CN110227892A - 一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法 - Google Patents

一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，属于铝合金焊丝制备技术领域。本方法将Al‑Nd和Al‑Ce中间合金加工成粉末状或屑状作为加入原料，采用与精炼剂混合后热压成坯的加入方式，简化了制备工艺，节约了成本，降低氧化夹杂、使第二相均匀析出，进一步提高铝熔体质量；减少了5系铝合金的气孔，解决了在焊接过程中出现的焊缝热开裂、焊缝强度低以及焊缝稳定性差等问题，同时提升了5系铝合金焊丝的强韧性、耐蚀性、热加工性能等综合性能，市场应用前景广阔。

Description

一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金焊丝技术领域。尤其是涉及一种含有稀土Nd和Ce的铝合金焊丝及其制备方法。
背景技术
随着铝合金在高速列车、新能源汽车等广泛应用，对性能及质量特别是轻量化的要求越来越高，铝合金焊接技术得到了快速发展。铝合金的需求量出现井喷式增长，在母材基体一定的情况下，主要取决于焊接工艺与焊丝的合金成分和性能，其中焊丝的好坏是影响焊接综合性能的关键因素。目前5系铝镁合金的合金可焊性较好，焊丝的应用多。
铝合金焊丝的制备方法包括立式半连续铸造挤压法、连铸连轧法、水平连铸连拉法等。其中主要为立式半连续铸造挤压法，其产品质量良好，但设备投资大，工序多，占地面积大，能耗较高；连铸连轧法投资适中，成材率较高，但质量稳定性相对较低；水平连铸连拉法设备投资少，成品率较高。
稀土合金元素的加入可以提高铝合金的性能，其中Sc元素对铝合金具有强烈的变质作用，Ce元素可以比较明显的改善铝合金的微观组织和力学性能，La元素可以适当提高铝合金的强度，Nd元素可以提高铝合金气密性和耐腐蚀性能。
通常将稀土合金元素和精炼剂分开依次加入，存在精炼剂除杂效果差，加入量多，稀土合金元素净化铝合金熔体效果不明显，对铝合金焊丝焊接过程中出现的气孔、焊缝开裂性能、稳定性等问题的改善效果有限，且工艺繁琐，增加了生产过程中的不可控因素。需要一种新的稀土合金元素的加入方法使他们的强韧性、金属铸态性能，热加工性能等综合性能进一步提升。
有鉴于此，特提出将Al-Nd和Al-Ce中间合金加工成粉末状或屑状并于精炼剂均匀混合制成预制块作为加入原料，采用多次加入的加入方式，该方法简化了制备工艺，减少了精炼剂的加入量，同时中间合金具有精炼除杂的效果，减少了环境的污染；节约了成本，使第二相均匀析出，形成致密的氧化物，进一步提高铝熔体质量；同时加入的中间合金又是一种优异的变质剂，可以明显缩短Al-Mg合金的铸造组织的二次枝晶间距，同时与铝形成弥散分布的第二相粒子，可以提高非均匀形核率，细化合金晶粒。
发明内容
本发明提供了一种含稀土元素Nd、Ce的5系铝合金的制备方法，本工艺制备的焊丝是一种5系铝合金通用的铝合金焊丝，本工艺将Al-Nd和Al-Ce中间合金加工成粉末状或屑状并于精炼剂均匀混合制成预制块作为加入原料，采用多次加入的加入方式，简化了制备工艺，节约了成本，降低氧化夹杂、使第二相均匀析出，进一步提高铝熔体质量；减少了5系铝合金的气孔，解决了在焊接过程中出现的焊缝热开裂、焊缝强度低以及焊缝稳定性差等问题,同时提升了5系铝合金焊丝的强韧性、耐蚀性、热加工性能等综合性能，市场应用前景广阔。
本发明为解决上述问题所采取的技术方案为：
1、一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于
(1)将Al-Nd和Al-Ce中间合金加工成粉末状或屑状；
(2)将加工后的合金粉末或屑与精炼剂混合，热压成块，混合比例(3-9)：1；
(3)按照5系铝合金焊丝成分及其质量百分比为：Mg4.5～5.5％，Mn0.05-0.2％，Cr0.05～0.20％，Ti0.06～0.20％，Cu＜0.1％，Zn＜0.1％，Fe＜0.40％，Si＜0.25％，余量为Al，熔炼得到铝合金液；
或Mg3.1～3.9％，Cr0.15～0.35％，Mn＜0.1％，Ti＜0.20％，Cu＜0.1％，Zn＜0.2％，Fe＜0.40％，Si＜0.25％，余量为Al，熔炼得到铝合金液；
(4)将铝合金液升温至740-760℃，采用钟罩压入式加入所需块料的1/3～1/2，距坩埚底(或炉底)120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，然后停炉以5-20cm/s的速度搅拌3-5分钟；
(5)熔炼炉升温至740-760℃，采用钟罩压入式加入剩余的块料，距坩埚底(或炉底)120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，停炉以5-20cm/s的速度搅拌3-5分钟；
(6)在铝液温度为740～760℃的条件下，利用旋转除气机使用N2与Cl2的混合气体进行除气处理，利用测氢仪测量氢含量，当氢含量达到0.2ml/100gAl以下时，停止除气并撇渣，然后在熔融铝液温度为720～740℃时，进行扒渣浇铸成棒状，直径8mm-20mm；
(7)将棒状进行多道次冷拉拔，期间进行退火处理，直到得到直径为1.5-5.2mm的铝合金丝。
(8)将制得的铝合金丝进行刮削光亮化处理，表面处理，直到得到直径为1.3mm～5.0mm的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝。
2、所述的步骤(1)中所述的Al-Nd和Al-Ce中间合金，质量百分比为10％，15％，20％Nd和10％，15％，20％Ce。
3、所述的步骤(2)中所述的热压成矩形块状或饼状，热压的温度为110～200℃，热压的压力为120～300Mpa。
4、所述的步骤(3)中的熔炼所采用的设备为坩埚熔炼炉。
5、所述的步骤(3)中的原料加入熔炼顺序为：纯Al、Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Mg中间合金。
6、所述的步骤(3)中的熔炼温度为700℃～820℃。
7、所述的步骤(3)中的Al-Cr中间合金为Al-5Cr中间合金，Al-Mn中间合金为Al-5Mn中间合金、Al-Ti中间合金为Al-5Ti中间合金、Al-Mg中间合金为Al-20Mg中间合金。
8、所述的步骤(2)中精炼剂按重量百分比由42％～47％的MgCl2，30％～40％的KCl，3％～6％的BaCl2，3％～5％的CaF2，NaCl+CaCl2≤6％，MgO≤1.5％和不熔物≤1.5％混合，其中熔炼剂各原料组分的重量比百分数之和等于100％。精炼剂的使用量为金属熔体重的1.5％-4.5％。
9、所述的步骤(7)中退火制度为(420-475)℃下退火6-24h。
10、所述的步骤(7)中所述的拉拔道次为3～25道次。
11、所述的步骤(8)中所述的表面处理分为酸洗、表面抛光和钝化三道工序。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，5356铝合金焊丝成分及其质量百分比为：
Mg4.5～5.5％，Mn0.05-0.20％，Cr0.05～0.20％，Ti0.06～0.20％，Cu＜0.1％，Zn＜0.1％，Fe＜0.40％，Si＜0.25％，Nd：0.20％，Ce：0.30％，余量为Al；其中Mg、Mn、Cr、Ti为主要合金化元素，Nd、Ce为主要添加稀土元素，Cu、Zn、Fe、Si为杂质元素，要求被控制在所允许的范围内。
一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，主要包括以下步骤：
制备100kg5356铝合金焊丝，按照上述合金化学成分及质量百分比进行配料；
原材料包括：60.5kg纯Al、25kgAl-Mg中间合金，4kgAl-Cr中间合金、4kgAl-Mn中间合金、4kgAl-Ti中间合金，1kgAl-Nd和1.5kgAl-Ce中间合金。
将1kgAl-20Nd和1.5kgAl-20Ce中间合金加工成粉末状或屑状；
将0.85kg精炼剂按重量百分比由42％～47％的MgCl2，30％～40％的KCl，3％～6％的BaCl2，3％～5％的CaF2，NaCl+CaCl2≤6％，MgO≤1.5％和不熔物≤1.5％混合；
(4)将加工后的合金粉末或屑与精炼剂按3：1的混合比混合，放到压力机压制成块；
(5)将60.5kg纯Al放入坩埚熔炼炉中，升温至700℃，直到完全融化；
(6)将原料按照Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金，Al-Mg中间合金的顺序依次全部加入，熔化得到合金液。
(7)将铝合金液升温至740℃，采用钟罩压入式加入冷压后的块料的1/3，距炉底120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，然后停炉以10cm/s的速度搅拌3分钟；
(8)坩埚熔炼炉升温至760℃，采用钟罩压入式加入1/3的块料，距炉底120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，停炉以10cm/s的速度搅拌3分钟；
(9)继续采用钟罩压入式加入剩余1/3的块料，距炉底120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，停炉以10cm/s的速度搅拌3分钟；
(10)在铝液温度为740℃的条件下，利用旋转除气机使用N2与Cl2的混合气体进行除气处理，利用测氢仪测量氢含量，当氢含量达到0.2ml/100gAl以下时，停止除气并撇渣，然后在熔融铝液温度为730℃时，进行扒渣浇铸成直径8mm的棒材；
(11)将直径8mm的棒材放在拔丝机上进行20道次冷拉拔，期间进行退火处理，在470℃下退火15h，直到得到直径为3mm的铝合金丝。
(12)将制得的3mm的铝合金丝进行刮削光亮化处理：3mm的铝合金丝穿过刮削模具，公差为±0.0001mm，刮削速率为3m/s；然后进行酸洗、表面抛光与钝化三道工序的表面处理，最后将铝合金焊丝放到超声波水箱进行超声波水洗，得到的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝。
按照实施例1制备含稀土元素Nd和Ce的5356铝合金焊丝得到的两组实验数据见表1：
表1 5356铝合金的化学成分(质量分数/％)
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Nd Ce Al
0.10 0.27 0.03 0.12 4.90 0.09 0.03 0.13 0.18 0.30 余量
0.12 0.22 0.05 0.15 5.00 0.13 0.07 0.14 0.19 0.29 余量
从表1中可以看出，本实施例中，合金化元素Mg、Mn、Cr、Ti和主要工艺元素Nd、Ce均符合标准要求，杂质元素Cu、Zn、Fe、Si均被控制在所允许的范围内。
实施例2：
1、一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，5154铝合金焊丝成分及其质量百分比为：
Mg3.1～3.9％，Cr0.15～0.35％，Mn＜0.1％，Ti＜0.20％，Cu＜0.1％，Zn＜0.2％，Fe＜0.40％，Si＜0.25％，Nd：0.20％，Ce：0.30％，余量为Al；其中Mg、Cr为主要合金化元素，Nd、Ce为主要添加工艺元素，Mn、Ti、Cu、Zn、Fe、Si为杂质元素，要求被控制在所允许的范围内。
一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，主要包括以下步骤：
制备100kg5356铝合金焊丝，按照上述合金化学成分及质量百分比进行配料；
原材料包括：67kg纯Al、17.5kgAl-Mg中间合金，7kgAl-Cr中间合金、2kgAl-Mn中间合金、4kgAl-Ti中间合金，1kgAl-Nd和1.5kgAl-Ce中间合金。
将1kgAl-20Nd和1.5kgAl-20Ce中间合金加工成粉末状或屑状；
将0.85kg精炼剂进行预热处理，在150℃温度下干燥至覆盖剂中H2O的质量含量在0.5％以下。精炼剂按重量百分比由42％～47％的MgCl2，30％～40％的KCl，3％～6％的BaCl2，3％～5％的CaF2，NaCl+CaCl2≤6％，MgO≤1.5％和不熔物≤1.5％混合；
(4)将加工后的合金粉末或屑与精炼剂按3：1的混合比混合，放到压力机压制成块；
(5)将67kg纯Al放入坩埚熔炼炉中，升温至700℃，直到完全融化；
(6)将原料按照Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金，Al-Mg中间合金的顺序依次全部加入，熔化得到合金液。
(7)将铝合金液升温至740℃，采用钟罩压入式加入冷压后的块料的1/3，距炉底120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，然后停炉以10cm/s的速度搅拌3分钟；
(8)坩埚熔炼炉升温至760℃，采用钟罩压入式加入1/3的块料，距炉底120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，停炉以10cm/s的速度搅拌3分钟；
(9)继续采用钟罩压入式加入剩余1/3的块料，距炉底120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，停炉以10cm/s的速度搅拌3分钟；
(10)在铝液温度为740℃的条件下，利用旋转除气机使用N2与Cl2的混合气体进行除气处理，利用测氢仪测量氢含量，当氢含量达到0.2ml/100gAl以下时，停止除气并撇渣，然后在熔融铝液温度为730℃时，进行扒渣浇铸成直径8mm的棒材；
(11)将直径8mm的棒材放在拔丝机上进行20道次冷拉拔，期间进行退火处理，在470℃下退火15h，直到得到直径为3mm的铝合金丝。
(12)将制得的3mm的铝合金丝进行刮削光亮化处理：3mm的铝合金丝穿过刮削模具，公差为±0.0001mm，刮削速率为3m/s；然后进行酸洗、表面抛光与钝化三道工序的表面处理，最后将铝合金焊丝放到超声波水箱进行超声波水洗，得到的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝。
按照实施例2制备含稀土元素Nd和Ce的5154铝合金焊丝得到的两组实验数据见表2：
表2 5154铝合金的化学成分(质量分数/％)
Mg Cr Zn Mn Ti Si Fe Cu Nd Ce Al
3.30 0.27 0.11 0.11 0.10 0.14 0.30 0.05 0.16 0.28 余量
3.50 0.24 0.09 0.16 0.08 0.17 0.25 0.03 0.18 0.27 余量
从表2中可以看出，本实施例中，合金化元素Mg、Cr和主要工艺元素Nd、Ce均符合标准要求，杂质元素Mn、Ti、Cu、Zn、Fe、Si均被控制在所允许的范围内。
本发明实施例提供的一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，将Al-Nd和Al-Ce中间合金加工成粉末状或屑状作为加入原料，采用与精炼剂混合后热压成坯多次加入的加入方式，简化了制备工艺，节约了成本，降低氧化夹杂、使第二相均匀析出，进一步提高铝熔体质量；减少了5系铝合金的气孔，解决了在焊接过程中出现的焊缝热开裂、焊缝强度低以及焊缝稳定性差等问题,同时提升了5系铝合金焊丝的强韧性、耐蚀性、热加工性能等综合性能。

Claims (11)

1.一种含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于
(1)将Al-Nd和Al-Ce中间合金加工成粉末状或屑状；
(2)将加工后的合金粉末或屑与精炼剂混合，热压成块，混合比例(3-9)：1；
(3)按照5系铝合金焊丝成分及其质量百分比为：Mg4.5～5.5％，Mn0.05-0.2％，Cr0.05～0.20％，Ti0.06～0.20％，Cu＜0.1％，Zn＜0.1％，Fe＜0.40％，Si＜0.25％，余量为Al，熔炼得到铝合金液；或Mg3.1～3.9％，Cr0.15～0.35％，Mn＜0.1％，Ti＜0.20％，Cu＜0.1％，Zn＜0.2％，Fe＜0.40％，Si＜0.25％，余量为Al，熔炼得到铝合金液；
(4)将铝合金液升温至740-760℃，采用钟罩压入式加入所需块料的1/3～1/2，距坩埚底(或炉底)120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，然后停炉以5-20cm/s的速度搅拌3-5分钟；
(5)熔炼炉升温至740-760℃，采用钟罩压入式加入剩余的块料，距坩埚底(或炉底)120mm左右处，轻轻移动，待全部熔化，停炉以5-20cm/s的速度搅拌3-5分钟；
(6)在铝液温度为740～760℃的条件下，利用旋转除气机使用N2与Cl2的混合气体进行除气处理，利用测氢仪测量氢含量，当氢含量达到0.2ml/100gAl以下时，停止除气并撇渣，然后在熔融铝液温度为720～740℃时，进行扒渣浇铸成棒状，直径8mm-20mm；
(7)将棒状进行多道次冷拉拔，期间进行退火处理，直到得到直径为1.5-5.2mm的铝合金丝。
(8)将制得的铝合金丝进行刮削光亮化处理，表面处理，直到得到直径为1.3mm～5.0mm的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝。
2.如权利要求1所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中所述的Al-Nd和Al-Ce中间合金，质量百分比为10％，15％，20％Nd和10％，15％，20％Ce。
3.如权利要求1所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中所述的热压成矩形块状或饼状，热压的温度为110～200℃，热压的压力为120～300Mpa。
4.如权利要求1所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的熔炼所采用的设备为坩埚熔炼炉。
5.如权利要求1所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的原料加入熔炼顺序为：纯Al、Al-Cr中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Mg中间合金。
6.如权利要求1所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的熔炼温度为700℃～820℃。
7.如权利要求2所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的Al-Cr中间合金为Al-5Cr中间合金，Al-Mn中间合金为Al-5Mn中间合金、Al-Ti中间合金为Al-5Ti中间合金、Al-Mg中间合金为Al-20Mg中间合金。
8.如权利要求2所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中精炼剂按重量百分比由42％～47％的MgCl2，30％～40％的KCl，3％～6％的BaCl2，3％～5％的CaF2，NaCl+CaCl2≤6％，MgO≤1.5％和不熔物≤1.5％混合，其中熔炼剂各原料组分的重量比百分数之和等于100％。精炼剂的使用量为金属熔体重的1.5％-4.5％。
9.如权利要求2所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(7)中退火制度为(420-475)℃下退火6-24h。
10.如权利要求2所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(7)中所述的拉拔道次为3～25道次。
11.如权利要求2所述的含稀土元素Nd和Ce的5系铝合金焊丝制备方法，其特征在于，所述的步骤(8)中所述的表面处理分为酸洗、表面抛光和钝化三道工序。
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