CN1264431A - 含锆的高耐蚀合金 - Google Patents

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Abstract

一种铝基合金,其组成为约0.06—0.25%(重量)铁,优选0.06—0.15%(重量),0.05—0.15%(重量)硅,至多0.70%(重量)铜,优选低于0.01%(重量),至多0.10%(重量)锰,优选0.03—0.08%(重量),0.02—0.20%(重量)锆,优选0.10—0.18%(重量),至多0.18%(重量)铬,优选0.10—0.18%(重量),至多0.70%(重量)锌,优选0.10—0.18%(重量),0.005—0.02%(重量)钛(作为晶粒细化剂),至多0.02%(重量)偶存杂质和其余部分为铝,所述铝基合金能显示优异的耐蚀性和高的可挤压性。

Description

含锆的高耐蚀合金
本发明涉及改进的铝合金，更具体地说涉及含有可控量定义化合物的铝合金，其特征在于高可挤压性和高耐蚀性的结合。
在汽车工业上，有许多场合使用铝合金，尤其是管道，这是因为铝合金的可挤压性并兼有较高强度和较低重量的结果。
特别有用的是铝合金用于热交换器或空气调节冷凝器。在这种情况下，所用合金必须具有良好的强度、足够的耐蚀性以及良好的可挤压性。
用于该种用途中的典型合金是AA3102。通常这种合金含有大约0.43％(重量)的Fe、0.12％(重量)的Si以及0.25％(重量)的Mn。
在WO 97/467 26中，描述了一种铝合金，该合金含有至多0.03％(重量)的铜，介于0.05-0.12％(重量)的硅，介于0.1-0.5％(重量)的锰，介于0.03-0.3％(重量)的钛，介于0.06-1.0％(重量)的锌，低于0.01％(重量)的镁，至多0.50％(重量)的铁，低于0.01％(重量)的镍和高达0.50％(重量)的铬。
在WO 97/46726中，要求保护对耐蚀性没有正面影响的Cr。另外值得注意的是在同一专利中，锰较低含量为0.1％(重量)。
对于铝合金具有极佳的可挤压性配合以优异耐蚀性的需要一直存在。在挤压工厂为了降低生产成本要求极佳的可挤压性，包括较低的挤压压力和较高的挤压速度。
由此，本发明的目的在于提供一种铝合金组合物，该组合物能显示优异的耐蚀性和改进的可挤压性，与此同时保持工业铝合金的强度。为此本发明的铝合金包含控制量的铁、硅、锰、锆、铬和锌。
本发明进一步的目的在于提供适用于热交换器管材成形加工或挤压的铝基合金。
本发明另外一个目的在于提供适于用作热交换器的散热片坯料或适用于经受腐蚀例如盐水腐蚀的箔包装场合下的铝基合金。
由铝基合金可以达到这些目的和优点，该合金是由约0.06-0.25％(重量)的铁、0.05-0.15％(重量)的硅、至多0.70％(重量)的铜、至多0.10％(重量)的锰、0.02-0.20％(重量)的锆、至多0.18％(重量)铬、至多0.70％(重量)的锌、0.005-0.02％(重量)的钛，为了晶粒细化，至多0.02％(重量)偶存杂质和其余部分为铝所组成，所述铝基合金能显示高耐蚀性，良好的可挤压性和可接受的抗拉强度。
优选本发明合金的铁含量在约0.06-0.15％(重量)。这样抗蚀性和可挤压性才是最佳的，因为这两种特征基本上随高铁含量降低。
为了优化耐腐蚀性，优选锆含量为0.10-0.18％(重量)。在这范围内时，合金的可挤压性实际上不受锆含量任何变化的影响。
还优选铬含量介于0.10-0.18％(重量)。铬含量的增加会导致耐腐蚀性的提高，在此范围内可挤压性虽有轻微下降但仍在可接受的范围内。
锌即使在很小的浓度下，对AA6000合金的阳极氧化性能也有负面影响。从锌的污染作用看来，Zn的含量应保持在低限以便使合金更易回收且节省铸造浇注场的费用。另外，锌含量高达至少0.7％(重量)时对耐蚀性有正面影响，但因上述原因锌量优选介于0.10-0.18％(重量)。
尽管铜可以高达0.50％(重量)存在，但优选铜含量低了0.01％(重量)，为的是能具有尽可能最好的可挤压性。在某些情况下，为了控制腐蚀电位，必须往合金中加铜，降低产品的负电性，避免制品电化腐蚀的侵蚀。现已发现在大约100mV下，对于增加每个铜的百分比％时，铜都会提高腐蚀电位，但同时也显著降低可挤压性。
本发明还涉及通过挤压和基于本发明的铝合金所获得的铝制品。
通常铸造之后，合金要在提高温度例如550-610℃下热处理3-10小时进行均匀化。现已发现通过这种热处理可挤压性可得到轻微改进，但对耐蚀性有负面影响。
本发明铝制品的特征在于铝合金铸造后的唯一热处理是紧靠挤压之前的预热。
这种预热发生在比均匀化步骤较低的温度下且只进行几分钟，致使合金的特征就可挤压性和耐蚀性来说很难受到影响。
在努力证明与超过已知现有技术合金的本发明铝基合金有关的改进的过程中，进行过与机械性能，耐蚀性和可挤压性有关的一些性能的试验。
下面将详细描述用于研究所述性能的技术和研究结果的讨论。
已制备出许多本发明的合金，合金列于下面表1中的合金A-E。表1中的合金组成均以％(重量)表示，同时考虑这些合金的每一种都可能含有高达0.02％(重量)偶存杂质。表1还列出了通用3102合金的组成。
所有这些合金都可以用传统方法制备。合金制备之后的坯料挤压可通过预热至介于460-490℃的温度下进行。
表1：不同合金的化学组成合金     Fe        Si        Mn        Zr        Cr       ZnA      0,10      0,08      0,07      0,18      0,11      0,00B      0,12      0,07      0,07      0,12      0,11      0,10C      0,12      0,07      0,07      0,14      0,14      0,17D      0,13      0,07      0,07      0,10      0,13      0,19E      0,11      0,07      0,09      0,07      0,00      0,243102   0,43      0,12      0,25      -         -         -
为了评价由本发明的合金所获得的改进，完成了许多试验其结果列于表2中。
表2：表1所列合金的性能合金        UTS     YS      延伸率      压模力     最大力    SWAAT
         MPa      MPa      ％           吨         吨       天A         87,60    67,60    38,50        5094       6319      35B         84,20    64,70    35,00        5115       6245      83C         87,60    68,00    35,50        5130       6305      90D         85,00    65,20    35,50        5078       6168      67E         80,50    56,00    36,00        4734       5078      353102      86,20    65,50    37,20        5008       6025      10
为了研究这些合金的性能，铸造一系列的坯料并通过电子光谱法测定其组成。为了这种分析使用了BAIRD VACUUM制造的仪器，且所用的标准由Pechiney提供。
可挤压性与压模力和表示成最大力的最大挤压力有关。这些参数由安装在压机上的压力传感器记录，可直接读出这些值。
为了测量这些合金的耐蚀性，使用所谓的SWAAT试验。试验样品是壁厚为0.4mm的挤压管。按ASTM-标准G85-85附件A3，在30分钟交替喷射期和98％湿度下的90分钟浸湿期的情况下，完成该试验。电解质是用乙酸酸化至pH2.8-3.0的人造海水且其组成按照ASTM标准D1141。温度保持49℃下。试验在Leibisch KTS-2000盐喷洗室内进行。
为了研究腐蚀行为的演变，来自不同材料的样品每三天从室内取出。然后用水漂洗样品，随后在施加10磅的压力下检漏。假若例如发现样品在35天后穿孔，为了证实该效果，把对比样品放入室内并使之在第一次探伤前停留35天。在SWAAT栏中表示穿孔前的天数。
如所描述的试验通常用在汽车工业上，当可接受的性能能持续20天以上时证明合格。
检验机械性能是在Zweck Universal试验装置(模量167500)上完成的，且按照Euronorm标准。在整个检验过程中，在检验E-模量时固定在70000N/mm2。试验速度是恒定的且可达到每秒钟10N/mm2直到Rp0.2，而从Rp0.2到断裂的检验速度为40％Lo/min，Lo是起始标距。
表2的结果表示就压模力与最大力来说机械性能和可挤压性以及蚀性均与合金有关。首先，合金A-E的耐蚀性优于3102合金。可挤压性通常可与3102合金相比，上述情况也适用于机械性能。当研究合金C、D和E的SWAAT数据时，可以看出Cr、Zr和Zn存在时出现最佳组合(合金C)。
不含Cr的合金E和不含Zn的合金A会产生比20天可接受限好得多的结果，但是，耐蚀性大大低于合金B、C和D。这一点清楚地表明为了优化耐蚀性，在长使用寿命的合金中应有Cr和Zn存在。另外，来自合金C和D的结果比较表明了Zr的重要性。提高Zr的含量可以显著地改进腐蚀行为。
因此应该强调最佳值尤其是耐蚀性是元素Cr、Zr、Mn和Zn适当组合的结果。
可挤压性受少量添加的不同合金化元素的影响。通过引入Cr和Zr，可以看出压模力和最大力都提高(即可挤压性下降)。从另一方面说，锌不以任何显著方式影响可挤压性，就像众所周知的一样。
当加入Cr时，极限抗拉强度和屈服强度来看的机械性能中可看出显著改进。在这种情况下新的合金与3102合金的性能是一样的。
在从带材的不同位置所取的样品上完成腐蚀试验。从带材的最开始取大约10个样品(坯料的前部)，从带材的中部取10个样品(坯料的中间部分)和从带材的末端(坯料末端)取10个样品。各样品长约50cm。结果非常一致，这一点意味着在一种坯料的挤压过程中，对所使用的挤压参数有关的挤压速度和物料流量的耐蚀性没有影响。
已完成评价不同合金元素效果的另外工作，也示于附图1-6中，其中
图1表示Fe含量对本发明合金特性的影响。
图2表示Mn含量对本发明合金特性的影响。
图3表示Zr含量对本发明合金特性的影响。
图4表示Cr含量对本发明合金特性的影响。
图5表示Zn含量对本发明合金特性的影响。
图6表示Cu含量对本发明合金特性的影响。
在图1-5中x轴代表以％(重量)表示的合金添加剂的含量，而y轴是不同性能的相应表示，方形符号用于表示极限抗拉强度(Mpa)，黑三角形符号用来表示以千吨为单位的可挤压性和使用压模力作为代表性的测量值，以及白三角形符号用来表示以天为单位的SWAAT试验结果。
如图1所示，耐蚀性随着Fe含量的增高显著降低(Si含量保持在0.08％(重量)同一水平)。这一效果特别出现在Fe含量在0.2-0.3％(重量)范围内。同时可挤压性随Fe含量增加显著降低。值得注意的是可挤压性降低2-3％(可表示为经受压力断裂的提高)是挤压工厂不可接受的提高。另外Fe含量的增加会导致抗拉强度的增加。
由图2清楚可见，Mn含量低于0.30％(重量)的任何变化对耐腐蚀性实际上没有影响(Fe和Si分别保持在0.15％和0.08％(重量)恒定值上)。Mn含量的提高会导致可挤压性的降低并容易导致可挤压性不可接受。另外机械性能能随Mn含量的提高改进。
若Fe、Si和Mn能保持在0.15、0.08和0.08％(重量)的恒定含量时，Zr含量从0.07提高到0.15％(重量)会引起如图3所示的耐腐蚀性的改进。同时可挤压性仅轻微地下降，而抗拉强度提高。
Cr含量从0.08变化到0.12％(重量)的影响，在Fe、Si和Mn保持在如图4同样含量时，在于能提高耐蚀性，使可挤压性轻微降低，且使机械性能稍微提高。这一点于图4中。
用图5举例说明Zn的影响，同时保持Fe、Si和Mn分别在0.15、0.08和0.08％(重量)的同一水平上。图5中还存在0.15wt％恒定含量的钛(Ti)(认为钛和锆以相同方式影响耐蚀性，正如处于上面表2结果所证实的)。
Zn对可挤压性和机械性能的影响实际为零，但耐蚀性随Zn含量的提高而提高。
Cu的使用是任选的且取决于合金的实际使用。在图6中，表示的是说明Cu含量对可挤压性和腐蚀电位的影响图。x轴表示的Cu的％(重量)含量，而左边的y轴是以KN为单位表示的挤压力，右边的y轴是按ASTM G69以mV为单位表示的腐蚀电位。图中上面的曲线是腐蚀电位形成线，而下面的曲线是挤压力线。
根据该图很清楚Cu含量的降低会导致可挤压性的增加，而Cu增加1％(重量)会使腐蚀电位变正100mV。
通常最好使用最小的可能铜含量的合金，因为铜对裸管的固有耐腐蚀性有负面影响，且从负面意义上来说对可挤压性有强烈影响。
然而在挤压制品如热交换器管必须与另外制品连接的情况下，如加热器与不含Zn的包覆层，以这样一种方式使该管变得较加热器材料惰性更强时，有可能通过Cu的加入改进挤压制品电腐蚀电位。这样做将会抑制由于电化锈蚀对管的任何侵蚀。

Claims (8)

1.一种铝基合金，组成为约
0.06-0.25％(重量)的铁，
0.05-0.15％(重量)的硅，
至多0.70％(重量)的铜，
至多0.10％(重量)的锰，
0.02-0.20％(重量)的锆，
至多0.18％(重量)的铬，
至多0.70％(重量)的锌，
0.005-0.02％(重量)的钛(作为晶粒细化剂)，
至多0.02％(重量)的偶存杂质
和其余部分为铝，所述铝基合金能显示高耐蚀性和高可挤压性。
2.按权利要求1所述的合金，其中所述铁含量范围介于约0.06-0.15％(重量)。
3.按权利要求2所述的合金，其中所述锰含量范围介于约0.03-0.08％(重量)。
4.按权利要求3所述的合金，其中所述锆含量范围介于约0.10-0.18％(重量)。
5.按权利要求4所述的合金，其中所述铬含量范围介于约0.10-0.18％(重量)。
6.按权利要求5所述的合金，其中所述锌含量范围介于约0.10-0.18％(重量)。
7.按前述权利要求任一项所述的合金，其中所述铜含量范围低于约0.01％(重量)。
8.通过挤压按前述权利要求任一项的铝合金所获得的铝制品，其特征在于铸造后合金的唯一热处理是紧接挤压之前的预热。
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