CN116944244A - 一种高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，属于耐磨耐蚀材料制造技术领域。本发明通过对6xxx系铝合金依次进行高温熔炼、均匀化处理、高应变速率蛇形五道次轧制、多阶段强化固溶处理和多阶段时效处理工艺，使其在高应变速率轧制下具有极高比例的小角度晶界，从而达到高强高韧抗腐蚀的高小角度晶界6xxx系铝合金板材的加工目标，获得具有优异强度、延伸率和耐腐蚀等综合性能的铝合金板材。并且本发明所述轧制方法具有生产工艺相对简单，成本低易于实施的优点。
Description
技术领域
本发明属于耐磨耐蚀材料制造技术领域，具体涉及一种高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺。
背景技术
6×××系列即Al-Mg-Si铝合金具有比强度高，良好的加工性能、焊接性能和耐腐蚀性，大量应用于结构工程工业、航空和交通运输工业。而铝合金构件的腐蚀疲劳损伤是影响铝合金可持续使用的重要因素。
目前，单纯的在6×××系铝合金中添加合金元素，在一些情况下，可以改变合金组成以提高最终铝合金产品的强度，例如通过增加合金组成中硅或铜的量。然而，增加合金中硅或铜的浓度通常导致在晶界处形成沉淀，这反过来又降低了铝合金成品的耐腐蚀性。现有技术通过热处理工艺以及加工工艺两者协同作用，可以同步提升铝合金的强韧性和耐腐蚀性，对解决6×××系铝合金在汽车结构和封闭面板上的应用，具有巨大帮助。
发明专利CN 114574737 B公开了一种高强、高塑性、抗应力腐蚀的块体纳米结构铝合金及制备方法。通过高应变速率高速变形和高温退火制备的块体纳米结构铝合金，其微观结构由等轴的超细200～1000nm晶粒组成，纳米晶的晶界主要是由低能小角晶界构成。该专利制备的块体纳米结构铝合金具有高的强塑性匹配，且具有非常优异的抗应力腐蚀性能，适用于在含氯离子的苛刻腐蚀环境中使用的高强、高韧结构件的制备。
发明专利CN 106967910 A介绍了一种高强度Al-Zn-Mg系铝合金及其制备方法，所述Al-Zn-Mg系铝合金的室温抗拉强度大于420MPa，屈服强度大于380MPa，伸长率大于11％，具有强度高、塑性好、耐腐蚀性能优良等优点，适合于制造平板电脑、智能手机等便携式电子产品的外壳以及汽车、轨道车辆等交通运输工具的保险杆、防撞梁、横梁等，具有广阔的市场应用前景，但添加的稀土元素提高了该方案的成本，不利于实际生产运用。
上述两个现有专利的铝合金材料通过改善加工工艺，材料成分配比，形成不同的织构或析出相来改善铝合金耐蚀性能时，仍然存在耐腐蚀性能改善不理想、耐腐蚀性能不均匀、合金强度受到较大影响等问题。
现有研究表明，具有纤维状晶粒和小角度晶界的6×××系铝合金，其强度、断裂韧性及耐腐蚀性能更佳。因此，如何获得高比例小角度晶界和低体积分数再结晶组织是提高合金综合性能的关键。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，通过增强小角度晶界的比例，进而增强6xxx系铝合金的强度、断裂韧性及耐腐蚀性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，包括如下步骤：
(1)对6xxx系铝合金进行均匀化处理；
(2)然后进行五道次轧制，五道次压下每道次的变形量依次为8-12％、11-15％、14-18％、17-21％、20-24％，总变形量为80％；每道次的咬入系数依次为0.14、0.16、0.18、0.20、0.21；轧制温度为370℃～400℃，每道次轧制的轧制应变速率为30s-1；
(3)将轧制后的铝合金依次进行固溶处理、水淬处理和时效处理得到高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金。
本发明在370℃～400℃的轧制温度有利于小角度晶界比例的提高，且晶界角主要分布在0°～10°，过高的轧制温度会使热激活过程增强，从而诱发一定程度的动态再结晶，而动态再结晶晶粒具有大角度晶界，因此大角度晶界的比例有所升高，导致小角度晶界的比例降低。
所述五道次压下每道次的变形量分别为6xxx系铝合金的8-12％、11-15％、14-18％、17-21％、20-24％。
作为本发明的优选实施方案，所述轧制为蛇形轧制，可以提高铝合金板带钢厚度方向变形的均匀性，同时保证轧后板形良好。
作为本发明的优选实施方案，所述6xxx系铝合金包含的元素有Mg、Si、Cu、Mn、Fe、Zn，其余为Al和微量的稀土及其他合金元素。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤(1)中，均匀化处理后对铝合金进行淬火以达到快速冷却的目的。
作为本发明的优选实施方案，所述均匀化处理的温度为450-470℃，时间为24-26h。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤(2)中，将轧制后的铝合金立即放入冷水中冷却，以保存其变形后组织。
作为本发明的优选实施方案，所述步骤(2)中，将步骤(1)得到的铸锭加热到370-400℃下进行轧制。
作为本发明的优选实施方案，所述固溶处理为多阶段固溶处理，具体为：升温到450℃保持0.5h，然后升温到470℃保持0.5h，最后升温到490℃保持0.5h。
作为本发明的优选实施方案，所述时效处理的工艺流程为在120℃保持12h，然后在150℃保持24h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明是通过对6xxx系铝合金其依次进行高温熔炼、均匀化处理、高应变速率蛇形轧制、强化固溶处理和时效处理工艺，使其在高应变速率轧制下具有极高比例的小角度晶界。从而达到高强高韧抗腐蚀的高小角度晶界6xxx系铝合金板材的加工目标，获得具有优异强度、延伸率和耐腐蚀等综合性能的铝合金板材。并且本发明所述轧制方法具有生产工艺相对简单，成本低易于实施的优点。
附图说明
图1为本发明所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺的部分生产工艺示意图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的化学成分及重量百分比如表1所示。
表1
| Mg | Si | Cu | Zn | Cr | Mn | Ti | 余量 |
| 1.119 | 0.757 | 0.285 | 0.259 | 0.032 | 0.15 | 0.148 | Al和不可避免的杂质 |
将成分如表1所示的6061铝合金冶炼和浇铸，形成一个厚度100mm的铝合金铸锭。完成后将铸态的铝合金铸锭加热到450℃进行24h的均匀化处理，使所有元素均匀分布。快速冷却至室温后，将铝合金铸锭加热到370℃，进行五道次蛇形热轧。首次蛇形热轧变形量10mm，咬入系数为0.14；第二次蛇形热轧变形量13mm，咬入系数为0.16；第三次蛇形热轧变形量16mm，咬入系数为0.18；第四次蛇形热轧变形量19mm，咬入系数为0.20；最后一次蛇形热轧变形量22mm，咬入系数为0.21，每道次轧制的轧制应变速率应在30s-1；轧制完成后的板材立即放入冷水中冷却，以保存其变形后组织。随后将其加热，进行多阶段固溶处理，具体为：升温到450℃保持0.5h，然后升温到470℃保持0.5h，最后升温到490℃保持0.5h，固溶结束后在室温下进行水淬处理降至室温。然后进行低温时效处理：在120℃保持12h，然后在150℃保持24h。降至室温后获得的高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的屈服强度、抗拉强度、延伸率和小角度晶界比例如表2所示，其中小角度晶界比例由合金样品的EBSD晶界图和相应的反极图得出。
实施例2
本实施例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的化学成分及重量百分比如表1所示。
将成分如表1所示的6061铝合金冶炼和浇铸，形成一个厚度200mm的铝合金铸锭。完成后将铸态的铝合金铸锭加热到460℃进行25h的均匀化处理，使所有元素均匀分布。快速冷却至室温后，将铝合金铸锭加热到380℃，进行五道次蛇形热轧。首次蛇形热轧变形量20mm，咬入系数为0.14；第二次蛇形热轧变形量26mm，咬入系数为0.16；第三次蛇形热轧变形量32mm，咬入系数为0.18；第四次蛇形热轧变形量38mm，咬入系数为0.20；最后一次蛇形热轧变形量44mm，咬入系数为0.21，每道次轧制的轧制应变速率应在30s-1；轧制完成后的板材立即放入冷水中冷却，以保存其变形后组织。随后将其加热，进行多阶段固溶处理，具体为：升温到450℃保持0.5h，然后升温到470℃保持0.5h，最后升温到490℃保持0.5h，固溶结束后在室温下进行水淬处理降至室温。然后进行低温时效处理：在120℃保持12h，然后在150℃保持24h。降至室温获得的高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的屈服强度、抗拉强度、延伸率和小角度晶界比例如表2所示，其中小角度晶界比例由合金样品的EBSD晶界图和相应的反极图得出。
实施例3
本实施例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的化学成分及重量百分比如表3所示。
表3
将成分如表3所示的6082铝合金冶炼和浇铸，形成一个厚度100mm的铝合金铸锭。完成后将铸态的铝合金铸锭加热到470℃进行26h的均匀化处理，使所有元素均匀分布。快速冷却至室温后，将铝合金铸锭加热到390℃，进行五道次蛇形热轧。首次蛇形热轧变形量10mm，咬入系数为0.14；第二次蛇形热轧变形量13mm，咬入系数为0.16；第三次蛇形热轧变形量16mm，咬入系数为0.18；第四次蛇形热轧变形量19mm，咬入系数为0.20；最后一次蛇形热轧变形量22mm，咬入系数为0.21，每道次轧制的轧制应变速率应在30s-1；轧制完成后的板材立即放入冷水中冷却，以保存其变形后组织。随后将其加热，进行多阶段固溶处理，具体为：升温到450℃保持0.5h，然后升温到470℃保持0.5h，最后升温到490℃保持0.5h，固溶结束后在室温下进行水淬处理降至室温。然后进行低温时效处理：在120℃保持12h，然后在150℃保持24h。降至室温获得的高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的屈服强度、抗拉强度、延伸率和小角度晶界比例如表2所示，其中小角度晶界比例由合金样品的EBSD晶界图和相应的反极图得出。
对比例1
本对比例一种高强高韧抗腐蚀的高小角度晶界6xxx系铝合金板材的化学成分及重量百分比如表1所示。
将成分如表1所示的6061铝合金冶炼和浇铸，形成一个厚度100mm的铝合金铸锭。完成后将铸态的铝合金加热到565℃进行3h的高温固溶，使所有元素均匀分布，随后进行一次热轧成型，热轧温度370℃，总变形量在80％，轧制变形速率为10s-1；时效温度为380℃，时间30min；最终获得的铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率和小角度晶界比例如表2所示。
对比例2
本对比例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的制备方法与实施例1唯一不同的是：所述每道次轧制的轧制应变速率应在10s-1。
对比例3
本对比例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的制备方法与实施例1唯一不同的是：所述每道次轧制的轧制应变速率应在40s-1。
对比例4
本对比例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的化学成分及重量百分比如表1所示。
将成分如表1所示的6061铝合金冶炼和浇铸，形成一个厚度100mm的铝合金铸锭。完成后将铸态的铝合金铸锭加热到450℃进行24h的均匀化处理，使所有元素均匀分布。快速冷却至室温后，将铝合金铸锭加热到370℃，进行四道次蛇形热轧。首次蛇形热轧变形量10mm，咬入系数为0.14；第二次蛇形热轧变形量13mm，咬入系数为0.16；第三次蛇形热轧变形量16mm，咬入系数为0.18；第四次蛇形热轧变形量19mm，咬入系数为0.20，每道次轧制的轧制应变速率应在30s-1；轧制完成后的板材立即放入冷水中冷却，以保存其变形后组织。随后将其加热，进行多阶段固溶处理，具体为：升温到450℃保持0.5h，然后升温到470℃保持0.5h，最后升温到490℃保持0.5h，固溶结束后在室温下进行水淬处理降至室温。然后进行低温时效处理：在120℃保持12h，然后在150℃保持24h。降至室温获得的高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的屈服强度、抗拉强度、延伸率和小角度晶界比例如表2所示，其中小角度晶界比例由合金样品的EBSD晶界图和相应的反极图得出。
对比例5
本对比例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的化学成分及重量百分比如表1所示。制备方法与实施例1唯一不同的是：将铝合金铸锭加热到560℃，进行五道次蛇形热轧。
对比例6
本对比例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的制备方法与实施例1唯一不同的是：不对铝合金铸锭进行加热，直接采用四辊式冷轧机进行多道次的轧制，直至铸锭加工成20mm的板材。
对比例7
本对比例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的化学成分及重量百分比如表1所示。
将成分如表1所示的6061铝合金冶炼和浇铸，形成一个厚度100mm的铝合金铸锭。完成后将铸态的铝合金铸锭加热到450℃进行24h的均匀化处理，使所有元素均匀分布。快速冷却后，将铝合金铸锭加热到370℃，进行五道次蛇形热轧。首次蛇形热轧变形量10mm，咬入系数为0.14；第二次蛇形热轧变形量13mm，咬入系数为0.16；第三次蛇形热轧变形量16mm，咬入系数为0.18；第四次蛇形热轧变形量19mm，咬入系数为0.20；最后一次蛇形热轧变形量22mm，咬入系数为0.21，每道次轧制的轧制应变速率应在30s-1；轧制完成后的板材立即放入冷水中冷却，以保存其变形后组织。随后将其加热到490℃保持1.5h进行固溶，固溶结束后在室温下进行水淬处理。然后进行低温时效处理：在120℃保持12h，然后在150℃保持24h。获得的高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的屈服强度、抗拉强度、延伸率和小角度晶界比例如表2所示，其中小角度晶界比例由合金样品的EBSD晶界图和相应的反极图得出。
对比例8
本对比例所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的化学成分及重量百分比如表1所示。
将成分如表1所示的6061铝合金冶炼和浇铸，形成一个厚度100mm的铝合金铸锭。将预热后的扁锭进行热连轧，其中热粗轧为5道次，热粗轧单道次压下量≥50mm，热粗轧最后2道次轧制的轧制应变速率应在30s-1；轧制完成后的板材立即放入冷水中冷却，以保存其变形后组织。随后将其加热，进行多阶段固溶处理，具体为：升温到450℃保持0.5h，然后升温到470℃保持0.5h，最后升温到490℃保持0.5h，固溶结束后在室温下进行水淬处理。然后进行低温时效处理：在120℃保持12h，然后在150℃保持24h。获得的高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的屈服强度、抗拉强度、延伸率和小角度晶界比例如表2所示，其中小角度晶界比例由合金样品的EBSD晶界图和相应的反极图得出。
表2
根据表2可知，实施例1-3所制备的高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金板材的屈服强度、抗拉强度、延伸率和抗腐蚀性性能均优于对比例1-8，说明本发明所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺所制备的6xxx系铝合金性能更加优越。
根据实施例1和对比例2和3可知，轧制应变速率对小角度晶界比例的提升至关重要。当应变速率较低时，变形时间相对较长，析出相有足够的时间形核和长大，此时析出相的密度和尺寸都较大；提高应变速率时，位错增殖加剧、位错密度升高，容易形成高密度的位错胞；同时，由于变形过程持续的时间缩短，动态再结晶的形核过程被抑制，小角度晶界比例升高。而变形速率过大时会更容易出现晶粒粗化和晶界滑移，从而降低金属的力学性能。
根据实施例1和对比例4可知，对比例4进行四道次轧制处理，所得到的合金材料的小角度晶界比例低，且屈服强度、抗拉强度、延伸率和抗腐蚀性性能均明显下降。随轧制道次的增加，金属结合更加致密，抗拉强度、延伸率相应地发生增加。
根据实施例1和对比例5可知，对比例5进行将铝合金铸锭加热到560℃，进行五道次蛇形热轧。所得到的合金材料的小角度晶界比例低，说明当轧制温度升高时，热激活过程增强，从而诱发一定程度的动态再结晶，而动态再结晶晶粒具有大角度晶界，因此大角度晶界的比例有所升高，导致小角度晶界的比例降低。而且在较高轧制温度下，在短时固溶过程中晶粒明显长大，细晶强化效果明显降低，力学性能下降。
根据实施例1和对比例6可知，370℃～400℃的轧制温度有利于小角度晶界比例的提高，且晶界角主要分布在0°～10°。若使用冷轧工艺，不光其生产过程需要消耗大量的能源和人力，生产成本较高。同时，由于材料的塑性受到较大限制，加工效率低、时间较长，难以满足快速生产的需求。且冷轧过程会导致板材产生变形、内部应力增加，降低材料的物理性能和机械性能。
根据实施例1和对比例7可知，分阶段固溶处理更彻底，通过充分的分阶段固溶处理，可以减少材料中的非金属夹杂物和氧化物等有害物质的含量，从而提高材料的耐腐蚀性能。还可以使固溶体中的溶质元素均匀分布，增强晶体的强度和硬度，提高金属的抗拉强度和屈服强度。
根据实施例1和对比例8，对比例8进行普通多道次轧制处理，所得到的合金材料的小角度晶界比例低，且屈服强度、抗拉强度、延伸率和抗腐蚀性性能均明显下降。蛇形轧制中轧板下层等效变形大于上层，且随着异速比的增大，上下层金属变形差距增大；并且由于"搓轧区"的存在，厚板心部的剪切应变远大于对称轧制，且随着异速比的增加和错位量的增加，轧板心部的剪切变形增大。这种附加的剪切变形有利于使变形向厚板心部渗透，从而改善厚板高向变形的不均匀性。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对6xxx系铝合金进行均匀化处理；
(2)然后进行五道次轧制，五道次压下每道次的变形量依次为8-12％、11-15％、14-18％、17-21％、20-24％，总变形量为80％；每道次的咬入系数依次为0.14、0.16、0.18、0.20、0.21；轧制温度为370℃～400℃，每道次轧制的轧制应变速率为30s-1；
(3)将轧制后的铝合金依次进行固溶处理、水淬处理和时效处理得到高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金。
2.如权利要求1所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，其特征在于，所述轧制为蛇形轧制。
3.如权利要求1所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，其特征在于，所述6xxx系铝合金包含以下元素：Mg、Si、Cu、Mn、Fe、Zn，其余为Al和微量的稀土及其他合金元素。
4.如权利要求1所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，均匀化处理后对铝合金进行淬火处理。
5.如权利要求1所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，将轧制后的铝合金放入冷水中冷却。
6.如权利要求1所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，其特征在于，所述固溶处理为多阶段固溶处理，具体为：升温到450℃保持0.5h，然后升温到470℃保持0.5h，最后升温到490℃保持0.5h。
7.如权利要求1所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，其特征在于，所述时效处理的工艺流程为在120℃保持12h，然后在150℃保持24h。
8.如权利要求1所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，其特征在于，所述均匀化处理的温度为450-470℃，时间为24-26h。
9.如权利要求1所述高强高韧抗腐蚀的6xxx系铝合金轧制工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，将步骤(1)得到的铸锭加热到370-400℃下进行轧制。
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2023
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