CN115491552A - 一种耐腐蚀铸造铝合金、制备方法及应用 - Google Patents

一种耐腐蚀铸造铝合金、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀铸造铝合金、制备方法及应用，属于铝合金材料领域，所述耐腐蚀铸造铝合金，所述铝合金成分包括Al、Si，和Cu、Mg中的一种或两种，以及耐腐蚀改善剂；所述耐腐蚀改善剂包括Zn、Zr、Mn、Cr、V、Ag、Sc、Y、Ga、Sn元素中的任意一种或几种，所述铝合金的基体中包括一种以上的强化相及纳米析出相。所述铸造铝合金的制备方法包括重力、挤压、低压以及差压铸造，其在标准人工海水浸泡环境下应用时，其表面存在减缓铝合金继续腐蚀的钝化膜，本发明能有效提高铸造铝合金在标准人工海水浸泡环境下的耐腐蚀性能。

Description

一种耐腐蚀铸造铝合金、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种耐腐蚀铸造铝合金、制备方法及应用。
背景技术
随着国家节能减排要求的进一步实施，铝合金由于其密度低，比强度高，成型性能优良，导电导热性好以及储量丰富等优势，逐步作为取代钢铁的优选材料应用于航空航天、汽车及交通等工业领域。
铝合金中，Al-Si系合金具有流动性好，密度低，铸造性能优异等优点而作为铸造铝合金的优选体系得到广泛使用，目前汽车中常用的Al-Si-Cu系铝合金由于Cu的加入使得其耐蚀性有显著的下降，这使得其实用性大打折扣。
在中国发明专利CN109963956B中，公开了一种用于1xxx，3xxx及5xxx系列铝合金的耐腐蚀添加剂，其耐腐蚀添加剂为Zn，Ga或其组合从而提高相应铝合金在电化学测量中的耐腐蚀性能。
在中国发明专利CN105296812A中，公开了一种耐腐蚀的Al-Cu-Mg-Zn系铝合金，其通过添加V，Zr及稀土元素改善合金组织的方法提高了合金的耐腐蚀性能。
然而上述专利中公开的耐腐蚀铝合金，以及其他一些现有技术中公开的铝合金都是关于提高变形铝合金，包括但不限于1xxx，3xxx及5xxx铝合金的耐腐蚀性能，其主要是通过改善晶界析出相的方式提高耐腐蚀性能。而铸造铝合金与变形铝合金相比，在耐蚀性能改善原理上存在明显差异，常见的变形铝合金耐蚀增强元素往往对铸造铝合金难以起到有效作用，因此，开发一种新型的高耐蚀铸造铝合金具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐腐蚀铸造铝合金、制备方法及应用，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题。
为实现上述发明目的，本发明一种耐腐蚀铸造铝合金，所述铝合金成分包括Al、Si，和Cu、Mg中的一种或两种，以及耐腐蚀改善剂；所述耐腐蚀改善剂包括Zn、Zr、Mn、Cr、V、Ag、Sc、Y、Ga、Sn元素中的任意一种或几种。
在一个或多个实施例中，所述铝合金成分中耐腐蚀改善剂的添加量按质量百分比为：
Zr+V：0.1～3％；
Zn+Mn+Ag+Y：0～1％；
Mn+Cr+V：0～2％；
Sc+Ga+Sn：0～1％。
在一个或多个实施例中，所述铝合金的基体中包括一种或一种以上的强化相及纳米析出相，所述强化相及纳米析出相成分包括Al2Cu，AlSiCuMg，Al2CuMg，Mg2Si中的一种或几种。
在一个或多个实施例中，所述铝合金中共晶Si为纤维状或球状。
在一个或多个实施例中，所述铝合金成分质量百分比包括：Si:5～9％，Cu:0.6～4.5％，Mg:0.3～1.2％，Zn：0.7～1.5％，Zr：0.1～0.2％，Mn：0.1～0.3％，Cr：0.15～0.3％，V：0.05～0.2％，Ag：0.05～0.2％、Sc：0.05～0.2％、Y：0.05～0.2％、Ga：0.05～0.2％、Sn：0.05～0.2％，不可避免杂质元素含量<0.15％，余量为Al。
在一个或多个实施例中，所述铝合金置于标准人工海水浸泡环境下时，其表面会形成减缓腐蚀的钝化膜；所述钝化膜根据添加的耐腐蚀改善剂不同，其成分包括Al(OH)3，以及Zn2+、Zr2+，Zr3+，Zr4+，Mn2+，Mn4+，Cr2+，Cr3+，V+，V2+，Ag+，Sc3+，Y+，Ga+，Sn2+中的一种或几种。
在一个或多个实施例中，所述钝化膜厚度为1-100nm。
本发明还提出一种耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，包括如下制备步骤：
S1、按所述成分别称取原料，并对各原料干燥预热，随后将预热后的各原料加热熔炼，熔化并搅拌均匀，得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体施加保护气体，再加入精炼剂，进行精炼除气除杂；
S3、将步骤S2中处理好的熔体进行铸造得到耐腐蚀铸造铝合金。
在一个或多个实施例中，所述铸造方法选自重力、挤压、低压、差压铸造。
在一个或多个实施例中，所述步骤S1中的预热温度为100～300℃，溶化温度为670～770℃，搅拌时间为5～15分钟。
在一个或多个实施例中，所述S1中原材料的加入顺序为：将纯Al和Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入含Cu元素和含Mg元素的纯金属，待其完全溶解后，加入Zn、Zr、Mn、Cr、V、Ag、Sc、Y、Ga、Sn的中间合金。
本发明另提出一种所述耐腐蚀铸造铝合金的应用，所述铝合金用于潮湿或海水浸泡环境，在所述环境中铝合金表面形成有减缓腐蚀的钝化膜。
在一个或多个实施例中，所述钝化膜根据添加的耐腐蚀改善剂不同，其成分包括Al(OH)3及Zn2+、Zr2+，Zr3+，Zr4+，Mn2+，Mn4+，Cr2+，Cr3+，V+，V2+，Ag+，Sc3+，Y+，Ga+，Sn2+中的一种或几种。
本发明的有益效果是：
本发明通过在Al-Si-(Cu)-(Mg)体系铸造铝合金的基础上，通过添加不同比例的Zn、Zr、Mn、Cr、V、Ag、Sc、Y、Ga、Sn元素作为耐腐蚀添加剂，通过控制合金成分及配比，使得在铝合金表面形成钝化膜，减小铝基体及阴极相间的电位差，降低合金的点蚀和晶间腐蚀现象，在铝合金表面形成减弱腐蚀的钝化膜层，从而提高铝合金的耐腐蚀性能。
附图说明
图1a、图1b为本发明实施例1及对比基础例的合金组织的示意图；
图2a、图2b为本发明实施例2及对应对比例的合金组织的示意图；
图3a、图3b为本发明实施例3及对应对比例的合金组织的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述
实施例1
本实施例公开的一种耐腐蚀铝合金材料，其与对比基础例的铝合金相比具有明显改善的耐腐蚀性能。其中，所述对比基础例的铝合金组分及各组分的重量百分比为：Si6％、Cu 2％，Mg 0.4％，其余为Al。本实施例耐腐蚀铝合金的组分及各组分的重量百分比为：Si:6％，Cu:2％，Mg:0.4％，Zn：0.7％，Zr：0.1％，Mn：0.1％，Cr：0.15％，V：0.05％，Ag：0.05％、Sc：0.05％、Y：0.05％、Ga：0.05％、Sn：0.05％，不可避免杂质元素含量<0.15％，余量为Al。本实施例基于上述成分的铸造铝合金的制备方法包括以下步骤：
(1).按所述成分别称取原料，并对各原料干燥预热，随后将预热后的各原料进行加热熔炼，得到合金熔体；其中将纯Al和Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入含Cu元素和含Mg元素的纯金属，待其完全溶解后，加入Zn、Zr、Mn、Cr、V、Ag、Sc、Y、Ga、Sn的中间合金。
(2).向所述合金熔体施加保护气体，再加入精炼剂，进行精炼除气除杂；
(3).将步骤S2中处理好的熔体进行重力铸造得到耐腐蚀铸造铝合金，其中原料的预热温度为200℃，溶化温度为720℃，搅拌时间为5分钟。
(4).对铸态合金进行固溶时效处理后，进行切片并进行电化学测试及失重腐蚀测试，测试环境为3.5％NaCl溶液。
本实施例及对比基础例的铝合金经过腐蚀后得到的合金纵截面组织如图1a、1b所示，其中图1a所示为对比基础例的铝合金纵截面组织，图1b为本实施例耐腐蚀铝合金纵截面组织。
通过纵截面组织观察发现，所述对比基础例铝合金腐蚀深度为23.7μm，本实施例耐腐蚀铝合金腐蚀深度为12.2μm，且没有明显的点蚀行为发生。
电化学结果表明，对比基础例的腐蚀电流密度为16.4μA/cm2，失重腐蚀速率为2.08mm/a，本实施例耐腐蚀铝合金的腐蚀电流密度为14.7μA/cm2，失重腐蚀速率为1.92mm/a，本实施例铝合金基体上存在约5nm厚度的钝化膜，由此可见，本实施例中的耐腐蚀铝合金相比对比基础例铝合金具有改善的耐腐蚀性能。
实施例2
本实施例公开的耐腐蚀铝合金材料，其与对比基础例铝合金相比具有明显改善的耐腐蚀性能。
所述对比基础例铝合金的组分及各组分的重量百分比为：Si 9％、Cu 4％、Mg0.5％，其余为Al。
本实施例所述的耐腐蚀铝合金的组分及各组分的重量百分比为：Si:9％，Cu:4％，Mg:0.5％，Zn：1％，Zr：0.15％，Mn：0.2％，Cr：0.2％，V：0.1％，Ag：0.1％、Sc：0.15％、Y：0.09％、Ga：0.1％、Sn：0.06％，不可避免杂质元素含量<0.15％，余量为Al。
本实施例基于上述成分的铸造铝合金的制备方法包括以下步骤：
(1).按所述成分别称取原料，并对各原料干燥预热，随后将预热后的各原料进行加热熔炼，得到合金熔体；其中将纯Al和Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入含Cu元素和含Mg元素的纯金属，待其完全溶解后，加入Zn、Zr、Mn、Cr、V、Ag、Sc、Y、Ga、Sn的中间合金。
(2).向所述合金熔体施加保护气体，再加入精炼剂，进行精炼除气除杂；
(3).将步骤S2中处理好的熔体进行挤压铸造得到耐腐蚀铸造铝合金，其中原料的预热温度为250℃，溶化温度为770℃，搅拌时间为10分钟。
(4).对铸态合金进行固溶时效处理后，进行切片并进行电化学测试及失重腐蚀测试，测试环境为3.5％NaCl溶液。
本实施例及对比基础例的铝合金纵截面组织如图2a、2b所示，其中图2a所示为对比基础例的铝合金纵截面组织，图2b为本实施例耐腐蚀铝合金纵截面组织。通过纵截面组织观察发现，所述对比基础例的铝合金的腐蚀深度为88μm，本实施例耐腐蚀铝合金的腐蚀深度为56μm，且点蚀的范围比基础合金更小。
电化学结果表明，对比基础例的铝合金的腐蚀电流密度为20.1μA/cm2，失重腐蚀速率为2.13mm/a，本实施例耐腐蚀铝合金的腐蚀电流密度为13.9μA/cm2，失重腐蚀速率为1.89mm/a，本实施例铝合金基体上存在约13nm厚度的钝化膜。由此可见，本实施例中的耐腐蚀铝合金相比对比基础例的铝合金具有改善的耐腐蚀性能。
实施例3
本实施例公开的耐腐蚀铝合金材料，其与对比基础例的铝合金相比具有明显改善的耐腐蚀性能。
所述对比基础例的铝合金组分及各组分的重量百分比为：Si:6.5％，Cu:2％，Mg:1.2％，其余为Al。
本实施例耐腐蚀铝合金的组分及组分的各重量百分比为：Si:6.5％，Cu:2％，Mg:1.2％，Zn：1.5％，Zr：0.2％，Mn：0.3％，Cr：0.3％，V：0.2％，Ag：0.2％、Sc：0.2％、Y：0.2％、Ga：0.2％、Sn：0.2％，不可避免杂质元素含量<0.15％，余量为Al。
本实施例基于上述成分的铸造铝合金的制备方法包括以下步骤：
(1).按所述成分别称取原料，并对各原料干燥预热，随后将预热后的各原料进行加热熔炼，得到合金熔体；其中将纯Al和Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入含Cu元素和含Mg元素的纯金属，待其完全溶解后，加入Zn、Zr、Mn、Cr、V、Ag、Sc、Y、Ga、Sn的中间合金。
(2).向所述合金熔体施加保护气体，再加入精炼剂，进行精炼除气除杂；
(3).将步骤S2中处理好的熔体进行低压铸造得到耐腐蚀铸造铝合金，其中原料的预热温度为300℃，溶化温度为670℃，搅拌时间为15分钟。
(4).对铸态合金进行固溶时效处理后，进行切片并进行电化学测试及失重腐蚀测试，测试环境为3.5％NaCl溶液。
本实施例及对比基础例的铝合金纵截面组织如图3a、3b所示，其中图3a所示为对比基础例的铝合金纵截面组织，图3b为本实施例耐腐蚀铝合金纵截面组织。通过纵截面组织观察发现，对比基础例的铝合金纵截面组织腐蚀深度为91μm，本实施例耐腐蚀铝合金腐蚀深度为31μm，且点蚀的范围比基础合金更小。
电化学结果表明，对比基础例的铝合金的腐蚀电流密度为15.3μA/cm2，失重腐蚀速率为1.77mm/a，本实施例耐腐蚀铝合金的腐蚀电流密度为8.6μA/cm2，失重腐蚀速率为1.62mm/a，本实施例中的耐腐蚀铝合金相比基础合金具有改善的耐腐蚀性能。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种耐腐蚀铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金成分包括Al、Si，和Cu、Mg中的一种或两种，以及耐腐蚀改善剂；所述耐腐蚀改善剂包括Zn、Zr、Mn、Cr、V、Ag、Sc、Y、Ga、Sn元素中的任意一种或几种。
2.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金成分中耐腐蚀改善剂的添加量按质量百分比为：
Zr+V：0.1～3％；
Zn+Mn+Ag+Y：0～1％；
Mn+Cr+V：0～2％；
Sc+Ga+Sn：0～1％。
3.根据权利要求1所述的耐腐蚀铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金的基体中包括一种或一种以上的强化相及纳米析出相，所述强化相及纳米析出相的成分包括Al2Cu，AlSiCuMg，Al2CuMg，Mg2Si中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的耐腐蚀铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金成分质量百分比包括：Si:5～9％，Cu:0.6～4.5％，Mg:0.3～1.2％，Zn：0.7～1.5％，Zr：0.1～0.2％，Mn：0.1～0.3％，Cr：0.15～0.3％，V：0.05～0.2％，Ag：0.05～0.2％、Sc：0.05～0.2％、Y：0.05～0.2％、Ga：0.05～0.2％、Sn：0.05～0.2％，不可避免杂质元素含量<0.15％，余量为Al。
5.根据权利要求1所述的耐腐蚀铸造铝合金，其特征在于，所述铝合金置于标准人工海水浸泡环境下时，其表面会形成减缓腐蚀的钝化膜，所述钝化膜根据添加的耐腐蚀改善剂不同，其成分包括Al(OH)3，以及Zn2+、Zr2+，Zr3+，Zr4+，Mn2+，Mn4+，Cr2+，Cr3+，V+，V2+，Ag+，Sc3+，Y+，Ga+，Sn2+中的一种或几种。
6.一种权利要求1至5任一项耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
S1、按所述成分别称取原料，并对各原料干燥预热，随后将预热后的各原料进行加热熔炼，得到合金熔体；
S2、向所述合金熔体施加保护气体，再加入精炼剂，进行精炼除气除杂；
S3、将步骤S2中处理好的熔体进行铸造得到耐腐蚀铸造铝合金。
7.根据权利要求6所述的耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的预热温度为100～300℃，溶化温度为670～770℃，搅拌时间为5～15分钟。
8.根据权利要求6所述的耐腐蚀铸造铝合金的制备方法，其特征在于，所述S1中原材料的加入顺序为：将纯Al和Al-Si合金锭加入熔炼炉中熔化，待其完全熔化后，再加入含Cu元素和含Mg元素的纯金属，待其完全溶解后，加入Zn、Zr、Mn、Cr、V、Ag、Sc、Y、Ga、Sn的中间合金。
9.一种权利要求1-4任意一项所述耐腐蚀铸造铝合金的应用，其特征在于：所述铝合金用于潮湿或海水浸泡环境，在所述环境中铝合金表面形成有减缓腐蚀的钝化膜。
10.根据权利要求9所述的耐腐蚀铸造铝合金的应用，其特征在于：所述钝化膜根据添加的耐腐蚀改善剂不同，其成分包括Al(OH)3，以及Zn2+、Zr2+，Zr3+，Zr4+，Mn2+，Mn4+，Cr2+，Cr3+，V+，V2+，Ag+，Sc3+，Y+，Ga+，Sn2+中的一种或几种。
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