CN109022952B - Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金及制备方法 - Google Patents

Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金及制备方法，其特征在于：它主要由铝、镁、锌、锰、锆和锶组成，其中，镁的质量百分比为4.39～4.76％，锌的质量百分比为1.65～1.83％，锰的质量百分比为0.78％，锆的质量百分比为0.171～0.196％，锶的质量百分比为0.0029～0.005％，其余为铝和少量杂质元素。工艺方法依次包括：(1)熔铸、(2)均匀化退火、(3)热压缩、(4)热轧制组成、(5)稳定退火。本发明获得的Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金按国标GB/T 7998‑2005中5000系铝合金测试标准其晶间腐蚀的最大腐蚀深度为41.74μm～72.16μm，其腐蚀等级为3级，抗晶间腐蚀性能显著提高。其位错密度很高，位错对强度的贡献值在46～70MPa之间，使拉伸强度达到343.2～385.7MPa之间，硬度达到105.53～123.63HV之间，延伸率在14.71～17.65％之间。

Description

Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金及制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料，尤其是一种5083型铝合金及制备方法，具体地说是一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金及制备方法。
背景技术
5083铝合金属于中镁5000系铝合金，具有比强度高、抗海水腐蚀性能优良等优点，广泛应用于船舶制造行业，但工业的发展，对5083型合金的综合性能尤其是抗晶间腐蚀还有力学性能提出了更高的要求。
5083型铝合金虽然有较好的抗腐蚀性能，但是在面对一些环境，比如海水侵蚀等恶劣环境时，也会产生较大腐蚀，力学性能产生较大的降低，因此为了满足要求，需要提高5083型铝合金的抗晶间腐蚀性能和强度。晶间腐蚀是高强铝合的一种基础腐蚀形态，它对高强铝合金使用寿命和使用安全性带来很大的损害。一般而言，高强铝合金的强度愈高，抗晶间腐蚀性能愈低。通常在Al-Mn系铝合金中添加Mg元素，可以有效提高合金的强度，但当Mg含量过高时，合金晶界上会析出腐蚀电位(−1.085V)比铝基体α(Al)的腐蚀电位(−0.812V)低的β(Al3Mg2)相，导致不同基体的电位差增大，合金晶间腐蚀敏感性提高。在Al-Mn系铝合金添加Mg元素的基础上进一步添加Zn元素，可使合金晶界形成τ(Mg32(Al, Zn)49)相来抑制β(Al3Mg2)相的生成。由于τ(Mg32(Al, Zn)49)的腐蚀电位(−0.813V)比β(Al3Mg2)相的腐蚀电位(−1.085V)高并且与铝基体α(Al)的腐蚀电位(−0.812V)相近，使得基体之间电位差降低，导致合金晶间的腐蚀敏感性降低，因此，通过Zn元素的合金化一方面可以提高合金的抗腐蚀性能，另一方面能够提高合金的强度，达到改善其力学性能的目的。
到目前为止，我国尚未有一种具有自主知识产权通过Zn合金化的5083型铝合金来提高其抗腐蚀性能和强度，这严重制约了此类铝合金零部件在航空、航海的发展，所以我们迫切需要解决这一问题，从而获得高强度和高抗腐蚀性能兼顾的合金，提高合金在工业化过程中的应用。
发明内容
本发明目的是针对目前5083型铝合金抗晶间腐蚀、强度等综合性能尚不够理想的问题，发明一种通过Zn的合金化以及熔铸-均匀化退火-热压缩-热轧制-退火一系列工艺来有效提高5083型铝合金的抗晶间腐蚀性能，同时保证其强度的工艺方法。
本发明的技术方案之一是：
一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金，其特征在于：它主要由铝（Al）、镁（Mg）、锌（Zn）、锰（Mn）、锆（Zr）和锶（Sr）组成，其中，镁（Mg）的质量百分比为4.39~4.76%，锌（Zn）的质量百分比为1.65~1.83%，锰（Mn）的质量百分比为0.78%，锆（Zr）的质量百分比为0.171~0.196%，锶（Sr）的质量百分比为0.0029~0.005%，其余为铝和少量杂质元素。
本发明的技术方案之二是：
一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金的制备方法，其特征依次包括：（1）熔铸、（2）均匀化退火、（3）热压缩、（4）热轧制和（5）退火。具体步骤如下；
首先，进行熔铸，将纯Al融化，随后依次将工业纯Zn、Al-Mn中间合金(10.02 %Mn，质量百分比)、Al-Zr中间合金(4.11% Zr，质量百分比)、Al-Sr中间合金(9.89 %Sr，质量百分比)加入，一段时间后待所有的纯金属以及中间合金全部融化后，搅拌均匀，加入C2Cl6除气直至没有气体排出，静置一段时间之后待降温到750±10℃，然后加入工业纯Mg，并保温15min后用铁棒搅拌均匀，加入适量C2Cl6除气，保温20min后缓慢浇铸到圆柱铁模中成形，得到熔锭；
其次，将熔锭进行多级均匀化退火；
第三，将多级均匀化退火后的熔锭进行热压缩：热压工艺是先将试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至原直径的20%-50%，得到热压缩制件；
第四，将热压缩制件做进一步的热轧：轧制时先将热压缩制件在470±5℃保温2h，多次轧制最终被轧制成厚度约为2-5毫米的板材，得到热轧制板材；
最后，将热轧制板材进行稳定退火处理，即可获得Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金。
所述的多级均匀化退火的具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h。
所述的热压缩是先将试样在430±5℃保温2h，随后在液压机上沿径向方向从40毫米压缩至14mm（压缩成型的最大厚度可为20毫米，最小厚度可为8毫米）。
所述的热轧制是先将试样在470±5℃保温2h，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材（最厚可为5毫米，最薄可为2毫米）。
所述的稳定化退火是对热轧制材板进行250±5℃×2h的退火。
本发明的有益效果：
（1）本发明获得了一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金。按国标GB/T7998-2005（铝合金晶间腐蚀测定方法）中5000系铝合金测试标准其晶间腐蚀的最大腐蚀深度为41.74μm~72.16μm，与对比例一相比，腐蚀深度最高下降了48%，其腐蚀等级达到3级。
（2）本发明公开了一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金的成分及制备方法，其拉伸强度达到343.2~385.7MPa之间，经检测硬度达到105.53~123.63HV之间，延伸率在14.71~17.65%之间；
（3）本发明获得Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金有很多等轴晶，晶粒较细小，退火后合金的位错密度都很高，位错对强度的贡献值在46~70 MPa之间。
附图说明
图1是本发明实施例一XRD的分析谱。
图2是本发明实施例一的退火后晶间腐蚀横截面金相图。
图3是本发明实施例二的XRD分析谱。
图4是本发明实施例二的退火后晶间腐蚀横截面金相图。
图5是本发明实施例三的XRD分析谱。
图6是本发明实施例三退火后晶间腐蚀横截面金相图。
图7是本发明对比例一的XRD分析谱。
图8是本发明对比例一的退火后晶间腐蚀横截面金相图。
具体实施方式
下面结合附图和较佳实施例对本发明作进一步的详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例一。
请参阅图1、2，本发明实施例包括：
一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金的制备方法包括：
一、熔炼工艺过程为：先将坩埚电磁炉升温到850±10℃，保温半小时，去除炉内的水分和氧气。熔炼时先将工业纯Al、纯Mg、纯Zn、Al-Mn中间合金(10.02%Mn，质量百分比，下同)、Al-Sr中间合金(9.89%Sr)、Al-Zr中间合金(4.11%Zr)加入，待约40min全部融化后，搅拌均匀，加入C2Cl6除气，静置一段时间之后待降温到750±10℃加入工业纯Mg，加入Mg块时需用铝箔纸包裹，防止与空气接触燃烧，并用夹子将其压到底部轻轻搅拌使其快速均匀扩散。保温15min后用铁棒搅拌均匀，加入适量C2Cl6除气，保温20min后缓慢浇铸到圆柱铁模中成形，在室温下冷却后即可敲出，需要注意的是浇铸前需先将模具保温在300±5℃。
二、均匀化退火：多级均匀化退火具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h。
三、热压缩工艺：热压工艺是先将直径为40mm的试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至14mm厚（压缩成型的最大厚度可为20毫米，最小厚度可为8毫米）。
四、热轧制：轧制试验先将试样在470±5℃保温2h，轧机轧辊加热至100±5℃，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材（最厚可为5毫米，最薄可为2毫米）。
五、稳定退火：轧制样进行250±5℃×2h的退火。
经过上述步骤即获得所述Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金，合金的具体成分采用德国SPECTRO MAXx光谱仪测量显示4.39%Mg，1.82%Zn，0.78%Mn，0.0029%Sr，0.191%Zr，余量为铝和杂质元素；晶粒尺寸较细小；拉伸强度为343.2MPa，延伸率达到14.71%，测得硬度为122.03HV（附图1）；其腐蚀深度为72.16μm，腐蚀等级为3级（附图2）。
实施例二。
请参阅图3、4，本发明实施例包括：
一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金的制备方法，包括：
一、熔炼工艺过程为：先将坩埚电磁炉升温到850±10℃，保温半小时，去除炉内的水分和氧气。熔炼时先将工业纯Al、纯Mg、纯Zn、Al-Mn中间合金(10.02%Mn)、Al-Sr中间合金(9.89%Sr)、Al-Zr中间合金(4.11%Zr)加入，待约40min全部融化后，搅拌均匀，加入C2Cl6除气，静置一段时间之后待降温到750±10℃加入工业纯Mg，加入Mg块时需用铝箔纸包裹，防止与空气接触燃烧，并用夹子将其压到底部轻轻搅拌使其快速均匀扩散。保温15min后用铁棒搅拌均匀，加入适量C2Cl6除气，保温20min后缓慢浇铸到圆柱铁模中成形，在室温下冷却后即可敲出，需要注意的是浇铸前需先将模具保温在300±5℃。
二、均匀化退火：多级均匀化退火具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h。
三、热压缩工艺：热压工艺是先将直径为40mm的试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至14mm厚（压缩成型的最大厚度可为20毫米，最小厚度可为8毫米）。
四、热轧制：轧制试验先将试样在470±5℃保温2h，轧机轧辊加热至100±5℃，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材（最大厚度可为5毫米，最小厚度可为2毫米）。
五、稳定退火：轧制样进行250±5℃×2h的退火。
经过上述步骤即获得所述Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金，合金的具体成分采用德国SPECTRO MAXx光谱仪测量显示4.39%Mg，1.82%Zn，0.78%Mn，0.0029%Sr，0.191%Zr，余量为铝和杂质元素；晶粒尺寸较细小；拉伸强度为343.2MPa，延伸率达到14.71%，测得硬度为105.53HV（附图3）；其腐蚀深度为41.74μm，腐蚀等级为3级（附图4）。
实施例三。
请参阅图5、6，本发明实施例包括：
一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金的制备方法，它包括：
一、熔炼工艺过程为：先将坩埚电磁炉升温到850±10℃，保温半小时，去除炉内的水分和氧气。熔炼时先将工业纯Al、纯Mg、纯Zn、Al-Mn中间合金(10.02%Mn)、Al-Sr中间合金(9.89%Sr)、Al-Zr中间合金(4.11%Zr)加入，待约40min全部融化后，搅拌均匀，加入C2Cl6除气，静置一段时间之后待降温到750±10℃加入工业纯Mg，加入Mg块时需用铝箔纸包裹，防止与空气接触燃烧，并用夹子将其压到底部轻轻搅拌使其快速均匀扩散。保温15min后用铁棒搅拌均匀，加入适量C2Cl6除气，保温20min后缓慢浇铸到圆柱铁模中成形，在室温下冷却后即可敲出，需要注意的是浇铸前需先将模具保温在300±5℃。
二、均匀化退火：多级均匀化退火具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h。
三、热压缩工艺：热压工艺是先将直径为40mm的试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至14mm厚（压缩成型的最大厚度可为20毫米，最小厚度可为8毫米）。
四、热轧制：轧制试验先将试样在470±5℃保温2h，轧机轧辊加热至100±5℃，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材（最大厚度可为20毫米，最小厚度可为8毫米）。
五、稳定退火：轧制样进行250±5℃×2h的退火。
经过上述步骤即获得所述Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金，合金的具体成分采用德国SPECTRO MAXx光谱仪测量显示4.76%Mg，1.83%Zn，0.78%Mn，0.004%Sr，0.196%Zr，余量为铝和杂质元素；晶粒尺寸较细小，拉伸强度为385.7MPa，延伸率达到17.65%，测得硬度为123.63HV（附图5）。其腐蚀深度为47.59μm，腐蚀等级为3级（附图6）。
对比例一。
请参阅图7、8，本发明实施例包括：
制备Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金。
熔炼工艺过程为：先将坩埚电磁炉升温到850±10℃，保温半小时，去除炉内的水分和氧气。熔炼时先将工业纯Al、纯Mg、纯Zn、Al-Mn中间合金(10.02%Mn)、Al-Sr中间合金(9.89%Sr)、Al-Zr中间合金(4.11%Zr)加入，待约40min全部融化后，搅拌均匀，加入C2Cl6除气，静置一段时间之后待降温到750±10℃加入工业纯Mg，加入Mg块时需用铝箔纸包裹，防止与空气接触燃烧，并用夹子将其压到底部轻轻搅拌使其快速均匀扩散。保温15min后用铁棒搅拌均匀，加入适量C2Cl6除气，保温20min后缓慢浇铸到圆柱铁模中成形，在室温下冷却后即可敲出，需要主要的是浇铸前需先将模具保温在300±5℃。
均匀化退火：多级均匀化退火具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h。
热压缩工艺：热压工艺是先将直径为40mm的试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至14mm厚（压缩成型的最大厚度可为20毫米，最小厚度可为8毫米）。
热轧制：轧制试验先将试样在470±5℃保温2h，轧机轧辊加热至100±5℃，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材（最大厚度可为20毫米，最小厚度可为8毫米）。
稳定退火：轧制样进行250±5℃×2h的退火。
经过上述步骤即获得所述Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金，合金的具体成分采用德国SPECTRO MAXx光谱仪测量显示4.37%Mg，0.27%Zn，0.78%Mn，0.0036%Sr，0.198%Zr，余量为铝和杂质元素；晶粒尺寸较细小；拉伸强度为306.2MPa，延伸率达到20%，经测得硬度为97.33HV（附图7）；经测得其腐蚀深度为80.36μm，腐蚀等级为3级（附图8）。
以上仅列出了几个铝合金的配比及制备方法，本领域的技术人员可以根据上述实例适当地调整各组份的配比并严格按上述步骤进行制造即可获得理想Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀的5083型铝合金。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金，其特征它由以下方法制备而成：
首先，进行熔铸，将纯Al融化，随后依次将工业纯Zn、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金加入，一段时间后待所有的纯金属以及中间合金全部融化后，搅拌均匀，加入C2Cl6除气直至没有气体排出，静置一段时间之后待降温到750±10℃，然后加入工业纯Mg，并保温15min后用铁棒搅拌均匀，加入适量C2Cl6除气，保温20 min后缓慢浇铸到圆柱铁模中成形，得到熔锭；
其次，将熔锭进行多级均匀化退火；所述的多级均匀化退火的具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h；
第三，将多级均匀化退火后的熔锭进行热压缩：热压缩工艺是先将试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至原直径的20%-50%，得到热压缩制件；
第四，将热压缩制件做进一步的热轧：轧制时先将热压缩制件在470±5℃保温2h，多次轧制最终被轧制成厚度为2-5毫米的板材，得到热轧制板材；
最后，将热轧制板材进行250±5℃×2h的稳定退火处理，即可获得Zn合金化的高强高抗晶间腐蚀5083型铝合金；所述铝合金由铝（Al）、镁（Mg）、锌（Zn）、锰（Mn）、锆（Zr）和锶（Sr）组成，其中，镁（Mg）的质量百分比为4.39~4.76%，锌（Zn）的质量百分比为1.65~1.83%，锰（Mn）的质量百分比为0.78%，锆（Zr）的质量百分比为0.171~0.196%，锶（Sr）的质量百分比为0.0029~0.005%，其余为铝和少量杂质元素。
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