CN111549264B - 一种高强度耐腐蚀的5383铝合金及船用型材制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度耐腐蚀的5383铝合金及船用型材制备工艺，5383铝合金具有结构强度高、耐腐蚀能力和可加工成型性能好的优点，兼顾了力学性能、抗腐蚀性能和生产成本；并且，制备工艺简单，生产出来的型材不仅尺寸可控，不良率低，使型材具有更高的尺寸精度，而且屈服强度能够达到220MPa以上，相对于现有的5383铝合金型材提升了10％以上，大幅提高了型材的强度，同时生产效率高，材料的抗腐蚀能力强，获得了一种高强耐腐蚀的船用高强铝合金挤压型材。

Description

一种高强度耐腐蚀的5383铝合金及船用型材制备工艺

技术领域

本发明涉及铝合金型材制备技术领域，具体涉及一种高强度耐腐蚀的5383铝合金及船用型材制备工艺。

背景技术

铝合金船舶具有便捷性、安全舒适、耐腐蚀、抗冲击等多种优势，是促进我国船舶工业结构调整转型升级、加快我国世界造船强国建设步伐的必然要求，对维护国家海洋权益、加快海洋开发、保障战略运输安全、促进国民经济持续增长具有重要意义。但对于船舶用铝合金轻量化而言，强度、抗腐蚀性、可焊接性等性能缺一不可，当前行业内主要选用5083合金或者6082合金。由于6082属于可热处理强化合金，这种合金在焊后其焊接区强度会出现剧烈衰减(焊缝仅为母材的60％左右)，且6XXX系合金的抗腐蚀能力低于5XXX系合金，长期浸泡在海水中可能出现晶间腐蚀，因此主要适用于船体上部结构如甲板等部件中，应用范围及尺度极为有限。而5083合金属于不可热处理强化合金，焊后强度与母材相比无明显的衰减(一般可达到母材强度的90％以上)，且在海水中具备优异的腐蚀抗力，一般应用在船舶的外壳、龙骨等重要的结构件上，作为当前铝合金船舶结构件中最主要应用的材料。5083合金材料主要的强化方式为加工硬化，即通过对材料施加大量的变形量，通过室温下冷塑性变形这种“冷作硬化”引入大量的高密度位错，造成材料的“加工硬化”来对材料进行强化处理，其主要生产制备方式为板材压延加工的方式，对均匀化处理后的铸锭通过多道次的中间退火、热轧、冷轧等工序制备获得，生产工序极其复杂。而对于挤压成型而言，材料只需通过模具挤出即可一次成型，通过拉伸矫直消除材料中应力即可获得最终的成品，生产工序简单。

同时，对于5XXX系合金而言，一方面随着Mg含量的增加，材料的强度越来越高，用于结构件上轻量化减重效果越明显，另一方面，当Mg含量超过3.5％(wt.％)时，随着Mg含量的增加，晶界处易连续析出β相(Mg₅Al₈)，这种β相与铝基体之间存在明显的电位差，会造成材料的抗腐蚀能力大幅下降，这种影响尤其是在最终的冷加工变形工序，随着冷加工变形量的增加，位错在晶界处会“塞积”，材料中引入的大量位错结构会促使Mg朝着晶界迁移，更利于这种β相沿晶界析出，对材料的腐蚀抗力造成恶劣影响，因此在高镁含量的5XXX系合金中，必须严格控制其冷加工变形量。同时在挤压过程中，尺寸精度主要依靠模具设计的来保证，模具的模孔设计准则主要是根据材料的热胀冷缩原理以及后续的拉伸加工变形量等参数对尺寸的影响，若通过采用传统的5083合金挤出挤压毛坯后，后续对挤压毛坯加强塑性变形获得成品的方式，对于断面较为复杂的产品尺寸精度无法保证，工艺几乎无法实现。

因此开发一种强度较高、抗腐蚀能力强、工艺简便、断面适用性强的船用高强铝型材材料及工艺成为当务之急。故应运而生了一种5383铝合金，其结构强度较5083铝合金得到较大幅度提高，耐腐蚀能力与5083铝合金持平或更优，可加工成型性能与5083铝合金相当。有客户提出，船用龙骨材料选取5383合金，需达到屈服强度≥190MPa、抗拉强度≥310MPa、延伸率≥13％，更理想地，达到屈服强度≥220MPa、抗拉强度≥310MPa、延伸率≥10％，在腐蚀抗力方面，需要在30℃下的硝酸溶液环境中进行24h的接触腐蚀测试，测试后单位面积的重量损失需低于25mg/cm²，即存在较低的晶间腐蚀倾向，更理想地，试验后需低于15mg/cm²，无任何晶间腐蚀倾向，达到高强高腐蚀抗力的船用铝合金材料应用要求。

根据资料报道，5383合金属于高Mg含量的5XXX系合金，大多数企业为了提升5383合金的强化能力和腐蚀抗力等性能指标，主要是通过添加Sc、Er等稀土元素实现，但稀土元素的价格昂贵，导致成本高昂。而有的企业为了降低成本，其研发的5383铝合金在合金成分和配比上实际仍是5083铝合金，实质是对5083铝合金加大变形量获得的5383铝合金，其初始挤出后强度比较低，因而为了达到高强船用铝合金骨架型材的力学性能标准，必须要在拉伸矫直时对材料很大的冷加工量，不仅工序极为复杂，导致尺寸精度不易控制，不良率极高，同时材料的腐蚀抗力下降，无法满足船用材料的实际应用需求。

解决以上问题成为当务之急。

发明内容

为解决以上的技术问题，本发明提供了一种高强度耐腐蚀的5383铝合金及船用型材制备工艺。

其技术方案如下：

一种高强度耐腐蚀的5383铝合金，其要点在于，铝合金的成分和重量百分比为：Si≤0.16％、Fe≤0.22％、Cu≤0.12％、Mn：0.75～0.95％、Mg：4.3～4.8％、Cr≤0.1％、Zn≤0.37％、Ti≤0.05％、Zr：0.05～0.15％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al。

以上具有较高镁含量的5383合金，在不添加昂贵的稀土元素如钪、铒等的前提下，通过加入工业上常用的锰和锆元素，通过合理的工艺设计，有效抑制材料在热加工过程中的回复及再结晶，挤出后强度高，同时却在成本上远低于稀土元素；因此，本发明的5383铝合金具有结构强度高、耐腐蚀能力和可加工成型性能好的优点，兼顾了力学性能、抗腐蚀性能和生产成本，实现综合性能的进一步提高。

作为优选，铝合金的成分和重量百分比为：Si≤0.15％、Fe≤0.2％、Cu≤0.12％、Mn：0.8～0.95％、Mg：4.4～4.8％、Cr≤0.1％、Zn≤0.35％、Ti≤0.05％、Zr：0.07～0.15％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al。以上5383铝合金，具有更高的结构强度、耐腐蚀能力和可加工成型性能。

一种船用型材制备工艺，其特征在于，按照以下步骤进行：

A、配料：按照权利要求1或2中所述的5383铝合金的成分和重量百分比进行配料；

B、铸造：将配制好的5383铝合金原料加入到熔炼炉中熔炼为液态铝合金，再将液态铝合金熔铸为5383铝合金铸锭；

C、均质：将5383铝合金铸锭进行均质化处理，均质化处理后冷却；

D、挤压成型：将均质化处理后的5383铝合金铸锭置于挤压机的挤压筒中进行挤压，得到船用型材；

E、拉伸：将挤压得到的船用型材置于拉直机中进行拉伸；

F、定尺锯切：对船用型材进行锯切；

G、稳定化退火：对船用型材进行退火处理。

采用以上方法，工艺简单，生产出来的型材不仅尺寸可控，不良率低，使型材具有更高的尺寸精度，而且屈服强度能够达到220MPa以上，相对于现有的5383铝合金型材提升了10％以上，大幅提高了型材的强度，同时生产效率高，材料的抗腐蚀能力强，获得了一种高强耐腐蚀的船用高强铝合金挤压型材。

作为优选，步骤C中，所述均质化处理采用双级均热，第一级均热温度为400～420℃，保温时间10h，第二级均热温度为505～515℃，保温时间18h。采用以上方法，能够保证Mn、Zr等元素以细小的第二相形式充分弥散的析出，进一步提升后续得到的船用型材的力学性能。

作为优选，步骤C中，第二级均热保温完成后采用风冷冷却。采用以上方法，能够保证均质化处理效果，同时降低冷却时的冷却应力，获得具有较好直线度的圆铸锭，确保后续挤压过程不因铸棒弯曲造成产品气泡等表面缺陷。

作为优选，步骤D中，将5383铝合金铸锭挤压为船用型材的挤压比为10～60，以得到高强度型材。

作为优选，步骤D中，型材的出口温度控制在560℃以下。采用以上方法，能够避免局部熔化而发生在拉应力作用下裂纹被放大(拉裂)的情况。

作为优选，步骤E中，拉伸率为0.5～4％。采用以上方法，冷加工拉伸率较低，使型材尺寸更可控。

作为优选，步骤B中，将液态铝合金采用半连续水冷铸造方式熔铸为呈圆棒形结构的5383铝合金铸锭。采用以上方法，冷却速度快，Mn、Zr等合金元素能在铸造过程中充分固溶到铝合金基体中，不会在冷却过程中因冷却速度过慢发生析出长大，形成了Mn、Zr元素充分固溶的过饱和固溶体，为后续步骤C中均匀化热处理过程中均匀、弥散地析出含Mn、Zr等第二相粒子创造充分条件。

作为优选，步骤G中，在150～200℃的温度范围内对船用型材进行1～4小时的稳定化退火。采用以上方法，能够大幅提升型材的抗腐蚀能力。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的一种高强度耐腐蚀的5383铝合金及船用型材制备工艺，5383铝合金在不添加昂贵的稀土元素如钪、铒等的前提下，通过加入工业上常用的锰和锆元素，通过合理的工艺设计，有效抑制材料在热加工过程中的回复及再结晶，挤出后强度高，同时却在成本上远低于稀土元素；因此，本发明的5383铝合金具有结构强度高、耐腐蚀能力和可加工成型性能好的优点，兼顾了力学性能、抗腐蚀性能和生产成本；并且，制备工艺简单，生产出来的型材不仅尺寸可控，不良率低，使型材具有更高的尺寸精度，而且屈服强度能够达到220MPa以上，相对于现有的5383铝合金型材提升了10％以上，大幅提高了型材的强度，同时生产效率高，材料的抗腐蚀能力强，获得了一种高强耐腐蚀的船用高强铝合金挤压型材。

附图说明

图1为船用型材制备工艺的流程图；

图2为出口温度在560℃以上时，型材出现拉裂的示意图；

图3为实施例1(挤压比60)制得的船用型材；

图4为实施例6(挤压比10)制得的船用型材；

图5为表2的柱状图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1

请参见图1，一种船用型材制备工艺，其主要包括：

计算5383铝合金原料的用量，并按配比准备铝合金原料，5383铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr	杂质	Al
												含量	0.12	0.18	0.07	0.88	4.6	0.05	0.33	0.03	0.12	0.15	余量

B、铸造：将配制好的5383铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金采用半连续水冷铸造方式熔铸为呈圆棒形结构的5383铝合金铸锭；

C、均质：将5383铝合金铸锭进行均质化处理，具体地说，采用双级均热，第一级均热温度为410℃，保温时间10h，第二级均热温度为510℃，保温时间18h，第二级均热保温完成后采用风冷冷却；

D、挤压成型：将均质化处理后的5383铝合金铸锭加热至380～450℃后置于挤压机的挤压筒中进行挤压，得到船用型材，其中，型材的挤压比为60，出口温度控制在560℃以下(请参见图2，出口温度超过560℃，型材局部熔化，导致在拉应力作用下裂纹被放大的情况)；

E、拉伸：将挤压得到的船用型材置于拉直机中进行拉伸，拉伸率为1.5％，使型材的尺寸精度更高；

F、定尺锯切：对船用型材进行锯切；

G、稳定化退火：对船用型材进行退火处理，具体地说，在150～200℃的温度范围内对船用型材进行1～4小时的稳定化退火。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，步骤A中5383铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr	杂质	Al
												含量	0.12	0.18	0.06	0.75	4.3	0.05	0.29	0.03	0.09	0.15	余量

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于，步骤A中5383铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr	杂质	Al
												含量	0.12	0.18	0.06	0.90	4.8	0.05	0.37	0.03	0.15	0.15	余量

实施例4

实施例4与实施例1的区别在于，步骤E中，拉伸率为0.5％，其它与实施例1保持一致。

实施例5

实施例5与实施例1的区别在于，步骤E中，拉伸率为4％，其它与实施例1保持一致。

实施例6

实施例6与实施例1的区别在于，步骤D中，型材的挤压比为10，其它与实施例1保持一致。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于，步骤A中5383合金原料中不添加Zr元素，铝合金原料各元素质量百分数配比如下

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	杂质	Al
											含量	0.12	0.18	0.07	0.75	4.6	0.05	0.30	0.03	0.15	余量

对比例2

对比例2与实施例1的区别在于，步骤C中，均匀化处理工艺为单级均匀化工艺，均热温度为510-520℃，保温时间为18h，保温完成后同样采用风冷冷却。

对比例3

对比例3与实施例1的区别在于，取消了步骤E，即取消了拉伸步骤，对步骤D挤压得到的船用型材不做任何矫直处理，拉伸率为0％。

对比例4

对比例4与对比例1的区别在于，减小了步骤E中拉伸率，拉伸率为0.5％，其它与对比例1保持一致。

对比例5

对比例5与对比例1的区别在于，加大了步骤E中拉伸率，拉伸率为4％，其它与对比例1保持一致。

对比例6

对比例6与实施例1的区别在于，取消了步骤G，即取消了稳定化退火热处理工序，对步骤E、步骤F拉伸矫直后锯切得到的船用型材不做任何附加热处理，于室温状态下进行测试。

对比例7

对比例7与实施例1的区别在于，步骤G中稳定化退火热处理工序中退火温度为125℃，其它与实施例1保持一致。

对比例8

对比例8与实施例1的区别在于，步骤G中稳定化退火热处理工序中退火温度为225℃，其它与实施例1保持一致。

以下为实施例1～6以及对比例1～8制得的船用型材的力学性能结果表以及实施例1在不同温度条件下进行稳定化退火的晶间腐蚀评测表和剥落腐蚀评测表：

表1 5083和5383铝合金型材性能标准及实施例和对比例的力学性能结果表

由表1可知：

1、由实施例1、实施例2和实施例3可知，通过不同实施例中的合金成分进行调整，产品的屈服强度达到220-250MPa，抗拉强度达到350-370MPa，延伸率达到16-18％左右，强度指标超出标准规定的约30-60MPa，延伸率指标超过标准规定的3-5％，得到了一种高强、高延伸率的5383合金材料。并且，Mg、Mn、Zr等合金含量越高，5383合金材料的力学性能越好。

2、由实施例1、实施例4和实施例5可知，通过对不同实施例中施加不同的冷加工拉伸变形率，随着冷加工变形率的增大，材料的屈服强度、抗拉强度等力学性能越来越高，延伸率呈下降的趋势，这表明随着冷加工变形量的加大，材料中塑性变形引入的位错使得材料内部的位错密度变高越高，材料的强度越高。

3、请参见图3和图4，由实施例1和实施例6可知，挤压成型时，挤压比越高，挤压的变形量越大，材料的屈服强度、抗拉强度等力学性能越来越高，而延伸率呈下降的趋势，这表明随着挤压中变形量的加大，材料中变形导致材料内部的位错密度越高，材料的强度越高。

4、由对比例1可知，相对于实施例1，由于无锆元素添加，材料的强度剧烈下降，屈服强度降低约70MPa左右，这表明添加锆元素后材料的强度大幅升高。

5、由对比例2可知，相对于实施例1，未采用双级均匀化工艺方案，仅保留了第二级均匀化工艺，产品实际的力学性能中屈服强度仅为200MPa，相比实施例1要低30MPa，虽然也能达到标准中关于5383H112标准，但富余量较小，表明通过双级热处理工艺可以有效提高材料的力学性能。

6、由对比例3可知，相对于对比实施例1，无拉伸工序，即无冷变形加工硬化工序，材料的各项力学性能也能达到标准门槛值附近，实施例4相对于对比例3，添加了轻微的冷变形加工量，强度轻微升高，延伸率基本持平，这表明按照本发明公布的合金元素配比，挤出后强度基本即可达到标准附近，采用轻微的冷加工变形(0.5％)可以进一步稳定力学性能，确保其具有一定的安全余量。

7、由对比例4可知，对比例4相对于对比例1，采用了较少的拉伸率，即冷加工变形量变少，相比于对比例1，其强度下降约20MPa左右，相比于实施例4，其采用了同样的拉伸率(0.5％)，但其合金元素配比中无锆元素，其强度相比于实施例4要低接近60MPa左右，这表明添加锆元素后材料的强度增幅趋势与对比例1和实施例1的差异类似。

8、由对比例5可知，对比例5相对于对比例1，采用了较大的拉伸率，即冷加工变形量变大，相比于对比例1，其屈服强度增加约30MPa左右，相比于实施例5，其采用了同样的拉伸率(4％)，但其合金元素配比中无锆元素，其强度相比于实施例5要低接近70MPa左右，这表明添加锆元素后材料的强度增幅趋势与对比例1和实施例1的差异类似，同样地，其力学结果与对比例3接近，这表明采用较大程度的冷加工变形量(4％)与添加一定量的锆元素的结果相近，在其它合金成分含量不变的情况下，添加锆元素的功效与冷加工变形量4％持平。由此可知，通过本发明所公开的元素配比，配合适当轻微的冷加工塑性变形(0.5-4％)，工艺相对简单，型材的尺寸精度高；材料的性能指标即可达到5383合金H112状态的要求，拉伸率越高，材料的力学性能越好。

9、由对比例6可知，对比例6相对于实施例1，未采用稳定化退火工艺，相比于实施例1，强度略有提高，但与采用了175℃下稳定化退火的实施例1总体差异不大。

10、在对比例7可知，对比例7相对于实施例1，采用了较低温度(125℃)的稳定化退火处理，对比例7中船用型材产品的强度与实施例1相比，也无明显变化，几乎等同于对比例6的力学性能结果，这表明在较低的温度下进行均匀化退火，对材料的力学性能影响较小。

11、由对比例8可知，对比例8相对于实施例1，采用了较高温度(225℃)的稳定化退火处理，对比例8中高温退火的船用型材产品的强度与实施例1相比，强度下降约20-30MPa，延伸率上升7％，力学性能几乎等同于对比例3中不施加任何冷加工变形处理的船用型材，这表明在较高的温度下进行均匀化退火，对材料的力学性能影响较为明显。

因此，稳定化退火时为了避免船用型材的强度剧烈下降，宜选择用中等温度下进行退火处理。

表2不同实施例在不同温度条件下进行稳定化退火的晶间腐蚀评测表

由表2和图5可知：

(1)根据实施例1、对比例3、对比例5和对比例6的晶间腐蚀重量损失数据，可以毫无疑义地获悉：材料进行稳定化退火时的温度越低，材料的晶间腐蚀越严重，实施例1在100℃下稳定化退火与未进行稳定化退火的对比例6的腐蚀抗力相当；相应的，材料进行稳定化退火时的温度越高，则晶间腐蚀越不严重。

(2)通过实施例1、对比例3和对比例5的晶间腐蚀重量损失数据，可以毫无疑义地获悉：材料的拉伸量越大，则材料的晶间腐蚀越严重。

另外，结合表1中的实施例1以及对比例8的力学性能数据，可以毫无疑义地获悉：材料进行稳定化退火时的温度越高，材料的力学性能会呈下降趋势。

因此，本发明稳定化退火优选为：通过在175℃左右保温1～4h的均匀化退火过程，在不存在明显的强度损失的条件下，晶间腐蚀倾向大幅降低，材料的抗腐蚀能力获得进一步提升，获得了一种高强耐腐蚀的船用铝合金型材材料。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种船用型材制备工艺，其特征在于，按照以下步骤进行：

A、配料：按照5383铝合金的成分和重量百分比进行配料，5383铝合金原料各元素质量百分数配比如下：Si：0.12％、Fe：0.18％、Cu：0.07％、Mn：0.88％、Mg：4.6％、Cr:0.05％、Zn:0.33％、Ti:0.03％、Zr：0.12％、单个杂质≤0.05％，合计≤0.15％，余量为Al；

B、铸造：将配制好的5383铝合金原料加入到熔炼炉中熔炼为液态铝合金，再将液态铝合金熔铸为5383铝合金铸锭；

C、均质：将5383铝合金铸锭进行均质化处理，均质化处理后冷却；所述均质化处理采用双级均热，第一级均热温度为400～420℃，保温时间10h，第二级均热温度为505～515℃，保温时间18h，第二级均热保温完成后采用风冷冷却；

D、挤压成型：将均质化处理后的5383铝合金铸锭置于挤压机的挤压筒中进行挤压，得到船用型材；

E、拉伸：将挤压得到的船用型材置于拉直机中进行拉伸；

F、定尺锯切：对船用型材进行锯切；

G、稳定化退火：在150～200℃的温度范围内对船用型材进行1～4小时的稳定化退火；

步骤D中，将5383铝合金铸锭挤压为船用型材的挤压比为10～60；

步骤D中，型材的出口温度控制在560℃以下；

步骤E中，拉伸率为0.5～4％；

步骤B中，将液态铝合金采用半连续水冷铸造方式熔铸为呈圆棒形结构的5383铝合金铸锭。

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