CN109055837B - 一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金及其制备方法，本发明涉及铝合金熔炼铸造领域，具体涉及一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金及其制备方法。本发明是要解决现有7XXX系铝合金耐腐蚀性能差，焊接强度较弱，单独添加Sc元素成本较高的问题。由Zn、Mg、Mn、Si、Ti、Zr、Fe、Sc、Er和余量为Al组成。方法：一、熔炼中间合金；二、熔炼纯铝液；三、浇注。本发明通过本方案以Sc和Er元素组合添加代替Sc元素单独添加制备铝合金，保持优异力学性能的基础上，铝合金焊接强度增加，耐腐蚀性能显著提高，降低合金成本，具有显著的经济效益。

Description

一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金熔炼铸造领域，具体涉及一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金及其制备方法。

背景技术

随着航空航天、国防、汽车以及交通等工业领域发展，铝合金材料应用越来越深入，尤其是轻量化组件中占据了越来越重要的位置。对铝合金强度，焊接性能，耐蚀性和成本也提出了更高的要求，当然也促进了具有特性的铝合金材料的开发进程。

7xxx系铝合金是以Zn为主要合金元素的变形铝合金，具体包括Al-Zn、Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu等系列合金。Al-Zn-Mg-Cu系合金具有高的比强度、比刚度、优良的断裂韧性和抗应力腐蚀性能，广泛用于航空航天、交通运输、军工装备、建筑、桥梁等领域。但是现有7XXX系铝合金存在耐腐蚀性能差，焊接强度较弱；Sc是一种铝合金熔炼中常添加的常用稀土元素，与Al形成Al₃Sc相，对铝合金的变质具有显著的作用，显著提高铝合金的综合性能。然而Sc的价格较高，导致含Sc铝合金的成本较高。

发明内容

本发明是要解决现有7XXX系铝合金耐腐蚀性能差，焊接强度较弱，且添加Sc元素成本较高的问题，而提供一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金及其制备方法。

本发明一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金按质量百分比由4.0％～5.0％Zn、1.0％～2.0％Mg、0.01％～0.5％Mn、0.01％～0.2％Si、0.01％～0.06％Ti、0.05％～0.18％Zr、0.01％～0.5％Fe、0.05％～0.5％Sc、0.1％～0.5％Er和余量为Al组成。

本发明一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、熔炼中间合金：按质量百分比4.0％～5.0％Zn、1.0％～2.0％Mg、0.01％～0.5％Mn、0.01％～0.2％Si、0.01％～0.06％Ti、0.05％～0.18％Zr、0.01％～0.5％Fe、0.05％～0.5％Sc、0.1％～0.5％Er和余量为Al进行备料，得到待熔炼金属，其中Zn和Al采用锌锭和铝锭，Mg、Si、Fe、Mn、Ti和Zr采用中间合金，Sc和Er采用铝钪合金和铝铒合金；同时按待熔炼金属总质量称量0.08％～0.2％精炼剂和0.05～0.07％变质剂；将炉气温度设定为1000℃～1100℃，将备好中间合金按照块重及尺寸从大到小依次加入到熔炼炉中，待原料完全熔化得到熔体，以250～350r/min的转速将熔体搅拌10～20min保温2h后将炉气温度升至1100～1200℃，将铝钪合金和铝铒合金加入到熔炼炉中，待铝钪合金和铝铒合金完全熔化后以250～350r/min的转速将熔体搅拌10～20min，得到合金熔体A，保温备用；

二、熔炼纯铝液：在惰性气氛保护下，将铝锭在温度为700～800℃的条件下融化，在温度为700～800℃的条件下保温3～4h，加入精炼剂，精炼15～30min，得到纯铝液B，保温备用；

三、浇注：将合金熔体A加入到纯铝液B中，再向其中加入变质剂，以450～600r/min的转速搅拌30～40min，得到合金溶液C，在温度800～830℃条件下加入至铸造机中，冷却至室温后对铸件进行热处理，得到可焊耐蚀铝合金。

本发明的有益效果是：

本发明采用Sc+Er组合方案替代Sc方案，在热处理过程中会形成Al₃Sc和AlEr强化相，还可以与合金中的Zr元素形成Al(ZrEr)复合相，该相比Al₃Sc有更好的热稳定性，因此通过该方法制备的铝合金具有高强度，其中抗拉强度超过500MPa，满足大部分行业的需求；由于Er的成本远低于Sc，因此采用该方法制备的铝合金成本显著降低；Sc和Er元素改善了该铝合金的综合性能，合金的可焊性和耐腐蚀性均显著提高，且耐腐蚀性能优于5XXX铝合金；本发明制备铝合金工艺流程简单，适合批量生产，产业化难度低。

附图说明

图1为实施例一制备的一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的金相照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金按质量百分比由4.0％～5.0％Zn、1.0％～2.0％Mg、0.01％～0.5％Mn、0.01％～0.2％Si、0.01％～0.06％Ti、0.05％～0.18％Zr、0.01％～0.5％Fe、0.05％～0.5％Sc、0.1％～0.5％Er和余量为Al组成。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金按质量百分比由4.5％～5.0％Zn、1.5％～2.0％Mg、0.01％～0.3％Mn、0.01％～0.2％Si、0.01％～0.06％Ti、0.05％～0.18％Zr、0.01％～0.3％Fe、0.05％～0.3％Sc、0.1％～0.3％Er和余量为Al组成。其他与具体实施方式二相同。

具体实施方式三：本实施方式一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、熔炼中间合金：按质量百分比4.0％～5.0％Zn、1.0％～2.0％Mg、0.01％～0.5％Mn、0.01％～0.2％Si、0.01％～0.06％Ti、0.05％～0.18％Zr、0.01％～0.5％Fe、0.05％～0.5％Sc、0.1％～0.5％Er和余量为Al进行备料，得到待熔炼金属，其中Zn和Al采用锌锭和铝锭，Mg、Si、Fe、Mn、Ti和Zr采用中间合金，Sc和Er采用铝钪合金和铝铒合金；同时按待熔炼金属总质量称量0.08％～0.2％精炼剂和0.05～0.07％变质剂；将炉气温度设定为1000℃～1100℃，将备好中间合金按照块重及尺寸从大到小依次加入到熔炼炉中，待原料完全熔化得到熔体，以250～350r/min的转速将熔体搅拌10～20min保温2h后将炉气温度升至1100～1200℃，将铝钪合金和铝铒合金加入到熔炼炉中，待铝钪合金和铝铒合金完全熔化后以250～350r/min的转速将熔体搅拌10～20min，得到合金熔体A，保温备用；

二、熔炼纯铝液：在惰性气氛保护下，将铝锭在温度为700～800℃的条件下融化，在温度为700～800℃的条件下保温3～4h，加入精炼剂，精炼15～30min，得到纯铝液B，保温备用；

三、浇注：将合金熔体A加入到纯铝液B中，再向其中加入变质剂，以450～600r/min的转速搅拌30～40min，得到合金溶液C，在温度800～830℃条件下加入至铸造机中，冷却至室温后对铸件进行热处理，得到可焊耐蚀铝合金。

步骤一所述的元素含量中Mn和Ti的含量之和应处于0.15％～0.5％之间。

步骤一所述的元素含量中Si和Zr的含量之和应处于0.1％～0.3％之间。

步骤一所述的元素含量中Sc和Er的含量之和应处于0.1％～0.6％之间。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤一中按质量百分比由4.5％～5.0％Zn、1.5％～2.0％Mg、0.01％～0.3％Mn、0.01％～0.2％Si、0.01％～0.06％Ti、0.05％～0.18％Zr、0.01％～0.3％Fe、0.05％～0.3％Sc、0.1％～0.3％Er和余量为Al进行备料。其他与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：步骤一中所述中间合金为Al-Mg合金、Al-Si合金、Al-Fe合金、Al-Mn合金、Al-Ti合金和Al-Zr合金；所述铝钪合金为Al-10Sc合金，所述铝铒合金为Al-20Er合金。其他与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤一中所述精炼剂由氯化钠、氯化钾、冰晶石和六氯乙烷组成。其他与具体实施方式三至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：步骤一中所述精炼剂为氯化钠、氯化钾、冰晶石和六氯乙烷的按比例1:(2～3):(1～3):(0.2～0.5)混合得到的。其他与具体实施方式三至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是：步骤二中所述惰型气氛为Ar，纯度大于99.9％。其他与具体实施方式三至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：步骤三中所述热处理包括固溶、淬火和人工时效。其他与具体实施方式三至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是：所述固溶的温度区间为490～510℃，保温时间为1～2h。其他与具体实施方式三至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式三至十之一不同的是：所述淬火的介质为水，温度为30～50℃。其他与具体实施方式三至十之一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式三至十一之一不同的是：所述人工时效的温度为150～190℃，保温时间为5～10h，时效后冷却，冷却方式为空冷。其他与具体实施方式三至十一之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、熔炼中间合金：按质量百分比4.4％Zn、1.5％Mg、0.2％Mn、0.1％Si、0.03％Ti、0.08％Zr、0.1％Fe、0.1％Sc、0.4％Er和余量为Al进行备料，得到待熔炼金属，其中Zn和Al采用锌锭和铝锭，Mg、Si、Fe、Mn、Ti和Zr采用中间合金，Sc和Er采用铝钪合金和铝铒合金；同时按待熔炼金属总质量称量0.1％精炼剂和0.06％变质剂；将炉气温度设定为1020℃，将备好中间合金按照块重及尺寸从大到小依次加入到熔炼炉中，待原料完全熔化得到熔体，以250r/min的转速将熔体搅拌15min保温2h后将炉气温度升至1150℃，将铝钪合金和铝铒合金加入到熔炼炉中，待铝钪合金和铝铒合金完全熔化后以350r/min的转速将熔体搅拌20min，得到合金熔体A，保温备用；

二、熔炼纯铝液：在惰性气氛保护下，将铝锭在温度为750℃的条件下融化，在温度为750℃的条件下保温4h，加入精炼剂，精炼30min，得到纯铝液B，保温备用；

三、浇注：将合金熔体A加入到纯铝液B中，再向其中加入变质剂，以500r/min的转速搅拌40min，得到合金溶液C，在温度830℃条件下加入至铸造机中，冷却至室温后对铸件进行热处理，得到可焊耐蚀铝合金；

步骤一中所述精炼剂由氯化钠、氯化钾、冰晶石和六氯乙烷组成，其比例为1:2:1.8:0.5；

步骤一中所述惰型气氛为Ar，纯度大于99.9％；

步骤三中所述热处理包括固溶、淬火和人工时效；步骤三中所述的固溶温度为490℃，保温时间为1.5h；步骤三中淬火处理的淬火介质水温度为40℃；步骤三中人工时效处理的温度为160℃，时效处理时间为7h。

实施例二：一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、熔炼中间合金：按质量百分比4.8％Zn、1.6％Mg、0.3％Mn、0.15％Si、0.04％Ti、0.07％Zr、0.1％Fe、0.05％Sc、0.45％Er和余量为Al进行备料，得到待熔炼金属，其中Zn和Al采用锌锭和铝锭，Mg、Si、Fe、Mn、Ti和Zr采用中间合金，Sc和Er采用铝钪合金和铝铒合金；同时按待熔炼金属总质量称量0.1％精炼剂和0.07％变质剂；将炉气温度设定为1050℃，将备好中间合金按照块重及尺寸从大到小依次加入到熔炼炉中，待原料完全熔化得到熔体，以300r/min的转速将熔体搅拌15min保温2h后将炉气温度升至1170℃，将铝钪合金和铝铒合金加入到熔炼炉中，待铝钪合金和铝铒合金完全熔化后以350r/min的转速将熔体搅拌20min，得到合金熔体A，保温备用；

二、熔炼纯铝液：在惰性气氛保护下，将铝锭在温度为780℃的条件下融化，在温度为780℃的条件下保温4h，加入精炼剂，精炼30min，得到纯铝液B，保温备用；

三、浇注：将合金熔体A加入到纯铝液B中，再向其中加入变质剂，以450r/min的转速搅拌40min，得到合金溶液C，在温度810℃条件下加入至铸造机中，冷却至室温后对铸件进行热处理，得到可焊耐蚀铝合金；

步骤一中所述精炼剂由氯化钠、氯化钾、冰晶石和六氯乙烷组成，其比例为1:2:1.8:0.5；

步骤一中所述惰型气氛为Ar，纯度大于99.9％；

步骤三中所述热处理包括固溶、淬火和人工时效；步骤三中所述的固溶温度为500℃，保温时间为2h；步骤三中淬火处理的淬火介质水温度为40℃；步骤三中人工时效处理的温度为150℃，时效处理时间为8h。

实施例三：一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、熔炼中间合金：按质量百分比4.8％Zn、1.6％Mg、0.3％Mn、0.2％Si、0.02％Ti、0.1％Zr、0.2％Fe、0.2％Sc、0.25％Er和余量为Al进行备料，得到待熔炼金属，其中Zn和Al采用锌锭和铝锭，Mg、Si、Fe、Mn、Ti和Zr采用中间合金，Sc和Er采用铝钪合金和铝铒合金；同时按待熔炼金属总质量称量0.1％精炼剂和0.07％变质剂；将炉气温度设定为1080℃，将备好中间合金按照块重及尺寸从大到小依次加入到熔炼炉中，待原料完全熔化得到熔体，以250r/min的转速将熔体搅拌15min保温2h后将炉气温度升至1150℃，将铝钪合金和铝铒合金加入到熔炼炉中，待铝钪合金和铝铒合金完全熔化后以350r/min的转速将熔体搅拌20min，得到合金熔体A，保温备用；

二、熔炼纯铝液：在惰性气氛保护下，将铝锭在温度为780℃的条件下融化，在温度为750℃的条件下保温4h，加入精炼剂，精炼30min，得到纯铝液B，保温备用；

三、浇注：将合金熔体A加入到纯铝液B中，再向其中加入变质剂，以500r/min的转速搅拌40min，得到合金溶液C，在温度820℃条件下加入至铸造机中，冷却至室温后对铸件进行热处理，得到可焊耐蚀铝合金；

步骤一中所述精炼剂由氯化钠、氯化钾、冰晶石和六氯乙烷组成，其比例为1:1.6:2:0.5；

步骤一中所述惰型气氛为Ar，纯度大于99.9％；

步骤三中所述热处理包括固溶、淬火和人工时效；步骤三中所述的固溶温度为510℃，保温时间为1.5h；步骤三中淬火处理的淬火介质水温度为40℃；步骤三中人工时效处理的温度为180℃，时效处理时间为10h。

分别测试了本发明实施例一～三中制备的铝合金力学性能和焊接性能，结果如下：

以上所述，仅为本发明的中元素比例较佳的具体实施方式，但是本发明的保护范围不仅限于此，任何熟悉本技术领域的专业人员在本发明中揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及制备构思加以替换或者改变，都应涵盖在本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法，其特征在于一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法是按以下步骤进行：

一、熔炼中间合金：按质量百分比4.0％～5.0％Zn、1.0％～2.0％Mg、0.01％～0.5％Mn、0.01％～0.2％Si、0.01％～0.06％Ti、0.05％～0.18％Zr、0.01％～0.5％Fe、0.1％～0.3％Sc、0.1％～0.5％Er和余量为Al进行备料，得到待熔炼金属，其中Zn和Al采用锌锭和铝锭，Mg、Si、Fe、Mn、Ti和Zr采用中间合金，Sc和Er采用铝钪合金和铝铒合金；同时按待熔炼金属总质量称量0.08％～0.2％精炼剂和0.05～0.07％变质剂；将炉气温度设定为1000℃～1100℃，将备好中间合金按照块重及尺寸从大到小依次加入到熔炼炉中，待原料完全熔化得到熔体，以250～350r/min的转速将熔体搅拌10～20min保温2h后将炉气温度升至1100～1200℃，将铝钪合金和铝铒合金加入到熔炼炉中，待铝钪合金和铝铒合金完全熔化后以250～350r/min的转速将熔体搅拌10～20min，得到合金熔体A，保温备用；

二、熔炼纯铝液：在惰性气氛保护下，将铝锭在温度为700～800℃的条件下融化，在温度为700～800℃的条件下保温3～4h，加入精炼剂，精炼15～30min，得到纯铝液B，保温备用；

三、浇注：将合金熔体A加入到纯铝液B中，再向其中加入变质剂，以450～600r/min的转速搅拌30～40min，得到合金溶液C，在温度800～830℃条件下加入至铸造机中，冷却至室温后对铸件进行热处理，得到可焊耐蚀铝合金；所述热处理包括固溶、淬火和人工时效；所述固溶的温度区间为490～510℃，保温时间为1～2h；所述淬火的介质为水，温度为30～50℃；所述人工时效的温度为150～190℃，保温时间为5～10h，时效后冷却，冷却方式为空冷。

2.根据权利要求1所述的一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法，其特征在于步骤一中所述中间合金为Al-Mg合金、Al-Si合金、Al-Fe合金、Al-Mn合金、Al-Ti合金和Al-Zr合金；所述铝钪合金为Al-10Sc合金，所述铝铒合金为Al-20Er合金。

3.根据权利要求1所述的一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法，其特征在于步骤一中所述精炼剂由氯化钠、氯化钾、冰晶石和六氯乙烷组成。

4.根据权利要求3所述的一种含Sc和Er的7XXX可焊耐蚀铝合金的制备方法，其特征在于所述精炼剂为氯化钠、氯化钾、冰晶石和六氯乙烷的按比例1:(2～3):(1～3):(0.2～0.5)混合得到的。

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