CN109439971A - 一种耐蚀性、高强度的铝合金及其制备方法 - Google Patents

一种耐蚀性、高强度的铝合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种耐蚀性、高强度的铝合金及其制备方法,该合金的成分以重量百分比来表示,包括Si 4.5~10,Mg 0.05~0.45,Mn 0.05~0.2,Cu 0.1~0.4,Cr 0.1~0.2,Zn 0.1~0.3,Fe 0.1~0.6,稀土RE 0.1~1,其余的为铝。铝合金的制备方法如下:按照铝合金各成分的重量配比,称取原料,并将铝锭装入坩埚中用电阻炉加热溶解,依次加入原料,并经过稀土变质处理、电脉冲处理,最后浇铸成型。本发明可以获得以下有益效果:采用稀土变质和电脉冲凝固技术相结合的复合技术制备的铝合金,相比于现有技术,可以获得尺寸均匀的等轴晶组织,所制备的铝合金拥有很高的抗拉强度、高塑性以及优异的耐腐蚀性。

Description

一种耐蚀性、高强度的铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金熔炼领域,尤其是涉及一种耐蚀性、高强度的铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金的用量仅次于钢铁材料,广泛应用于航空航天、汽车、航海、化工等领域,工业纯铝具有很高的可塑性、耐蚀性、导电性和导热性,但强度低,热处理不能强化,可切削性不好,因此需要在铝中添加一些合金元素做成铝合金来改变铝的诸多性能。
在常温条件下,铝的表面会产生致密的氧化铝,因此铝拥有很好的耐蚀性,但是在氯离子存在的条件下,氯离子很容易破坏这层氧化铝薄膜,导致局部腐蚀的发生如点蚀,因此需要加入合金元素来改善铝的耐腐蚀性,例如加入Mg可以改善铝合金的耐腐蚀性,再加入Si,可以和Mg形成Mg2Si相,钉扎在铝晶界阻止位错的滑移,提高合金抗拉强度。铝合金中添加Cu可以形成金属间化合物Al2Cu相,可以显著改善合金力学强度,Mn能阻止铝合金的再结晶过程,提高再结晶温度,并能显著细化再结晶晶粒。Fe在铝中会形成FeAl金属间化合物,形成硬点,提高铝合金的铸造性能。Cr在铝中形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金属间化合物,阻碍再结晶的形核和长大过程,对合金有一定的强化作用,还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性,但会增加淬火敏感性。在铝合金中Zn与Mg形成MgZn2相,对合金产生明显的强化作用,MgZn2相含量从0.5wt.%提高到12wt.%,可明显增加抗拉强度和屈服强度,而且MgZn2相是一种高耐蚀相,可以抵抗氯离子的腐蚀,抑制点蚀的发生。稀土RE可以细化铝合金的第二相以及α(Al),改善合金的高温和室温下的力学性能。
发明内容
本发明提供了一种耐蚀性、高强度的铝合金及其制备方法,利用稀土变质和电脉冲凝固的协同作用,细化铝基体和第二相,制备成性能良好的铝合金。
本发明为了克服现有技术存在的问题,采用以下技术方案:
一种耐蚀性、高强度的铝合金,该合金的成分以重量百分比来表示,包括Si 4.5~10,Mg 0.05~0.45,Mn 0.05~0.2,Cu 0.1~0.4,Cr 0.1~0.2,Zn0.1~0.3,Fe 0.1~0.6,稀土RE0.1~1,其余的为铝。
进一步的,所述稀土RE可以选择镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种及其任意两种以上复配的混合物。
进一步的,该合金的抗拉强度为270~330MPa,延伸率为20~35%,经过72h全浸泡试验结果显示铝合金的腐蚀速度不大于0.1302g·m-2·h-1
一种耐蚀性、高强度的铝合金的制备方法,具体制备步骤如下:
(1)按照铝合金各成分的重量配比,称取原料,然后将切割好的小块铝锭预先装入氧化铝粘土坩埚中;
(2)熔炼合金之前,先将模具用箱式热处理炉预热,预热温度150~180℃,然后打开电阻炉和控温仪,将装有小块铝锭的坩埚在300~400℃下进行预热,保温时间为30~40min;
(3)预热完毕后,将温度升至700℃,将铝锭熔解,保温10min后依次加入切割好并预热的镁锭、锌锭、电解铜,熔解后,保温20min,然后将温度升至900℃,再依次加入纯铁、锰块、2202#工业硅以及铬块,待全部熔解过后,准备稀土变质处理;
(4)稀土金属以Al-RE中间合金的形式加入,用石墨钟罩将预热好的稀土中间合金加入到铝合金熔体中,温度为750℃,变质时间为10min,然后加入精炼剂进行除氢处理,接着捞渣,等待下一步处理;
(5)关闭电阻炉电源,熔体开始缓慢凝固,同时对熔体施加电脉冲处理,处理时间10~15min;
(6)停止电脉冲处理,将坩埚取出,并将熔体浇铸于不锈钢模具中,待合金熔体完全凝固后,打开模具取出铝合金铸锭。
进一步的,所述Al-RE中间合金中Al与RE的重量比为5:1~9:1。
进一步的,所述电脉冲处理的工艺参数为电流密度20~50mA/cm2,电压25~35V,频率1.5~5.0Hz,脉宽60μs。
进一步的,所述精炼剂的配方为KF 60~70份,NaCl 50~60份,LiCl 40~60份,冰晶石20~25份,AlF3 10~25份。
本发明采用上述技术方案可以获得以下有益效果:
(1)采用稀土变质和电脉冲凝固技术相结合的复合技术制备的铝合金,相比于仅稀土变质获得的铝合金,可以获得尺寸均匀的等轴晶组织,制备的铝合金拥有很高的抗拉强度、高塑性以及优异的耐腐蚀性。
(2)利用电脉冲凝固技术,抑制了合金组织中合金元素的偏析现象,改善了铝合金铸件的质量。
附图说明
图1是本发明制备的铝合金经过72h全浸泡实验后的SEM形貌图,其中a为施加电脉冲处理的SEM图;b为未施加电脉冲处理的SEM图。
具体实施方式
本发明实施例中采用的铝锭、镁锭、锌锭、电解铜、纯铁、锰块、铬块的重量纯度≥99.9wt.%,2202#工业硅和稀土金属的重量纯度RE≥99.7wt.%。
本发明实施例中通入氩气保护气,纯度≥99.98wt.%。
本发明实施例中采用自行设计的井式电阻炉。
实施例1:
一种耐蚀性、高强度的铝合金,该合金的成分以重量百分比来表示,包括Si 4.5,Mg 0.05,Mn 0.05,Cu 0.1,Cr 0.1,Zn 0.1,Fe 0.1,稀土Ce 0.5,Al 94.5。
一种耐蚀性、高强度的铝合金,具体制备步骤如下:
(1)利用GB4028型卧式带锯床将所述原料切割成小块,并按照铝合金各成分的重量配比,称取原料,将切割好的小块铝锭预先装入氧化铝粘土坩埚中;
(2)熔炼合金之前,先将模具用SX-0-7型箱式热处理炉预热,预热温度150~180℃,然后打开电阻炉和控温仪,将装有小块铝锭的坩埚在300~400℃下进行预热,保温时间为30~40min,预热的目的是防止材料表面生成的水蒸气引起爆炸的现象;
(3)预热完毕后,将温度升至700℃,将铝锭熔解,保温10min后依次加入切割好并预热的镁锭、锌锭、电解铜,熔解后,保温20min,然后将温度升至900℃,再依次加入纯铁、锰块、2202#工业硅以及铬块,待全部熔解过后,准备稀土变质处理;
(4)稀土金属以Al-10Ce中间合金的形式加入,其熔炼过程如下:在720~750℃下,将稀土Ce加入到铝熔体中,稀土金属熔化后直接浇注成小锭作为变质剂。用石墨钟罩将预热好的稀土中间合金加入到铝合金熔体中,温度为750℃,变质时间为10min,然后加入预先烘干的精炼剂进行除氢处理,接着捞渣,等待下一步处理;
(5)关闭电阻炉电源,熔体开始缓慢凝固,同时对熔体施加电脉冲处理,处理时间10~15min,电脉冲处理的工艺参数为电流密度20~50mA/cm2,电压25~35V,频率1.5~5.0Hz,脉宽60μs;
(6)停止电脉冲处理,将坩埚取出,并将熔体浇铸于不锈钢模具中,待合金熔体完全凝固后,打开模具取出铝合金铸锭。
所述稀土Ce可以替换为镧、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种及其任意两种以上复配的混合物。
所述精炼剂的配方为KF 60~70份,NaCl 50~60份,LiCl 40~60份,冰晶石20~25份,AlF3 10~25份。
实施例2:
与实施例1的区别在于,一种耐蚀性、高强度的铝合金,该合金的成分以重量百分比来表示,包括Si 10,Mg 0.45,Mn 0.2,Cu 0.4,Cr 0.2,Zn 0.3,Fe 0.6,稀土Ce 0.5,稀土Pr 0.5,Al 86.85。熔炼过程中使用的稀土中间合金为Al-11Ce-5Pr。
所述稀土Ce和Pr可以替换为镧、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种。
实施例3:与实施例1的区别在于,一种耐蚀性、高强度的铝合金,该合金的成分以重量百分比来表示,包括Si 7,Mg 0.25,Mn 0.12,Cu 0.25,Cr 0.15,Zn 0.2,Fe 0.35,稀土Ce 0.5,稀土Pr 0.3,稀土Nd 0.2,Al 90.68。熔炼过程中使用的稀土中间合金为Al-5Ce-5Pr-5Nd。
所述稀土Ce、Pr和Nd可以替换为镧、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种。
对比例1:与实施例1的区别在于,不施加电脉冲处理,而合金成分与实施例1一样;
对比例2:与实施例2的区别在于,不施加电脉冲处理,而合金成分与实施例2一样;
对比例3:与实施例3的区别在于,不施加电脉冲处理,而合金成分与实施例3一样;
性能检测
将实施例1~3和对比例1~3所制备的铝合金样品,根据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验标准》进行室温条件下的拉伸性能测试,接下来根据JB/T 7901-1999进行全浸泡试验,将铝合金试样浸入测试溶液中,72h后观察试样腐蚀状况,测试溶液为NaCl溶液,浓度为50±5g/L,测量结果为腐蚀失重速度,单位为g·m-2·h-1,具体测试结果见表1。
表1实施例1~3和对比例1~3所制备铝合金的力学性能和耐腐蚀性能数据列表
表1显示了实施例1~3和对比例1~3所制备铝合金的力学性能和耐腐蚀性能,结果显示相比于对比例1~3,实施例1~3的抗拉强度、延伸率以及耐腐蚀能力,均有所提高,这是由于施加电脉冲处理,使得铝枝晶被打碎形成等轴晶,造成晶粒细化的现象,而且稀土本身的变质作用也会细化晶粒,最终抗拉强度性能提高,另外,晶粒细化后有利于晶粒间的协调变形,因此延伸率提高,经过电脉冲处理过后,晶粒尺寸趋于均匀,可以引起全面腐蚀,见图1a,而对比例1~3中不施加电脉冲处理,仅靠稀土的变质作用,容易导致部分区域变质不均匀,晶粒尺寸不一致,容易引发局部腐蚀,见图1b。综上所述,在稀土变质和电脉冲凝固的协同作用下,制备的铝合金拥有很高的力学强度以及耐腐蚀性。
本发明提供了一种耐蚀性、高强度的铝合金及其制备方法,本发明可以获得以下有益效果:
(1)采用稀土变质和电脉冲凝固技术相结合的复合技术制备的铝合金,相比于现有技术,可以获得尺寸均匀的等轴晶组织,所制备的铝合金拥有很高的抗拉强度、高塑性以及优异的耐腐蚀性,抗点蚀性增强。
(2)利用电脉冲凝固技术的电磁搅拌作用,可以抑制合金组织中合金元素的偏析,显著改善了铝合金铸件的质量。
具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种耐蚀性、高强度的铝合金,其特征在于,该合金的成分以重量百分比来表示,包括Si 4.5~10,Mg 0.05~0.45,Mn 0.05~0.2,Cu 0.1~0.4,Cr 0.1~0.2,Zn 0.1~0.3,Fe 0.1~0.6,稀土RE 0.1~1,其余的为铝。
2.根据权利要求1所述的耐蚀性、高强度的铝合金,其特征在于,所述稀土RE可以选择镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪中任意一种及其任意两种以上复配的混合物。
3.根据权利要求1所述的耐蚀性、高强度的铝合金,其特征在于,该合金的抗拉强度为270~330MPa,延伸率为20~35%,经过72h全浸泡试验结果显示铝合金的腐蚀速度不大于0.1302g·m-2.h-1
4.权利要求1~3中任意一项所述的耐蚀性、高强度的铝合金的制备方法,其特征在于,具体制备步骤如下:
1)按照铝合金各成分的重量配比,称取原料,然后将切割好的小块铝锭预先装入氧化铝粘十坩埚中;
2)熔炼合金之前,先将模具用箱式热处理炉预热,预热温度150~180℃,然后打开电阻炉和控温仪,将装有小块铝锭的坩埚在300~400℃下进行预热,保温时间为30~40min;
3)预热完毕后,将温度升至700℃,将铝锭熔解,保温10min后依次加入切割好并预热的镁锭、锌锭、电解铜,熔解后,保温20min,然后将温度升至900℃,再依次加入纯铁、锰块、2202#工业硅以及铬块,待全部熔解过后,准备稀土变质处理;
4)稀土金属以Al-RE中间合金的形式加入,用石墨钟罩将预热好的稀土中间合金加入到铝合金熔体中,温度为750℃,变质时间为10min,然后加入精炼剂进行除氢处理,接着捞渣,等待下一步处理;
5)关闭电阻炉电源,熔体开始缓慢凝固,同时对熔体施加电脉冲处理,处理时间10~15min;
6)停止电脉冲处理,将坩埚取出,并将熔体浇铸于不锈钢模具中,待合金熔体完全凝固后,打开模具取出铝合金铸锭。
5.根据权利要求4所述的耐蚀性、高强度的铝合金的制备方法,其特征在于,所述Al-RE中间合金中Al与RE的重量比为5∶1~9∶1。
6.根据权利要求4所述的耐蚀性、高强度的铝合金的制备方法,其特征在于,所述电脉冲处理的工艺参数为电流密度20~50mA/cm2,电压25~35V,频率1.5~5.0Hz,脉宽60μs。
7.根据权利要求4所述的耐蚀性、高强度的铝合金的制备方法,其特征在于,所述精炼剂的配方为KF 60~70份,NaCl 50~60份,LiCl 40~60份,冰晶石20~25份,AlF3 10~25份。
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