CN115505800A

CN115505800A - 一种耐腐蚀的Al-Mg-Mn-Sc系铝合金及其制备方法

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Publication number: CN115505800A
Application number: CN202211159227.1A
Authority: CN
Inventors: 陆政; 李国爱; 许晨玲; 巫正瑜; 王强
Original assignee: Hubei Meike Jingyi Technology Co ltd
Current assignee: Hubei Meike Jingyi Technology Co ltd
Priority date: 2022-09-22
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2022-12-23

Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀的Al‑Mg‑Mn‑Sc系铝合金及其制备方法，所述铝合金按质量百分比组分为：Mg 5.5‑6.5，Mn 0.7‑1.3，Sc 0.15‑0.45，Zn 0.4‑0.8，Zr 0.02‑0.12，余量为Al；所述铝合金通过的Sc的加入，使得5系铝镁合金的微合金化得到显著加强，显著提高铝合金的强度和耐腐蚀性能，大幅扩宽焊接工艺窗口，有效提高合金产品的制备加工性能。

Description

一种耐腐蚀的Al-Mg-Mn-Sc系铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，特别涉及一种耐腐蚀的Al-Mg-Mn-Sc系铝合金及其制备方法。

背景技术

Al-Mg-Mn 5系铝合金常用于船舶、海洋平台和液体储罐的制造，主要利用其优异的常温耐腐蚀性能好较优异的焊接性能。行业应用中，船舶、海洋装备用户反映，常规Al-Mg-Mn 5系铝合金在实际使用环境下，耐腐蚀性能不足，影响使用寿命。除此之外，轻型通道建造用铝合金必须保证优异的力学性能以及焊接性能。

因此有必要研究一种适用于轻型通道建造用的耐腐蚀铝合金板材、型材和配套焊材的Al-Mg-Mn-Sc系铝合金。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明第一个目的在于提供一种耐腐蚀的Al-Mg-Mn-Sc铝合金，以显著提高材料的耐腐蚀性能；第二个目的在于提供上述铝合金的制备方法，其应用于耐腐蚀铝合金板材、型材的制备。

鉴于此，本发明的方案为：

一种耐腐蚀的Al-Mg-Mn-Sc铝合金，用于轻型通道建造用的耐腐蚀铝合金板材、型材，按质量百分比组分为：Mg 5.5-6.5，Mn 0.7-1.3，Sc 0.15-0.45，Zn 0.4-0.8，Zr 0.02-0.12，余量为Al。

进一步地，所述铝合金按质量百分比组分为Mg 6.1-6.3，Mn 0.8-1.1，Sc 0.2-0.3，Zn 0.55-0.7，Zr 0.05-0.12，余量为Al。

优选地，所述铝合金按质量百分比组分为Mg 6.2，Mn 0.86，Sc 0.35，Zn 0.6，Zr0.11，余量为Al。

进一步地，按质量百分比，所述铝合金中Si含量低于0.4，Fe含量低于0.4，Cu含量低于0.1，其他元素总和低于0.15。

一种Al-Mg-Mn-Sc系铝合金，按质量百分比组分为：Mg 5.5-7.5，Mn 0.6-1.3，Sc0.15-0.60，Zr 0.08-0.16，Be 0.002-0.004，余量为Al，用于轻型通道建造用的耐腐蚀铝合金焊材。

进一步地，所述铝合金中固态氢含量小于0.2μg/g。

上述铝合金的制备方法，包括如下步骤：

S1.对熔炉清理后，先投入覆盖剂，投入铝锭；

S2.控制炉膛温度在1200℃以内，升温至熔化；

S3.依次均匀加入中间合金及打渣剂，扒净浮渣，控制熔体温度730-760℃搅拌10min以上后进行精炼；

S4.控制温度为730-750℃对熔体静置；

S5.对所得熔体铸造，并进行后处理得到铝合金材料。

进一步地，当制备铝合金板材、型材时，中间合金加入顺序为：铝锰、铝锆、铝锌、铝钪；熔化后温度为730-760℃时加入镁锭，搅拌20-30min。

进一步地，当制备铝合金焊材时，所述中间合金还加入有铝铍。

进一步地，所述精炼后进行炉前取样分析，根据元素含量选择补料或加入铝锭冲淡。

相比现有技术，本发明取得的效果为：

1.本发明提供铝合金通过的Sc的加入，使得5系铝镁合金的微合金化得到显著加强，显著提高铝合金的高温腐蚀性能，大幅扩宽焊接工艺窗口，有效提高合金产品的使用性能。

2.本发明所述制备方法结合熔炼温度扒渣、精炼可有效降低铝合金成分中的杂质，固态氢含量小于0.2μg/g；所得铝合金型材、板材单个杂质含量控制在0.05以下，杂质总含量控制在0.15％以下，保证铝合金优异的焊接性能和耐腐蚀性。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

本发明的一个具体实施例中，提出一种耐腐蚀的Al-Mg-Mn-Sc系铝合金，用于制备轻型通道建造用的耐腐蚀铝合金板材、型材。具体地，所述铝合金材料按质量百分比组分为：Mg 5.5-6.5，Mn 0.7-1.3，Sc 0.15-0.45，Zn 0.4-0.8，Zr 0.02-0.12，余量为Al。

上述Al-Mg-Mn-Sc系铝合金板材或型材的成分(wt％)具体如表1所示：

表1：

注：①固态氢含量不超过0.2μg/g，其他元素为除去所列元素之外的杂质元素。

作为优选的实施例，所述铝合金按质量百分比组分为Mg 6.1-6.3，Mn 0.8-1.1，Sc0.2-0.3，Zn 0.55-0.7，Zr 0.05-0.12，余量为Al；更优选地，所述铝合金按质量百分比组分为Mg 6.2，Mn 0.86，Sc 0.35，Zn 0.6，Zr 0.11，余量为Al。

在本发明的另一个具体实施例中，提出一种耐腐蚀的Al-Mg-Mn-Sc系铝合金，用于制备轻型通道建造用的耐腐蚀铝合金焊材。具体地，所述铝合金材料按质量百分比组分为：Mg 5.5-7.5，Mn 0.6-1.3，Sc 0.15-0.60，Zr 0.08-0.16，Be 0.002-0.004，Zn含量低于0.2，余量为Al。

本发明的另一个实施例中，提出的Al-Mg-Mn-Sc系铝合金焊材的成分(wt％)具体如表2所示：

表2：

注：①固态氢含量不超过0.2μg/g；②Fe的质量分数与Si的质量分数之比须大于1；③杂质含量指的是出表2中列出元素之外的杂质元素含量。

上述实施例中，所述铝合金材料具备优良的耐腐蚀性能，包括但不限于：抗剥落腐蚀、抗晶间腐蚀、抗盐雾腐蚀及耐海水腐蚀性。所述铝合金板材、型材与焊材应用于焊接时可以适应更宽的熔化焊接工艺窗口，应用于轻型通道建造时更易于作业。

在本发明的另一个实施例中，提供所述铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：

1)装炉：装炉前必须确认所有炉料清洁，无水、油污、泥土及杂物，先装入总投料量2-4wt‰的覆盖剂，然后后装入铝锭(可视情况加入碎料、小块、大块废料)；

2)控制炉膛温度在1200℃以内，升温至熔化；

3)待炉料刚刚全部熔化，即均匀加入2-6wt‰无钠打渣剂或2号熔剂。将打渣剂均匀的覆盖在金属的表面；依次加入中间合金，当所有元素全部加入后，开启电磁搅拌器进行搅拌，搅拌时间不得少于15min，如进行成分微调或上次取样结果不均匀但偏差较小时，应搅拌不少于10min。搅拌完成后，扒净表面浮渣。

具体地，当制备铝合金板材、型材时，中间合金加入顺序为：铝锰、铝锆、铝锌、铝钪；熔化后温度为730-760℃时加入镁锭；当制备铝合金焊材时，所述中间合金还另外加入有铝铍，其他步骤相同；

中间合金、纯金属、添加剂的加入，必须分布均匀，勿集中在某一处。

精炼前进行炉前取样分析，根据元素含量选择补料或加入铝锭冲淡，补料是指元素含量不足时进行该元素的补充，冲淡是指某元素超出工艺卡上成分范围要求而进行的铝锭补入从而使该元素成分含量合格的操作；

精炼进行炉内除气，成分合格后第一次用氩氯混合气体精炼(Ar-10％Cl₂)确保钠含量符合要求；第二次采用氩气精炼，精炼时间20-25分钟。采用Ar+Cl₂法精炼，氩氯气体的氯气含量10％，精炼不留死角，精炼要充分，精炼时间10-20分钟，精炼温度725-750℃(优选控制在730-740℃)。

4)扒渣完成成分合格后，控制温度为730-750℃对熔体静置，静置时间大于20分钟；

5)对所得熔体铸造，并进行后处理得到铝合金材料。

上述铝合金材料制备方法中，所得型材、板材中杂质元素单个含量控制在0.05％以下，杂质总含量控制在0.15％；焊材中杂质元素Fe的含量在0.25％以下，Si含量在0.2％以下，Zn含量在0.2％以下，Cu含量在0.1％以下，且Fe与Si质量分数之比大于1。并且通过精炼使得铝合金材料中固态氢含量小于0.2μg/g。

以下是本发明通过以上制备方法制备得到不同组分的实施例与对比例，并通过实验例作为上述技术方案及效果的验证。不同的实施例与对比例成分如表2所示，表2中略去了铝的含量，以余量计算。其中实施例1-3为作为铝合金型材及板材的组成，实施例4-6为所述铝合金焊材的组成；对比例1-3作为实施例1-3的对照，对比例4-6作为实施例4-6的对照。对比例3及对比例6为现有技术Al-Zn-Mg-Mn-Sc合金材料(公开文献CN103981408 A)。

表2：

实验例

对以上实施例及对比例进行如下指标测试。

1.力学性能测试

以制备H116状态的板材或挤压型材为例，测试上述实施例1-3与对比例1-3的拉伸性能、弯曲性能、剪切性能及冲击性能，具体如表3所示。拉伸性能按GB/T 16865规定的方法进行试验；弯曲性能按GB/T 232规定的方法进行弯曲试验，新型Al-Mg-Mn-Sc系铝合金板材和型材腹板按6t的弯曲直径进行180°弯曲试验后,试样弯曲部分外侧不得出现裂纹或分层等缺陷；剪切性能按GB/T 34487规定的方法进行试验，新型Al-Mg-Mn-Sc系铝合金板材、型材的抗剪强度应≥200MPa；冲击性能按GB/T 229规定的方法测试板材、型材在0～60℃温度下的冲击功，新型Al-Mg-Mn-Sc系铝合金板材、型材的冲击性能应满足：冲击吸收能量KV₂≥9J，冲击韧性值a_KV≥30J/cm²。

表3：

从表1中不难看出，实施例1-3分别相对于对比例1、3在拉伸性能、弯曲性能、剪切性能及冲击性能方面表现更优，对比例1中未添加Sc，其各方面性能显著下降，实施例1-3与对比例3相比而言部分力学性能更优，在Sc添加的比例相当的情况下仍存在差异，可能是部分元素含量比例不同带来的效果。

2.焊接性能测试

分别采用实施例1所述成分的板材，与实施例4-6所述成分的焊丝进行焊接，列为A1、A2、A3；以及和对比例4-6制备所得焊材进行焊接列为A1′、A2′、A3′。采用采用对比例1所述成分的板材，与实施例4-6所述成分的焊丝进行焊接，列为B1、B2、B3；以及和对比例4-6制备所得焊丝进行焊接列为B1′、B2′、B3′。对比例3成分的板材与对比例6成分的焊材进行焊接，列为D。上述焊接过程采用氩弧焊焊接。分别检测上述各小组焊接后的性能，包括焊缝横向拉伸性能(GB/T 2651)及弯曲性能(ISO 5173)、焊缝外观检查和表面及内部无损检测(GB/T18851和GB/T 3323.1)情况等。结果如表4所示。

表4：不同组分的铝合金板材与焊材焊接后的性能

由表4不难看出，仅在实施例1所述的铝合金板材与实施例4-6焊丝进行焊接的情况下，焊接后各方面性能优异，当铝合金板材或焊丝材料之一的组分非本方案范围之内时，其性能下降，且作为现有技术D组中虽然Sc的添加量与本发明相当，但由于其他组分比例不同引起焊接性能的下降。

3.耐腐蚀性能测试

分别对实施例1-3及对比例1-3所得板材、型材进行耐腐蚀性能测试，包括抗剥落腐蚀(ASTM G66)和抗晶间腐蚀(ASTM G67)，盐雾腐蚀性能(GB/T 10125，中性盐雾试验)，耐海水腐蚀(GB/T 6384-2008，置于东海海域试验站间浸区和飞溅区现场挂片试验)等方面的测试。结果如表5所示。

表5：

其中，抗剥落腐蚀级别PA、PC、EA依次表示耐腐蚀性能由强到弱；P(pitting)代表出现点蚀，E(exfoliation)代表表面脱落。

从表5中不难看出，在优选的实施例1-3中，所述铝合金板材及型材具备优良的耐腐蚀性能，对比例1在没有添加Sc的情况下，其耐腐蚀性能各项指标均明显下降，对比例2在加入过量的情况下，耐腐蚀性并未显著提高与实施例2几乎持平，说明在0.15～0.45优选的范围内，Sc的添加有助于提高Al-Mg-Mn-Sc系铝合金的耐腐蚀性能，可能的原因在于Sc对于合金铸态组织的晶粒细化存在促进作用。作为现有技术的对比例3在耐腐蚀性能上不如实施例1-3，说明组分的差异对于耐腐蚀性能存在影响，虽然Sc的加入量相当，但其他组分存在差异，如锌和镁两者的含量不同，可能由于含量在优选范围内的金属元素存在协同作用导致耐腐蚀性的增强。

本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述的方案和原理，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的效果和替换方案，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的数据和这里示出与描述的示例。

Claims

1.一种耐腐蚀的Al-Mg-Mn-Sc系铝合金，其特征在于，按质量百分比组分为：Mg 5.5-6.5，Mn 0.7-1.3，Sc 0.15-0.45，Zn 0.4-0.8，Zr 0.02-0.12，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金按质量百分比组分为Mg6.1-6.3，Mn 0.8-1.1，Sc 0.2-0.3，Zn 0.55-0.7，Zr 0.05-0.12，余量为Al。

3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金按质量百分比组分为Mg6.2，Mn 0.86，Sc 0.35，Zn 0.6，Zr 0.11，余量为Al。

4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于，按质量百分比，所述铝合金中Si含量低于0.4，Fe含量低于0.4，Cu含量低于0.1，杂质元素总和低于0.15。

5.一种Al-Mg-Mn-Sc系铝合金，其特征在于，按质量百分比组分为：Mg 5.5-7.5，Mn0.6-1.3，Sc 0.15-0.60，Zr 0.08-0.16，Be 0.002-0.004，余量为Al。

6.根据权利要求1或5所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金中固态氢含量小于0.2μg/g。

7.权利要求1所述铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.对熔炉清理后，先投入覆盖剂，投入铝锭；

S2.控制炉膛温度在1200℃以内，升温至熔化；

S4.控制温度为730-750℃对熔体静置；

S5.对所得熔体铸造，并进行后处理得到铝合金材料。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，当制备铝合金板材、型材时，中间合金加入顺序为：铝锰、铝锆、铝锌、铝钪；熔化后温度为730-760℃时加入镁锭，搅拌20-30min。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，当制备铝合金焊材时，所述中间合金还加入有铝铍。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述精炼前进行炉前取样分析，根据元素含量选择补料或加入铝锭冲淡。