高韌性耐蝕鋁合金型材及其製備工藝的製作方法
2023-12-05 12:39:51
本發明涉及金屬材料冶煉技術領域，具體涉及一種高韌性耐蝕鋁合金型材及其製備工藝。
背景技術：
鋁合金具有密度小、強度高、易成型加工、導電導熱性好以及資源豐富等眾多優良性能，是工業中應用最為廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、交通、建材、石油、化工、電子、電力、國防等領域均有廣泛應用。過去幾十年，人們對於如何提高鋁合金的強度進行了廣泛深入的研究，一般認為，合金中的化學成分是決定合金強度的關鍵因素之一，主要合金元素低，則強度較低，韌性、耐蝕性及鑄錠成形性較好；而主要合金元素高，則強度較高，韌性和耐蝕性降低，且隨著主要合金元素含量提高，鑄造成形性能下降。也就是說，想要獲得高強度的合金材料，就要以犧牲韌性、耐蝕性以及成形性等為代價。然而隨著現代工業與國防的發展，不僅對於鋁合金的需求量越來越大，對於鋁合金綜合性能的要求也越來越高。特別是在航空航天以及汽車製造等領域，不僅對於降低結構件重量以降低能耗、節約資源的要求越來越高，而且對於主要結構件能夠承受巨大衝擊和振動亦即具備良好的韌性的要求也日益迫切，兼具高強度、高韌性以及優良的耐腐蝕性和成形性等優異綜合性能的鋁合金亟待出現。
cn100410406c公開了一種同時具有較高的抗拉強度和延伸率綜合力學性能的高強高韌鑄造鋁合金，該發明的鑄造鋁合金最高抗拉強度達520mpa時，其延伸率為13.5％，其強度和韌性均高於zl205a合金；該發明鑄造鋁合金在延伸率為16.5％時，其抗拉強度達到505mpa，比高韌205a合金的抗拉強度提高了100mpa。cn100554464c公開了一種高強韌含錳鋁合金，特別涉及一種噴射成形製備的高強高韌的7000系鋁合金材料，該高強韌鋁合金具有超過800mpa的抗拉強度和達到5.3％及以上的延伸率，具有更好的耐熱性，可以提高航空及運輸工具材料的結構效率和性能。cn101403060b公開了一種高耐損傷鋁合金，其特徵在於鋁合金的基體中加入了0.001％-1.0％(重量百分比)的鉍。所加鉍的最佳含量範圍為0.001-0.3％。該高耐損傷鋁合金的製備方法是在鋁合金的熔煉過程中加入金屬鉍來實現的。該發明由於添加微量鉍，顯著提高了材料的強韌性，特別是提升了材料的耐疲勞損傷性能。該高耐損傷鋁合金可用於航空、汽車等行業的結構件。
上述提及的鋁合金，或純度較低，或韌性不高，或耐腐蝕性能較差，或成形性不佳，在綜合性能方面均有所欠缺，人們所期待的綜合性能優異的鋁合金至今尚未出現。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明目的在於提供一種綜合性能優異的鋁合金，其具有高純度、高強度、高韌性，同時還具有良好的耐腐蝕性能以及可鑄造成形性。
為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：
一種高韌性耐蝕鋁合金型材，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高韌性耐蝕鋁合金型材含有以下元素：zn1.17～3.48％，zr0.008～0.21％，b0.89～1.75％，mg1.25～3.71％，ni1.21～3.81％，cu0.08～0.36％，ti0.26～0.84％，ta0.005～0.12％，微量元素0.01～0.03％，其餘為al和不可避免的雜質。
鎂能不僅可以提高鋁合金的抗腐蝕性，還能提高鋁合金的強度；在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強化相mg/zn2，對合金產生明顯的強化作用，明顯增加鋁合金的抗拉強度和屈服強度；鈦與鋁形成tial2相，成為結晶時的非自發核心，起細化鑄造組織和焊縫組織的作用；鋯和鋁形成zral3化合物，可阻礙再結晶過程，細化再結晶晶粒；鉭可以顯著提高鋁合金的耐腐蝕性能。
影響鋁合金性能的主要因素就是各物質的配比，為了提高鋁合金的強度和耐腐蝕性，優選的，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高韌性耐蝕鋁合金型材含有以下元素：zn1.58～2.96％，zr0.012～0.085％，b0.92～1.28％，mg2.11～5.74％，ni1.5～3.26％，cu0.08～0.36％，ti0.35～0.62％，ta0.008～0.1％，微量元素0.01～0.03％，其餘為al和不可避免的雜質。
優選的，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述鋁合金中b、ti、ta的總體含量為1.35～2％。
優選的，所述mg和ti的重量比為1：(0.1～0.3)。
根據本發明，稀土金屬能與體系中的鋁化物形成新的多元彌散相，這種新的多元彌散相能強烈釘扎位錯和亞晶界，顯著抑制基體的再結晶，保留了以小角度晶界為主的纖維狀組織，從而改善了鋁合金型材的腐蝕性能，所述稀土元素為本領域技術人員所常知的稀土金屬，優選的，所述稀土元素為鈧、釔、鈮、鑭系元素中的至少一種。
優選的，所述高韌性耐蝕鋁合金型材延伸率為6.3～9.8％，屈服強度為682～850mpa，抗拉強度為420～590mpa。
一種高韌性耐蝕鋁合金型材的製備工藝，包括以下步驟：
(1)配料及熔煉：將鋁錠、鋯錠、硼錠、鎂錠、鎳錠加入熔煉爐中，升溫至礦料完全融化，在750～760℃下保溫30～40min，加入精煉劑，升溫至980～1000℃，然後加入鈦和鉭，待金屬完全融化後，除去鋁液表面上的精煉劑，並對金屬熔液進行超聲處理，除去浮渣；
(2)對步驟(1)的金屬熔液冷卻至450～470℃，然後在真空下澆鑄，得到鋁合金鑄錠；
(3)將鋁合金鑄錠在150～180℃下保溫1～2h，然後升溫至510～520℃，保溫1～5h，再將鋁合金放入擠壓桶中進行擠壓成型；
(4)將步驟(3)得到的型材進行固溶處理和人工時效處理。
優選的，在步驟(1)中，所述精煉劑加入量為總鋁量重量的0.1-0.2％，所述精煉劑為nacl、na3alf6、mgcl2、naf、na2sif6、na2co3和alf3中的至少一種。
優選的，所述擠壓成型工藝為擠壓係數控制成96～97，擠壓速度為3.5m/min～4.5m/min。
優選的，其中，所述固溶處理工藝為溫度480～510℃，保溫時間1～12h，保溫完成後出爐水淬或油淬至淬件的溫度為10～80℃；所述人工時效處理工藝為在150℃～155℃範圍內進行時效，時效時間為10h～10.5h。
與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：
(1)鋁通過與其它金屬在體系中形成了鋁化物彌散相，並產生協同作用，起到細化鑄態晶粒，強化釘扎位錯的作用，從而顯著提高了鋁合金型材的再結晶溫度，降低了晶粒的再結晶，並克服了淬火敏感問題，改善了鋁合金型材的強度、斷裂韌性和抗應力腐蝕性。
(2)在製備時進行超聲處理，不僅可以提高合金熔液中各物質的均勻度，還可以使雜質從熔液中分離出來，不僅提高鋁合金的純度，還提高合金中各物質的分散均勻度，從而達到提高鋁合金強度的作用。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明中鋁合金型材的抗壓強度採用萬能電子試驗機測量，硬度用數顯布氏硬度計測量。
實施例1
一種高韌性耐蝕鋁合金型材，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高韌性耐蝕鋁合金型材含有以下元素：zn2.06％，zr0.034％，b0.98％，mg3.45％，ni2.26％，cu0.12％，ti0.37％，ta0.015％，微量元素0.01％，其餘為al和不可避免的雜質，所述鋁合金中b、ti、ta的總體含量為1.475％，其中，所述mg和ti的重量比為1：0.11；
所述的高韌性耐蝕鋁合金型材的製備工藝包括以下步驟：
(1)配料及熔煉：將鋁錠、鋯錠、硼錠、鎂錠、鎳錠加入熔煉爐中，升溫至礦料完全融化，在750℃下保溫35min，加入nacl，升溫至990℃，然後加入鈦和鉭，待金屬完全融化後，除去鋁液表面上的nacl，並對金屬熔液進行超聲處理，除去浮渣，所述nacl加入量為總鋁量重量的0.1％；
(2)對步驟(1)的金屬熔液冷卻至460℃，然後在真空下澆鑄，得到鋁合金鑄錠；
(3)將鋁合金鑄錠在160℃下保溫1h，然後升溫至510℃，保溫2h，再將鋁合金放入擠壓桶中進行擠壓成型，所述擠壓成型工藝為擠壓係數控制成96，擠壓速度為3.6m/min；
(4)將步驟(3)得到的型材進行固溶處理和人工時效處理，所述固溶處理工藝為溫度490℃，保溫時間2h，保溫完成後出爐水淬或油淬至淬件的溫度為60℃；所述人工時效處理工藝為在150℃範圍內進行時效，時效時間為10h。
實施例2
一種高韌性耐蝕鋁合金型材，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高韌性耐蝕鋁合金型材含有以下元素：zn2.46％，zr0.056％，b1.13％，mg3.54％，ni2.34％，cu0.14％，ti0.49％，ta0.042％，微量元素0.02％，其餘為al和不可避免的雜質，所述鋁合金中b、ti、ta的總體含量為1.662％，其中，所述mg和ti的重量比為1：0.14；
所述的高韌性耐蝕鋁合金型材的製備工藝包括以下步驟：
(1)配料及熔煉：將鋁錠、鋯錠、硼錠、鎂錠、鎳錠加入熔煉爐中，升溫至礦料完全融化，在755℃下保溫30min，加入na3alf6，升溫至990℃，然後加入鈦和鉭，待金屬完全融化後，除去鋁液表面上的na3alf6，並對金屬熔液進行超聲處理，除去浮渣，所述na3alf6加入量為總鋁量重量的0.1％；
(2)對步驟(1)的金屬熔液冷卻至450℃，然後在真空下澆鑄，得到鋁合金鑄錠；
(3)將鋁合金鑄錠在150℃下保溫1h，然後升溫至515℃，保溫2h，再將鋁合金放入擠壓桶中進行擠壓成型，所述擠壓成型工藝為擠壓係數控制成96，擠壓速度為3.6m/min；
(4)將步驟(3)得到的型材進行固溶處理和人工時效處理，所述固溶處理工藝為溫度490℃，保溫時間4h，保溫完成後出爐水淬或油淬至淬件的溫度為50℃；所述人工時效處理工藝為在150℃範圍內進行時效，時效時間為10h。
實施例3
一種高韌性耐蝕鋁合金型材，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高韌性耐蝕鋁合金型材含有以下元素：zn2.16％，zr0.067％，b0.96％，mg2.45％，ni1.92％，cu0.22％，ti0.45％，ta0.024％，微量元素0.02％，其餘為al和不可避免的雜質，所述鋁合金中b、ti、ta的總體含量為1.434％，其中，所述mg和ti的重量比為1：0.18；
所述的高韌性耐蝕鋁合金型材的製備工藝包括以下步驟：
(1)配料及熔煉：將鋁錠、鋯錠、硼錠、鎂錠、鎳錠加入熔煉爐中，升溫至礦料完全融化，在760℃下保溫30min，加入mgcl2，升溫至990℃，然後加入鈦和鉭，待金屬完全融化後，除去鋁液表面上的mgcl2，並對金屬熔液進行超聲處理，除去浮渣，所述mgcl2加入量為總鋁量重量的0.1％；
(2)對步驟(1)的金屬熔液冷卻至470℃，然後在真空下澆鑄，得到鋁合金鑄錠；
(3)將鋁合金鑄錠在160℃下保溫2h，然後升溫至515℃，保溫4h，再將鋁合金放入擠壓桶中進行擠壓成型，所述擠壓成型工藝為擠壓係數控制成96，擠壓速度為3.8m/min；
(4)將步驟(3)得到的型材進行固溶處理和人工時效處理，所述固溶處理工藝為溫度490℃，保溫時間2h，保溫完成後出爐水淬或油淬至淬件的溫度為50℃；所述人工時效處理工藝為在155℃範圍內進行時效，時效時間為10.5h。
實施例4
一種高韌性耐蝕鋁合金型材，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高韌性耐蝕鋁合金型材含有以下元素：zn1.17％，zr0.008％，b0.89％，mg1.25％，ni1.21％，cu0.08％，ti0.26％，ta0.005％，微量元素0.01％，其餘為al和不可避免的雜質，所述鋁合金中b、ti、ta的總體含量為1.155％，其中，所述mg和ti的重量比為1：0.21；
所述的高韌性耐蝕鋁合金型材的製備工藝包括以下步驟：
(1)配料及熔煉：將鋁錠、鋯錠、硼錠、鎂錠、鎳錠加入熔煉爐中，升溫至礦料完全融化，在750℃下保溫30min，加入nacl，升溫至980℃，然後加入鈦和鉭，待金屬完全融化後，除去鋁液表面上的nacl，並對金屬熔液進行超聲處理，除去浮渣，所述nacl加入量為總鋁量重量的0.2％；
(2)對步驟(1)的金屬熔液冷卻至450℃，然後在真空下澆鑄，得到鋁合金鑄錠；
(3)將鋁合金鑄錠在150℃下保溫1h，然後升溫至510℃，保溫1h，再將鋁合金放入擠壓桶中進行擠壓成型，所述擠壓成型工藝為擠壓係數控制成96，擠壓速度為3.5m/min；
(4)將步驟(3)得到的型材進行固溶處理和人工時效處理，所述固溶處理工藝為溫度480℃，保溫時間1h，保溫完成後出爐水淬或油淬至淬件的溫度為10℃；所述人工時效處理工藝為在150℃範圍內進行時效，時效時間為10.5h。
實施例5
一種高韌性耐蝕鋁合金型材，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高韌性耐蝕鋁合金型材含有以下元素：zn3.48％，zr0.21％，b1.75％，mg3.71％，ni3.81％，cu0.36％，ti0.84％，ta0.12％，微量元素0.03％，其餘為al和不可避免的雜質，所述鋁合金中b、ti、ta的總體含量為2.71％，其中，所述mg和ti的重量比為1：0.23；
所述的高韌性耐蝕鋁合金型材的製備工藝包括以下步驟：
(1)配料及熔煉：將鋁錠、鋯錠、硼錠、鎂錠、鎳錠加入熔煉爐中，升溫至礦料完全融化，在760℃下保溫40min，加入na3alf6，升溫至980℃，然後加入鈦和鉭，待金屬完全融化後，除去鋁液表面上的na3alf6，並對金屬熔液進行超聲處理，除去浮渣，所述na3alf6加入量為總鋁量重量的0.2％；
(2)對步驟(1)的金屬熔液冷卻至470℃，然後在真空下澆鑄，得到鋁合金鑄錠；
(3)將鋁合金鑄錠在180℃下保溫2h，然後升溫至520℃，保溫5h，再將鋁合金放入擠壓桶中進行擠壓成型，所述擠壓成型工藝為擠壓係數控制成97，擠壓速度為4.5m/min；
(4)將步驟(3)得到的型材進行固溶處理和人工時效處理，所述固溶處理工藝為溫度510℃，保溫時間12h，保溫完成後出爐水淬或油淬至淬件的溫度為80℃；所述人工時效處理工藝為在155℃範圍內進行時效，時效時間為10.5h。
對比例1
一種高韌性耐蝕鋁合金型材，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高韌性耐蝕鋁合金型材含有以下元素：zn0.34％，zr0.002％，b0.45％，mg1.22％，ni1.20％，cu0.08％，ti0.26％，ta0.005％，微量元素0.01％，其餘為al和不可避免的雜質，所述鋁合金中b、ti、ta的總體含量為0.715％，其中，所述mg和ti的重量比為1：0.21；
所述的高韌性耐蝕鋁合金型材的製備工藝包括以下步驟：
(1)配料及熔煉：將鋁錠、鋯錠、硼錠、鎂錠、鎳錠加入熔煉爐中，升溫至礦料完全融化，在750℃下保溫35min，加入nacl，升溫至990℃，然後加入鈦和鉭，待金屬完全融化後，除去鋁液表面上的nacl，並對金屬熔液進行超聲處理，除去浮渣，所述nacl加入量為總鋁量重量的0.1％；
(2)對步驟(1)的金屬熔液冷卻至460℃，然後在真空下澆鑄，得到鋁合金鑄錠；
(3)將鋁合金鑄錠在160℃下保溫1h，然後升溫至510℃，保溫2h，再將鋁合金放入擠壓桶中進行擠壓成型，所述擠壓成型工藝為擠壓係數控制成96，擠壓速度為3.6m/min；
(4)將步驟(3)得到的型材進行固溶處理和人工時效處理，所述固溶處理工藝為溫度490℃，保溫時間2h，保溫完成後出爐水淬或油淬至淬件的溫度為60℃；所述人工時效處理工藝為在150℃範圍內進行時效，時效時間為10h。
對比例2
一種高韌性耐蝕鋁合金型材，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高韌性耐蝕鋁合金型材含有以下元素：zn0.34％，zr0.43％，b0.23％，mg3.71％，ni1.2％，cu0.08％，ti0.84％，ta0.12％，微量元素0.03％，其餘為al和不可避免的雜質，所述鋁合金中b、ti、ta的總體含量為1.19％，其中，所述mg和ti的重量比為1：0.23；
所述的高韌性耐蝕鋁合金型材的製備工藝包括以下步驟：
(1)配料及熔煉：將鋁錠、鋯錠、硼錠、鎂錠、鎳錠加入熔煉爐中，升溫至礦料完全融化，在755℃下保溫30min，加入na3alf6，升溫至990℃，然後加入鈦和鉭，待金屬完全融化後，除去鋁液表面上的na3alf6，並對金屬熔液進行超聲處理，除去浮渣，所述na3alf6加入量為總鋁量重量的0.1％；
(2)對步驟(1)的金屬熔液冷卻至450℃，然後在真空下澆鑄，得到鋁合金鑄錠；
(3)將鋁合金鑄錠在150℃下保溫1h，然後升溫至515℃，保溫2h，再將鋁合金放入擠壓桶中進行擠壓成型，所述擠壓成型工藝為擠壓係數控制成96，擠壓速度為3.6m/min；
(4)將步驟(3)得到的型材進行固溶處理和人工時效處理，所述固溶處理工藝為溫度490℃，保溫時間4h，保溫完成後出爐水淬或油淬至淬件的溫度為50℃；所述人工時效處理工藝為在150℃範圍內進行時效，時效時間為10h。
表1實施例1-5、對比例1-2的鋁合金棒材的相關性能
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應含在本發明的保護範圍之內。