CN115609185A - 一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐蚀Al‑Mg‑Er‑Zr合金焊丝及其制备方法，它涉及一种耐蚀Al‑Mg‑Er‑Zr合金焊丝及其制备方法。本发明的目的是要提高Al‑Mg‑Er‑Zr合金焊接接头强度的同时，具有良好的耐腐蚀性能。本发明一种耐蚀Al‑Mg‑Er‑Zr合金由Mg、Mn、Zr、Er、Ti、Al制成。制备方法：一、配料；二、铸造得到Al‑Mg‑Er‑Zr铝合金铸锭；三、均匀化处理；四、挤压；五、中间退火；六、拉拔；七、刮丝。本发明焊丝的焊缝的晶粒组织得到细化，提高焊缝的强度。本发明应用于焊接领域。

Description

一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝及其制备方法。
背景技术
Al-Mg-Er-Zr合金目前广泛应用于船舶、海洋工程、轨道交通等领域，在这些领域中都涉及了焊接，在船体建造过程中，焊接所需工时大约占据船体建造总工时的30％～40％，在铝合金车体的焊接生产中，熔化极气体保护焊(MIG)工艺占总焊接量的85％以上，而铝合金焊丝作为主要焊材，其质量高低直接影响到接头性能，因此焊丝材料的开发与研究对铝合金材料的广泛应用具有不可替代的重要意义。然而传统的焊丝焊接的焊接接头很难满足抗拉强度280MPa以上和良好的耐腐蚀性能，因此开发适用于含铒铝合金应用的焊丝，制备及其研究新焊丝来解决这一难题是非常迫切的。
发明内容
本发明的目的是要提高Al-Mg-Er-Zr合金焊接接头强度的同时，具有良好的耐腐蚀性能，而提供一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝及其制备方法。
本发明一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝按质量分数由4.3％～5.3％的Mg、0.3％～0.9％的Mn、0.1％～0.3％的Er、0.07％～0.14％的Zr、Fe<0.25％，Si<0.15％、0.01％～0.04％的Ti和余量的Al组成。
本发明一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，是按以下步骤完成的：
一、配料：按照Mg的质量分数为4.3％～5.3％，Mn的质量分数为0.3％～0.9％，Er的质量分数0.1％～0.3％，Zr的质量分数为0.07％～0.14％，Fe的质量分数<0.25％，Si的质量分数<0.15％，Ti的质量分数0.01％～0.04％，单个杂质的质量分数＜0.05％，合计杂质的质量分数＜0.15％，余量为Al，称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金和铝钛中间合金；
二、铸造：将步骤一称取的纯铝锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和铝钛中间合金在760℃下熔化后，继续加热，当熔体温度达到780℃加入铝铒中间合金，保温10-20min，进行搅拌，搅拌后待熔体温度再升至780℃，保温10-20min再进行第二次搅拌，待熔体温度再升至780℃后保温10-20min再进行第三次搅拌，当熔体温度降至740℃时加入纯镁锭，然后搅拌，精炼，静置，待温度在700℃～720℃下进行除渣、铸造，得到Al-Mg-Er-Zr铝合金
Figure BDA0003914550010000011
圆铸锭；
三、均匀化：针对步骤二所得到的Al-Mg-Er-Zr铝合金圆铸锭进行均匀化处理，出炉空冷至室温，获得均匀化铸块；
四、挤压：将步骤三得到的均匀化铸块进行挤压前加热处理，金属温度为420℃～440℃时开始保温，在出炉温度410℃～440℃下开始挤压，挤压成
Figure BDA0003914550010000021
规格线材；
五、中间退火：将步骤四得到的线材进行退火，得到退火后的线材；
六、拉拔：将步骤五得到的线材进行拉拔，拉拔量20％，然后再进行中间退火，出炉冷却到室温后继续进行拉拔至
Figure BDA0003914550010000022
进行中间退火，再继续进行拉拔至
Figure BDA0003914550010000023
拉拔量控制在17％～28％，最后的得到
Figure BDA0003914550010000024
的线材；
七、刮丝：将步骤六得到的线材进行刮丝处理，得到成品
Figure BDA0003914550010000025
线材。
Er元素在晶界处发生成分过冷和成分起伏波动使Er元素在晶体的边界处达到共晶成分点，且Al-Er合金的凝固范围小，所以有初生的Al3Er相析出.在随后的固溶处理过程中固溶在基体的Er元素将会析出大量的次生Al3Er相，Er元素在焊缝中的析出相主要是以初生Al3Er相形式存在，次生Al3Er相析出量极少.接头强度主要通过细晶作用来强化，而次生Al3Er相在提高Al-Mg合金强度中起主要作用
本发明优点：一、本发明一种新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝与传统5083合金相比，合金化程度更高，焊缝区的枝晶间距尺寸明显减小，晶界偏析基本消除，焊缝区组织晶粒较细小，晶粒尺寸减小了大约50％，且焊丝强度及延伸率也都有所提高，以5E83合金作为焊接铝合金母材，采用本发明制备的Al-Mg-Er-Zr合金焊丝进行焊接，合金焊丝焊接接头强度相比5083合金能提高约10％以上。二、用本发明制备的Al-Mg-Er-Zr合金焊丝采用TIG焊接的方式焊接同成分板材的焊接接头强度重量损失为5mg/cm2，与采用5083焊丝后焊接接头晶间腐蚀性能相当。
附图说明
图1为实施例1步骤二新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金铸锭组织的金相照片；
图2为实施例1步骤二新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金经均匀化退火后的金相组织照片；
图3为实施例1步骤六得到的Al-Mg-Er-Zr合金冷拉态金相组织照片；
图4为实施例1Al-Mg-Er-Zr合金冷拉态TEM微观组织照片；
图5为实施例1得到的耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝和5083合金焊丝焊缝区晶粒组织照片；
图6为实施例1中Al-Mg-Er-Zr铸态组织照片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝按质量分数4.3％～5.3％的Mg、0.3％～0.9％的Mn、0.1％～0.3％的Er、0.07％～0.14％的Zr、Fe<0.25％，Si<0.15％、0.01％～0.04％的Ti和余量的Al组成。
其中Fe和Si为杂质，Fe和Si以外的单个杂质的质量分数＜0.05％，合计杂质(不包含Fe和Si)的质量分数＜0.15％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述Al-Mg-Er-Zr铝合金中Mg的质量分数为4.8％，Mn的质量分数为0.8％，Er的质量分数为0.25％，Zr的质量分数为0.12％，Fe的质量分数<0.15％，Si的质量分数<0.12％，Ti的质量分数<0.02％，单个杂质的质量分数＜0.05％，合计杂质的质量分数＜0.15％，余量为Al。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，是按以下步骤完成的：
一、配料：按照Mg的质量分数为4.3％～5.3％，Mn的质量分数为0.3％～0.9％，Er的质量分数0.1％～0.3％，Zr的质量分数为0.07％～0.14％，Fe的质量分数<0.25％，Si的质量分数<0.15％，Ti的质量分数0.01％～0.04％，单个杂质的质量分数＜0.05％，合计杂质的质量分数＜0.15％，余量为Al，称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金和铝钛中间合金；
二、铸造：将步骤一称取的纯铝锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和铝钛中间合金在760℃下熔化后，继续加热，当熔体温度达到780℃加入铝铒中间合金，保温10-20min，进行搅拌，搅拌后待熔体温度再升至780℃，保温10-20min再进行第二次搅拌，待熔体温度再升至780℃后保温10-20min再进行第三次搅拌，当熔体温度降至740℃时加入纯镁锭，然后搅拌，精炼，静置，待温度在700℃～720℃下进行除渣、铸造，得到Al-Mg-Er-Zr铝合金
Figure BDA0003914550010000034
圆铸锭；
三、均匀化：针对步骤二所得到的Al-Mg-Er-Zr铝合金圆铸锭进行均匀化处理，出炉空冷至室温，获得均匀化铸块；
四、挤压：将步骤三得到的均匀化铸块进行挤压前加热处理，金属温度为420℃～440℃时开始保温，在出炉温度410℃～440℃下开始挤压，挤压成
Figure BDA0003914550010000031
规格线材；
五、中间退火：将步骤四得到的线材进行退火，得到退火后的线材；
六、拉拔：将步骤五得到的线材进行拉拔，拉拔量20％，然后再进行中间退火，出炉冷却到室温后继续进行拉拔至
Figure BDA0003914550010000032
进行中间退火，再继续进行拉拔至
Figure BDA0003914550010000033
拉拔量控制在17％～28％，最后的得到
Figure BDA0003914550010000041
的线材；
七、刮丝：将步骤六得到的线材进行刮丝处理，得到成品
Figure BDA0003914550010000042
线材。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤二中精炼是指用Ar-Cl2气进行精炼。其他与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：步骤二中精炼后静置20min。其他与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤三中Al-Mg-Er-Zr铝合金铸锭均匀化制度为280℃/20h+470℃/24h，出炉空冷至室温，得到合金均匀化铸锭。其他与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：步骤四中挤压加热温度410℃～440℃，监测金属温度到温后开始保温计时6h，当出炉温度为410℃～440℃时开始挤压，挤压速度为20～26mm/min，挤压成
Figure BDA0003914550010000043
规格线材。其他与具体实施方式三至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是：步骤五中退火是在320℃保温2h进行中间退火。其他与具体实施方式三至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：步骤六中间退火是指280℃保温2h。其他与具体实施方式三至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是：步骤七中单道次最大刮丝量为0.05mm。其他与具体实施方式三至九之一相同。
采用下述试验验证本发明效果
实施例1：本实施例一种新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、配料：按照Mg的质量分数为4.8％，Mn的质量分数为0.8％，Er的质量分数0.25％，Zr的质量分数为0.12％，Fe的质量分数<0.25％，Si的质量分数<0.15％，Ti的质量分数0.025％，单个杂质的质量分数＜0.05％，合计杂质的质量分数＜0.15％，余量为Al，称取纯铝锭(99.95％)、纯镁锭、铝锰中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金。
二、铸造：将步骤一称取的纯铝锭、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金在760℃下熔化，当熔体温度达到780℃以上加入Al-Er中间合金，加入后保温20min开炉搅拌第一次，关闭炉门待熔体温度升温至780℃后保温20min再开炉搅拌第二次，熔体温度再升温至780℃保温20min，搅拌第三次，当熔体温度降至740℃时加入纯镁锭，搅拌然后用Ar-Cl2气精炼，精炼后静置20min，待温度在710℃～730℃下进行除渣、铸造，得到Al-Mg-Er-Zr铝合金
Figure BDA0003914550010000051
圆铸锭。
三、均匀化：将A1-Mg-Er-Zr铝合金
Figure BDA0003914550010000052
圆铸锭在280℃下保温20h，然后升温至470℃保温24h，出炉空冷至室温，然后将均匀化铸锭车皮至表面无明显缺陷及皮下裂纹为止，获得均匀化铸块；
四、挤压：将步骤三得到的均匀化铸块进行挤压前加热处理，监测金属温度到420℃后开始保温计时6h，当出炉温度为410℃～420℃时开始挤压，挤压速度为20～26mm/min挤压成
Figure BDA0003914550010000053
规格线材；
五、中间退火：将步骤四得到的线材在320℃保温2h后出炉空冷，得到退火后的线材；
六、拉拔：将步骤五得到的线材进行拉拔，拉拔量23％，然后280℃保温2h，出炉冷却到室温后继续进行拉拔至
Figure BDA0003914550010000054
然后280℃保温2h，出炉冷却到室温后再继续进行拉拔至
Figure BDA0003914550010000055
拉拔量最大控制在25％，最后的得到
Figure BDA0003914550010000056
的线材。
七、刮丝:将步骤六得到的线材进行刮丝处理，单道次最大刮丝量0.05mm，得到成品
Figure BDA0003914550010000057
线材。
对实施例1制备新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝进行强度性能检测，可知实施例1制备的Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的性能强度449MPa～454MPa，屈服强度为363MPa～368MPa。
对实施例1步骤二得到的新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金铸锭进行微观组织观察，图1为实施例1步骤二新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金铸锭组织的金相照片，通过图1可观察到合金的铸态组织中均为粗大的枝晶组织，枝晶间距较大，晶粒边界不明显。这主要是因为合金中含Mg较高，Al-Mg合金的凝固范围宽，Mg原子凝固时分布不均匀，溶质原子Mg一部分固溶到基体中，还有一部分固溶在晶界或枝晶边界，这部分成分偏高，产生了较大的成分偏析。图2为实施例1步骤二新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金经均匀化退火后的金相组织照片，可以看出均匀化退火后基本消除枝晶偏析，在枝晶间非平衡共晶相大部分已溶解，残留相逐渐减少。
对实施例1步骤六得到的Al-Mg-Er-Zr合金冷拉态金相组织照片如图3所示，通过图3可观察合金经冷拉后沿着拉拔方向形成纤维状组织。含Er合金冷拉态纤维状组织间距更小，且组织更加细密，热挤压期间出现的第二相粒子在大的冷拉变形下变得更细小，且沿拉拔方向均匀弥散分布。Al-Mg-Er-Zr合金冷拉态TEM微观组织照片如图4所示，通过观察可以看到许多板条形、菱形的Al6Mn和少量球形的Al3(Er,Zr)析出相。图5是采用EBSD方法对5083合金采用5083焊丝和Al-Mg-Er-Zr焊丝焊接后焊缝区组织进行了晶粒取向分布分析，采用Al-Mg-Er-Zr焊丝焊缝区平均晶粒直径为46μm，5083铝合金焊缝区平均晶粒直径96μm，采用Al-Mg-Er-Zr焊丝焊接后焊缝区组织的晶粒尺寸减小了大约50％。
图6为Al-Mg-Er-Zr铸态组织照片。
对实施例1步骤七得到的Al-Mg-Er-Zr合金线材采用TIG焊接的方式焊接同成分板材，焊接接头的晶间腐蚀性能按照标准ASTM G67进行，根据硝酸失重试验后单位面积的质量损失重量来对材料的晶间腐蚀敏感性进行评定。标准试样尺寸为50mm×6mm×8mm，进行晶间腐蚀实验后计算单位面积失重，当失重值小于15mg/cm2，合金具有良好的抗晶间腐蚀性能。实施例1步骤七得到的Al-Mg-Er-Zr合金线材采用TIG焊接的方式焊接同成分板材的焊接接头强度重量损失为5mg/cm2，与采用5083焊丝后焊接接头晶间腐蚀性能相当。
实施例2：一种新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
一、配料：按照Mg的质量分数为4.8％，Mn的质量分数为0.8％，Er的质量分数0.25％，Zr的质量分数为0.12％，Fe的质量分数<0.25％，Si的质量分数<0.15％，Ti的质量分数0.025％，单个杂质的质量分数＜0.05％，合计杂质的质量分数＜0.15％，余量为Al，称取纯铝锭(99.95％)、纯镁锭、铝锰中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金、铝钛中间合金。
二、铸造：将步骤一称取的纯铝锭、Al-Mn中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Zr中间合金在760℃下熔化，当熔体温度达到780℃以上加入Al-Er中间合金，加入后保温20min开炉搅拌第一次，关闭炉门待熔体温度升温至780℃后保温20min再开炉搅拌第二次，熔体温度再升温至780℃保温20min，搅拌第三次，当熔体温度降至740℃时加入纯镁锭，搅拌然后用Ar-Cl2气精炼，精炼后静置20min，待温度在710℃～730℃下进行除渣、铸造，得到Al-Mg-Er-Zr铝合金
Figure BDA0003914550010000061
圆铸锭。
三、均匀化：将A1-Mg-Er-Zr铝合金
Figure BDA0003914550010000062
圆铸锭在280℃下保温20h，然后升温至470℃保温24h，出炉空冷至室温，然后将均匀化铸锭车皮至表面无明显缺陷及皮下裂纹为止，获得均匀化铸块；
四、挤压：将步骤三得到的均匀化铸块进行挤压前加热处理，监测金属温度到420℃后开始保温计时6h，当出炉温度为410℃～420℃时开始挤压，挤压速度为20～26mm/min挤压成
Figure BDA0003914550010000063
规格线材；
五、中间退火：将步骤四得到的线材在320℃保温2h后出炉空冷，得到退火后的线材；
六、拉拔：将步骤五得到的线材进行拉拔，拉拔量23％，然后280℃保温2h，出炉冷却到室温后继续进行拉拔至
Figure BDA0003914550010000064
然后280℃保温2h，出炉冷却到室温后再继续进行拉拔至
Figure BDA0003914550010000065
拉拔量最大控制在25％，最后的得到
Figure BDA0003914550010000066
的线材。
七、刮丝：将步骤六得到的线材进行刮丝处理，单道次最大刮丝量0.05mm，得到成品
Figure BDA0003914550010000071
线材。
焊接试验检测：以5E83合金作为焊接铝合金母材，分别利用本实施例1得到的合金焊丝线材、5083线材作为焊丝进行焊接，对焊接结果进行检测，如表1所示。
表1
Figure BDA0003914550010000072
通过表1可知，本实施例的合金焊丝焊接接头强度相比5083合金能提高约10％以上。

Claims (10)

1.一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝，其特征在于该Al-Mg-Er-Zr合金焊丝按质量分数由4.3％～5.3％的Mg、0.3％～0.9％的Mn、0.1％～0.3％的Er、0.07％～0.14％的Zr、Fe<0.25％，Si<0.15％、0.01％～0.04％的Ti和余量的Al组成。
2.根据权利要求1所述的一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝，其特征在于所述Al-Mg-Er-Zr铝合金中Mg的质量分数为4.8％，Mn的质量分数为0.8％，Er的质量分数为0.25％，Zr的质量分数为0.12％，Fe的质量分数<0.15％，Si的质量分数<0.12％，Ti的质量分数<0.02％，单个杂质的质量分数＜0.05％，合计杂质的质量分数＜0.15％，余量为Al。
3.如权利要求1所述的一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
一、配料：按照Mg的质量分数为4.3％～5.3％，Mn的质量分数为0.3％～0.9％，Er的质量分数0.1％～0.3％，Zr的质量分数为0.07％～0.14％，Fe的质量分数<0.25％，Si的质量分数<0.15％，Ti的质量分数0.01％～0.04％，单个杂质的质量分数＜0.05％，合计杂质的质量分数＜0.15％，余量为Al，称取纯铝锭、纯镁锭、铝锰中间合金、铝铒中间合金、铝锆中间合金和铝钛中间合金；
二、铸造：将步骤一称取的纯铝锭、铝锰中间合金、铝锆中间合金和铝钛中间合金在760℃下熔化后，继续加热，当熔体温度达到780℃加入铝铒中间合金，保温10-20min，进行搅拌，搅拌后待熔体温度再升至780℃，保温10-20min再进行第二次搅拌，待熔体温度再升至780℃后保温10-20min再进行第三次搅拌，当熔体温度降至740℃时加入纯镁锭，然后搅拌，精炼，静置，待温度在700℃～720℃下进行除渣、铸造，得到Al-Mg-Er-Zr铝合金φ162mm圆铸锭；
三、均匀化：针对步骤二所得到的Al-Mg-Er-Zr铝合金圆铸锭进行均匀化处理，出炉空冷至室温，获得均匀化铸块；
四、挤压：将步骤三得到的均匀化铸块进行挤压前加热处理，金属温度为420℃～440℃时开始保温，在出炉温度410℃～440℃下开始挤压，挤压成φ10.5mm规格线材；
五、中间退火：将步骤四得到的线材进行退火，得到退火后的线材；
六、拉拔：将步骤五得到的线材进行拉拔，拉拔量20％，然后再进行中间退火，出炉冷却到室温后继续进行拉拔至φ5.7mm，进行中间退火，再继续进行拉拔至φ4.0mm，拉拔量控制在17％～28％，最后的得到φ1.7-3.2mm的线材；
七、刮丝：将步骤六得到的线材进行刮丝处理，得到成品φ1.6-3mm线材。
4.根据权利要求3所述的一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，其特征在于步骤二中精炼是指用Ar-Cl2气进行精炼。
5.根据权利要求3所述的一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，其特征在于步骤二中精炼后静置20min。
6.根据权利要求3所述的一种新型耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，其特征在于步骤三中Al-Mg-Er-Zr铝合金铸锭均匀化制度为280℃/20h+470℃/24h，出炉空冷至室温，得到合金均匀化铸锭。
7.根据权利要求3所述的一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，其特征在于步骤四中挤压加热温度410℃～440℃，监测金属温度到温后开始保温计时6h，当出炉温度为410℃～440℃时开始挤压，挤压速度为20～26mm/min，挤压成φ10.5mm规格线材。
8.根据权利要求3所述的一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，其特征在于步骤五中退火是在320℃保温2h进行中间退火。
9.根据权利要求3所述的一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，其特征在于步骤六中间退火是指280℃保温2h。
10.根据权利要求3所述的一种耐蚀Al-Mg-Er-Zr合金焊丝的制备方法，其特征在于步骤七中单道次最大刮丝量为0.05mm。
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