CN109136672B - 一种耐腐蚀高强铝合金及制备方法 - Google Patents

一种耐腐蚀高强铝合金及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金材料及制备领域，尤其是一种耐腐蚀高强铝合金及其制备方法；所述的耐腐蚀高强铝合金按质量百分比计由以下组分制成：10.0‑16.0％Si、0‑0.087％Cr、0‑1.2％Ti、0.026‑0.053％Ce、3.2‑6.4％Ni、0‑0.036％B、0.042‑0.057％改性石墨粉、其余为Al和不可避免的杂；其制备方法为：(1)将B、改性石墨粉进行高能球磨这制成混合粉末；(2)将Si、Cr、Ti、Ce、Ni加入熔炼炉内在通入N2的条件下熔化，然后加入混合粉末熔炼一段时间得到铝母合金(3)将铝母合金制成铝合金粉，经过等静压制、预热、热挤压后，得到铝合金初品；(4)将铝合金初品进行回火处理得到铝合金。本发明制得的铝合金杂质含量低、结构稳定，具有良好的机械及耐腐蚀性能。

Description

一种耐腐蚀高强铝合金及制备方法
技术领域
本发明属于合金材料及制备领域，尤其是一种耐腐蚀高强铝合金及制备方法。
背景技术
铝合金是以铝为基体，根据不同的需要添加铜、硅、镁、锌、锰、镍、铁、钛、铬等元素制成的合金，具有密度小、质量轻、可塑性好、高强度等优点，可加工成各种型材，被广泛应用在工业及航空航天领域。铝合金主要分为两大类，一类是变形铝合金，有防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝四类，可加工成各种形态、规格的铝合金材，主要用于制造航空器材、建筑用门窗等；另一类是铸造铝合金，有铝硅系、铝铜系、铝镁系、铝锌系四类，主要用于制造汽车、舰船配件、发动机气缸等。铝合金表面容易生成一层致密、保护的氧化膜，这使得其在大气中具有良好的抗腐蚀性能，但是铝合金会由于原料的不纯、加工工艺的缺陷出现成分分布不均匀、杂质含量高等问题，导致其容易发生应力腐蚀、剥落腐蚀。常规的铝合金加工工艺为：(1)将铝锭与合金元素熔化，浇铸制成铝合金锭；(2)将铝合金锭的氧化物外皮去掉，再通过预热挤压成铝合金棒；(3)将铝合金棒进行固溶处理，然后再进行时效处理。这种加工工艺较为复杂，得到的铝合金微观组织比较粗大，强度、耐腐蚀性能达不到理想状态。由于常规的铝合金加工工艺的缺陷，人们在提出了一种新的制备方法：(1)将铝合金与合金元素制成混合粉末；(2)将铝合金粉通过等静压制成预制坯；(3)将预制坯预热后，再进行热挤压得到铝合金。这种制备方法得到的铝合金微观组织较为细小均匀，改善了铝合金的性能。如专利申请号为201610079297.4的文件空开了一种腐蚀铝合金的制备方法，以铝粉、锰粉、镁粉为原料，通过混合、等静压制、预热、热挤压制成铝合金，与常规加工工艺相比，强度、耐腐蚀性能更优；但是该专利在加工过程中未对杂质进行处理，使得到的铝合金中杂质含量较高，而且只使用等静压制、挤压的方法，合金元素不能充分与铝元素作用，影响铝合金的性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种耐腐蚀高强铝合金及其制备方法，具体是通过以下技术方案实现的：
一种耐腐蚀高强铝合金,包含以下质量百分比的组分：10.0-16.0％Si、0-0.087％Cr、0-1.2％Ti、0.026-0.053％Ce、3.2-6.4％Ni、0-0.036％B、0.042-0.057％改性石墨粉、其余为Al和不可避免的杂质。
优选地，所述的改性石墨粉的制备为：将石墨粉、氧化铝加到浓HNO3中在常温下搅拌反应2h，然后水浴加热到80-90℃搅拌反应30min，加水稀释，过滤，洗涤滤饼，将滤饼置于干燥箱中现在60℃干燥至含水率低于5％，再在100℃下干燥2-3h,得到改性石墨粉。
优选地，所述的石墨粉、氧化铝、浓HNO3的比例为2:1:80-100(g:g:ml)。
优选地，所述的耐腐蚀高强铝合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)将改性石墨粉、B混合进行高能球磨6-8h,得到混合粉末；
(2)将Cr、Ti、Ce、Ni、Si、Al材料加到熔炼炉内进行熔炼，同时向炉内通入氮气，待金属完全熔化为金属液时，加入混合粉末，在超声波的作用搅拌处理10-14min得到熔融合金,然后冷却到800-850℃加入精炼剂进行除渣、脱气处理8-12min,浇注制成铝母合金；
(3)采用超声雾化设备将铝母合金制成铝合金粉，经过等静压制成型后，得到预制坯；然后将预制坯预热后，进行热挤压，得到铝合金初品；
(4)将铝合金初品进行回火处理，加热到123-140℃保持12-15h，冷却得到铝合金成品。
优选地，所述高能球磨的球料比为7-12:1。
优选地，所述的精炼剂按重量份计由2-5份氟化钙、30-45份氯化钠、16-21份硅酸钠、5-10份氯化锌组成，制备方法为：氟化钙、氯化钠、硅酸钠、氯化锌混合均匀加入高温电炉中熔化，然后冷却凝固，再破碎成粉末，即得精炼剂；精炼剂的用量为熔融合金质量的0.1％左右。
优选地，所述的熔炼温度为1650℃-1860℃,浇注温度为1460-1600℃。
优选地，所述的等静压制成型的压力为260-300MPa，时间为0.5-0.8min。
优选地，所述的预热的温度为600-700℃,时间为25-30min。
优选地，所述的热挤压的压力为1500-1800T,温度为670-700℃，挤压比为20～56:1；挤压速度为1.2～3mm/s。
本发明的有益效果在于：
本发明对石墨粉进行改性处理后，石墨粉的结构变得完整，与铝元素之间具有更好的亲和力，使其与铝合金更好地融合；向熔炼炉通入氮气，能抑制熔炼过程中杂质的侵入，减少后期杂质处理过程，同时也能增强铝合金的韧性；使用精炼剂对熔融铝合金进行除渣、除气处理，降低了原料中的杂质含量，使得到的铝合金结构更稳定，不容易发生应力腐蚀；利用超声波对熔融合金进行处理，让铝合金的各组分融合得更完全，其性能更好；将铝合金粉进行等静压制、热挤压成型后，再经过回火处理，能消除铝合金内部的残余应力，降低应力腐蚀额发生率。本发明制备的铝合金杂质含量少、结构稳定，具有良好的力学及耐腐蚀性能，其屈服强度能够达到563MPa，拉伸强度能够达到591MPa，96小时盐雾腐蚀量仅为1.0mg/m2。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1改性石墨粉的制备
将石墨粉、氧化铝加到浓HNO3中在常温下搅拌反应2h，然后水浴加热到80-90℃搅拌反应30min，加水稀释，过滤，洗涤滤饼，将滤饼置于干燥箱中现在60℃干燥至含水率低于5％，再在100℃下干燥2h,得到改性石墨粉1；其中所述的石墨粉、氧化铝、浓HNO3的比例为2:1:80(g:g:ml)。
实施例2改性石墨粉的制备
将石墨粉、氧化铝加到浓HNO3中在常温下搅拌反应2h，然后水浴加热到80-90℃搅拌反应30min，加水稀释，过滤，洗涤滤饼，将滤饼置于干燥箱中现在60℃干燥至含水率低于5％，再在100℃下干燥2h,得到改性石墨粉2；其中所述的石墨粉、氧化铝、浓HNO3的比例为2:1:85(g:g:ml)。
实施例3改性石墨粉的制备
将石墨粉、氧化铝加到浓HNO3中在常温下搅拌反应2h，然后水浴加热到80-90℃搅拌反应30min，加水稀释，过滤，洗涤滤饼，将滤饼置于干燥箱中现在60℃干燥至含水率低于5％，再在100℃下干燥3h,得到改性石墨粉3；其中所述的石墨粉、氧化铝、浓HNO3的比例为2:1:100(g:g:ml)。
实施例4耐腐蚀高强铝合金的制备
组分总质量：100kg
各组分含量：10.0％Si、0.026％Ce、3.2％Ni、0.042％改性石墨粉1、其余为Al和不可避免的杂质。
制备方法：
(1)将改性石墨粉1进行高能球磨6h,得到石墨粉末；其中球料比为7:1
(2)将Cr、Ti、Ce、Ni、Si、Al材料加到熔炼炉内进行熔炼，同时向炉内通入氮气，待金属完全熔化为金属液时，加入石墨粉末，在超声波的作用搅拌处理10min得到熔融合金,然后冷却到800-850℃加入精炼剂进行除渣、脱气处理8min,浇注制成铝母合金；
(3)采用超声雾化设备将铝母合金制成铝合金粉，经过等静压制成型后，得到预制坯；然后将预制坯预热后，进行热挤压，得到铝合金初品；
(4)将铝合金初品进行回火处理，加热到123℃保持15h，冷却得到铝合金成品。
优选地，所述的精炼剂按重量份计由2份氟化钙、30份氯化钠、16份硅酸钠、5份氯化锌组成，制备方法为：氟化钙、氯化钠、硅酸钠、氯化锌混合均匀加入高温电炉中熔化，然后冷却凝固，再破碎成粉末，即得精炼剂；精炼剂的用量为熔融合金质量的0.1％左右。
所述的熔炼温度为1650℃,浇注温度为1460℃。
所述的等静压制成型的压力为260MPa，时间为0.8min。
所述的预热的温度为600℃,时间为30min。
所述的热挤压的压力为1500T,温度为670℃，挤压比为56:1；挤压速度为1.2mm/s。
实施例5耐腐蚀高强铝合金的制备
组分总质量：100kg
各组分含量：12.0％Si、0-0.087％Cr、0.6％Ti、0.026％Ce、3.2％Ni、0.025％B、0.042％改性石墨粉2、其余为Al和不可避免的杂质。
制备方法:
(1)将改性石墨粉2、B混合进行高能球磨7h,得到混合粉末；其中所述的球料比为10:1
(2)将Cr、Ti、Ce、Ni、Si、Al材料加到熔炼炉内进行熔炼，同时向炉内通入氮气，待金属完全熔化为金属液时，加入混合粉末，在超声波的作用搅拌处理12min得到熔融合金,然后冷却到800-850℃加入精炼剂进行除渣、脱气处理10min,浇注制成铝母合金；
(3)采用超声雾化设备将铝母合金制成铝合金粉，经过等静压制成型后，得到预制坯；然后将预制坯预热后，进行热挤压，得到铝合金初品；
(4)将铝合金初品进行回火处理，加热到125℃保持14h，冷却得到铝合金成品。
优选地，所述的精炼剂按重量份计由4份氟化钙、36份氯化钠、18份硅酸钠、6份氯化锌组成，制备方法为：氟化钙、氯化钠、硅酸钠、氯化锌混合均匀加入高温电炉中熔化，然后冷却凝固，再破碎成粉末，即得精炼剂；精炼剂的用量为熔融合金质量的0.1％左右。
所述的熔炼温度为1760℃,浇注温度为1500℃。
所述的等静压制成型的压力为280MPa，时间为0.6min。
所述的预热的温度为650℃,时间为28min。
所述的热挤压的压力为1600T,温度为680℃，挤压比为50:1；挤压速度为2mm/s。
实施例6耐腐蚀高强铝合金的制备
组分总质量：100kg
各组分含量：15.0％Si、0.075％Cr、1.0％Ti、0.045％Ce、4.3％Ni、0.032％B、0.052％改性石墨粉3、其余为Al和不可避免的杂质。
制备方法：
(1)将改性石墨粉、B混合进行高能球7h,得到混合粉末；其中球料比为11:1；
(2)将Cr、Ti、Ce、Ni、Si、Al材料加到熔炼炉内进行熔炼，同时向炉内通入氮气，待金属完全熔化为金属液时，加入混合粉末，在超声波的作用搅拌处理13min得到熔融合金,然后冷却到800-850℃加入精炼剂进行除渣、脱气处理12min,浇注制成铝母合金；
(3)采用超声雾化设备将铝母合金制成铝合金粉，经过等静压制成型后，得到预制坯；然后将预制坯预热后，进行热挤压，得到铝合金初品；
(4)将铝合金初品进行回火处理，加热到135℃保持1h，冷却得到铝合金成品。
优选地，所述的精炼剂按重量份计由5份氟化钙、40份氯化钠、20份硅酸钠、8份氯化锌组成，制备方法为：氟化钙、氯化钠、硅酸钠、氯化锌混合均匀加入高温电炉中熔化，然后冷却凝固，再破碎成粉末，即得精炼剂；精炼剂的用量为熔融合金质量的0.1％左右。
所述的熔炼温度为1800℃,浇注温度为1560℃。
所述的等静压制成型的压力为300MPa，时间为0.5min。
所述的预热的温度为680℃,时间为27min。
所述的热挤压的压力为1700T,温度为690℃，挤压比为40:1；挤压速度为2.5mm/s。
实施例7耐腐蚀高强铝合金的制备
组分总质量：100kg
各组含量：16.0％Si、0.087％Cr、1.2％Ti、0.053％Ce、6.4％Ni、0.036％B、0.057％改性石墨粉3、其余为Al和不可避免的杂质。
制备方法：
(1)将改性石墨粉、B混合进行高能球磨8h,得到混合粉末；其中球料比为12:1；
(2)将Cr、Ti、Ce、Ni、Si、Al材料加到熔炼炉内进行熔炼，同时向炉内通入氮气，待金属完全熔化为金属液时，加入混合粉末，在超声波的作用搅拌处理14min得到熔融合金,然后冷却到800-850℃加入精炼剂进行除渣、脱气处理12min,浇注制成铝母合金；
(3)采用超声雾化设备将铝母合金制成铝合金粉，经过等静压制成型后，得到预制坯；然后将预制坯预热后，进行热挤压，得到铝合金初品；
(4)将铝合金初品进行回火处理，加热到140℃保持12h，冷却得到铝合金成品。
优选地，所述的精炼剂按重量份计由5份氟化钙、45份氯化钠、21份硅酸钠、10份氯化锌组成，制备方法为：氟化钙、氯化钠、硅酸钠、氯化锌混合均匀加入高温电炉中熔化，然后冷却凝固，再破碎成粉末，即得精炼剂；精炼剂的用量为熔融合金质量的0.1％左右。
所述的熔炼温度为1860℃,浇注温度为1600℃。
所述的等静压制成型的压力为300MPa，时间为0.5min。
所述的预热的温度为700℃,时间为25min。
所述的热挤压的压力为1800T,温度为700℃，挤压比为56:1；挤压速度为3mm/s。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于石墨没有进行改性处理，其余过程相同。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于在熔炼过程中没有通入氮气，其余过程相同。
对比例3
对比例3与实施例1的区别在于在熔炼过程中没有用超声波进行处理，其余过程相同。
对比例4
对比例4与实施例1的区别在于在制备过程中没有进行回火处理，其余过程相同。
对照组专利申请号为CN201610079297.4的文件公开的一种耐腐蚀铝合金的制备方法：
(1)将重量为100千克，含锰粉为0.3％，镁粉为0.3％，铝粉为99.4％的原料放入球磨罐中，钢球重量为1吨，添加1000毫升无水乙醇、800毫升煤油作为防锻剂。机械制粉30小时后得到的混合粉末；
(2)将所述混合粉末等静压成型，压力为180MPa，得到坯体；
(3)将所述坯体在空气环境下加热，加热温度为520℃，保温50分钟；预热后的坯体立即放入挤出机的挤压桶中，挤压桶加热温度为430℃，在挤压比为12:1，挤压速度为3mm/s，压力为1200T的工艺条件下将样品挤出，经过水冷后得到高强、耐腐蚀铝合金棒材。
实验例
取实施例4-7和对比例1-5制备的铝合金，经切割取样并抛光处理后，强度按照GB/T228.1-2010对其进行测试，盐雾腐蚀测试依照GB/T10125-1997标准进行，测试结果如表1所示：
表1
Figure BDA0001823132120000091
从表中可知，实施例4-7与对比例1-2相比，屈服强度之间没有显著的变化、拉伸强度偏高、腐蚀量偏低，说明改性石墨粉、氮气的使用，有益于增强铝合金的拉伸性能和耐腐蚀；实施例4-7与对比例3-4相比，腐蚀量更小，说明超声波、回火处理能增强铝合金的耐腐蚀性能；实施例4-7与对照组相比，腐蚀量更小，本发明提供的铝合金具有更好的耐腐蚀性能。
在此有必要指出的是，以上实施例和试验例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和理解，不能理解为对本发明的技术方案做进一步的限定，本领域技术人员作出的非突出实质性特征和显著进步的发明创造，仍然属于本发明的保护范畴。

Claims (9)

1.一种耐腐蚀高强铝合金,包含以下质量百分比的组分：10.0-16.0％Si、0-0.087％Cr、0-1.2％Ti、0.026-0.053％Ce、3.2-6.4％Ni、0-0.036％B、0.042-0.057％改性石墨粉、其余为Al和不可避免的杂质；
所述的改性石墨粉的制备为：将石墨粉、氧化铝加到浓HNO3中在常温下搅拌反应2h，然后水浴加热到80-90℃搅拌反应30min，加水稀释，过滤，洗涤滤饼，将滤饼置于干燥箱中先在60℃干燥至含水率低于5％，再在100℃下干燥2-3h,得到改性石墨粉。
2.如权利要求1所述的耐腐蚀高强铝合金，其特征在于，所述的石墨粉、氧化铝、浓HNO3的比例为2:1:80-100(g:g:ml)。
3.如权利要求1所述的耐腐蚀高强铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将改性石墨粉、B混合进行高能球磨6-8h,得到混合粉末；
(2)将Cr、Ti、Ce、Ni、Si、Al材料加到熔炼炉内进行熔炼，同时向炉内通入氮气，待金属完全熔化为金属液时，加入混合粉末，在超声波的作用搅拌处理10-14min得到熔融合金,然后冷却到800-850℃加入精炼剂进行除渣、脱气处理8-12min,浇注制成铝母合金；
(3)采用超声雾化设备将铝母合金制成铝合金粉，经过等静压制成型后，得到预制坯；然后将预制坯预热后，进行热挤压，得到铝合金初品；
(4)将铝合金初品进行回火处理，加热到123-140℃保持12-15h，冷却得到铝合金成品。
4.如权利要求3所述的耐腐蚀高强铝合金的制备方法，其特征在于，所述高能球磨的球料比为7-12:1。
5.如权利要求3所述的耐腐蚀高强铝合金的制备方法，其特征在于，所述的精炼剂按重量份计由2-5份氟化钙、30-45份氯化钠、16-21 份硅酸钠、5-10份氯化锌组成，制备方法为：氟化钙、氯化钠、硅酸钠、氯化锌混合均匀加入高温电炉中熔化，然后冷却凝固，再破碎成粉末，即得精炼剂；精炼剂的用量为熔融合金质量的0.1％左右。
6.如权利要求3所述的耐腐蚀高强铝合金的制备方 法，其特征在于，所述的熔炼温度为1650℃-1860℃，浇注温度为1460-1600℃。
7.如权利要求3所述的耐腐蚀高强铝合金的制备方法，其特征在于，所述的等静压制成型的压力为260-300MPa，时间为0.5-0.8min。
8.如权利要求3所述的耐腐蚀高强铝合金的制备方法，其特征在于，所述的预热的温度为600-700℃,时间为25-30min。
9.如权利要求3所述的耐腐蚀高强铝合金的制备方法，其特征在于，所述的热挤压的压力为1500-1800T,温度为670-700℃,挤压比为12～63:1；挤压速度为1.2～3mm/s。
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