CN109022953A - Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金及其制备方法 - Google Patents

Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06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5.19～6.41％，锌(Zn)的质量百分比为0.21～2.44％，锰(Mn)的质量百分比为0.77～0.81％，锆(Zr)的质量百分比为0.182～0.195％，锶(Sr)的质量百分比为0.004～0.005％，不可避免杂质含量＜0.02％，余量为Al。其制备方法依次包括：(1)熔铸、(2)均匀化退火、(3)热压缩、(4)热轧制、(5)稳定退火。本发明的强度在07.5‑466.9MPa之间，硬度在131.54‑139.26HV之间，延伸率达到11.18‑14.71％之间，晶间腐蚀深度大大降低，腐蚀等级从4级提升到3级，晶间腐蚀腐蚀深度最低为31.73μm。

Description

Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料，尤其是一种5A06型铝合金及其制备方法，具体地说是一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金及其制备方法。
背景技术
高镁铝合金以其比强度高和力学性能好等优点广泛应用于船舶、航空航天、汽车领域，然而随着合金中Mg元素含量的提高，合金容易在晶界上连续析出大量的β相，使合金的抗腐蚀性能急剧恶化，成为制约高镁5A06铝合金发展的重要难题。
在专利201210065948.6中对含高Mg的5A06铝合金冷轧板进行了235℃～245℃退火热处理；在专利201410146889.4中对含高Mg的5A06铝合金板材进行添加0.15～0.25wt.％的Er元素，在200℃～250℃退火处理；两种专利都改变了β相在晶界的分布特征，提高合金的耐晶间腐蚀性能，但无法控制τ相在晶间的生成，抗腐蚀性能还不够优良，同时也无法去除合金中的杂质。
相比于上述专利中的含Er的高镁5A06铝合金，本实验改进措施一共有三点：
1.所用合金添加了少量的主合金元素Zn，不仅在晶界处Mg元素形成少量的τ相，且减少了β相的连续析出，大大缩小与Al基体的腐蚀电位差，从而提高合金的耐腐蚀性能；
2.添加少量的微合金元素Sr，有效地去除了合金中的杂质，起到净化熔体的作用，而且还可以细化晶粒，提高合金的强度。
3.进行分级化均匀退火处理，大大降低不稳定相和复杂相的产生，进而提升合金材料的整体性能。
发明内容
本发明目的是针对目前5A06型铝合金综合性能尚不够理想，发明一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀高镁5A06型铝合金，并提供一种通过熔铸-均匀化退火-热压缩-热轧制-退火来有效提高5A06型热轧材铝合金耐腐蚀性能，同时保证其强度的制备方法。
本发明的技术方案之一是：
一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06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5.19～6.41％，锌(Zn)的质量百分比为2.11～2.44％，锰(Mn)的质量百分比为0.77～0.81％，锆(Zr)的质量百分比为0.182～0.195％，锶(Sr)的质量百分比为0.004～0.005％，不可避免杂质含量＜0.02％，余量为Al。其中的锰(Mn)、锆(Zr)和锶(Sr)由Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Sr中间合金形成，且Al-Mn中间合金中Mn的质量百分比为10.02％，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11％，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89％。
本发明的技术方案之二是：
一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金的制备方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，成份配比先取用纯铝及铝基中间合金，坩埚电磁炉设置850±10℃，保温半小时，去除炉内的水分和氧气；熔化纯Al，依次加入Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Sr中间合金，待所有中间合金熔化后加入六氯乙烷(C2Cl6)精炼除气直至没有气体逸出，调节温度750±10℃，再依次加入纯Zn和纯Mg，待所有金属熔化后再次加入C2Cl6精炼除气直至没有气体逸出，静置保温15～20min，去渣并浇铸成锭；
其次，对浇铸成锭的合金进行多级均匀化退火处理；
最后，对经过多级均匀化退火处理的合金进行热压、热轧、退火处理，即可获得新型Zn合金化的高强度高抗腐蚀的高镁5A06型热轧材铝合金。
所述的Al-Mn中间合金中Mn的质量百分比为10.02％，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11％，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89％。
在铝合金中添加0.21～2.44wt.％的Zn元素,从而在晶界处出现少量的τ(Mg32(AlZn)49)相，且减少β(Mg2Al3)相的连续析出，大大缩小与Al基体的腐蚀电位差，从而提高合金的耐腐蚀性能。
所述的多级均匀化退火处理，其最佳工艺为420±10℃×2h+460±10℃×2h+500±10℃×2h+520±10℃×10h。
所述的多级均匀化退火处理，其最佳工艺为420℃×2h+460℃×2h+500℃×2h+520℃×10h；
热压缩的工艺为430±10℃×2h，液压机上沿径向方向压缩50％-80％,即可由直径40厘米压缩至8-20厘米，最佳是由40厘米压缩至14厘米，热轧制的工艺为470±10℃×2h，轧制成厚度约2-5mm的板材，最佳厚度是4毫米。
本发明的有益效果：
(1)本发明获得了一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金，与原来的铝合金相比合金抗晶间腐蚀深度从139.26μm降低到31.73μm，腐蚀等级由4级提升到3级，耐剥落腐蚀性能也从PC级提升到PA级。合金的腐蚀电位为-0.625V，腐蚀电流为3.85×10-7A，比原合金的腐蚀电流低了一个数量级。
(2)本发明公开了一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金及其制备方法，未退火的合金强度在407.5-466.9MPa之间，硬度在131.54-139.26HV之间，延伸率达到11.18-14.71％之间。
(3)获得的Zn合金化的5A06型铝合金有部分的等轴晶，晶粒较为粗大，合金内的残留第二相与原来的5A06型铝合金相比明显减少。位错密度很高，位错对强度的贡献值在52.21-63.99MPa之间。
(4)本发明很好地解决了已有技术(铝合金抗腐蚀处理：201210065948.6、201410146889.4)热处理不均匀、无法有效去除合金中杂质、无法控制τ相在晶间的生成的问题，在合金性能上难以实现强度和抗腐蚀性能的综合提升的缺点。
附图说明
图1是本发明合金的XRD分析谱，其中(a)为实施例1、(b)为实施例2、(c)为实施例3、(d)为实施例4、(e)为对比例的XRD分析谱。
图2是本发明合金的晶间腐蚀形貌，其中(a)为实施例1、(b)为实施例2、(c)为实施例3、(d)为实施例4、(e)为对比例的晶间腐蚀形貌。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1、2所示。
一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金，其制备方法为：
熔炼：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，并调节温度至750±10℃，静置一段时间，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直径为40毫米的柱体，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℃。
均匀化退火：多级均匀化退火具体工艺为420±10℃×2h+460±10℃×2h+500±10℃×2h+520±10℃×10h。
热压缩工艺：热压工艺是先将直径为40mm的柱体在430±10℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至14mm厚(具体实施时最小可压缩到8毫米，最大可压缩至20毫米)。
热轧制：轧制试验先将试样在470℃保温2h，轧机轧辊加热至100℃，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材(还可轧制成最厚为5毫米，最薄为2毫米的板材)。
稳定退火：轧制样进行250±10℃×2h的退火。
经过上述步骤即获得所述的新型高镁5000系5A06型热轧材铝合金，合金的具体成分采用光谱仪测量显示5.19％Mg，2.11％Zn，0.78％Mn，0.005％Sr，0.191％Zr，余量为铝和杂质元素。
本实施例铝合金板材抗拉强度、延伸率分别为407.5MPa、11.18％，按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51.12μm(附图2a)，腐蚀等级为3级。轻微地发生了剥落腐蚀，评定腐蚀等级为PB，合金的电极电位为-0.657V，腐蚀电流为3.03×10-6A。
实施例二。
如图1、2所示。
一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金,其制备方法与实施例一类同，所不同的是调整中间合金Al-Mn、Al-Zr、Al-Sr及纯金属Zn、Mg的加入量，得到的铝合金经光谱实际测量成分为：0.77％Mn,5.58％Mg,2.37％Zn,0.0042％Sr，0.195％Zr,余量为铝和杂质元素。
本实施例铝合金板材抗拉强度、延伸率分别为445.8MPa、12.94％，按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55.66μm(附图2b)，腐蚀等级为3级。轻微地发生了剥落腐蚀，评定腐蚀等级为PB，合金的电极电位为-0.688V，腐蚀电流为4.46×10-6A。
实施例三。
如图1、2所示。
一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金，其制备方法与实施例一类同，所不同的是调整中间合金Al-Mn、Al-Zr、Al-Sr及纯金属Zn、Mg的加入量，得到的铝合金经光谱实际测量成分为：0.78％Mn,5.92％Mg,2.33％Zn,0.004％Sr，0.192％Zr,余量为铝和杂质元素。
本实施例铝合金板材的抗拉强度、延伸率分别为466.9MPa、12.35％，按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31.73μm(附图2c)，腐蚀等级为3级。轻微地发生了剥落腐蚀，评定腐蚀等级为PA，合金的电极电位为-0.635V，腐蚀电流为1.29×10-6A。
实施例四。
如图1、2所示。
一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金，其制备方法与实施例一类同，所不同的是调整中间合金Al-Mn、Al-Zr、Al-Sr及纯金属Zn、Mg的加入量，得到的铝合金经光谱实际测量成分为：0.81％Mn,6.41％Mg,2.44％Zn,0.005％Sr，0.182％Zr,余量为铝和杂质元素。
本实施例铝合金板材的抗拉强度、延伸率分别为464.1MPa、14.71％，按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37.02μm(附图2d)，腐蚀等级为3级。轻微地发生了剥落腐蚀，评定腐蚀等级为PA，合金的电极电位为-0.625V，腐蚀电流为2.69×10-7A。
对比例。
一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金，其制备方法与实施例一类同，所不同的是调整中间合金Al-Mn、Al-Zr、Al-Sr及纯金属Zn、Mg的加入量，得到的铝合金经光谱实际测量成分为：0.77％Mn,5.95％Mg,0.21％Zn,0.0045％Sr，0.186％Zr,余量为铝和杂质元素。
本实施例铝合金板材的抗拉强度、延伸率分别为416.2MPa、12.35％，按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139.26μm(附图2e)，腐蚀等级为4级。轻微地发生了剥落腐蚀，评定腐蚀等级为PC，合金的电极电位为-0.688V，腐蚀电流为4.46×10-6A。
图1所示为合金退火后的XRD分析谱。利用Jade分析软件对合金进行物相分析，结果标注在图中，对比可以发现，对比例(图1e)合金没有检测到τ(Mg32(AlZn)49)相，实施例(图1a、1b、1c、1d)合金的相组成基本相同，检测到Al基体、Al3Mg2相，τ相，以及Al6Mn相。合金经轧制加工及退火处理后，与对比例(图1e)合金XRD图谱对比发现，各衍射峰位置基本相同，实施例(图1a、1b、1c、1d)合金的衍射峰强度基本相同，前两个超强衍射峰强度相比于对比例(图1e)合金有所减弱，说明大量Zn的添加致使合金内部织构发生变化，使衍射峰强度有所减弱。
结果表明：未经250℃×2h退火时，当Mg含量为5.92％，添加2.33％Zn使合金强度提升50.7MPa；Mg含量增加也可以使合金强度得到提高。经250℃×2h退火后，合金力学性能变化规律与未退火前一致；添加2.11-2.44％Zn使合金抗晶间腐蚀深度从139.26μm降低到30-55μm，抗剥落腐蚀性能以及电化学腐蚀性能都有明显改善。250℃×2h退火使所有合金强度、硬度明显降低，但延伸率提高；使添加2.11-2.44％Zn的合金抗晶间腐蚀等级从4级提升至3级；使5A06合金耐晶间腐蚀性下降。开发出的Al-6.41Mg-2.44Zn-0.81Mn合金，退火后强度达到414.3MPa，延伸率达到17.06％，硬度是124.45HV，晶间腐蚀深度仅为37.02μm，抗剥落腐蚀评级也达到PA级，综合性能优异。
本发明各实施例与对比例中5A06型铝合金的成分(质量分数％)见表1。
表1各实施例与对比例中铝合金的成分(质量分数％)
以上仅列出了几个常见配比的铝合金的配比及制造方法，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Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06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 (9)

1.一种Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06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5.19～6.41％，锌(Zn)的质量百分比为2.11～2.44％，锰(Mn)的质量百分比为0.77～0.81％，锆(Zr)的质量百分比为0.182～0.195％，锶(Sr)的质量百分比为0.004～0.005％，不可避免杂质含量＜0.02％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征是所述的锰(Mn)、锆(Zr)和锶(Sr)由Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Sr中间合金形成。
3.根据权利要求2所述的铝合金，其特征是所述的Al-Mn中间合金中Mn的质量百分比为10.02％，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11％，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89％。
4.一种权利要求1所述的Zn合金化的高强度高抗晶间腐蚀5A06型铝合金的制备方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，成份配比先取用纯铝及铝基中间合金，坩埚电磁炉设置850±10℃，保温半小时，去除炉内的水分和氧气；熔化纯Al，依次加入Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Sr中间合金，待所有中间合金熔化后加入六氯乙烷(C2Cl6)精炼除气直至没有气体逸出，调节温度750±10℃，再依次加入纯Zn和纯Mg，待所有金属熔化后再次加入C2Cl6精炼除气直至没有气体逸出，静置保温15～20min，去渣并浇铸成锭；
其次，对浇铸成锭的合金进行多级均匀化退火处理；
最后，对经过多级均匀化退火处理的合金进行热压、热轧、退火处理，即可获得新型Zn合金化的高强度高抗腐蚀的高镁5A06型热轧材铝合金。
5.权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的Al-Mn中间合金中Mn的质量百分比为10.02％，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11％，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89％。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：在铝合金中添加0.21～2.44wt.％的Zn元素,从而在晶界处出现少量的τ(Mg32(AlZn)49)相，且减少β(Mg2Al3)相的连续析出，大大缩小与Al基体的腐蚀电位差，从而提高合金的耐腐蚀性能。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的多级均匀化退火处理，其最佳工艺为420±10℃×2h+460±10℃×2h+500±10℃×2h+520±10℃×10h。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述的多级均匀化退火处理，其最佳工艺为420℃×2h+460℃×2h+500℃×2h+520℃×10h。
9.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：热压缩的工艺为430±10℃×2h，液压机上沿径向方向压缩50％-80％,热轧制的工艺为470±10℃×2h，轧制成厚度约2-5mm的板材。
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CN112553512A (zh) * 2020-12-02 2021-03-26 中铝材料应用研究院有限公司 高热稳定性、焊接性和耐蚀性的铝-镁合金板材及其用途

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