CN112626386A - 一种高强耐蚀的Al-Mg-Si-Cu系铝合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属金属材料技术领域，公开了一种高强耐蚀的Al‑Mg‑Si‑Cu系铝合金及其制备方法和应用，按重量百分比计包括Mg 0.8‑1.0％、Si 0.9‑1.3％、Cu 0.5‑0.9％、Mn 0.4‑0.8％和Fe≤0.50％。本发明基于微合金化原理，优化设计合金各合金元素的含量，获得高稳定性强化Q(Al5Cu2Mg8Si6)相，避免形成耐热性较差，并且在高温时效容易粗化，强度降低的Mg2Si相、Al2Cu相和Mg2Si相；本发明采用双级时效，通过高温时效调控Cu元素在析出相/基体、晶界/晶内分布，减小析出相/基体、晶界/晶内电位差，从而有效提高合金的耐蚀性；通过本发明可获得高强耐蚀的铝合金，适合应用于汽车车身结构的加工和生产，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高强耐蚀的Al-Mg-Si-Cu系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。汽车轻量化对铝合金强度提出更高的要求。Al-Mg-Si系铝合金形成Mg2Si相，获得合金强度有限。添加Cu元素，形成Mg2Si相、Q相(Al5Cu2Mg8Si6)、Si相等，有效提高合金时效强度，但降低了汽车铝合金的耐蚀性。另一方面，合金的非再结晶纤维组织、细小晶粒可以进一步提高合金强度与耐蚀性，Mn元素形成AlMnFeSi弥散相，可抑制合金晶粒长大，但是，过量的AlMnFeSi弥散相又会降低合金的塑性。因此，如何优化设计合金Mg、Si、Cu、Mn元素含量，以提高合金强度、塑性与耐蚀性是合金设计重要因素。
发明内容
本发明提出一种高强耐蚀的Al-Mg-Si-Cu系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。本发明基于微合金化原理，发明一种汽车用高强耐蚀的铝合金材料，以满足汽车结构轻量化需求。
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 0.8-1.0％、Si0.9-1.3％、Cu 0.5-0.9％、Mn 0.4-0.8％和Fe≤0.50％。
作为上述方案的进一步改进，按重量百分比计，所述铝合金中的杂质元素的含量≤0.15％。所述杂质元素包括Ti和Cr。
作为上述方案的进一步改进，Mg/Si的质量比为(0.8-1.0):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)热处理：将步骤2)所得的合金铸锭进行热处理；
4)热挤压：将经步骤3)所得的试样进行热挤压，再经在线水冷却；
5)双级时效处理：将步骤4)所得的试样进行两次时效处理，得所述的铝合金；
其中，步骤5)中所述双级时效处理的过程为：将步骤4)160℃-180℃时效16-24小时；然后在200℃-250℃下进行时效处理2-6小时，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735-755℃温度条件下，先将高纯铝锭熔化，随后加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Si15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。
作为上述方案的进一步改进，步骤3)中，所述热处理的方式为双级均匀化热处理。
进一步，所述双级均匀化热处理的具体过程为：将步骤2)所得的合金铸锭从室温升到450-480℃，保温15-30h，再继续升温到500-540℃保温15-30h，然后随炉降温至100℃，取出试样。
作为上述方案的进一步改进，步骤4)中，所述热挤压时的温度为540-550℃。
作为上述方案的进一步改进，步骤4)中，所述热挤压时的挤压比15-36。
作为上述方案的进一步改进，步骤4)中，所述热挤压时的挤压速率为5-35m/min。
本发明所述的铝合金在汽车车身结构领域中的应用。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种高强耐蚀的Al-Mg-Si-Cu系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)本发明基于微合金化原理，优化设计合金各合金元素的含量，即获得高稳定性强化Q(Al5Cu2Mg8Si6)相，避免形成耐热性较差，并且在高温时效容易粗化，强度降低的Mg2Si相、Al2Cu相和Mg2Si相；
(2)本发明采用双级时效，通过高温时效调控Cu元素在析出相/基体、晶界/晶内分布，减小析出相/基体、晶界/晶内电位差，从而有效提高合金的耐蚀性；
(3)通过本发明可获得高强耐蚀的铝合金，适合应用于汽车车身结构的加工和生产，应用前景广泛。
附图说明
图1是实施例1所得铝合金的腐蚀形貌图；图2是对比例3所得铝合金的腐蚀形貌图
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1-3及对比例1-2
表1-1实施例1-3(铸锭号分别对应1#-3#)和对比例1-2(铸锭号分别对应4#-5#)，分别所得铝合金的组分及重量百分比。
| 铸锭号 | 组别 | Mg | Si | Cu | Mn | Fe | Al |
| 1# | 实施例1 | 0.90 | 1.1 | 0.5 | 0.60 | <0.5 | 余量 |
| 2# | 实施例2 | 1.0 | 1.0 | 0.5 | 0.60 | <0.5 | 余量 |
| 3# | 实施例3 | 0.9 | 1.2 | 0.5 | 0.60 | <0.5 | 余量 |
| 4# | 对比例1 | 0.8 | 1.1 | - | 0.60 | <0.5 | 余量 |
| 5# | 对比例2 | 0.8 | 1.1 | 0.5 | 0.20 | <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，并以未添加Cu元素的4#合金以及低Mn元素含量的5#合金作为对比；
2)原料熔炼：在745℃温度条件下，先将高纯铝锭熔化，随后加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Si15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730℃，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℃金属模具内，即可获得合金铸锭；
5)双级均匀化：将熔炼铸造后的合金试样升温至460℃保温18h；再继续升温到520℃保温16h，然后随炉降温至100℃时，取出试样；
6)热挤压：将步骤5)处理后的试样在挤压温度545℃，挤压比25，挤压速率20m/min的条件下进行热挤压，随后在线水冷却；
7)双级时效处理：将步骤6)得到的试样在170℃时效20小时，然后在225℃下进行时效处理4小时，所得铝合金成品分别记为1#-5#铝合金。
产品性能测试1
分别将实施例1-3、对比例1-2所得的，在经烤漆时效处理后的铝合金板材进行抗拉强度、屈服强度、延伸率和盐雾腐蚀速率的检测。所得结果如下表1-2所示。
表1-2
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1-3所得的1#-3#铝合金成品)在所述工艺下的合金抗拉强度超过了380MPa，延伸率超过18％，盐雾腐蚀速率不超过0.015g/(m2·d)，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中未添加Cu元素，所得的4#铝合金没有形成Q(Al5Cu2Mg8Si6)相，合金抗拉强度降低；对比例2中添加了较低含量的Mn元素，因未能抑制再结晶与晶粒长大，因此所得的5#铝合金的强度相对较低，并不符合汽车车身结构的要求。
对比例3
对比例3为6#试样，其与1#试样的制备，区别仅在于，对比例3未进行没有采用双级时效处理工艺，而是采用常规单级时效工艺，其他工艺相同，具体工艺步骤如下：
1)配比原料：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745℃温度条件下，先将高纯铝锭熔化，随后加入Al-Mn10、Al-Cu50、Al-Si15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730℃，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℃金属模具内，即可获得合金铸锭；
5)双级均匀化：将熔炼铸造后的合金试样升温至460℃保温18h；再继续升温到520℃保温16h，然后随炉降温至100℃时，取出试样；
6)热挤压：将步骤5)处理后的试样在挤压温度545℃，挤压比25，挤压速率20m/min的条件下进行热挤压，随后在线水冷却；
7)单级时效处理：将步骤6)得到的试样转移到170℃时效处理18小时，所得铝合金成品分别记为6#铝合金。
产品性能测试2
分别将实施例1、对比例4分别所得的铝合金进行抗拉强度、屈服强度、延伸率的检测，所得结果如下表1-3所示。
表1-3
从表1-3可以看出：对比例3所得的6#铝合金，由于是用单级时效工艺，而未采用双级时效工艺，所得铝合金的抗拉强度达到396MPa，延伸率达到17.2％，盐雾腐蚀速率0.019g/(m2·d)，性能低于双级时效的实施例1所得的铝合金，不能满足汽车结构领域的要求。
此外，图1为实施例1所得的铝合金的腐蚀形貌(双级时效)，图2为对比例3所得的铝合金的腐蚀形貌(单级时效)。从图1和图2可以看出，合金经过双级时效处理的腐蚀深度低于单级时效状态。实施例1合金经过双级时效可以获得强度与耐蚀性能的匹配。
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 0.8-1.0％、Si 0.9-1.3％、Cu 0.5-0.9％、Mn 0.4-0.8％和Fe≤0.50％。
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，所述铝合金中的杂质元素的含量≤0.15％。
3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，Mg/Si的质量比为(0.8-1.0):1。
4.一种如权利要求1-3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)热处理：将步骤2)所得的合金铸锭进行热处理，取出试样；
4)热挤压：将经步骤3)所得的试样进行热挤压，再经在线水冷却；
5)双级时效处理：将步骤4)所得的试样进行两次时效处理，得所述的铝合金；
其中，步骤5)中所述的双级时效处理的过程为：将步骤4)得到的试样在160℃-180℃时效16-24小时；然后在200℃-250℃下进行时效处理2-6小时，即完成。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述热处理的方式为双级均匀化热处理。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述双级均匀化热处理的过程为：将步骤2)所得的合金铸锭从室温升至450-480℃，保温15-30h；再继续升温到500-540℃，保温15-30h，然后随炉降温至100℃，取出试样。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述热挤压时的温度为540-550℃。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述热挤压时的挤压比15-36。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述热挤压时的挤压速率为5-35m/min。
10.权利要求1-3任一项所述的铝合金在汽车车身结构领域中的应用。
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