CN112458344A - 一种高强耐蚀的铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高强耐蚀的铝合金及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属金属材料制备技术领域，公开了一种高强耐蚀的铝合金及其制备方法和应用，按重量百分比计包括Mg 0.6‑1.0％、Si 0.8‑1.2％、Cu 0.1‑0.3％、Mn 0.4‑1.0％、Cr 0.15‑0.35％、Cd 0.05‑0.1％和Fe≤0.5％。本发明添加Cd，采用三级均匀化热处理，Cd元素优先均匀化扩散，然后Mn、Cr元素以Cd原子团簇为形核位置，析出形成高度弥散分布的含Cd元素的AlMnCr相，可作为变形再结晶的形核质点，实现第二相颗粒诱导再结晶的晶粒细化；本发明基于合金化原理，优化设计铝合金合金成分，即：Mg与Si的质量比为(0.65‑0.9):1；Cu与Si的质量比为(0.15‑0.25):1，获得高度弥散分布的Mg2Si强化相和较高的强度，而不形成耐蚀性较差的含Cu相；通过本发明可获得中高强、高塑性、高耐蚀性能的铝合金，适合作为汽车结构件用铝合金或应用在其型材中。

Description

一种高强耐蚀的铝合金及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域，具体涉及一种高强耐蚀的铝合金及其制备方法和应用。
背景技术
6xxx系铝合金(即Al-Mg-Si系合金)，由于其具有中高强度和高成型性等，成为新一代汽车轻量化的首选材料。AA6016，AA6111以及AA6022合金等应用于汽车车身外板的加工，广泛应用于车身铝合金。而为了提高Al-Mg-Si系铝合金的强度，通常通过提高Mg、Si、Cu元素含量的方式，但这样不仅降低了合金的塑性与耐蚀性，同时使得合金的加工性能也大大降低。此时，通常需要控制Mg、Si元素含量，以获得合金高成型性性能。现有技术中也通过在某些合金添加Cu元素以显著增加合金的强度与快速响应能力，如6111合金，但这样也同时降低了材料的耐蚀性。
晶粒细化是提高铝合金塑性与耐蚀性重要方法。目前，Sc元素是抑制铝合金再结晶最有效稀土元素，获得非再结晶组织，提高合金强度和抗应力腐蚀性能，但昂贵成本限制了含Sc稀土铝合金工业化应用。而采用等径角挤压(ECAP)方可以获得超细晶材料，但是合金塑性没有得到有效提高，且不易工业化生产。本发明基于颗粒诱导再结晶(PSN)理论与微合金化原理，控制弥散第二相尺寸与分布，获得晶粒细小的铝合金材料，以提高合金强度、塑性与耐蚀性能。因此，亟需开发一种同时具有较高塑性、合金强度和抗应力腐蚀性能的铝合金。
发明内容
本发明提出一种高强耐蚀的铝合金及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。本发明开发了一种新型的复合稀土合金及制备方法，以提高合金强度与耐蚀性能。
为了克服上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种铝合金，含主要组分Al，按重量百分比计，还包括如下组分：Mg 0.6-1.0％、Si0.8-1.2％、Cu 0.1-0.3％、Mn 0.4-1.0％、Cr 0.15-0.35％、Cd 0.05-0.1％和Fe≤0.5％。
优选地，按重量百分比计，所述铝合金包括如下组分：Mg 0.7-0.9％、Si 1.0-1.2％、Cu (0.15-0.25):1％、Mn 0.6-0.9％、Cr 0.20-0.35％、Cd 0.05-0.1％和Fe≤0.5％。
作为上述方案的进一步改进，按重量百分比计，所述铝合金中杂质元素的含量≤0.15％。所述杂质元素包括Ti。
作为上述方案的进一步改进，Mg与Si的质量比为(0.65-0.9):1，Cu与Si的质量比为(0.15-0.25):1。
作为上述方案的进一步改进，Cd与Cr的质量比为(0.15-0.25):1；Mn与Fe的质量比为(0.15-0.25):1。
一种如本发明所述的铝合金的制备方法，包括以下步骤：
1)原料准备：称取所述的铝合金的配方含量的原料，备用；
2)制备合金铸锭：将所述原料经熔炼、精炼和浇注，得到合金铸锭；
3)三级均匀化热处理：将步骤2)所得的合金铸锭进行三级均匀化热处理；
4)淬火处理：将经步骤3)所得的试样进行固溶和淬火处理；
5)时效处理：将经淬火处理的在等温条件下进行时效处理，得所述的铝合金；
其中，所述三级均匀化热处理的过程为：室温条件下，将所述合金铸锭以20-50℃/h的升温速率进行升温，待温度达到350-400℃时，保温15-30h；再以20-50℃/h继续升温至450-480℃，保温15-30h；再以20-50℃/h的升温速率继续升温至500-540℃时，保温15-30h；最后以20-50℃/h的降温速率降温至100℃以下，即完成。
需要说明的是，本发明中将原料进行熔炼的过程为：在725-745℃温度条件下，先将高纯铝锭熔化，随后加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Si15、Al-Cr10、Al-Cd2中间合金，待中间合金熔化后加入99.99％镁以及覆盖剂，得到完全熔化的金属熔液。
所述精炼的过程为：在完全熔化的金属熔液中加入六氯乙烷进行除气处理，并充分搅拌，精炼时金属温度维持在730℃-750℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
所述浇注的过程为：将金属熔液温度降至700℃-720℃，然后将熔体温度降至约720℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，充分静置后将金属熔液浇入温度为420℃-450℃金属模具内，即可获得合金铸锭；
固溶处理：将冷轧板材进行固溶处理，具体过程为：在540-550℃热处理炉中进行15-45min的固溶处理，试样升温速率大于120℃/min；
淬火处理：将经固溶处理后的合金试样从固溶处理温度淬入室温下的水中。
作为上述方案的进一步改进，步骤3)和步骤4)之间还包括的处理过程为热轧处理和冷轧处理。
所述热轧变形的过程：将合金铸锭进行热轧：开轧温度在530-545℃，道次压下量为4％-32％，热轧总变形量＞92％，终轧温度低于320℃得到热轧板材；
所述冷轧处理的过程实际为冷轧变形+中间退火+冷轧变形，即：将热轧板材取出，冷轧变形道次压下量为10-35％，总变形量为30-60％；中间退火均以80℃/min-120℃/min的升温速率升温到350-450℃进行1-4h的退火处理，然后直接取出进行空冷；继续冷轧变形总变形量处于50％-75％之间，道次压下量处于15％-30％之间，得到冷轧板材。
作为上述方案的进一步改进，步骤5)中，所述时效处理的温度为160℃-190℃，所述时效处理的时长为6-14h。
作为上述方案的进一步改进，步骤5)中，所述时效处理的温度为170℃-180℃，所述时效处理的时长为12-18h。
在步骤3)采用三级均匀化工艺，能够有效地促进饱和基体析出，形成高度弥散分布含Cd元素的AlMnCr相，作为颗粒诱导再结晶的弥散相。
本发明所述的铝合金适合作为汽车结构件用铝合金或应用在其型材中。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种高强耐蚀的铝合金及其制备方法和应用，较现有技术而言，本发明具有如下优越性：
(1)本发明通过添加Cd元素，采用三级均匀化热处理工艺，Cd元素优先均匀化扩散，然后Mn、Cr元素以Cd原子团簇为形核位置，析出形成高度弥散分布的含Cd元素的AlMnCr相，可作为变形再结晶的形核质点，实现第二相颗粒诱导再结晶的晶粒细化；
(2)本发明还提高了Mn元素的含量，一方面促进针对α-AlFeSi转变球状β-AlMnFeSi，并在热加工过程中细化了β-AlMnFeSi相的尺寸，降低了萌生裂纹概率；另一方面，提高含量Mn元素，有利于获得高含量的AlMnCr相，显著细化再结晶晶粒尺寸；
(3)本发明基于合金化原理，优化设计铝合金合金成分，即：Mg与Si的质量比为(0.65-0.9):1；Cu与Si的质量比为(0.15-0.25):1，获得高度弥散分布的Mg2Si强化相，获得合金较高的强度，而不形成耐蚀性较差的含Cu相；
(4)通过本发明可获得中高强、高塑性、高耐蚀性能的铝合金，且本发明所得的铝合金适合作为汽车结构件用铝合金或应用在其型材中。
附图说明
图1是实施例1所得铝合金的微观组织图；
图2是对比例2所得铝合金的微观组织图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行具体描述，以便于所属技术领域的人员对本发明的理解。有必要在此特别指出的是，实施例只是用于对本发明做进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术熟练人员，根据上述发明内容对本发明所作出的非本质性的改进和调整，应仍属于本发明的保护范围。同时，下述所提及的原料未详细说明的，均为市售产品；未详细提及的工艺步骤或提取方法为均为本领域技术人员所知晓的工艺步骤或提取方法。
实施例1-4及对比例1-2
表1-1实施例1-4(铸锭号分别对应1#-3#)和对比例1-2(铸锭号分别对应4#-6#)，分别所得铝合金的组分及重量百分比。
铸锭号 组别 Mg Si Cu Cd Cr Mn Fe Al
1# 实施例1 0.8 1.0 0.20 0.08 0.25 0.60 <0.5 余量
2# 实施例2 0.9 0.9 0.20 0.05 0.25 0.60 <0.5 余量
3# 实施例3 1.0 1.0 0.20 0.1 0.25 0.55 <0.5 余量
4# 实施例4 0.75 1.1 0.25 0.05 0.25 0.70 <0.5 余量
5# 对比例1 0.85 1.0 0.15 0.08 0.25 0.30 <0.5 余量
6# 对比例2 0.8 1.0 0.20 - 0.25 0.60 <0.5 余量
铝合金的制备方法为：
1)配比原料：按照表1-1所述的组分及其重量百分比配比原料，并以较少Mn含量的5#合金、未添加Cd元素的6#合金，作为对比；
2)原料熔炼：在725℃温度条件下，先将高纯铝锭熔化，随后加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Si15、Al-Cr10、Al-Cd2中间合金，待中间合金熔化后加入99.99％镁以及覆盖剂；
3)精炼：在完全熔化的金属熔液中加入六氯乙烷进行除气处理，并充分搅拌，精炼时金属温度维持在740℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
4)浇注：将金属熔液温度降至720℃，然后将熔体温度降至约710℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，充分静置后将金属熔液浇入温度为420℃金属模具内，即可获得合金铸锭；
5)三级均匀化热处理：将熔炼铸造后的合金试样以30℃/h升温至380℃保温24h；再以30℃/h继续升温到480℃保温18h，再以30℃/h继续升温到530℃保温14h，然后再以30℃/h的降温速率随炉降温至100℃时，取出试样；
6)热轧变形：将步骤5)取出的试样进行热轧：开轧温度在530-545℃，道次压下量为4％-32％，热轧总变形量＞92％，终轧温度低于320℃得到热轧板材；
7)冷轧变形+中间退火+冷轧变形：将步骤6)热轧板材取出，冷轧变形道次压下量为10-35％，总变形量为30-60％；中间退火均以80-120℃/min的升温速率升温到350-450℃进行1-4h的退火处理，然后直接取出进行空冷；继续冷轧变形总变形量处于50-75％之间，道次压下量处于15-30％之间；
8)固溶处理：将步骤7)得到的冷轧板材进行固溶处理，在545-550℃热处理炉中进行15-45min的固溶处理，试样升温速率大于120℃/min；
9)淬火处理：将步骤8)固溶处理后的合金试样从固溶处理温度淬入室温水中；
10)时效处理：将步骤9)得到的试样转移到160-190℃的等温时效炉中进行6-14h的时效处理，所得铝合金成品分别记为1#-6#铝合金。
产品性能测试1
分别将实施例1-4、对比例1-2所得的，在经时效处理后的铝合金板材进行抗拉强度、屈服强度和延伸率的检测。所得结果如下表1-2所示。
表1-2
Figure BDA0002760669630000051
从表1-2可以看出：本发明所得的高强耐蚀稀土铝合金(实施例1-4所得的铝合金成品)在所述工艺下合金抗拉强度超过了380MPa，延伸率超过21.0％，力学性能与耐蚀性达到汽车结构铝合金要求，具有广泛应用前景；而对比例1-2中可以明显看到，对比例1中少量添加Mn元素，对比例2中未添加Cd元素，分别所得的5#和6#铝合金，由于未形成高含量弥散分布AlMnCr相，不能有效细化合金晶粒尺寸，相比塑性降低。不符合汽车结构铝合金的要求。
此外，图1是实施例1所得铝合金的微观组织图；从图1可以看出，实施例1的铝合金在经过三级均匀化处理后，形成高度弥散分布的含Cd元素的AlMnCr相，可作为变形再结晶的形核质点。图2是对比例2所得铝合金的微观组织图；从图2可以看出，对比例2铝合金未添加微量Cd元素，经过三级均匀化处理后，形成AlMnCr相分布不均匀，细化合金晶粒尺寸效果较弱。
对比例3
对比例3为7#试样，其与1#试样的制备，区别仅在于，对比例3未进行没有采用三级均匀化处理工艺，而是采用常规均匀化的热处理方式，其他工艺相同，具体工艺步骤如下：
1)配比原料：按照表1-1所述1#铸锭的组分及其重量百分比配比原料；
2)原料熔炼：在735℃温度条件下，先将高纯铝锭熔化，随后加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Si15、Al-Cr10、Al-Cd2中间合金，待中间合金熔化后加入99.99％镁以及覆盖剂；
3)精炼：在完全熔化的金属熔液中加入六氯乙烷进行除气处理，并充分搅拌，精炼时金属温度维持在740℃的范围内，精炼后应进行充分静置，静置时间不低于30分钟；
4)浇注：当金属熔液温度降至720℃，然后将熔体温度降至约710℃时加入Al-5wt％Ti-1wt％B晶粒细化剂并进行适当搅拌，充分静置后将金属熔液浇入温度为420℃金属模具内，即可获得合金铸锭；
5)常规均匀化：将熔炼铸造后的合金试样以30℃/h升温速率开始升温，待温度达到480℃保温18h，再以30℃/h继续升温到530℃保温14h，然后再以30℃/h的降温速率随炉降温至100℃时取出试样；
6)热轧变形：将步骤5)取出的试样进行热轧：开轧温度在545℃，道次压下量为4％-32％，热轧总变形量＞92％，终轧温度低于320℃得到热轧板材；
7)冷轧变形+中间退火+冷轧变形：将步骤6)热轧板材取出，冷轧变形道次压下量为10-35％，总变形量为30-60％；中间退火均以80-120℃/min的升温速率升温到350-450℃进行1-4h的退火处理，然后直接取出进行空冷；继续冷轧变形总变形量处于50-75％之间，道次压下量处于30％。
8)固溶处理：将步骤7)得到的冷轧板材进行固溶处理，在540-550℃热处理炉中进行15-45min的固溶处理，试样升温速率大于120℃/min；
9)淬火处理：将步骤8)固溶处理后的合金试样从固溶处理温度淬入室温水中；
10)时效处理：将步骤9)得到预时效试样在160-190℃等温进行6-14h时效处理，所得铝合金成品记为7#铝合金。
产品性能测试2
分别将实施例1、对比例3分别所得的铝合金板材进行抗拉强度、屈服强度、延伸率的检测，所得结果如下表1-3所示。
表1-3
铸锭号 组别 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％
1# 实施例1 380 348 21.8
7# 对比例3 365 338 17.9
从表1-3可以看出：对比例3所得的7#铝合金，由于是用常规均匀化热处理方式，而未采用三级均匀化热处理，所得铝合金的抗拉强度达到365MPa，延伸率达到17.9％，性能低于三级均匀化工艺处理的实施例1-4所得的铝合金，不能满足汽车结构领域的要求。
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。上述实施例为本发明的优选实施例，凡与本发明类似的工艺及所作的等效变化，均应属于本发明的保护范畴。

Claims (10)

1.一种铝合金，其特征在于，按重量百分比计，包括如下组分：Mg 0.6-1.0％、Si 0.8-1.2％、Cu 0.1-0.3％、Mn 0.4-1.0％、Cr 0.15-0.35％、Cd 0.05-0.1％和Fe≤0.5％。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，按重量百分比计，包括如下组分：Mg0.7-0.9％、Si 1.0-1.2％、Cu(0.15-0.25):1％、Mn 0.6-0.9％、Cr 0.20-0.35％、Cd 0.05-0.1％和Fe≤0.5％。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，按重量百分比计，所述铝合金中杂质元素的含量≤0.15％。
4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Mg与Si的质量比为(0.65-0.9):1，Cu与Si的质量比为(0.15-0.25):1。
5.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Cd与Cr的质量比为(0.15-0.25):1；Mn与Fe的质量比为(0.15-0.25):1。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)原料准备：称取所述的铝合金的配方含量的原料，备用；
2)制备合金铸锭：将所述原料经熔炼、精炼和浇注，得到合金铸锭；
3)三级均匀化热处理：将步骤2)所得的合金铸锭进行三级均匀化热处理，取出试样；
4)淬火处理：将经步骤3)所得的试样进行固溶和淬火处理；
5)时效处理：将经淬火处理的在等温条件下进行时效处理，得所述的铝合金；
其中，步骤3)中所述三级均匀化热处理的过程为：将所述合金铸锭以20-50℃/h的升温速率进行升温，从室温升至350-400℃时，保温15-30h；再以20-50℃/h继续升温至450-480℃，保温15-30h；再以20-50℃/h的升温速率继续升温至500-540℃时，保温15-30h；最后以20-50℃/h的降温速率降温至100℃以下，即完成。
7.据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤3)和步骤4)之间还包括的处理过程为热轧处理和冷轧处理。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述时效处理的温度为160℃-190℃，所述时效处理的时长为6-14h。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤5)中，所述时效处理的温度为170℃-180℃，所述时效处理的时长为12-18h。
10.权利要求1-5任一项所述的铝合金作为汽车结构件用铝合金或应用在其型材中。
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