CN113444926A - 一种高强耐蚀6xxx铝合金型材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强耐蚀6XXX铝合金型材及其制备方法，所述6XXX铝合金型材的各组分及质量百分比含量为：Si1.42‑1.46％，0<Fe≤0.19％，0<Cu≤0.1％，Mn0.86‑0.91％，Mg1.02‑1.12％，Ti0.15％～0.2％，0<Ce≤0.27％，其余为Al，其中，Mg+Si+Mn含量为3.36％‑3.45％，其它杂质元素单个≤0.05％，杂质总和≤0.15％。制备方法包括以下步骤：1)合金熔炼及铸造；2)均匀化处理；3)挤压；4)拉伸；5)时效热处理。本发明制备的6XXX铝合金型材具有高强度和很好的耐蚀性，相比于现有6系铝合金综合性能更加优异、应用范围更广。

Description

一种高强耐蚀6XXX铝合金型材及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金型材制造领域，具体涉及的是一种高强耐蚀6XXX铝合金型材及其制备方法。

背景技术

6XXX铝合金的综合力学性能优良，成形性优异，其合金型材产品已经应用于新能源汽车领域，如汽车电池托盘，端板和防撞梁等等。随着汽车轻量化目标的提高，合金的综合性能依旧有待于提升。合金力学性能的提升相对容易，提升合金中的合金元素含量即可实现，然而合金元素添加后合金的耐腐蚀行为会变的极为复杂，很大可能是耐腐蚀性出现明显的降低，最主要的原因还是合金元素含量的优化及其相应的合金均质化工艺，热处理工艺等相应的优化并没有达到理想的状态，尤其是当合金的力学性能超过400MPa时，耐腐蚀性的提升难度骤然提升。因此，提升高强度6XXX耐腐蚀性是未来汽车轻量化铝合金发展的重要方向。

发明内容

针对新能源汽车用高强度(≥400MPa)6XXX铝合金耐腐蚀性面临显著改善的问题，本发明提供提升高强度6XXX铝合金型材耐腐蚀性的制造方法。本发明首先对合金的成分进行了优化设计，尤其控制合金的中的微合金化元素含量及杂质元素含量，降低微小第二相和杂质相对合金耐腐蚀性能的影响。其次本发明采用了低温长时和高温短时相结合的均质化工艺，综合调控合金中主要合金元素Si和Mg的扩散速度，提升微区内Si和Mg的均匀性分布，尤其改善晶界处的合金元素均匀分布，降低局部区域的能量起伏，进而降低电位差，提升合金性能的稳定性。最后优化合金的热处理工艺促进合金的晶内析出，降低合金的晶界析出行为，进一步提升晶界等耐腐蚀位置的耐腐性，最终实现高强度6XXX铝合金的耐腐蚀性能提升。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种高强耐蚀6XXX铝合金型材，所述6XXX铝合金型材的各组分及质量百分比含量：Si1.42-1.46％，0<Fe≤0.19％，0<Cu≤0.1％，Mn0.86-0.91％，Mg1.02-1.12％，Ti0.15％～0.2％，0<Ce≤0.27％，其余为Al，其中，Mg+Si+Mn含量为3.36％-3.45％，其它杂质元素单个≤0.05％、杂质总和≤0.15％。

一种高强耐蚀6XXX铝合金型材的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1)将炉温设定为800℃-900℃，按照铝合金的组分及百分含量，依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁及铝硅中间合金，全部融化后，加入镁锭和铝稀土中间合金；当温度至780℃～820℃时，搅拌后取样并调整成分；待成分合格后，将炉料升温至830℃～835℃，加入精炼剂，并通入保护气氛进行除气除渣5min～25min；静置30min-45min后，将所得合金液导入至铸盘，导入铸盘过程中加入Al-Ti-B细化剂，控制铸造速度为95mm/min～105mm/min，浇注成锭，得到铸锭A；

2)步骤1)中所得铸锭A进行均匀化处理，之后空冷至室温，得到铸锭B；

3)将步骤2)所得的铸锭B、工模具、挤压机进行预热，控制型材出口速度为2.8m/min-4.8m/min，保证挤压出口温度为525℃-530℃，随后挤压型材经过在线风雾冷却至145℃后，空冷至室温，得到铝合金型材；

4)将步骤3)中的铝合金型材进行拉伸，拉伸率控制为0.8％-1.5％，得到拉伸后的铝合金型材；

5)将步骤4)中得到的铝合金型材进行时效处理，时效温度由115℃-135℃升至175℃-195℃再降至115℃-135℃，升温时间和降温时间相同，升温时间和降温时间共计9h-12h，随后空冷至室温。

进一步地，所述步骤2)中的均匀化处理工艺为在500℃-525℃温度下保温11h-15h，随后将温度提升至560℃-575℃，保温0.5h-1.5h。

进一步地，所述步骤3)中的铸锭B预热温度为510℃-520℃，预热时间15-20min，工模具预热温度为485℃～490℃，挤压机预热温度为440℃～450℃。

进一步地，所述步骤3)中的在线风雾冷却速率为40℃/s-60℃/s。

本发明的高强耐蚀6XXX铝合金型材的元素配比设计过程中，确定合金的力学性能强化元素为Si、Mg和Mn；为了保证合金的强度超过400MPa，必须发挥合金元素的协同强化作用，Mg/Si比较低，主要是为了产生Mg₂Si强化相和少量的Si强化相；Mn元素的加入是为了形成AlMn的强化相。然而三种合金元素含量必须还要进行控制，否则合金的淬火敏感性提升，将导致合金的在线淬火无法实现。因此，合金成分中：Si1.42-1.46％，Mn0.86-0.91％，Mg1.02-1.12％，同时限定了Mg+Si+Mn含量为3.36％-3.45％。其次，本技术方案中合金的力学性能要求较高，高于400MPa，合金中的杂质元素含量必须严格控制。如Cu元素含量低于0.1％，主要的原因是Cu元素虽然力学性能贡献较高，但是对腐蚀性能的恶化也是极其显著的。此外Fe杂质元素的设计原理主要是为了减少有害第二相AlFeSi的形成，一方面，减弱有害第二相对合金力学性能和耐腐蚀性能的损伤，第二相一般为脆性相，这对于合金力学性能和耐腐蚀性能均是材料中的薄弱点，容易成为裂纹源和腐蚀起始点；另一方面，该有害第二相的形成会消耗合金中的重要合金元素Si，这会显著的降低合金的力学性能，既减少了Mg₂Si的形成，也会减少Si相的形成。最后，合金中稀土的强化元素为Ce元素，考虑该稀土元素的目的是：一方面该元素的加入能够有效的细化合金晶粒，提升合金的力学行为表现；另一方面Ce元素可以有效的减少晶界的第二相形成，促进合金元素在晶内析出，提升合金的耐腐蚀性能。

要想实现高强度6XXX铝合金耐腐蚀性能的提升必须保证以下三个方面全部实现，第一，保证Mg、Si和Mn元素全部形成该合金的强化相。过多的Fe元素会与合金中的Mn和Si元素形成AlFeMnSi相，会同时减少合金中强化相Mg₂Si相和AlMn₆相，无法发挥Mn和Si两种元素的有效强化作用，因此本技术方案中将Fe元素的含量控制为≤0.19％。第二，本技术方案中除了考虑合金的力学性能外，还着重关注合金的耐腐蚀性能，因此特别对合金中合金元素的均匀分布十分关注。在合金的均质化处理中采用了“低温长时+高温短时”相结合的均质化工艺，一方面低温长时过程调控Si和Mg的扩散速度，使两者的扩散速度尽量维持在相同的水平，减少合金不同区域内的Si和Mg元素的分布不均匀性，降低合金中的能量起伏；高温长时的处理方式保证了Mg和Si元素的充分回溶，减少合金的晶内偏析现象，同时也为后续的热处理过程提供了重要保证。第三，合金的时效热处理过程一直是合金力学性能强化和腐蚀性能优化的重要手段。合金处于T6状态无疑是合金力学性能最佳的状态，然而此状态并不是合金耐腐蚀性的最佳状态，通常的情况下，合金的过时效状态下腐蚀性能会达到最佳的状态，因此，合金的时效处理过程就显得尤为重要，既能保证合金的优良力学性能还必须满足对合金耐腐蚀性能的要求。本发明的技术方案开发了“高低温往复时效处理”，一方面低温时效过程会增加合金内部析出相的形核位置，放缓强化相的长大过程，另一方面短暂持续的高温时效过程会促进强化相长大至合适的形态，最后，回归于低温时效过程中，降低晶界的析出程度，减少合金腐蚀过程中的晶界腐蚀现象，提升合金的耐腐蚀性能。最终合金的平均拉伸性能达到425MPa，晶间腐蚀过程中腐蚀深度低于50μm。

本发明的有益效果：本发明的技术方案针对高强度和耐腐蚀性的要求，首先进行合金成分的设计和优化，尤其是合金中的Si、Mn和Fe元素的含量，同时包括了Ce元素含量，保证合金高强度和耐腐蚀性的成分基础。其次，设计了合金的“低温长时+高温短时”的均匀化处理工艺，保证合金中元素的均匀分布，降低合金的晶内偏析；最后，设计了新型合金“高低温往复时效处理”工艺，即提升了合金强度同时又能保证合金的耐腐蚀性能。因此，本技术方案通过合金成分设计和制备工艺的优化，尤其是“低温长时+高温短时”均匀化和“高低温往复时效处理”工艺，发挥了重要的作用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种高强耐蚀6XXX铝合金型材，其各元素组分及质量百分比含量为Si1.42％，Fe0.19％，Cu0.1％，Mn0.86％，Mg1.12％，Ti0.15％％，Ce0.27％，其余为Al，其中，Mg+Si+Mn含量为3.36％，其它杂质元素单个≤0.05％、杂质总和≤0.15％。

上述高强耐蚀6XXX铝合金型材的制备方法如下：

1)将炉温设定为800℃，依据合金组分的计算结果，依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁及铝硅中间合金，待上述合金全部融化后保温一段时间，加入镁锭和铝稀土中间合金；当稳定至780℃时，搅拌后取样并调整成分；成分合格后，将炉料升温至830℃，加入精炼剂，并通入保护气氛进行除气除渣5min；静置30min后，将所得合金液导入至铸盘，导入铸盘过程中加入Al-Ti-B细化剂，控制铸造速度为95mm/min，浇注成锭，得到铸锭A。

2)步骤1)中所得铸锭A置于均匀化热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理工艺参数为500℃，保温时间为11h；随后将温度提升至575℃，保温时间为1.5h。空冷至室温，得到铸锭B。

3)将步骤2)所得铝合金铸锭B预热，预热温度为510℃，预热时间不超过20min，将工模具预热，预热温度为485℃，将挤压机预热，预热温度为440℃，控制型材出口速度为4.8m/min，保证挤压出口温度为525℃，随后挤压型材经过在线风雾冷却，冷却速率为40℃/s，冷却至145℃后，空冷至室温，得到铝合金型材。

4)将步骤3)中的铝合金型材置于拉伸机中进行拉伸处理，合金的拉伸率控制为0.8％，得到拉伸后的铝合金型材。

5)将步骤4)中得到的拉伸后铝合金型材置于时效炉中进行人工时效处理，时效处理方式为“高低温往复时效处理”，具体工艺参数如下：将时效炉时效温度的起始时间设定为115℃，后将温度提升至195℃，最终结束温度为115℃，即型材在时效过程中经历了先升温后降温的过程，升温过程4.5h，降温过程4.5h，总计处理时间为9h，随后空冷至室温。

实施例2

一种高强耐蚀6XXX铝合金型材，其各元素组分及质量百分比含量为Si1.46％，Fe0.18％，Cu0.09％，Mn0.89％，Mg1.04％，Ti0.18％，Ce0.25％，其余为Al，其中，Mg+Si+Mn含量为3.39％，其它杂质元素单个≤0.05％、杂质总和≤0.15％。

上述高强耐蚀6XXX铝合金型材的制备方法如下：

1)将炉温设定为900℃，依据合金组分的计算结果，依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁及铝硅中间合金，待上述全部融化后保温一段时间，加入镁锭和铝稀土中间合金；当稳定至820℃时，搅拌后取样并调整成分；成分合格后，将炉料升温至835℃，加入精炼剂，并通入保护气氛进行除气除渣15min；静置45min后，将所得合金液导入至铸盘，导入铸盘过程中加入Al-Ti-B细化剂，控制铸造速度为105mm/min，浇注成锭，得到铸锭A。

2)步骤1)中所得铸锭A置于均匀化热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理工艺参数为525℃，保温时间为13h；随后将温度提升至575℃，保温时间为0.5h。空冷至室温，得到铸锭B。

3)将步骤2)所得铝合金铸锭B预热，预热温度为520℃，预热时间15min，将工模具预热，预热温度为490℃，将挤压机预热，预热温度为450℃。控制型材出口速度为2.8m/min，保证挤压出口温度为530℃，随后挤压型材经过在线风雾冷却，冷却速率为60℃/s，冷却至145℃后，空冷至室温，得到铝合金型材。

4)将步骤三中的铝合金型材置于拉伸机中进行拉伸处理，合金的拉伸率控制为1.5％，得到拉伸后的铝合金型材。

5)将步骤4)中得到的拉伸后铝合金型材置于时效炉中进行人工时效处理，时效处理方式为“高低温往复时效处理”，具体工艺参数如下：将时效炉时效温度的起始时间设定为135℃，后将温度提升至175℃，最终结束温度为135℃，即型材在时效过程中经历了先升温后降温的过程，升温过程4.5h，降温过程4.5h，总计处理时间为9h，随后取出型材空冷至室温。

实施例3

一种高强耐蚀6XXX铝合金型材，其各元素组分及质量百分比含量为Si1.42％，Fe0.19％，Cu0.1％，Mn0.91％，Mg1.09％，Ti0.2％，Ce0.26％，其余为Al，其中，Mg+Si+Mn含量为3.45％，其它杂质元素单个≤0.05％、杂质总和≤0.15％。

上述高强耐蚀6XXX铝合金型材的制备方法如下：

1)将炉温设定为850℃，依据合金组分的计算结果，依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁及铝硅中间合金，待上述全部融化后保温一段时间，加入镁锭和铝稀土中间合金；当稳定至800℃时，搅拌后取样并调整成分；成分合格后，将炉料升温至835℃，加入精炼剂，并通入保护气氛进行除气除渣25min；静置35min后，将所得合金液导入至铸盘，导入铸盘过程中加入Al-Ti-B细化剂，控制铸造速度为100mm/min，浇注成锭，得到铸锭A。

2)步骤1)中所得铸锭A置于均匀化热处理炉中进行均匀化处理，均匀化处理工艺参数为515℃，保温时间为15h；随后将温度提升至565℃，保温时间为1h。空冷至室温，得到铸锭B。

3)将步骤2)所得铝合金铸锭B预热，预热温度为515℃，预热时间18min，将工模具预热，预热温度为487℃，将挤压机预热，预热温度为445℃。控制型材出口速度为3.0m/min，保证挤压出口温度为528℃，随后挤压型材经过在线风雾冷却，冷却速率为50℃/s，冷却至145℃后，空冷至室温，得到铝合金型材。

4)将步骤3)中的铝合金型材置于拉伸机中进行拉伸处理，合金的拉伸率控制为1.2％，得到拉伸后的铝合金型材。

5)将步骤4)中得到的拉伸后铝合金型材置于时效炉中进行人工时效处理，时效处理方式为“高低温往复时效处理”，具体工艺参数如下：将时效炉时效温度的起始时间设定为115℃，后将温度提升至195℃，最终结束温度为115℃，即型材在时效过程中经历了先升温后降温的过程，升温过程6h，降温过程6h，总计处理时间为12h，随后空冷至室温。

对比例1

与实施例1相比，对比例1中合金中Fe元素含量为0.4％，其余与实施例1相同。

对比例2

与实施例1相比，对比例2中合金中Ce元素含量为0.35％，其余与实施例1相同。

对比例3

与实施例1相比，对比例3中步骤2)均匀化处理工艺参数为550℃，保温时间为10h，保温结束后空冷至室温，得到铸锭B。其余与实施例1相同。

对比例4

与实施例1相比，对比例3中步骤5)中时效工艺参数为：保温温度为160℃，保温时间为8h，其余与实施例1相同。

表1所示分别为本发明实施例1～3和对比例1～4中制备的铝合金型材的抗拉强度、屈服强度和晶间腐蚀深度，结果如表1所示：

表1本发明实施例1～3和对比例1～4中制备的铝合金型材的力学性能

实施例1-3中得到的铝合金型材，其抗拉强度均在425MPa以上，且晶间腐蚀深度均低于50μm，体现出本发明中材料成分设计和制备工艺的合理性，尤其与现有的6系铝合金材料相比较，优势非常明显。与实施例1相比，对比例1中合金中Fe元素含量为0.4％，最后结果显示，该方法制备的铝合金型材强度降低，晶间腐蚀深度显著增加，可见Fe元素的含量控制会显著影响合金的力学性能和耐腐蚀性能。与实施例1相比，对比例2中合金中Ce元素含量为0.35％，结果显示，稀土铝合金虽然能够显著的改善合金的综合性能，但是过高的稀土元素含量会显著恶化合金的综合性能，本技术方案中合金中的Ce元素含量超过0.27％时，合金的抗拉强度和耐腐蚀性能军会显著降低。与实施例1相比，对比例3中均匀化处理工艺参数为550℃，保温时间为10h，保温结束后空冷至室温，性能结果表明，合金的均匀化工艺也是非常重要的，尤其是本技术方案中的均匀化工艺参数会显著改善合金的力学性能和耐腐蚀性能。与实施例1相比，对比例4中合金的时效工艺采用的是传统的6系铝合金T6工艺参数，很显然在T6的工艺时效状态下，合金的抗拉强度提升至438MPa，同时耐腐蚀性能并未达到与实施例1中合金的水平。

通过以上的对比结果可以看出，通过本发明的方法制备的高强耐蚀6系铝合金材料是一种相比于现有6系铝合金综合性能更加优异、应用范围更广的材料。

以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明的保护范围。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，还可以做出其它等同改进，均可以实现本发明的目的，都应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高强耐蚀6XXX铝合金型材，其特征在于，所述6XXX铝合金型材的各组分及质量百分比含量为：Si1.42-1.46％，0<Fe≤0.19％，0<Cu≤0.1％，Mn0.86-0.91％，Mg1.02-1.12％，Ti0.15％～0.2％，0<Ce≤0.27％，其余为Al，其中，Mg+Si+Mn含量为3.36％-3.45％，其它杂质元素单个≤0.05％、杂质总和≤0.15％。

2.一种如权利要求1所述的高强耐蚀6XXX铝合金型材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)将炉温设定为800℃-900℃，按照铝合金型材的组分及百分含量，依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁及铝硅中间合金，全部融化后，加入镁锭和铝稀土中间合金；当温度至780℃～820℃时，搅拌后取样并调整成分；待成分合格后，将炉料升温至830℃～835℃，加入精炼剂，并通入保护气氛进行除气除渣5min～25min；静置30min-45min后，将所得合金液导入至铸盘，导入铸盘过程中加入Al-Ti-B细化剂，控制铸造速度为95mm/min～105mm/min，浇注成锭，得到铸锭A；

2)步骤1)中所得铸锭A进行均匀化处理，之后空冷至室温，得到铸锭B；

3)将步骤2)所得的铸锭B、工模具、挤压机进行预热，控制型材出口速度为2.8m/min-4.8m/min，保证挤压出口温度为525℃-530℃，随后挤压型材经过在线风雾冷却至145℃后，空冷至室温，得到铝合金型材；

4)将步骤3)中的铝合金型材进行拉伸，拉伸率控制为0.8％-1.5％，得到拉伸后的铝合金型材；

5)将步骤4)中得到的铝合金型材进行时效处理，时效温度由115℃-135℃升至175℃-195℃再降至115℃-135℃，升温时间和降温时间相同，升温时间和降温时间共计9h-12h，随后空冷至室温。

3.根据权利要求2所述的高强耐蚀6XXX铝合金型材的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的均匀化处理工艺为在500℃-525℃温度下保温11h-15h，随后将温度提升至560℃-575℃，保温0.5h-1.5h。

4.根据权利要求2所述的高强耐蚀6XXX铝合金型材的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的铸锭B预热温度为510℃-520℃，预热时间15min-20min，工模具预热温度为485℃～490℃，挤压机预热温度为440℃～450℃。

5.根据权利要求2所述的高强耐蚀6XXX铝合金型材的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的在线风雾冷却速率为40℃/s-60℃/s。