CN115786780A - 一种高Cu含量6XXX铝合金及其型材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高Cu含量6XXX铝合金及其型材的制备方法，铝合金的组分及其质量百分含量为：Fe≤0.2％、Si 0.9％‑1.6％、Cu 0.65％‑0.95％、Mn 0.35％‑0.65％、Mg 0.9％‑1.38％、Zr 0.04％‑0.25％、其余为Al。制备方法包括：合金熔炼、均质热处理、型材挤压加工及形变热处理。本发明能够制备高强韧、高耐蚀性等综合优异性能的海洋装备用高Cu含量铝合金型材产品。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料技术领域，具体涉及一种高Cu含量6XXX铝合金。
背景技术
随着国家军工国防领域对产品综合性能要求的提升，对铝合金材料提出了更高的综合性能需求，尤其是轻量化特性，海洋装备领域尤其需求强烈。现有海洋装备在制造过程中，90％以上的结构材料和框架材料应用均为钢铁，主要的原因是钢铁的强度高，耐腐蚀，而应用于其余部分的铝合金大部分为5XXX铝合金，利用其耐腐蚀特性。然而5XXX铝合金虽然耐腐蚀性能较为优异，但是其力学性能受限于合金成分，难以向350MPa以上突破，所以铝合金在海洋领域装备制造上仍旧受到了很多的限制。
6XXX铝合金具备中等强度、耐腐蚀性能优良、易热加工成型的特性，在产品制造上具备良好的先天优势，现有6XXX合金的强度仍旧难以实现有效的轻量化效果，因此只能在合金成分上继续优化升级，加入合金元素Cu和稀土元素是比较合理的方案，然而Cu元素加入后合金的耐腐蚀性能会受到显著的影响，故还需要一种新型的产品制造和热处理工艺，实现合金产品优良的力学和耐腐蚀性能。除此以外，海洋领域装备的大量零部件连接需要焊接工艺，而往往高Cu含量的合金产品焊接效果一般，焊接系数较低，因此需要进一步调整合金成分进而实现优良的焊接特性。
发明内容
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供一种高Cu含量6XXX铝合金及其型材的制备方法，通过合金成分设计、合金型材热挤压工艺优化及热处理工艺优化实现高Cu含量6XXX铝合金型材的高强度、耐腐蚀和可焊接性能优良的综合特性，特别适用于海洋装备领域产品的制造和生产。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种高Cu含量6XXX铝合金，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：Fe≤0.2％、Si0.9％-1.6％、Cu 0.65％-0.95％、Mn 0.35％-0.65％、Mg 0.9％-1.38％、Zr 0.04％-0.25％、其余为Al。
进一步地，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：Fe≤0.2％、Si 0.9％-1.6％、Cu0.75％-0.95％、Mn 0.35％-0.65％、Mg 0.98％-1.38％、Y 0.05％-0.10％、Er 0.06％-0.25％、Zr0.15％-0.25％、其余为Al，0.13％≤Er的质量百分含量+Y的质量百分含量≤0.3％。
本发明合金成分设计中，利用Cu元素的强化效果，添加含量较高的Cu元素，能够显著提升Al-Mg-Si系列合金的力学性能，主要原理是合金在时效过程中形成Al2Cu和Al2CuMg的强化相。Er和Y是特性明显的稀土元素，首先两者的成本相对较低，合金成本不会因为稀土合金元素的添加而明显提升；其次，Er和Y能够形成特殊结构的弥散强化相，一方面能够有效的在焊缝区域形成弥散强化相提升焊缝的强度，另一方面弥散相的组织特征能够有效提升合金的耐腐蚀性能。因此，合金成分设计中协同发挥Cu、Er和Y元素的强化作用能够有效的保证合金的成本和高品质。
一种如上述的高Cu含量6XXX铝合金的型材的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)合金熔炼及铸造：根据所述铝合金的组分及其质量百分含量进行配料，将熔炼炉炉温设定为735℃-755℃，向熔炼炉中依次加入铝锭、铝锰、铝铁、铝锆、铜板及铝硅中间合金至全部熔化，再向熔炼炉中加入镁锭后搅拌，得到炉料；将炉料保温区间调整为735℃-745℃，向熔化的炉料中加入精炼剂，并进行除气除渣；静置后，得到合金液，将合金液导入至铸盘浇注成锭，得到第一铸锭；
(2)合金均匀化处理：将第一铸锭进行均匀化处理，得到第二铸锭；
(3)合金型材挤压制造：将第二铸锭进行保温处理后再进行挤压，挤压出口速率为2.4m/min-5.0m/min，控制型材米重为2.5-5.5kg/m，挤压出口处进行在线水淬火处理，得到挤压后型材。第二铸锭进行保温处理，保温温度为430-450℃、保温时间为4-6h，同时将挤压筒和挤压模具预热，预热温度均为440-460℃，铸锭温度低于挤压筒温度5-10℃。挤压出口处进行在线水淬火处理，介质是温度为40℃-55℃的盐水，主要盐分为氯化钠和氯化钾或者是两者的混合物，盐分质量分数为1.2-3.2％，得到挤压型材。挤压筒和挤压模具预热温度稍稍高于铸锭的保温温度，主要的目的是在热挤压过程中，铸锭会由于挤压和摩擦导致温度提升，保证合金铸锭在挤压过程中的温度趋近于挤压筒和挤压模具温度，近似实现合金的等温挤压。此外，在线淬火成功的关键主要是多方面因素决定的，成分已经根据力学性能进行设计，其中Cu含量较高，该元素含量的提升会提高合金的淬火敏感性，想要达到理想的固溶效果，必须匹配冷却介质强度、型材出口速率和型材米重，故在此技术方案中着重考虑以上四个因素的匹配关系。
(4)形变热处理：型材形变热处理步骤主要包括拉伸冷变形和时效。将挤压后型材进行拉伸冷变形处理和双级时效处理，拉伸冷变形处理的变形率为1.8％-3.2％；双级时效处理包括一级时效、二级时效，一级时效温度为167℃-177℃、保温时间为6h-12h，二级时效温度为190℃-205℃、保温时间为1h-3h。冷变形的主要目的是增加合金内部的位错密度，增加析出相形核质点，形核质点越多越能改善析出相的弥散分布状态和尺寸；另外海洋装备对合金型材的耐腐蚀性能要求较高，因此在时效处理过程中，一方面提升热处理时间长度和二级时效温度，另一方面兼顾生产效率，因此，二级时效使用的温度为短时高温时效，控制合金型材的热处理状态处于过时效处理状态，保证合金的腐蚀性能。
进一步地，步骤(2)中将第一铸锭进行均匀化处理的工艺流程为：将第一铸锭在515℃-525℃区间保温24h-36h，保温过程结束后以15℃/h-30℃/h的冷却速率随炉冷却至180℃-190℃区间，再空冷至室温，得到第二铸锭。第一铸锭的均匀化处理温度区间为515℃-525℃，低于常见的6XXX铝合金，保温时间为24h-36h，时间较长，主要目的是均匀化温度和保温时间的设定，兼顾合金中Cu、Mg、Si等元素不同的扩散速度，温度过高，容易引发含Cu低熔点第二相的熔化造成合金的过烧现象，保温时间不够，容易诱发合金中Cu、Mg、Si等元素的扩散不均，致使后续合金制造型材产品时，出现严重的点腐蚀现象。另一方面，长时间的低温均匀化热处理，有利于合金型材产品的顺利挤压生产，增加截面形状复杂、挤压高难度产品的成功率。
进一步地，步骤(3)中将第二铸锭进行保温处理的保温温度为430℃-450℃、保温时间为4-6h；将第二铸锭进行保温处理后采用挤压筒和挤压模具进行挤压，将挤压筒和挤压模具预热，挤压筒和挤压模具的预热温度均为440℃-460℃，第二铸锭的保温温度比挤压筒的预热温度低5℃-10℃。
进一步地，步骤(3)中所述精炼剂为氯化钠、氯化钾中的一种，步骤(3)中进行除气除渣时通入氩气与氮气的混合气体进行保护，氩气与氮气的体积比为1-3:1。
进一步地，步骤(3)中将挤压出口处进行在线水淬火处理时采用温度为40℃-55℃的盐水作为淬火介质，盐水中的盐分为氯化钠和氯化钾中的一种或两种，盐水中的盐分质量分数为1.2％-3.2％。
本发明的有益技术效果：本发明技术方案中提升了6XXX合金成分中的Cu元素，以保证合金热处理后优异的力学性能；优化调整合金型材挤压过程中的匹配冷却介质强度、型材出口速率和型材米重等参数，并使用盐水作为淬火介质，有效地保证了高Cu合金高淬火敏感性难以在线完美淬火的技术问题；同时，调整热处理工艺技术参数，保证合金型材的耐腐蚀性能。利用该技术方案可以制造出高强高耐蚀，低成本，工艺路径简单的海洋领域装备用铝合金型材产品。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例的高Cu含量6XXX铝合金的组分及其质量百分比为：Fe：0.2％，Si：0.9％，Cu：0.85％，Mn：0.35％，Mg：1.18％，Y：0.10％，Er：0.2％，Zr：0.14％，其余为Al。
实施例1中铝合金型材的制备按照以下步骤进行：
(1)合金熔炼及铸造：根据所述高Cu含量6XXX铝合金的组分及其质量百分含量进行配料，将熔炼炉炉温设定为735℃，向熔炼炉中依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁、铝锆、铜板及铝硅中间合金，待重熔铝锭、铝锰、铝铁、铝锆、铜板及铝硅中间合金全部熔化，熔化后加入镁锭搅拌，得到炉料；将炉料保温温度调整为735℃，向熔化炉料中加入精炼剂，并进行除气除渣，精炼剂为氯化钠；所述除气除渣通入气氛为氩气和氮气的混合气体，两者通入比例为1:1；静置后，得到合金液，将所得合金液导入至铸盘浇注成锭，得到第一铸锭；
(2)合金均匀化处理：均匀化处理的工艺流程为：将第一铸锭在525℃保温24h，保温过程结束后以15℃/h的冷却速率随炉冷却至180℃，再空冷至室温，得到第二铸锭。
(3)合金型材挤压制造：将第二铸锭进行保温处理，保温温度为430℃、保温时间为4h，同时将挤压筒和挤压模具预热，预热温度均为440℃，将保温完成的第二铸锭进行挤压，挤压型材出口速率控制为2.4m/min，控制型材米重为5.5kg/m，挤压出口处进行在线水淬火处理，介质是温度为40℃的盐水，主要盐分为氯化钾，盐分质量分数为3.2％，得到挤压后型材。
(4)形变热处理：型材形变热处理步骤主要包括：拉伸冷变形和时效。冷变形处理的变形率为3.2％；双级时效处理包括一级时效、二级时效，一级时效温度为167℃、保温时间为12h，二级时效温度为205℃、保温时间为1h。
实施例2
本实施例的高Cu含量6XXX铝合金的组分及其质量百分比为：Fe：0.15％，Si：1.35％，Cu：0.65％，Mn：0.65％，Mg：0.9％，Y：0.05％，Er：0.15％，Zr：0.045％，其余为Al。
实施例2中铝合金型材的制备按照以下步骤进行：
(1)合金熔炼及铸造：根据所述高Cu含量6XXX铝合金的组分及其质量百分含量进行配料，将熔炼炉炉温设定为755℃，向熔炼炉中依次加入重熔铝锭、铝锰、铝铁、铝锆、铜板及铝硅中间合金，待重熔铝锭、铝锰、铝铁、铝锆、铜板及铝硅中间合金全部熔化，熔化后加入镁锭后搅拌，得到炉料；将炉料保温温度调整为745℃，向熔化炉料中加入精炼剂，并进行除气除渣，精炼剂为氯化钠；所述除气除渣通入气氛为氩气和氮气的混合气体，两者通入比例为3:1；静置后，得到合金液，将所得合金液导入至铸盘浇注成锭，得到第一铸锭。
(2)合金均匀化处理：均匀化处理的工艺参数为：将第一铸锭在515℃区间保温36h，保温过程结束后以30℃/h的冷却速率随炉冷却至190℃，再空冷至室温，得到第二铸锭。
(3)合金型材挤压制造：将第二铸锭进行保温处理，保温温度为450℃、保温时间为6h，同时将挤压筒和挤压模具预热，预热温度均为460℃，将保温完成的第二铸锭进行挤压，挤压型材出口速率控制为5.0m/min，控制型材米重为2.5kg/m，挤压出口处进行在线水淬火处理，介质是温度为55℃的盐水，主要盐分氯化钠，盐分质量分数为2.0％，得到挤压后型材。
(4)形变热处理：型材形变热处理步骤主要包括：拉伸冷变形和时效。冷变形处理的变形率为1.8％；双级时效处理包括一级时效、二级时效，一级时效温度为177℃、保温时间为6h，二级时效温度为190℃、保温时间为3h。
实施例3
实施例3与实施例1不同的是合金成分调整如下，其余参数与实施例1相同。
实施例3的高Cu含量6XXX铝合金的组分及其质量百分比为：Fe：0.2％，Si：1.6％，Cu：0.95％，Mn：0.35％，Mg：1.38％，Zr：0.25％，其余为Al。
实施例4
实施例4与实施例1不同的是合金成分调整如下，其余参数与实施例1相同。
实施例4的高Cu含量6XXX铝合金的组分及其质量百分比为：Fe：0.15％，Si：1.6％，Cu：0.95％，Mn：0.65％，Mg：1.38％，Zr：0.15％，其余为Al。
对比例1
对比例1与实施例1不同的是合金成分调整如下，其余参数与实施例1相同。
对比例1的高Cu含量6XXX铝合金的组分及其质量百分比为：Fe：0.2％，Si：0.9％，Cu：0.85％，Mn：0.35％，Mg：1.18％，Zr：0.14％，其余为Al。
对比例2
对比例2与实施例1不同的是均匀化处理的工艺流程，其余与实施例1相同。对比例2中均匀化处理的工艺流程为：将第一铸锭在525℃区间保温20h，保温过程结束后空冷却至室温，得到第二铸锭。
对比例3
对比例3与实施例1不同的是：步骤(3)挤压型材出口速率控制为5.0m/min，控制型材米重为5.5kg/m；其余与实施例1相同。
对比例4
对比例4与实施例1不同的是：步骤(3)挤压出口处进行在线水淬火处理，介质是温度为55℃的水；其余与实施例1相同。
对比例5
对比例5与实施例1不同的是：步骤(4)双级时效处理调整为单级时效，工艺参数为时效温度为167℃、保温时间为12h；其余与实施例1相同。
表1所示分别为实施例1-实施例4、对比例1-对比例5中制备的型材的力学性能、晶间耐腐蚀性能等综合结果比较，结果如下：
表1实施例1-实施例4、对比例1-对比例5中制备的材料的性能结果
| 案例 | 抗拉强度MPa | 屈服强度MPa | 延伸率％ | 晶间腐蚀等级 |
| 实施例1 | 395 | 370 | ≥8.5 | I级 |
| 实施例2 | 396 | 375 | ≥8.1 | I级 |
| 实施例3 | 383 | 362 | ≥8.9 | I-II级 |
| 实施例4 | 380 | 359 | ≥8.8 | I-II级 |
| 对比例1 | 373 | 352 | ≥8.2 | III-IV级 |
| 对比例2 | 373 | 352 | ≥8.2 | II-III级 |
| 对比例3 | 365 | 332 | ≥7.9 | III-IV级 |
| 对比例4 | 370 | 351 | ≥8.0 | III-IV级 |
| 对比例5 | 385 | 366 | ≥8.7 | III-IV级 |
实施例1-实施例4中得到的海洋装备用高Cu含量的铝合金型材力学性能优异，耐腐蚀性能优良，可见本发明技术方案的成分设计、合金熔铸、均匀化、热挤压、热处理工艺是合理的，技术方案是可行的。与实施例1相比，对比例1合金成分方案中并未添加Er和Y，直观的结果可见合金材料的力学性能显著降低，耐腐蚀性能降低，因此，稀土铝合金元素添加对6XXX合金的耐腐蚀性能是非常有利的。与实施例1相比，对比例2中铸锭的均质主要工艺参数调整为第一铸锭在525℃区间保温20h，属于较高温度，较短的时间保温，力学性能显示此工艺参数对合金的力学性能和耐腐蚀性能都是十分重要的，时间较短的均匀化时间，并不能达到良好的均质效果。与实施例1相比，对比例3中挤压型材出口速率控制为5.0m/min，控制型材米重为5.5kg/m，可以发现合金的综合性能显著降低，这主要是由于较大米重的合金型材出口速度较快，冷却介质满足冷却速率的要求下，冷却强度不够，这主要是型材米重过大造成，合金固溶效果减弱，合金中析出更多的含Si和含Cu的第二相，导致时效效果降低，合金的力学性能和腐蚀性能均发生恶化的现象。与实施例1相比，对比例4中挤压出口处进行在线水淬火处理，介质是温度为55℃的水，相比于盐水，水的冷却速率较低，对于米重较大的型材而言，冷却强度不够，导致合金固溶效果降低，产生了和对比例3相同的性能测试结果。与实施例1相比，对比例5中将双级时效调整为单级时效，而且取消了高温短时的时效过程，该工艺调整使此时型材的热处理状态接近T6峰时效状态，合金内部组织不利于合金耐腐蚀性能的改善，因此，此时合金的力学性能较高(但低于实施例1，更多的原因是Cu元素的析出温度较高，此工艺条件下，Cu元素析出并不彻底)，腐蚀性能较差。综上所述，本发明技术方案通过合金成分中稀土元素的添加，均质工艺、热挤压工艺和热处理工艺的调整，实现材料成分和工艺路线的完美配合，实现了高强度、优良的耐腐蚀性能，且能应用于海洋领域用的高Cu含量铝合金型材的开发。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，并不局限发明。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 (7)
1.一种高Cu含量6XXX铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：Fe≤0.2％、Si 0.9％-1.6％、Cu 0.65％-0.95％、Mn 0.35％-0.65％、Mg 0.9％-1.38％、Zr0.04％-0.25％、其余为Al。
2.根据权利要求1所述的高Cu含量6XXX铝合金，其特征在于，所述铝合金的组分及其质量百分含量为：Fe≤0.2％、Si 0.9％-1.6％、Cu 0.75％-0.95％、Mn 0.35％-0.65％、Mg0.98％-1.38％、Y 0.05％-0.10％、Er 0.06％-0.25％、Zr 0.15％-0.25％、其余为Al，0.13％≤Er的质量百分含量+Y的质量百分含量≤0.3％。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的高Cu含量6XXX铝合金的型材的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)根据所述铝合金的组分及其质量百分含量进行配料，将熔炼炉炉温设定为735℃-755℃，向熔炼炉中依次加入铝锭、铝锰、铝铁、铝锆、铜板及铝硅中间合金至全部熔化，再向熔炼炉中加入镁锭后搅拌，得到炉料；将炉料保温区间调整为735℃-745℃，向熔化的炉料中加入精炼剂，并进行除气除渣；静置后，得到合金液，将合金液导入至铸盘浇注成锭，得到第一铸锭；
(2)将第一铸锭进行均匀化处理，得到第二铸锭；
(3)将第二铸锭进行保温处理后再进行挤压，挤压出口速率为2.4m/min-5.0m/min，控制型材米重为2.5-5.5kg/m，挤压出口处进行在线水淬火处理，得到挤压后型材；
(4)将挤压后型材进行拉伸冷变形处理和双级时效处理，拉伸冷变形处理的变形率为1.8％-3.2％；双级时效处理包括一级时效、二级时效，一级时效温度为167℃-177℃、保温时间为6h-12h，二级时效温度为190℃-205℃、保温时间为1h-3h。
4.根据权利要求3所述的高Cu含量6XXX铝合金的型材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中将第一铸锭进行均匀化处理的工艺流程为：将第一铸锭在515℃-525℃区间保温24h-36h，保温过程结束后以15℃/h-30℃/h的冷却速率随炉冷却至180℃-190℃区间，再空冷至室温，得到第二铸锭。
5.根据权利要求3所述的高Cu含量6XXX铝合金的型材的制备方法，其特征在于，步骤(3)中将第二铸锭进行保温处理的保温温度为430℃-450℃、保温时间为4h-6h；将第二铸锭进行保温处理后采用挤压筒和挤压模具进行挤压，将挤压筒和挤压模具预热，挤压筒和挤压模具的预热温度均为440℃-460℃，第二铸锭的保温温度比挤压筒的预热温度低5℃-10℃。
6.根据权利要求3所述的高Cu含量6XXX铝合金的型材的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述精炼剂为氯化钠、氯化钾中的一种，步骤(3)中进行除气除渣时通入氩气与氮气的混合气体进行保护，氩气与氮气的体积比为1-3:1。
7.根据权利要求3所述的高Cu含量6XXX铝合金的型材的制备方法，其特征在于，步骤(3)中将挤压出口处进行在线水淬火处理时采用温度为40℃-55℃的盐水作为淬火介质，盐水中的盐分为氯化钠和氯化钾中的一种或两种，盐水中的盐分质量分数为1.2％-3.2％。
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| JP2001011559A (ja) * | 1999-06-29 | 2001-01-16 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | 耐食性に優れた高強度アルミニウム合金押出材およびその製造方法 |
| WO2011023060A1 (zh) * | 2009-08-27 | 2011-03-03 | 贵州华科铝材料工程技术研究有限公司 | 高强耐热铝合金材料及其制备方法 |
| CN106521253A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-03-22 | 中南大学 | 一种高成形性Al‑Mg‑Si合金及其制造方法 |
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