CN103103405B - 多元微合金化高强铝锰合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多元微合金化高强铝锰合金及其制备方法，其含有：0.1-0.5%Mg，0.3-1.5%Si，0.9-1.7%Mn，0.1-1.6% Zn，0.05-0.2% Cu；其余为铝、微合金化元素和不可避免的杂质。其中微合金化元素优选包括：0.05-0.3% Ti，0.05-0.1% B，或者0.05-0.3% Zr中的一种或几种；稀土元素，选自Ce、La、Y、Er或Nd中的一种或两种，每种稀土元素的含量为0.05-0.3%。本发明的多元微合金化铝锰合金经过钎焊工艺后，具有较高的抗拉强度和屈服强度，其钎焊后抗拉强度达到160MPa以上，屈服强度达到60MPa左右，且具有良好的耐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金领域，特别涉及一种多元微合金化高强铝锰合金及其制备方法，尤其是一种热交换器用多元微合金化高强铝锰合金及其制备方法。
背景技术
汽车等交通工具的轻量化已是我国制造业战略发展的大项目。它具有带动我国制造业全局性的发展，实现制造业的现代化、高技术化的战略意义。汽车自身重量降低10%，油耗可降低6-8%，燃油效率提高5-8%，每降低100公斤重，油耗可减少0.7L。而减重、节能是汽车产业发展过程中必须解决的关键技术难题之一。热传输铝合金复合材料在汽车及工程机械冷却系统（汽车水箱散热器、暖风机、油冷器、中冷器及汽车空调用蒸发器、冷凝器）、电站冷却装置、微通道冷却器、家用空调和商用空调等领域具有广阔的应用市场。它的轻质、高强、耐蚀和厚度减薄对于汽车高端机械和电器的减重、节能减排关系重大。汽车热交换器使用过程中要经受非常苛刻的道路环境影响、反复的热循环和使用周期中产生振动，因此要求铝合金铝箔具有良好的强度、钎焊性、散热性、耐蚀性以及良好的抗下垂和优异的加工性能。目前国内外铝箔合金产品钎焊后强度、耐蚀性较差，只能生产常规的3003铝合金热传输材料，不能满足不断提高的欧洲标准要求，热交换器生产迫切要求热交换器材料高强化。
公开日期为1996-01-14的瑞典专利SE-510272，记载了一种“用于钎焊热交换器的高强度铝合金（High strength aluminum alloy for brazed heat exchanger）”，该专利公开了一种含锌较高的高锰（1.4-1.8wt%）低硅（0.5-1.0wt%）铝合金（商业牌号FA6815），采用该合金制造的热交换器翅片用铝合金箔钎焊后抗拉强度为130MPa，屈服强度强度为50MPa。但是由于高性能热交换器的需要，该发明所设计的合金箔钎焊后力学性能仍然需要改善。中国专利申请200810123970.5公开了一种“热交换器用高性能铝合金复合箔及其制造方法”，中国专利申请200710190964.7公开了“一种高强热交换器用铝锰合金及其制造方法”，该两种发明专利采用高猛（1.0-1.6wt%）低硅（<0.5%）含镁（0.3-0.7wt%）铝合金，采用该合金钎焊强度最高达到157MPa，屈服强度达到45MPa；此外还有日本专利特公平7-4678，特願昭63-181668以及2001-170793等，均公开了热交换器用铝合金，但是这些专利得到的铝合金强度还不够高，另外，这些专利镁含量较高，不利于钎焊的要求，难以满足汽车行业不断减薄化、轻量化的要求。
发明内容
为了达到不断更新高强要求以实现铝合金减薄化进而实现汽车轻量化的目的，本发明通过添加多种强化元素，并通过以稀土元素为主的多元微合金化，以及同时增加Mg、Si的含量，综合运用稀土、镁硅、钛、锆等元素的复合强化作用的方法，制备出了一种具有很高强度的铝锰合金，该铝锰合金同时还具有良好的耐蚀性。
本发明的第一目的是提供一种多元微合金化高强铝锰合金，以解决现有技术中铝合金强度还不够高，难以满足汽车行业不断减薄化、轻量化要求的缺陷。
本发明的第二目的是提供上述的多元微合金化高强铝锰合金的制备方法，以解决现有技术中铝合金强度还不够高，难以满足汽车行业不断减薄化、轻量化要求的缺陷。
本发明的技术方案如下：
一种多元微合金化高强铝锰合金，其含有：
0.1-0.5%Mg，0.3-1.5%Si，0.9-1.7%Mn，0.1-1.6% Zn，0.05-0.2% Cu；其余为铝、微合金化元素和不可避免的杂质。
优选地，所述微合金化元素包括：0.05-0.3% Ti，0.05-0.1% B，或者0.05-0.3% Zr中的一种或几种。
优选地，所述微合金化元素进一步包括：稀土元素，选自Ce、La、Y、Er或Nd中的一种或两种，每种稀土元素的含量为0.05-0.3%。
优选地，所述杂质包括0.2-0.6%的杂质Fe。
一种上述的多元微合金化高强铝锰合金的制备方法，包括以下步骤：
(1) 准备配料，按照上述的多元微合金化高强铝锰合金的组成及重量百分比进行配料准备；
(2) 将上述配料熔炼，熔炼温度在650-780℃，并加精炼剂除气、除渣，浇铸成铸锭；精炼剂采用业内常规精炼剂；
(3) 铸锭经过切割铣面，在470-510℃均匀化处理后，将铣面的铝块在470-500℃条件下热轧，轧制厚度3-4mm；
(4) 对热轧后的合金进行冷轧，轧制厚度0.05-0.3mm；
(5) 在300-380℃退火1-3h，得到成品。其中，热轧和冷轧均为本领域常用手段，其操作细节不再赘述。
优选地，所述步骤（3）中，热轧的轧制厚度为3-4mm。
优选地，所述步骤（4）中，冷轧的轧制厚度为0.05-0.3mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
第一，本发明的多元微合金化高强铝锰合金与3003 铝合金相比，增加了镁、硅含量，优化了镁与硅的成分及二者的成分之比，加入Mg、Si不仅能提高其焊接性，还提高了强度，形成的化合物Mg2Si可以提高基体强度，保证了本发明的铝锰合金在钎焊后拥有较高的抗拉强度和屈服强度，而合适的Mg/Si比，又很好的保证合金的塑性；
第二，本发明的多元微合金化高强铝锰合金增加了微合金化元素钛、硼或锆，加入钛后，能够在轧制过程中形成钛偏析，使点状腐蚀转变为层状腐蚀，或者直接加入钛硼，这样就同时加入了钛元素和硼元素，钛硼不仅有钛的优点，还有硼的一些作用，增强了铝合金的耐腐蚀性；加入锆后，可在合金内形成Al3Zr析出相，该析出相致密，并均匀分布在铝箔中，能最大限度防止Al-Mn合金的再结晶能力；
第三，在本发明的一些实施例中，本发明的多元微合金化高强铝锰合金主要是在3003铝锰合金基础上通过加入稀土和其它强化元素形成多元微合金化来实现合金的高强度，其中，稀土能球化含铁、硅的金属化合物相，与铁形成化合物，减少铁的不利影响，改善封孔质量，提高氧化膜的耐蚀性；稀土元素和多元微量元素复合添加方式在提高合金强度上有显著的协同强化作用，还能提高铝合金的耐蚀性，增强合金的钝化；此外，稀土还具有除气、除杂的净化作用，稀土能和氢气反应形成化合物析出，稀土能与Fe、Si形成化合物析出；稀土还能改善合金熔铸工艺和性能；稀土具有良好的细化、变质作用，能改善铝合金加工过程和性能，而且稀土还可以增加变形织构中立方织构的含量；
第四，本发明的多元微合金化高强铝锰合金在保持了3003铝合金的耐蚀性的前提下大幅提高了其力学强度；
第五，本发明的铝锰合金的原料之一稀土是我国比较富有的优势资源，开发本发明的多元微合金化高强铝锰合金，不仅能提高我国铝热传输工业化进程，还能综合利用资源优势。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1-9
实施例1-9的高强度铝锰合金按照上述发明内容中所述的方法制备，其中熔炼温度、均匀化处理温度、热轧温度及厚度、冷轧后合金的厚度、退火温度、退火时间根据产品要求和业内常识进行选取。实施例1-9的高强度铝锰合金中各组分及重量百分比配比如下表1。
表1
对实施例1-9得到的高强度铝锰合金进行如下几方面的性能测试：
铸态组织硬度测量：取浇筑好的铸锭中间部位，切割试样，在沃伯特数显维氏硬度计上进行硬度测试，测试结果如下表2所示。
钎焊前抗拉强度测试：铸锭经过步骤（3）和步骤（4）的热轧和冷轧工艺后，根据测试需要，加工拉伸测试试样，试样状态为H18，室温拉伸，拉伸速度0.5mm/min，测量长度为50mm，测量钎焊前拉伸强度，测试结果如下表2所示。
600℃ 10min钎焊后抗拉强度、屈服强度及延伸率测试：600℃×10分钟钎焊后，以200℃/min冷却速度冷却，室温放置48h时效，在拉伸速度为0.5mm/min，英斯特朗30KN拉力试验机上拉伸，测量长度为50mm，测得抗拉强度、屈服强度及延伸率如下表2所示。
表2
常用3003型铝锰合金的铸态组织硬度为40HV，钎焊前抗拉强度为215MPa，600℃ 10min钎焊后抗拉强度为109MPa，600℃ 10min钎焊后屈服强度为38.6MPa，600℃ 10min钎焊后延伸率（%）为11.2；实施例1-9中得到的多元微合金化高强铝锰合金的铸态组织硬度约在50-65HV之间，钎焊前抗拉强度在240-260MPa之间，600℃ 10min钎焊后抗拉强度基本在160MPa以上，600℃ 10min钎焊后屈服强度在60MPa左右，600℃ 10min钎焊后延伸率（%）约在16-19之间。对比以上数据可以看出，采用本发明方法得到的实施例1-9的多元微合金化高强铝锰合金其铸态组织硬度、钎焊前抗拉强度、600℃ 10min钎焊后抗拉强度、600℃ 10min钎焊后屈服强度、600℃ 10min钎焊后延伸率均明显大于常用3003型铝锰合金，证明本发明的多元微合金化高强度铝锰合金在力学性能上相对于常用3003型铝锰合金有很大提升。
此外，还对以上实施例1-9中得到的多元微合金化高强铝锰合金进行了耐蚀实验，具体包括如下几方面：
电化学腐蚀测试：参照标准ASTM G96测试标准，试样经过打磨抛光之后，经酒精清洗后吹干，密封于研究电极，使测试面放入电解液中进行测试。采用1.0mol的NaCl及9ml 30%的H2O2溶液配成1L的电解质溶液。极化曲线扫描速度为3mV/s，测试电位区间为-1.60V~-0.45V。然后根据极化曲线可以得出多元微合金化高强铝锰合金在电解质溶液中的开路电位、腐蚀电位以及腐蚀电流密度。对于铝锰合金而言，其初始开路电位和腐蚀电位的负值绝对值越大其耐蚀性越好；腐蚀电流密度就是铝合金在电解质溶液中发生腐蚀电化学反应时的电流密度，所以腐蚀电流密度越小，其腐蚀电化学反应越弱，也就是材料在此种电解质溶液中具有较高的耐蚀性。
自腐蚀速率测试：采用恒温水浴浸泡试样的试验方法，试样经过打磨抛光清洗之后，选取40mm×70mm大小的样片，称得实验前质量，然后浸入250ml，3.5%氯化钠溶液的容量瓶中，实验在35℃的恒温水浴中进行。实验结束后将试样在稀硝酸溶液中浸泡15min，然后用水清洗，烘干，记录剩余质量。以上浸泡实验就是模拟材料在实际应用中的环境变量来测试材料的自腐蚀速率，浸泡实验结果通过单位面积单位时间的腐蚀失重测试材料的自腐蚀速率。
以上实验方法所得腐蚀性结果见表3。
表3
常用3003型铝锰合金的腐蚀电位为-0.720V，电化学腐蚀电流密度为4.02×10-7A/cm2，15天浸泡的自腐蚀速率为0.0168 mg/d×cm2，而从表3中可以看出，本发明实施例1-9的多元微合金化高强铝锰合金电化学腐蚀的腐蚀电位为-0.7～-0.75V之间，腐蚀电流密度为3.13-4.28×10-7A/cm2，15天浸泡的自腐蚀速率为0.0153-0.0208mg/d×cm2。从上述测试结果得到，本发明的多元微合金化高强铝锰合金的耐蚀性得到了保持，甚至还有所提高。
通过以上实施例1-9的力学性能数据和电化学腐蚀数据可以得出，本发明多元微合金化高强铝锰合金在大幅度提高力学强度的同时，也保持了其相对优异的耐蚀性，从而适用于热交换器等领域。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施方式，不用于限定本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (7)
1.一种多元微合金化高强铝锰合金，其特征在于，其组成成分为：
0.20-0.26wt％Mg，0.62-1.5wt％Si，0.9-1.7wt％Mn，0.1-1.6wt％Zn，0.05-0.13wt％Cu；其余为铝、微合金化元素和不可避免的杂质；其中，
所述微合金化元素为：0.05-0.3wt％Ti，0.05-0.1wt％B，或者0.05-0.3wt％Zr中的一种或几种和稀土元素，所述稀土元素选自Ce、La、Y、Er或Nd中的一种或两种，每种稀土元素的含量为0.05-0.3wt％。
2.如权利要求1所述的多元微合金化高强铝锰合金，其特征在于，所述微合金化元素为0.05-0.25wt％Ti，0.05-0.1wt％B，或者0.10-0.12wt％Zr中的一种或几种和稀土元素。
3.如权利要求2所述的多元微合金化高强铝锰合金，其特征在于，所述稀土元素为0.09-0.25wt％Ce元素和0.05-0.14wt％的La元素；或所述稀土元素为0.11wt％Y；或所述稀土元素为0.12wt％Nd；或所述稀土元素为0.13wt％Er。
4.如权利要求1或2或3所述的多元微合金化高强铝锰合金，其特征在于，所述Si、Mn、Zn的含量进一步为：0.62-1.26wt％Si，0.94-1.61wt％Mn，0.1-1.5wt％Zn。
5.一种权利要求1-4中任一项所述的多元微合金化高强铝锰合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备配料，按照权利要求1-4中任一项所述的多元微合金化高强铝锰合金的组成及重量百分比进行配料准备；
(2)将上述配料熔炼，熔炼温度在650-780℃，并加精炼剂除气、除渣，浇铸成铸锭；
(3)铸锭经过切割铣面，在470-510℃均匀化处理后，将铣面的铝块在470-500℃条件下热轧；
(4)对热轧后的合金进行冷轧；
(5)在300-380℃退火1-3h，得到成品。
6.如权利要求5所述的多元微合金化高强铝锰合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，热轧的轧制厚度为3-4mm。
7.如权利要求5所述的多元微合金化高强铝锰合金的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，冷轧的轧制厚度为0.05-0.3mm。
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