CN111621680A - 一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金及制备铝合金板材的方法 - Google Patents

一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金及制备铝合金板材的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铝合金技术领域，公开了一种Al‑Mg‑Mn‑Sc‑Zr铝合金，包括如下重量百分比的成分：Mg 4.0％‑5.0％，Mn 0.4％‑0.9％，Sc 0.1％‑0.3％，Zr 0.1％‑0.3％，余量为Al；本发明还公开了一种Al‑Mg‑Mn‑Sc‑Zr铝合金制备铝合金板材的方法。本发明在主加元素Mg的基础上，复合添加了微量元素Mn、Sc、Zr，提高了合金固溶强化效果，细化晶粒提高了合金强度和耐蚀性，通过控制均匀化退火工艺析出纳米级第二相，提高了合金强度；采用形变强化和退火工艺双重调控技术，根据合金成分特点，稳定化退火工艺采用高温短时工艺，提高了生产效率，获得了力学性能和耐蚀性更佳的合金板材。

Description

一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金及制备铝合金板材的方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金及制备铝合金板材的方法。
背景技术
5系Al-Mg合金因其耐蚀性好，塑性加工性和焊接性能优良，被广泛应用于各种塑性加工制品和容器中，随着更多的5系Al-Mg合金应用于军舰、快艇、汽车等交通工具上，业界对5系Al-Mg合金的综合性能提出了更高的要求。
5系Al-Mg合金是一种不可热处理强化铝合金，它主要是通过添加Mg元素形成固溶强化效果来提高合金强度，随着Mg元素含量的增加，合金的强度也会越来越高，但是过高的Mg元素容易在晶间生成连续的Al3Mg2相，会造成合金耐蚀性下降。因此，为确保合金的耐蚀性，需要控制Mg的含量，但是Mg含量降低时，合金强度也会降低。为保证5系Al-Mg合金兼具良好的耐蚀性和较高的合金强度，可从细晶强化和沉淀强化的角度来设计合金成分。稀土Sc元素具有明显的细化晶粒效果，溶解到铝合金中在一定的温度下能够析出纳米级的Al3Sc，产生沉淀强化的效果；复合添加过渡族Zr元素与稀土Sc元素，细化晶粒效果会更好，在一定温度下能够析出Al3(Sc，Zr)相，同时，因Zr元素价格便宜，还能降低合金成本；如果合金中有Fe杂质元素，则会造成合金的耐蚀性降低，而添加Mn元素能够生成Al6MnFe相，可降低Fe杂质元素对合金耐蚀性的影响。
综上所述，发明人在现有技术的基础上研发了一种具有较高强度和良好耐蚀性的Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金，并优化了制备方法。
发明内容
基于以上问题，本发明提供一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金及制备铝合金板材的方法，本发明通过优化塑性变形和热处理工艺获得了兼具良好的力学性能和耐蚀性能的铝合金板材。
为解决以上技术问题，本发明提供了以下技术方案：
一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金，包括如下重量百分比的成分：Mg4.0％-5.0％，Mn0.4％-0.9％，Sc0.1％-0.3％，Zr0.1％-0.3％，余量为Al。
进一步的，其中Mg的重量百分比为4.5％，Mn的重量百分比为0.5％，Sc 的重量百分比为0.2％，Zr的重量百分比为0.2％。
进一步的，其中Mg的重量百分比为4.5％，Mn的重量百分比为0.7％，Sc 的重量百分比为0.2％，Zr的重量百分比为0.2％。
为解决以上技术问题，本发明还提供了一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金制备铝合金板材的方法，包括以下步骤：
S1：准备材料
按照Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金中的各个成分的重量百分比配备Al-Mn、Al-Zr 和Al-Sc中间合金，并准备纯镁材料，备用；
S2：熔炼
将纯铝和Al-Mn合金、Al-Zr合金同时熔炼，待上述合金全部熔化后，采用氩气旋转喷吹精炼，除气扒渣后，加入Al-Sc合金，熔化Al-Sc合金，本步骤的上述熔炼温度均为760℃-780℃；待Al-Sc合金熔化后，搅拌熔液5-10min后静置降温处理，将熔炼温度降至720℃-740℃时加入纯镁，将纯镁压入液体内部熔化，搅拌均匀后浇注成铝合金扁锭，浇注温度为700℃-720℃；
S3：均匀化退火
采用二级均匀化退火工艺，第一级温度为300℃-350℃，保温2-5h；第二级温度为500℃，保温12-18h；
S4：热轧
将经步骤S3处理后的铝合金扁锭直接进行热轧处理，经5-7道次，使总变形量达到80％为止；
S5：冷轧
将经步骤S4处理之后的铝合金板材冷却至室温后，直接冷轧，经4-8道次，使总变形量达到50％以上；
S6：稳定化退火
稳定化退火温度为200℃-500℃，保温时间为1-2h。
进一步的，步骤S4热轧时，首次轧制压下量为10％，以后的压下量为30％，最后一次的压下量为15％。
进一步的，步骤S5冷轧时，每次的变形量控制在10％。
进一步的，步骤S2中加入纯镁时的熔炼温度为730℃，步骤S3中的第一级保温时间为4h。
进一步的，步骤S2中加入纯镁时的熔炼温度为730℃，步骤S3中的第一级保温时间为4h，步骤S6中的稳定化退火温度为300℃。
进一步的，步骤S2中加入纯镁时的熔炼温度为730℃，步骤S3中的第一级保温时间为4h，步骤S6中的稳定化退火温度为400℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在主加元素Mg的基础上，复合添加了微量元素Mn、Sc、Zr，提高了合金固溶强化效果，细化晶粒提高了合金强度和耐蚀性，通过控制均匀化退火工艺析出纳米级第二相，提高了合金强度；采用形变强化和退火工艺双重调控技术，根据合金成分特点，稳定化退火工艺采用高温短时工艺，提高了生产效率，获得了力学性能和耐蚀性更佳的合金板材，具体为：(1)添加微量合金元素Sc和Zr，能够析出纳米级第二相，在保证合金的耐蚀性的前提下有效的提高了合金的强度；(2)采用二级均匀化退火工艺，第一级均匀化退火工艺析出纳米级第二相，提高了合金强度，抑制了再结晶；第二级保温后直接轧制，不需要冷却再升温的过程，提高了生产率；(3)稳定化退火工艺范围广，可根据使用性能在200℃-500℃之间调整，制备的铝合金力学性能优良，抗拉强度范围可达到360MPa-450MPa，伸长率可达到12％-20％，晶间腐蚀敏感性测定值≤15毫克/平方厘米，综合性能优良。
附图说明
图1为本发明的实施例2制备的铝合金板材的微观组织图；
图2为本发明的实施例2制备的铝合金板材的晶间腐蚀图；
图3为本发明的实施例3制备的铝合金板材的微观组织图；
图4为本发明的实施例3制备的铝合金板材的晶间腐蚀图；
图5为本发明的实施例4制备的铝合金板材的微观组织图；
图6为本发明的实施例4制备的铝合金板材的晶间腐蚀图；
图7为本发明的实施例5制备的铝合金板材的微观组织图；
图8为本发明的实施例5制备的铝合金板材的晶间腐蚀图；
图9为本发明的实施例1中的铝合金板材经二级均匀化退火工艺的第一级处理之后的微观组织图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例提供一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金，该铝合金包括如下重量百分比的成分：Mg4.0％-5.0％，Mn0.4％-0.9％，Sc0.1％-0.3％，Zr0.1％-0.3％，余量为 Al。
利用上述Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金制备铝合金板材的方法，包括以下步骤：
S1：准备材料
按照Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金中的各个成分的重量百分比配备Al-Mn、Al-Zr 和Al-Sc中间合金，并准备纯镁材料，备用；
S2：熔炼
将纯铝和Al-Mn合金、Al-Zr合金同时熔炼，待上述合金全部熔化后，采用氩气旋转喷吹精炼，除气扒渣后，加入Al-Sc合金，熔化Al-Sc合金，本步骤的上述熔炼温度均为760℃-780℃；待Al-Sc合金熔化后，搅拌熔液5-10min后静置降温处理，搅拌可确保溶液成分均匀，将熔炼温度降至720℃-740℃时加入纯镁，将纯镁压入液体内部熔化，搅拌均匀后浇注成铝合金扁锭，浇注温度为 700℃-720℃；
S3：均匀化退火
采用二级均匀化退火工艺，第一级温度为300℃-350℃，保温2-5h，确保第一级均匀化温度析出纳米级Al3(Sc，Zr)粒子，起到沉淀强化的效果，微观组织图见附图9；第二级温度为500℃，保温12-18h，确保合金成分均匀；
S4：热轧
将经步骤S3处理后的铝合金扁锭直接进行热轧处理，经5-7道次，使总变形量达到80％左右为止，该步骤省去了冷却处理的步骤，提高了生产率；
S5：冷轧
将经步骤S4处理之后的铝合金板材冷却至室温后，直接冷轧，经4-8道次，使总变形量达到50％以上；
S6：稳定化退火
根据合金使用力学性能要求，稳定化退火温度为200℃-500℃，保温时间为 1-2h。
实施例2：
本实施例的铝合金板材包括如下重量百分比的成分：Mg4.5％，Mn0.5％，Sc0.2％，Zr0.2％，余量为Al；按照上述成分配比要求配备Al-Mn、Al-Zr和Al-Sc 中间合金，将纯铝和Al-Mn、Al-Zr合金在780℃的温度下同时熔炼，待合金全部熔化后，搅拌、精炼除气、扒渣，之后加入Al-Sc合金，反复搅拌10min以上，待Al-Sc合金熔化分布均匀后，扒渣、静止降温至730℃，加入纯镁，待纯镁全部熔化后，搅拌、扒渣，在720℃的温度下浇注；将经上述处理之后的铝合金扁锭在箱式电阻炉中完成二级均匀化退火，二级均匀化退火的第一级加热温度为 300℃，保温4h后，升温至500℃，保温12h，出炉后直接轧制，首次轧制压下量为10％，以后的压下量为30％，最后一次的压下量为15％，当总变形量达到 80％时，冷却至室温进行冷轧，每次的变形量控制在10％左右，使冷轧总变形量达到50％；根据合金使用力学性能的要求，将冷轧板材经200℃低温退火处理，保温时间为1h。
本实施例制备的铝合金板材的微观组织见附图1，晶间腐蚀见附图2，力学性能见表1中的实施例2。
实施例3：
本实施例的铝合金板材包括如下重量百分比的成分：Mg4.5％，Mn0.5％，Sc0.2％，Zr0.2％，余量为Al；按照上述成分配比要求配备Al-Mn、Al-Zr和Al-Sc 中间合金，将纯铝和Al-Mn、Al-Zr合金在780℃的温度下同时熔炼，待合金全部熔化后，搅拌、精炼除气、扒渣，之后加入Al-Sc合金，反复搅拌10min以上，待Al-Sc合金熔化分布均匀后，扒渣、静止降温至730℃，加入纯镁，待纯镁全部熔化后，搅拌、扒渣，在720℃的温度下浇注；将经上述处理之后的铝合金扁锭在箱式电阻炉中完成二级均匀化退火，第一级加热温度为300℃，保温4h后，升温至500℃，保温12h，出炉后直接轧制，首次轧制压下量为10％，以后的压下量为30％，最后一次的压下量为15％，当总变形量达到80％时，冷却至室温进行冷轧，每次变形量控制在10％左右，使冷轧总变形量达到50％；冷轧板材经300℃低温退火处理，保温时间为1h。
本实施例制备的铝合金板材，微观组织见附图3，晶间腐蚀见附图4，力学性能见表1中的实施例3。
实施例4：
本实施例的铝合金板材包括如下重量百分比的成分：Mg4.5％，Mn0.7％，Sc0.2％，Zr0.2％，余量为Al；按照上述成分配比要求配备Al-Mn、Al-Zr和Al-Sc 中间合金，将纯铝和Al-Mn、Al-Zr合金在780℃的温度下同时熔炼，待合金全部熔化后，搅拌、精炼除气、扒渣，加入Al-Sc合金，反复搅拌10min以上，待 Al-Sc合金熔化分布均匀后，扒渣、静止降温至730℃，加入纯镁，待纯镁全部熔化后，搅拌、扒渣，在720℃的温度下浇注；将经上述处理之后的铝合金扁锭在箱式电阻炉中完成双级均匀化退火，第一级加热温度为300℃，保温4h后，升温至500℃，保温12h，出炉后直接轧制，首次轧制压下量为10％，以后的压下量为30％，最后一次的压下量为15％，当总变形量达到80％时，冷却至室温进行冷轧，每次变形量控制在10％左右，使冷轧总变形量达到50％；冷轧板材经400℃低温退火处理，保温时间为1h。
本实施例制备的铝合金板材，微观组织见附图5，晶间腐蚀见附图6，力学性能见表1中的实施例4。
实施例5：
本实施例的铝合金板材包括如下重量百分比的成分：Mg4.5％，Mn0.7％，Sc0.2％，Zr0.2％，余量为Al；按照上述成分配比要求配备Al-Mn、Al-Zr和Al-Sc 中间合金，将纯铝和Al-Mn、Al-Zr合金在780℃的温度下同时熔炼，待合金全部熔化后，搅拌、精炼除气、扒渣，之后加入Al-Sc合金，反复搅拌10min以上，待Al-Sc合金熔化分布均匀后，扒渣、静止降温至730℃，加入纯镁，待纯镁全部熔化后，搅拌、扒渣，在720℃的温度下浇注；将经上述处理之后的铝合金扁锭在箱式电阻炉中完成双级均匀化退火，第一级加热温度为300℃，保温4h后，升温至500℃，保温12h，出炉后直接轧制，首次轧制压下量为10％，以后的压下量为30％，最后一次的压下量为15％，当总变形量达到80％时，冷却至室温进行冷轧，每次变形量控制在10％左右，使冷轧总变形量达到50％；冷轧板材经500℃低温退火处理，保温时间为1h。
本实施例制备的铝合金板材的微观组织见附图8，晶间腐蚀见附图9，力学性能见表1中的实施例5。
表1不同实施例的力学性能
Figure BDA0002510224210000071
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金，其特征在于，包括如下重量百分比的成分：Mg 4.0％-5.0％，Mn 0.4％-0.9％，Sc 0.1％-0.3％，Zr 0.1％-0.3％，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金，其特征在于，其中Mg的重量百分比为4.5％，Mn的重量百分比为0.5％，Sc的重量百分比为0.2％，Zr的重量百分比为0.2％。
3.根据权利要求1所述的一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金，其特征在于，其中Mg的重量百分比为4.5％，Mn的重量百分比为0.7％，Sc的重量百分比为0.2％，Zr的重量百分比为0.2％。
4.权利要求1-3中任意一项所述的一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金制备铝合金板材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备材料
按照Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金中的各个成分的重量百分比配备Al-Mn、Al-Zr和Al-Sc中间合金，并准备纯镁材料，备用；
S2：熔炼
将纯铝和Al-Mn合金、Al-Zr合金同时熔炼，待上述合金全部熔化后，采用氩气旋转喷吹精炼，除气扒渣后，加入Al-Sc合金，熔化Al-Sc合金，本步骤的上述熔炼温度均为760℃-780℃；待Al-Sc合金熔化后，搅拌熔液5-10min后静置降温处理，将熔炼温度降至720℃-740℃时加入纯镁，将纯镁压入液体内部熔化，搅拌均匀后浇注成铝合金扁锭，浇注温度为700℃-720℃；
S3：均匀化退火
采用二级均匀化退火工艺，第一级温度为300℃-350℃，保温2-5h；第二级温度为500℃，保温12-18h；
S4：热轧
将经步骤S3处理后的铝合金扁锭直接进行热轧处理，经5-7道次，使总变形量达到80％为止；
S5：冷轧
将经步骤S4处理之后的铝合金板材冷却至室温后，直接冷轧，经4-8道次，使总变形量达到50％以上；
S6：稳定化退火
稳定化退火温度为200℃-500℃，保温时间为1-2h。
5.根据权利要求4所述的一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金板材的制备方法，其特征在于，步骤S4热轧时，首次轧制压下量为10％，以后的压下量为30％，最后一次的压下量为15％。
6.根据权利要求4所述的一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金板材的制备方法，其特征在于，步骤S5冷轧时，每次的变形量控制在10％。
7.根据权利要求4所述的一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金板材的制备方法，其特征在于，步骤S2中加入纯镁时的熔炼温度为730℃，步骤S3中的第一级保温时间为4h。
8.根据权利要求4所述的一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金板材的制备方法，其特征在于，步骤S2中加入纯镁时的熔炼温度为730℃，步骤S3中的第一级保温时间为4h，步骤S6中的稳定化退火温度为300℃。
9.根据权利要求4所述的一种Al-Mg-Mn-Sc-Zr铝合金板材的制备方法，其特征在于，步骤S2中加入纯镁时的熔炼温度为730℃，步骤S3中的第一级保温时间为4h，步骤S6中的稳定化退火温度为400℃。
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