一種新型鋁合金及其製品的製作方法

2023-05-13 00:47:36 1

專利名稱：：一種新型鋁合金及其製品的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種新型耐腐蝕性鋁合金以及由其製備的製品，且特別涉及一種AA3000系鋁合金以及由其製備的製品。
背景技術：
：1XXX系純鋁加工成形性和焊接性極好，在鋁合金中其耐腐蝕性最佳，但其強度較低。3XXX系鋁合金是通過在鋁中添加Mn形成固溶強化鋁合金，提高鋁合金的強度，並保持良好的耐腐蝕、導電、導熱性能，以及具有優良的焊接性能和塑性加工性能等。3XXX系鋁合金現已被廣泛應用於汽車、製冷、化工等行業中，用以製作熱交換器的散熱管和散熱片。在過去的15年期間，普遍採用標準的3003鋁合金，該合金具有良好的成形性能和機械性能，以及可接受的耐腐蝕性能。近些年，隨著鋁質熱交換器結構設計方面的不斷改進，釺焊鋁合金管材的厚度從lmm逐漸變為0.4mm以下。大量研究表明用於熱交換器的鋁合金的腐蝕行為是以點腐蝕和晶界腐蝕兩種形式為主，合金中相的電極電位與鋁基體越接近、數量越少、分布越均勻，合金的抗腐蝕性能越高。隨著製冷部件結構改進，熱交換器用鋁合金管材的材質已由1XXX系純鋁(如1050、1060、1100、1235等)發展到使用3XXX系(3003、3005、3102、3104等)鋁合金，壁厚尺寸由lmm逐漸變為0.4mm以下；外表面採用多種塗覆技術進行塗覆以提高管材的耐腐蝕性能。為了解決因管材壁厚減薄而帶來的要求合金強度及耐腐蝕性相應提高這些問題，現有技術中開發出3026鋁合金，該鋁合金主要是基於抗腐蝕性能與加工性能對合金組成進行優化。所述優化包括通過精確地調整各合金元素的含量，如通過降低合金中Mn、Fe元素的含量，同時添加和調整Cu、Zn、Ti等元素的含量，使得合金中所形成的相的電極電位接近鋁基體，從而提高了合金的抗腐蝕性能和確保合金具有一定的力學性能、加工性能和優良焊接性能。然而在實際使用過程中發現該合金因力學性能不佳造成其深加工性能不及3003合金。已有研究表明在鋁中添加少量Cr、Mn、Zr、Ti、Si等可以減小合金的點蝕。而減少和控制Fe、Cu、Ni等可以有效提高合金的耐腐蝕性；並且適當提高特定合金化元素含量，使其形成較高含量的強化相從而阻止晶粒在熱加工及熱處理過程中粗化而細化顯微組織。添加Cr和Zr的3XXX系合金在均勻化過程中，會導致Al(MnFeCr)Si或Al(FeMnCr)Si以及Al3Zr等彌散相的形成。隨著彌散相含量的增加，合金的再結晶溫度升高。這些彌散相極高的密度和熱穩定性對合金固溶加熱時的回覆、再結晶、晶粒長大過程具有強烈的影響，甚至對強化相的析出能起到形核地點的作用。彌散相被證明能促進滑移均勻，提高鋁合金的強度、塑性和彎曲性能，而且通過釘扎遷移的晶界阻止再結晶晶粒長大，其晶粒細化的有效作用按照Cr，Mn，Zr的順序依次增加。細晶粒組織有利於合金力學性能和耐腐蝕性能的提高，但Cr含量過高會導致合金的加工能力降低。Ti是一種有效的晶粒細化劑。已有研究表明除了作為異質核心促進形核外，還分布於晶界，通過抑制a(Al)晶粒生長有效地細化組織，提高成形性。綜上所述，本領域仍存在對兼具有良好機械強度以及耐腐蝕性的鋁合金的需求。本發明擬採取以下技術方案在Al-Mn系合金基礎上降低Fe、Cu和Zn元素在合金中的含量，調整Si、Mn元素在合金中的含量，在合金中複合添加Cr、Zr和Ti等元素。同時，生產工藝應確保產品獲得穩定的細晶纖維組織結構，晶內合金元素得到充分均勻固溶和晶界無不良析出相出現，使產品具有較高的耐腐蝕性和良好的力學性能與成形性能等。
發明內容—方面，本發明通過提供一種新型鋁合金滿足了上述需求。為了解決因製冷管材壁厚減薄而帶來要求合金強度及耐腐蝕性相應提高的問題，本發明在A1-Mn系合金組成的基礎上，通過降低Fe、Cu和Zn含量，調整Si、Mn含量，複合添加Cr、Zr和Ti等元素，實現了高的耐腐蝕性和良好的力學性能與工藝性能等。本發明合金的化學組成(重量％)如下0.30-1.25%Mn，O.10-1.20%Si，0.05-0.2%Cr，O.05-0.20%Zr，O.08-0.30%Ti，少於O.03%的Zn，少於O.03%的Cu和最高0.20%的Fe，其餘為鋁及不可避免的雜質。在本發明的實施方案中，本發明合金中的Mn含量優選為0.50-1.00%為0.70-0.90%。在本發明的實施方案中，本發明合金中的Si含量優選為0.20-0.80%為0.30-0.60%。在本發明的實施方案中，本發明合金中的Cr含量優選為0.06-0.18%為約0.08-0.12%。在本發明的實施方案中，本發明合金中的Zr含量優選為0.08-0.20%為約0.10-0.13%。在本發明的實施方案中，本發明合金中的Ti含量優選為0.10-0.25%為約0.12-0.20%。在本發明的實施方案中，本發明合金中的Fe含量優選為最高O.15%，且更優選為最高O.10%。本發明的鋁合金適合於製備成多種形式的製品，包括但不限於管材、線材、帶材、板材、片材或棒材形式的製品。優選地，本發明的鋁合金特別是適用於熱交換器用材料。下面通過參照附圖對本發明進行詳細說明。圖1是在Gleeble1500熱力模擬機上，利用圓柱體等溫熱壓縮試驗方法所獲得的真應力-應變曲線。圖2是本發明合金和3003合金在進行SWAAT耐腐蝕性能試驗10天後的金相組織顯微對比照片，其中左側為3003合金，右側本發明的合金。圖3是本發明合金和3003合金在經受腐蝕20天後的SEM(ScanningElectronMicroscope)照片，其中左側為3003合金，右側本發明的合金。具體實施例方式在本發明的範圍中，對於本文中合金組成的描述，如果不另外指出則所有提到的百分比是指重量百分比(wt%)。此外，在本發明中提及的鋁或鋁合金命名是指美國鋁業協會(M)命名。此外當提及任何數值範圍時，應理解為這種範圍包括所述範圍內的最小值和最大值之間的每一數字和/或子範圍。例如0.30-1.25%銅的範圍應包括所有中間值，例如0.31%、0.32%、0.33%、一直向上並且包括1.23%、1.24%和1.25X的Mn。這同樣適用於下面提出的所有其它元素範圍。本發明是在Al-Mn系合金組成的基礎上，通過降低Fe、Cu和Zn含量，調整Si、Mn含量，複合添加Cr、Zr和Ti等元素，從而製得了兼具有良好耐腐蝕性和良好的力學性能的鋁合金。本發明合金的基本組成如下(按重量％計)0.30-1.25%Mn，O.10-1.20%Si，0.05-0.25%Cr，O.05-0.20%Zr，O.08-0.30%Ti，少於0.03%的Zn，少於0.03%的Cu和最高0.20%的Fe，其餘為鋁及不可避免的雜質。Mn能阻止鋁及其合金的再結晶過程，提高再結晶溫度，並能顯著細化再結晶晶粒。同時，Mn能提高合金強度，但含量過多會形成粗大化合物，損害材料性能。因此，Mn含量應為0.30-1.25%，優選0.5-1.00%，且更優選為0.70-0.90%。Si可降低Mn在鋁中的溶解度，加速Mn在熱變形時從過飽和固溶體中的析出過程，對合金的力學性能也有一定提高。因此，要求Si含量在0.10-1.20%之間，優選為0.20-0.80%，且更優選為0.30-0.60%。Cr是鋁合金中常用的合金元素，能阻礙再結晶的形核和長大的過程，細化再結晶晶粒，對合金具有一定的強化作用，同時能改善合金韌性和降低應力腐蝕開裂敏感性，但會增加淬火敏感性。此外，Cr在鋁合金中的添加量一般不超過O.35%。因此，Cr含量應為0.05-0.25%，優選為0.06-0.18%，且更優選為0.08-0.12%。Ti能起到顯著的細化鑄態組織和焊縫組織的作用，減小開裂傾向，提高材料力學性能。因此，Ti含量應為0.08-0.30%，優選為0.10-0.25%，且更優選為0.12-0.20%。Zr也能細化鑄造組織，淬火敏感性比Cr和Mn小，但會降低Ti細化晶粒的效果。故用少量的Zr來替代Cr和Mn細化再結晶組織的作用和降低合金的淬火敏感性。因此Zr含量要求為0.05-0.20%，且優選為0.10-0.13%。Zn對合金的力學性能和耐腐蝕性沒有明顯影響，但對合金的焊接性能不利，為了提高材料的焊接性能，因此要求Zn含量低於0.03%。Cu可以顯著提高合金的抗拉強度，但含少量的Cu就能使合金的耐腐蝕性降低，故要求Cu含量不高於O.03%。Fe可以有效細化退火後晶粒，含量過高時會形成大量的粗大片狀中間相化合物，會顯著降低合金的力學性能和工藝性能，因此，Fe含量要求最高為0.02%。本發明的鋁合金具有優異的抗腐蝕性和機械強度，適合於製成管材、線材、帶材、杆材、片材或棒材等各種形式的製品。特別地，本發明適用於熱交換器用材料。實施例下面通過具體的實施例對本發明進行詳細說明。應當清楚的是，以下實施例僅對本發明進行舉例說明，而並不意圖對本發明進行任何限制。實施例1根據本發明設計的合金組成範圍，採用99.7A1錠和Al1QMn、Al12Si、Al1QZr、Al10Ti中間合金，按如下重量百分比配製合金Al-l.2Mn-0.2Si-0.15Cr_0.15Zr_0.15Ti，且命名為合金A-1(合金組成參見表1)。在石墨坩堝爐內熔煉並精煉後澆注到鐵模中形成鑄錠，澆注溫度700-780°C。鑄錠經600°C/20h均勻化處理後出爐水淬，機加工成棒材然後在800T擠壓機上擠壓成杆材；其中鑄錠加熱溫度420°C，出口溫度在52(TC左右直接水冷。將杆材擠壓成管材，出口溫度為45(TC左右，隨後直接水冷。對上述合金A-1製成的管材進行性能測定，其中進行DSC(DifferentialScanningCalorimetric)熔點測定，拉伸性能按《金屬材料室溫拉伸試驗方法》GB228-2002，SWAAT耐腐蝕性試驗按《改性鹽霧試驗方法》ASTM/G85-1998A3(海水酸化循環實驗)，擴口脹形按《金屬管擴口試驗方法》GB/T242-2007，彎曲實驗按《金屬管彎曲試驗方法》GB244-2008，焊接試驗用3003/4045複合釺焊鋁合金板與新合金管釺焊。具體的測量結果如表2所示合金熔點高於64(TC;新合金管材抗拉強度為100-135MPa;新合金管材延伸率為25-30%;新合金管材擴口率大於30%;新合金管材後續的彎曲加工表面未出現橘皮；新合金管材SWAAT鹽霧腐蝕30天後仍未發現管子洩露；新合金管材與3003/4045複合釺焊鋁合金板釺焊性能良好。表1合金A-l的實測化學成分(重量％)A全PIiSiFeMnCuCrZnZrTi設計值0.2<0.21.2<0.030.1530>30實施例2根據本發明設計的合金組成範圍，採用99.7A1錠和Al1QMn、Al12Si、Al1QZr、Al10Ti中間合金，按如下重量比例製備合金Al-O.9Mn-0.4Si-0.12Cr_0.15Zr_0.20Ti，且命名為合金A-2(具體的合金組成參見表3)。在雙350Kg級火焰爐內熔煉並精煉後加工成杆材，鑄造溫度為700-78(TC，然後擠壓成管材，出口溫度為42(TC左右，隨後直接水冷。對上述合金A-2製成的管材進行性能測定，其中進行DSC(DifferentialScanningCalorimetric)熔點測定，拉伸性能按《金屬材料室溫拉伸試驗方法》GB228-2002，SWAAT耐腐蝕性能試驗按《改性鹽霧試驗方法》ASTM/G85-1998A3(海水酸化循環實驗，擴口脹形按《金屬管擴口試驗方法》GB/T242-2007，彎曲實驗按《金屬管彎曲試驗方法》GB244-2008，焊接試驗用3003/4045複合釺焊鋁合金板與新合金管釺焊。具體的測量結果如表4所示表3合金A-2的實測化學成分(重量％)tableseeoriginaldocumentpage7表4合金A-2性能的實測結果tableseeoriginaldocumentpage7此外，管材後續的彎曲加工表面未出現橘皮，管材與3003/4045複合釺焊鋁合金板釺焊性能良好。比較例1為了與本發明合金進行比較，按照與實施例2相同的方式用現有技術的3003合金製備管材製品，並以相同的方式測量其性能。表5和表6分別給出了3003合金的化學成分和性能實測結果表53003鋁合金的實測化學成分(重量％)tableseeoriginaldocumentpage7表63003鋁合金管材的性能實測結果tableseeoriginaldocumentpage7腐蝕性測試SWAAT按照《改性鹽霧試驗方法》ASTM/G85-1998A3(海水酸化循環實驗)進行耐腐蝕性能對比試驗。圖l顯示了由本發明合金A-2以及合金3003製成的管材在經受10天腐蝕後的橫斷面金相組織對比。從圖1中可以看出，在經受10天腐蝕後，3003合金管沿外壁產生了很明顯的局部腐蝕深空洞，而本發明合金A-2的管外壁還未見任何腐蝕跡象。圖2顯示了由本發明合金A-2以及合金3003製成的管材在經受20天腐蝕後的表面SEM(ScanningElectronMicrosope)照片，且左圖為本發明的合金，而右側為3003合金。從圖2中可以看出3003合金管外表面產生了很明顯的局部腐蝕深空洞，腐蝕表現為極不均勻的點腐蝕行為；而本發明合金A-2的管外表面呈較均勻腐蝕但未見任何局部腐蝕深空洞的腐蝕跡象，甚至還有較大面積的未開始腐蝕區域。通過氣壓實驗檢查，發現3003合金O8X0.4mm管不到10天就出現洩漏，而本發明合金A_2的O8X0.4mm管40天以上仍然未出現洩漏現象。熱加工性能比較圖3顯示了在Gleeble1500熱力模擬機上，利用圓柱體等溫熱壓縮試驗方法所獲得的真應力-應變曲線，變形溫度分別為30(TC和40(TC，應變速率分別為Is—1和O.Is—、從圖3中的曲線可以看出本發明合金A-2與3003合金具有相同的熱加工性能。比較例2為了與本發明合金進行比較，按照與實施例2類似的方式由現有技術的3026合金製備管材製品，並以類似的方式測量其性能。表7和表8分別給出了3026合金及本發明合金A-2的化學成分和性能實測結果。表73026鋁合金及本發明合金的實測化學成分(重量％)tableseeoriginaldocumentpage8表83026鋁合金及本發明合金管材的性能實測結果tableseeoriginaldocumentpage8抗拉強度、伸長率按國標GB/228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行。SWAAT試驗按《改性鹽霧試驗方法》ASTM/G85-1998A3(海水酸化循環實驗)進行。擴口率按國標GB/T242-2007《金屬管擴口試驗方法》金屬管擴口試驗方法進行。爆破壓力按國標GB/T241-2007《金屬管液壓試驗方法》進行。通過上表可看出，本發明合金產品與3026合金產品耐腐蝕性能相當，但爆破壓力明顯高於3026合金產品。新合金產品比3026合金產品爆破壓力高17.9%。究其原因，主要是新合金化學成分的調整致使新合金產品抗拉強度高於3026所致，提高了產品的安全性能，也解決了3026合金在加工過程中偏軟的現象。權利要求一種高耐腐蝕性鋁合金，其基本組成如下，按重量百分比計-0.30％到1.25％之間的錳；-0.10％到1.20％之間的矽；-0.05％到0.25％之間的鉻；-0.05％到0.20％之間的鋯；-0.08％到0.30％之間的鈦；-少於0.03％的鋅；-少於0.03％的銅；和-最高0.20％的鐵，其餘為鋁及不可避免的雜質。2.權利要求1的合金，其中Mn含3.權利要求1的合金，其中Si含4.權利要求1的合金，其中Cr含5.權利要求1的合金，其中Zr含6.權利要求1的合金，其中Ti含7.權利要求1的合金，其中Fe含:百分比計優選為0.50-1.00%，且更優選為0.70-0.90%。優選為0.20-0.80%，且更優選為0.30-0.60%。優選為0.06-0.18%，且更優選為約`0.08-0.12%,優選為0.08-0.20%，且更優選為約0.10-0.13%,:優選為O.10-0.25%，且更優選為約0.12-0.20%,t優選為最高O.15%，且更優選為最高0.10%。8.管材、線材、帶材、杆材、片材或棒材形式的製品，其特徵在於，該製品由權利要求1-7中任一項的合金製成。9.權利要求8的製品，其中所述製品是熱交換器用材料。全文摘要本發明提供了一種高耐腐蝕性鋁合金，其組成按重量百分比計為0.30-1.25％Mn，0.10-1.20％S，0.05-0.25％Cr，0.05-0.20％Zr，0.08-0.30％Ti，少於0.03％的Zn，少於0.01％的Cu和最高0.2％的Fe，其餘為鋁及不可避免的雜質。此外，本發明還涉及到由該合金製成的製品。文檔編號F28F3/00GK101713039SQ20091017746公開日2010年5月26日申請日期2009年9月29日優先權日2009年9月29日發明者張金利,王學印,王建國,邱鴻衛申請人:金龍精密銅管集團股份有限公司