一种高强耐蚀Al-Mg-Sc-Zr合金及其制备方法与流程

本发明属于有色金属材料制备领域，具体地，涉及一种高强耐蚀al-mg-sc-zr合金及其制备方法。

背景技术：

近年来，在空调、冷库制冷设备制造领域中提出了一种新的需求，将部分铜阀门用铝阀门代替，以降低成本，同时提高阀门的耐蚀性。要实现这种替代，采用的铝合金需要满足两个要求：(1)铝合金的抗拉强度在400mpa以上，延伸率在20％以上，以与原本采用的铜合金性能相当；(2)铝合金具有良好的热加工性能和耐腐蚀性能，以有利于阀门的制造和使用。常用的铝合金中，强度能达到400mpa的一般都是时效强化型铝合金，有2系、6系、7系铝合金，但这些铝合金由于都含有大量时效析出相，尤其是存在无沉淀析出带组织，导致合金耐蚀性能不能满足阀门制造的要求。也有人采用纯铝来制造阀门，如专利号为cn201710953617.9的专利提出采用纯铝通过压铸来制造阀门，但纯铝的强度不能满足用于强度高于400mpa的场合，其次如果铝合金不经受热变形而仅仅是以铸件的形式应用，则其延伸率往往无法达到20％。专利号为cn200710008859.7的专利提出采用冷挤压纯铝棒并通过阳极覆膜来制备铝合金阀门。冷挤压纯铝棒强度尚可，能达到300mpa，但其塑性差，而且该专利方法采用阳极覆膜工艺来提高铝的耐蚀性，该工艺过程会产生对环境有害的物质。

技术实现要素：

针对背景技术中提出的问题，本发明提供了一种高强耐蚀al-mg-sc-zr合金及其制备方法，采用耐腐蚀性能好的al-mg合金，能够满足阀门制造的要求，尤其是当合金中mg含量不超过5％时，合金的抗应力腐蚀性能优良。在此基础上，为了进一步提高合金强度，且避开时效强化会导致合金耐蚀性能降低的缺点，本发明提出在合金中添加不会降低合金耐蚀性能的zr、sc元素，这两种元素既可以起到一定的析出强化的作用，且不会形成电极电位比基体更低的析出相，因此不降低合金耐蚀性。此外，al3zr和al3sc都具有抑制合金回复再结晶的作用，这可以进一步提高合金强度。所以本发明利用al3zr和al3sc的这两种特性，通过将成分设计和双级退火工艺设计相耦合，使得合金成品微观组织为热锻后去应力退火回复组织+大量弥散强化相，确保合金力学性能和耐蚀性能都达到所需要求。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种高强耐蚀al-mg-sc-zr合金，对其进行成分设计，利用当mg含量低于5％时al-mg合金耐蚀性能优良的特性，首先确定合金主元素为3.5-4％的mg，并且合金中不添加mn、cr等会降低合金塑性的元素，而是利用zr、sc这两种元素进行微合金化，来进一步提高合金强度，两种微量元素的含量都为0.05-0.2％。

一种高强耐蚀al-mg-sc-zr合金的制备方法，包括铸造、初级高温退火、热锻、精加工、次级去应力退火5个步骤，具体步骤如下：

第一步、铸造：按照上述成分设计配料并熔化后，通过水平连铸制备出直径为20-30mm圆杆状铸锭，铸锭直径较小可以确保铸造过程中铸锭获得较大的冷却速度，从而得到sc、zr元素的过饱和固溶体，为后续工序做合金微观组织准备；

较优的，在铸造拉坯过程中，当铸锭温度低于580℃后要确保进入高压二次冷却水强冷，来防止两种微量元素在铸造冷却过程中发生析出；

第二步、初级高温退火：初级高温退火的目的有两个，一是消除铸锭中的枝晶偏析，提高铸锭的热加工工艺性，有利于后续热锻加工；二是使铸锭中的zr元素能够在退火过程中析出，但sc元素大部分不析出；根据相图可以确定，铸锭在500-510℃退火，即可实现上述目的，既可消除枝晶并使zr元素形成al3zr相弥散析出，且大部分sc元素仍以过饱和的溶质原子状态存在，温度如果过高则不利于提高al3zr相的弥散程度，温度低一是不利于保留sc元素的过饱和度，而是会延长退火时间，降低生产效率，初级高温退火时间为1小时；

第三步、热锻：将初级退火后的合金热锻为阀门粗坯形状，热锻温度300-350℃；由于合金初级退火后无枝晶所以合金热加工工艺性很好，在300-350℃区间合金热变形，一是可以确保不产生开裂，二是在该温度区间合金的加工组织是基本不发生动态再结晶的变形组织，这是确保合金最终能获得高强度的关键工序之一；

第四步、精加工：将热锻好的阀门粗坯经车削精加工成阀门；由于热锻后合金的组织是变形组织，存在一定的加工硬化，所以合金的车削性能良好，便于车削精加工；

第五步、次级去应力退火：将精加工后的阀门进行去应力退火，退火温度为250-300℃，退火时间3-6小时；在该温度区间去应力退火过程中，合金会发生一定程度的回复软化，消除一部分变形位错组织，这可以提高合金的耐蚀性能和塑性，但对提高合金强度不利；同时，由于合金中此时仍含有大量过饱和的sc溶质原子，所以在去应力退火过程中合金会因al3sc的析出而强度提高，且超过合金回复引起的强度下降值；所以本工序的综合退火效果是合金强度、塑性、耐蚀性能同时得以提高，最终合金的性能达到屈服强度260-290mpa，抗拉强度400-420mpa，延伸率＞20％，且抗腐蚀性能优良，能够满足阀门的工作环境要求。

本发明的有益效果：

1、本发明的合金成分较简单，使得合金的铸造容易进行，且成分设计使得合金中不会出现比基体电极电位更低的析出相，所以合金的抗腐蚀性能与纯铝相当，从而可以满足阀门制造的要求。

2、本发明通过双级退火工艺和热锻工艺的耦合设计，使得合金在这三道工序中每道工序都会提高强度，最终确保合金强度能达到400mpa以上。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例中初级高温退火后al-mg-sc-zr合金的tem组织(a)及选区衍射图(b)。

图2为本发明实施例中热锻后al-mg-sc-zr合金的变形组织。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

高强耐蚀al-mg-sc-zr合金由如下步骤制成：

1、熔铸。配置合金的成分为4％mg，0.1％zr，0.2％sc，其中zr与sc是通过中间合金的方式加入。将纯铝与这些合金元素共同熔炼完毕后，通过水平连铸铸造出直径为30mm圆杆状铸锭，在铸造拉坯过程中，当铸锭温度低于580℃后要确保进入高压二次冷却水强冷，来防止两种微量元素在铸造冷却过程中发生析出。

2、初级高温退火。将铸锭在500℃退火1h，以消除铸锭中的枝晶偏析，提高铸锭的热加工工艺性，并同时使铸锭中的zr元素形成al3zr相弥散析出，且大部分sc元素仍以过饱和的溶质原子状态存在。初级高温退火后合金的tem组织及选区衍射如图1a,b所示，由图1可见，合金初级退火后形成了大量al3zr相弥散析出。

3、热锻。将初级退火后的合金热锻为阀门粗坯形状，热锻温度320℃。热锻后合金的组织是基本不发生动态再结晶的变形组织，如图2所示，这可以确保合金最终能获得高强度。

4、精加工。将热锻好的阀门粗坯经车削精加工成阀门。热锻后合金的组织是变形组织，存在一定的加工硬化，所以合金的车削性能良好，便于车削精加工。

5、次级去应力退火。将精加工后的阀门进行去应力退火，退火温度280℃，退火时间5小时。在该温度区间的去应力退火过程中，合金中会同时发生回复软化及al3sc的析出强化，且强化效果大于软化效果，制得成品合金。

经测试，最终合金的成品性能为屈服强度280mpa，抗拉强度410mpa，延伸率22％，且抗腐蚀性能优良，在盐雾试验中合金的腐蚀深度与纯铝相同，即合金的腐蚀性能与纯铝相当，能够满足阀门的工作环境要求。

对比例

作为与本发明实施例的比较，选取市场上常用的纯铝阀门，如果阀门是通过压力铸造的，其性能一般是屈服强度100-120mpa，抗拉强度230-260mpa，这远不能满足一些高压阀门的高强度使用要求。当通过冷挤压纯铝棒来制造阀门时，其性能为屈服强度240-280mpa，抗拉强度300-320mpa，延伸率2％-6％，可以看出，冷挤压纯铝虽然强度较高，但延伸率很低，其塑性不能满足一些在疲劳应力环境中工作的阀门应用需求。

综上，结合实施例和对比例，说明采用本发明所设计的铝合金成分与工艺，能够在同时提高阀门用铝强度和塑性的同时，还能够确保铝合金的耐蚀性能优良，最终确保采用该合金制备的阀门能够用于对合金强度和耐蚀性能都有较高要求的使用场合。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。