次人工时效处理4‑8h；除了2XXX系铝合金和7XXX系铝合金，本发明的方法也可以比较适用于其他的高强铝合金。本发明通过调控冷变形量及其施加次序，结合时效处理工艺，可以有效控制晶内和晶界析出相生长，抗腐蚀性能显著增强且强度没有明显降低。本发明冷变形可以在高强铝合金生产时常用的预拉伸机上实施，易于实现。本发明不仅可以增加铝合金的使用范围，还可以提升服役安全和寿命。本发明同时有利于降低能耗，节约成本。

Description

一种改善铝合金抗腐蚀性能的方法
技术领域
本发明属于铝合金热处理技术领域，特别涉及一种改善铝合金抗腐蚀性能的方法。
背景技术
高强铝合金(2XXX系和7XXX系)较其它铝合金存在严重的局部腐蚀问题，包括点蚀、晶间腐蚀和剥落腐蚀等。其原因是该类合金的主元素即Cu，Zn，Mg元素活性较高，与铝合金基体相比，电化学行为差异大。铝合金腐蚀通过晶界扩展时，不但会对铝合金制品的外观产生影响，更重要的是降低构件的服役安全和寿命。
目前改善高强铝合金抗腐蚀性能的技术包括合金成分优化设计、加工工艺优化改变晶粒结构、多级时效等。成分优化主要是添加微量元素，如稀土V和Er等，用于细化晶粒等。例如专利号为201510123326.8的发明专利“一种高强度耐腐蚀的铝合金材料及其制作工艺”，专利号为201610283631.8的发明专利“一种航空用高强耐蚀铝合金生产工艺”等。
加工工艺优化主要是控制热轧和冷轧变形过程和退火工艺，调控再结晶行为，优化晶粒尺寸和晶界角度。例如专利号为201410248579.3的发明专利“提高700MPa强度级高合金化7000系铝合金抗腐蚀性能的方法”，专利号为201510636206.8的发明专利“一种耐腐蚀的铝合金及其制备方法”等。
现有技术中更多的工作主要集中在固溶淬火后的时效工艺制定方面，用于控制晶内和晶界析出相的特征。时效过程是过饱和固溶体的分解过程，具有多阶段性，不同阶段析出相结构有一定区别，铝合金也会具有不同的组织特征，相应的腐蚀行为也会显著不同。多级时效工艺是指将合金在不同温度下进行多次时效处理，一般分为两级时效即T78和三级时效即RRA回归再时效处理。T78处理包括预时效和最终时效。预时效温度一般较低，是析出相的形核过程，大量GP区会形成。细小、高密度的沉淀相核心可以提高组织的均匀性和强度。二级高温时效通过调整沉淀相的结构并促进晶界沉淀相的粗化来改善合金抗腐蚀性能。回归再时效处理(RRA)分为低温处理+高温短时回归处理+低温处理，回归处理具有高温短时的特点，很难应用于厚板中，为了实现RRA处理的应用，要改进热处理装备，减少回归处理中样件心部和表面的差异。例如专利号为201510636206.8的发明专利“一种提高铝合金抗腐蚀能力的方法”，专利号为201010518020.X的发明专利“一种高强铝合金的热处理工艺”，专利号为201610515694.1的发明专利“一种高强耐腐蚀铝合金的热处理工艺”等。以上处理都要精确控制热处理参数，以在改善抗腐蚀特性的前提下不降低合金强度。
然而现有的提高铝合金耐腐蚀性的方法存在不少问题。稀土元素虽能改善耐腐蚀性能，但稀土元素等微量元素本身价格较高，加入它们也会增加铸造的难度。加工工艺优化和多级时效都在不同的温度下处理，工序复杂，制造成本较高。更为重要的是现有改善铝合金抗腐蚀性的方法可控性仍较低，改善的程度也有待提高。综上所述，开发能够提高高强铝合金抗腐蚀性能且不降低其强度的制备方法，对改善高强铝合金的抗腐蚀性能并提高其竞争力非常有益。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改善铝合金抗腐蚀性能的方法，通过调控冷变形量及其施加次序，结合时效处理工艺，有效控制晶内和晶界析出相生长，提高抗腐蚀性能的同时强度没有明显降低，且降低了能耗以及成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种改善铝合金抗腐蚀性能的方法，包括如下步骤：
(1)将铝合金在450-550℃下进行固溶处理后水淬；
(2)将水淬后的铝合金进行第一次冷变形；
(3)将第一次冷变形后的铝合金在110℃-180℃的温度下进行第一次人工时效处理12-24h；
(4)将第一次人工时效处理后的铝合金进行第二次冷变形；
(5)将第二次冷变形后的铝合金在110℃-180℃的温度下进行第二次人工时效处理4-8h。
所述步骤(1)中，固溶处理的时间优选为0.5-1.5h。
所述步骤(2)中，将铝合金水淬后1小时内进行第一次冷变形，或者，将水淬后的铝合金进行自然时效处理，然后进行第一次冷变形，自然时效处理的时间大于1小时且小于1天。
所述步骤(2)中，第一次冷变形时，控制变形量为6-10％，优选为7-9％，所述步骤(4)中，第二次冷变形时，控制变形量为0.5-2％。
所述冷变形为锻造、拉伸或冷轧等。
所述人工时效处理均为等温时效处理。
所述铝合金为2XXX系或7XXX系铝合金，当为2XXX系铝合金时，固溶处理的温度为500-550℃；当为7XXX系铝合金时，固溶处理的温度为450-480℃。
所述铝合金为2XXX系或7XXX系铝合金，当为2XXX系铝合金时，人工时效处理的温度均为160-180℃；当为7XXX系铝合金时，人工时效处理的温度为110-120℃。
所述第二次人工时效处理直到铝合金硬度明显降低前停止。
除了2XXX系铝合金和7XXX系铝合金，本发明的方法也可以比较适用于其他的高强铝合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过调控冷变形量及其施加次序，结合时效处理工艺，可以有效控制晶内和晶界析出相生长，抗腐蚀性能相比T6时效处理显著增强且铝合金强度没有明显降低。
2、本发明的新型制备方法可以在现有的铝合金热加工生产装备中进行，相比现有的铝合金制备方法不用增加任何设备，冷变形可以在高强铝合金生产时常用的预拉伸机上实施，易于实现。
3、本发明提供的技术不仅可以增加2×××系等高强铝合金的使用范围，还可以提升高强铝合金服役安全和寿命。
4、本发明方法需要的总的时效处理时间相比T6处理更短(相同处理温度下缩短了8小时左右)，有利于降低能耗，节约成本。时效处理均为等温时效处理，可控性高。
附图说明
图1是本发明的制备方法的工艺简图。
图2是对比实施例1处理合金的晶间腐蚀形貌图。
图3是实施例2处理合金的晶间腐蚀形貌图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明热加工制备方法进一步阐释并进行数据说明，但本发明不局限于这些实施例。
本发明提供的加工方法的一种路径的示意图见附图1，按处理顺序，处理过程包括：固溶处理、自然时效、冷变形、等温时效处理、冷变形、等温时效处理。其中自然时效的过程不是一个必经步骤，可以在固溶处理之后立即进行冷变形处理；由于自然时效的过程就是自然放置，不需要任何处理，所以不可避免地在两个工艺段中会存在一些时间差，就会形成自然时效。这种情况尤其在工业应用中较为常见。由于水淬后尚未进行变形处理，此时的自然时效会对铝合金存在一定影响，变形处理后，这种影响可以忽略。实际上，本发明可以根据实际需要来设置此工艺段是否需要自然时效，以及自然时效的时间。为节省处理工艺的时间，本发明主要针对无明显自然时效的情形进行研究，尽量控制每个工艺段之间的时间间隙不超过1h，主要是水淬后与第一次冷变形之间的时间间隙。
本发明的原理是：本发明通过改变冷变形量，利用形变复合时效工艺控制晶内和晶界析出相分布特征。第一次冷变形使晶内形成均匀的晶体缺陷。第一次等温时效时，合金中的缺陷(主要是位错)促进析出相的生长，加快合金元素的析出，降低基体中合金元素的含量，此时合金强度显著增加。第二次冷变形的变形量较小，变形引入的位错主要在晶界附近，促使第二次等温时效时晶界析出相的粗化，降低晶界析出相的连续性，使合金抗腐蚀性能增强。第二次冷变形量较小，晶内位错增加量很小，晶内析出相不会明显粗化，强度得到保持。
具体地，为便于对比，实施例所用铝合金为2×××系(Al-Cu-Mg)铝合金棒材。这种合金的具体化学成分分别是:Cu 4.65wt.％,Mg 1.33wt.％,Mn 0.15wt.％,Ti0.01wt.％，Fe 0.10wt.％，其余为铝。对比实施例也采用上述铝合金，具体方法采用T6单级时效工艺。硬度测试是采用Vickers硬度试验机对不同时效工艺样品进行硬度测试，施加载荷为4.9N，加载时间为10s，每个样品至少测试5个点，除去最大值和最小值，求其余平均值。晶间腐蚀测试严格按照GB/T 7998-2005标准执行，腐蚀液为(57g NaCl+10mL H2O2，然后用蒸馏水稀释为1L)，实验前需要使用乙醇或者丙酮去除试样表面油污，然后使用硝酸溶液去除表面氧化层，直至样品表面变得光洁。腐蚀试样采用悬挂法，并完全浸泡于腐蚀溶液中，试样表面积与腐蚀液体积比不得大于20mm2/mL，试样与试样及容器间不得接触。浸泡时间为24h，腐蚀后的样品，用水冲洗干净，并吹干。对腐蚀后试样的表面和截面进行磨制和抛光，并使用扫描电子显微镜观察试样的腐蚀情况，同时测量晶间腐蚀深度。
实施例1
2×××系铝合金棒材在循环空气电阻炉中530℃×1h固溶处理水淬后，立即进行拉伸变形(变形量8％)，接着在油浴炉中进行165℃下12h的时效处理，然后对棒材再次进行拉伸变形(变形量2％)，随后在油浴炉中对棒材再次进行165℃下6小时的时效处理，并对样品进行硬度测试和晶间腐蚀性能试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。
实施例2
2×××系铝合金棒材在循环空气电阻炉中530℃×1h固溶处理水淬后，立即进行拉伸变形(变形量6％)，接着在油浴炉中进行165℃下24h的时效处理，然后对棒材再次进行拉伸变形(变形量2％)，随后在油浴炉中对棒材再次进行165℃下8小时的时效处理，并对样品进行硬度测试和晶间腐蚀性能试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。
实施例3
2×××系铝合金棒材在循环空气电阻炉中530℃×1h固溶处理水淬后，立即进行拉伸变形(变形量8％)，接着在油浴炉中进行165℃下12h的时效处理，然后对棒材再次进行拉伸变形(变形量1％)，随后在油浴炉中对棒材再次进行165℃下8小时的时效处理，并对样品进行硬度测试和晶间腐蚀性能试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。
对比实施例1
2×××系铝合金棒材在循环空气电阻炉中530℃×1h固溶处理水淬后，立即在油浴炉中进行165℃不同时间的时效处理，对不同处理时间的样品进行硬度测试，通过硬度测试找到合金峰值时效状态的时间，然后对它们进行晶间腐蚀性能试验。人工时效在油浴炉中进行，控温精度在±2℃。
表1显示的是合金通过传统T6时效工艺处理不同时间样品的硬度和晶间腐蚀深度数据。在传统T6时效工艺中，随着时效时间的延长，硬度值随着时效时间的延长逐渐上升然后保持稳定，达到峰值硬度前晶间腐蚀深度保持显著上升的趋势。达到峰值硬度的样品晶间腐蚀深度在290微米左右，这会严重影响其服役寿命和安全。表2显示的是合金通过本发明提供的形变复合时效工艺处理样品的硬度和晶间腐蚀深度数据。相比于传统T6时效工艺，本发明提供的方法获得的样品在综合性能方面明显提升。而且，形变和温度的控制窗口较宽，实施例的晶间腐蚀深度都显著降低。
图2-3显示的是对比实施例和实施例样品典型的晶间腐蚀形貌。对比实施例合金的腐蚀明显地沿晶界扩展，深入到样品内部，而实施例合金的腐蚀没有明显地沿晶界扩展，腐蚀深度也明显较浅。这说明通过形变复合时效工艺，高强2XXX系铝合金的腐蚀机制发生根本性变化，晶间腐蚀得到有效抑制。
从表1-2和图2-3可以看出，本发明提出的形变复合时效工艺方案可以制备抗腐蚀性能和强度结合良好的铝合金。经过本发明提供的工艺处理的铝合金，在相同的硬度值下，晶间腐蚀深度降低7倍以上，综合性能提高非常显著。
总之，从表1-2和附图2-3可以看出，相比对比实施例，以上结果显示本发明提供的热加工方法制备的铝合金相对传统方法制备的高强铝合金抗腐蚀性能改善明显。本发明提供的铝合金方法适用于高强铝合金，特别是2XXX系铝合金，总的时效处理时间比传统工艺短。

Claims (10)

1.一种改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将铝合金在450-550℃下进行固溶处理后水淬；
(2)将水淬后的铝合金进行第一次冷变形；
(3)将第一次冷变形后的铝合金在110℃-180℃的温度下进行第一次人工时效处理12-24h；
(4)将第一次人工时效处理后的铝合金进行第二次冷变形；
(5)将第二次冷变形后的铝合金在110℃-180℃的温度下进行第二次人工时效处理4-8h。
2.根据权利要求1所述改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，固溶处理的时间为0.5-1.5h。
3.根据权利要求1所述改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将铝合金水淬后1小时内进行第一次冷变形，或者，将水淬后的铝合金进行自然时效处理，然后进行第一次冷变形，自然时效处理的时间大于1小时且小于1天。
4.根据权利要求1所述改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，第一次冷变形时，控制变形量为6-10％，所述步骤(4)中，第二次冷变形时，控制变形量为0.5-2％。
5.根据权利要求1所述改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，第一次冷变形时，控制变形量为7-9％。
6.根据权利要求1所述改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述冷变形为锻造、拉伸或冷轧。
7.根据权利要求1所述改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述人工时效处理均为等温时效处理。
8.根据权利要求1所述改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述铝合金为2XXX系或7XXX系铝合金，当为2XXX系铝合金时，固溶处理的温度为500-550℃；当为7XXX系铝合金时，固溶处理的温度为450-480℃。
9.根据权利要求1所述改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述铝合金为2XXX系或7XXX系铝合金，当为2XXX系铝合金时，人工时效处理的温度均为160-180℃；当为7XXX系铝合金时，人工时效处理的温度为110-120℃。
10.根据权利要求1所述改善铝合金抗腐蚀性能的方法，其特征在于，所述第二次人工时效处理直到铝合金硬度明显降低前停止。
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