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CN108504973A - 一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法 - Google Patents

一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种舰船用Al‑Mg‑Si合金的热处理方法，属于铝合金热处理技术领域。该方法将合金进行固溶处理后，在140～160℃进行第一级时效处理15min～60min，在180～220℃进行第二级时效处理0.5～1h，冷却至室温，立即进行第三时效，第三时效处理为在150～180℃保温4～8h，冷却至室温。该方法可以明显改善Al‑Mg‑Si合金的微观组织，使晶内析出大量的β"相(Mg5Si6)，晶界上的β相(Mg2Si)较少，且断续分布。这对开发新一代高强度、抗腐蚀舰船用铝合金具有重要的价值。

Description

一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法
技术领域
本发明涉及一种铝基合金的加工方法，特别涉及一种提高铝合金抗腐蚀性能和保持其强度的舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，属于铝合金加工技术领域。
背景技术
目前在航海船舶领域广泛使用的耐腐铝合金主要是5xxx系列Al-Mg和6xxx系列Al-Mg-Si铝合金。5xxx系列铝合金虽然很耐腐蚀，但力学性能较差。6xxx系列铝合金的力学性能比5xxx系列铝合金好，但在工程应用中，6xxx系列铝合金力学性能和耐腐蚀性能仍然存在不足，影响其结构件的使用，限制其构件应用潜力和使用寿命。Al-Mg-Si合金的性能主要由基体沉淀相和晶界沉淀相的结构、尺寸、分布以及晶界无沉淀析出带的特性等因素决定。为了能够得到满足使用的材料性能，应该选择合适的热处理工艺制度，使得这三种微观组织之间达到最佳组合，提高合金的使用性。对此，国内外进行了大量的相关研究，都是围绕着合金的合金化和热处理工艺优化，旨在提高强度的同时尽可能兼顾耐腐蚀性能，但都没有从根本上达到强韧性和耐蚀性的统一，而且由于合金化元素的复杂化和含量的提高，还会增加企业生产成本。因此，通过合理的优化成分和热处理工艺来开发新一代高强度抗腐蚀Al-Mg-Si铝合金以满足国内船舶工业、汽车工业对高强度和良好的耐蚀性铝合金的需求具有重要意义。中国专利申请(公开号CN106480343A)公开了一种高强度、耐海水腐蚀的新型Al-Mg-Si铝合金，该合金通过引入少量银元素来增加和控制强化相的数量和分布，改善合金的耐腐蚀性能，同时通过优化熔炼铸造工艺，轧制控制方法和固溶时效热处理工艺，来提高Al-Mg-Si铝合金的综合性能。其耐腐性能较好，但存在一定的晶间腐蚀倾向，且其强度性能有待提高。中国专利(CN 105543738B)一种铝合金形变热处理方法，该发明通过低温加较高温度的双级时效提高合金析出相密度，提高了合金力学性能，但此方法缺乏对合金的晶间相的析出和生长控制，不利于有效提高合金耐腐蚀性能。
发明内容
针对现有的熔炼铸造Al-Mg-Si铝合金存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种提高Al-Mg-Si铝合金抗腐蚀性能及强度等综合性能的热处理方法，该热处理方法加工的Al-Mg-Si铝合金抗拉强度、屈服强度、延伸率和抗剥落腐蚀等综合性能优异，特别适合航海船舶领域广泛应用。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，该方法是将Al-Mg-Si合金进行固溶处理后，进行三级时效处理；
所述三级时效处理过程为：1)第一级时效处理：在140～160℃温度下，保温15～60min；2)第二级时效处理：在180～220℃温度下，保温0.5～4h；3)第三级时效处理：在150～180℃温度下，保温4～8h。
本发明的技术方案关键在于采用了三级时效处理工艺，通过严格控制三级时效处理的温度和时间可以很好地控制Al-Mg-Si合金中第二相的生成和分布，从而大大提高合金材料的耐腐性能和机械性能。第一级时效处理采用相对较低的温度和较短的时间，在该条件下可使晶内形成大量MgSi原子团簇，同时，拉大晶内与晶界扩散能差值，使原有晶界附近析出相快速长大，大幅度提高合金抗腐蚀能力；二级时效处理采用相对较高的温度和较短的时间，在该条件下能使晶内MgSi团簇迅速长大形成β″或β′，同时晶界析出相进一步长大，大幅度提高合金力学性能和抗腐蚀能力；第三级时效处理，采用了相对较低温度和较长的时间，可使二级时效过程中回溶的溶质原子继续析出并长大，增大晶内β″相密度，提高合金力学性能。从而，经过特殊的三级时效处理，可以实现合金晶内存在大量β"强化相，与基体呈共格状态，晶界相密度小，且断续分布，使该合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和抗剥落腐蚀等综合性能得到大大提高。
优选的方案，所述固溶处理过程为：将Al-Mg-Si合金置于490～520℃温度下固溶2～6h。通过该条件下的固溶处理，能使合金充分均相化。
优选的方案，第一级时效处理：在150～155℃温度下，保温20～30min，或者在140～150℃温度下，保温30～60min。优选的条件下有利于MgSi原子团簇生成和晶界附近析出相快速生长。
优选的方案，第二级时效处理：在180～195℃温度下，保温3～4h，或者在200～220℃温度下，保温0.5～1h。优选的条件下有利于晶内MgSi团簇迅速长大形成β″或β′，同时有利于晶界析出相进一步长大。
优选的方案，第三级时效处理：在170～180℃温度下，保温4～6h，或者在150～165℃温度下，保温6～8h。优选的条件下有利于二级时效过程中回溶的溶质原子继续析出并长大，增大晶内β″相密度。
优选的方案，Al-Mg-Si合金进行第一级时效处理后冷却至室温，冷却介质为室温水。
优选的方案，Al-Mg-Si合金进行第二级时效处理过程中采用随炉升温，升温速率≥30℃/min。
优选的方案，Al-Mg-Si合金进行第三级时效处理后冷却至室温，冷却介质为室温水。
优选的方案，以Al-Mg-Si合金总质量为100％计量，Al-Mg-Si合金的质量百分比组成为：Mg：1.8～3.6％；Si：1.6～3.3％；Mn：0.45～0.65％；Cr：0.25～0.35％；Zr：0.15～0.3％；Ti：0.2～0.3％；Ag：0.2～0.5％；其他杂质总含量≤0.1％，单个杂质含量≤0.03％；Al:余量。
本发明的一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，包括以下具体步骤：
(1)预处理：将Al-Mg-Si合金在490～520℃范围内固溶2～6h；
(2)时效处理：第一级时效为：140～160℃，保温/15～60min；然后冷却到室温，放置一定时间后进行第二级时效；第二级时效为：180～220℃，保温0.5～4h；第二级时效可采用随炉升温或到温进行，若采用随炉升温，则升温速率≥30℃/min；经第二级时效后，需等炉温达到设定温度后进行第三级时效；第三级时效为：150～180℃，保温4～8h；然后冷却至室温，冷却介质为室温水。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益效果：
1)经过本发明的技术方案加工的Al-Mg-Si铝合金综合性能优异，其抗拉强度达到430MPa以上，屈服强度达到350MPa以上，延伸率达到12％以上和抗剥落腐蚀达到N级。
2)本发明的技术方案采用多级时效处理工艺来改善Al-Mg-Si铝合金的微观组织，从而获得高力学性能性能，同时又具有较好的耐蚀性的Al-Mg-Si铝合金。通过三级时效处理工艺可以提高Al-Mg-Si铝合金晶内强化相的析出密度，最大化提高Al-Mg-Si铝合金的强度性能，同时减小晶界第二相析出密度，降低晶界相界面能。三级时效处理后的Al-Mg-Si铝合金晶内存在大量β"强化相，与基体呈共格状态，晶界相密度小，且断续分布，使该合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和抗剥落腐蚀等综合性能大幅度提高，实现了强度、韧性和耐蚀性的有机结合，这将极大提高我国船舶航海等领域用耐蚀铝合金制件的使用寿命。
3)本发明的技术方案相对现有技术工艺步骤简单，条件温和，有利于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的合金微观组织照片；
图2为本发明实施例2制得的合金微观组织照片；
图3为本发明实施例3制得的合金微观组织照片；
图4为本发明实施例1制得的合金剥落腐蚀形貌；
图5为本发明实施例2制得的合金剥落腐蚀形貌；
图6为本发明实施例3制得的合金剥落腐蚀形貌。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下为本发明结合实施例作的进一步描述：
实施例1
按以下重量百分比配置Al-Mg-Si合金：3.1％Mg，2.2％Si，0.45％Mn，0.45％Ag，0.15％Zr，0.3％Cr，0.3％Ti，余量为Al，经熔炼，铸造，均匀化退火，热轧，中间退火，冷轧至5mm厚。经500℃/5h固溶处理，之后进行150～155/20min+180～195℃/0.7～1h+170～180℃/5h时效处理，然后对时效态合金进行室温拉伸试验和抗剥落腐蚀测试。抗剥落腐蚀按照GB/T22639-2008测试。腐蚀液为3.0％NaCl+10ml/L HCl的去离子水，试验温度为35±2℃，侵蚀时间为24h，试样表面积与试验溶液体积的比值小于20mm2/mL。腐蚀后的试样，用水洗净，吹干后进行腐蚀等级评定。
实施例2
按以下重量百分比配置Al-Mg-Si合金：3.3％Mg，1.8％Si，0.55％Mn，0.3％Ag，0.3％Zr，0.15％，0.32Cr，0.2％Ti，余量为Al。经熔炼，铸造，均匀化退火，热轧，中间退火，冷轧至5mm厚。经510℃/5h固溶处理，之后进行140～150℃/60min+200～220℃/0.6h+150～165℃/7h时效处理，然后对时效态合金进行力学性能和抗剥落腐蚀测试。抗剥落腐蚀按照GB/T22639-2008测试。腐蚀液为3.0％NaCl+10ml/L HCl的去离子水，试验温度为35±2℃，侵蚀时间为24h，试样表面积与试验溶液体积的比值小于20mm2/mL。腐蚀后的试样，用水洗净，吹干后进行腐蚀等级评定。
实施例3
按以下重量百分比配置Al-Mg-Si合金：1.9％Mg，3.3％Si，0.65％Mn，0.29％Ag，0.25％Zr，0.35％Cr，0.2％Ti，余量为Al。经熔炼，铸造，均匀化退火，热轧，中间退火，冷轧至5mm厚。经500℃/5h固溶处理，之后进行160℃/50min+210℃/1h+170℃/8h时效处理，然后对时效态合金进行力学性能和抗剥落腐蚀测试。抗剥落腐蚀按照GB/T22639-2008测试。腐蚀液为3.0％NaCl+10ml/L HCl的去离子水，试验温度为35±2℃，侵蚀时间为24h，试样表面积与试验溶液体积的比值小于20mm2/mL。腐蚀后的试样，用水洗净，吹干后进行腐蚀等级评定。
对比实施例1
按以下重量百分比配置Al-Mg-Si合金：3.1％Mg，3.2％Si，0.45％Mn，0.45％Ag，0.15％Zr，0.3％Cr，0.3％Ti，余量为Al，经熔炼，铸造，均匀化退火，热轧，中间退火，冷轧至5mm厚。后续热处理区别于实施例1、2、3的地方在于，改变二级时效工艺。具体热处理工艺为：经500℃/5h固溶处理后，进行155～160℃/20min+170～175℃/1h+170～180℃/6h时效处理，然后对时效态合金进行室温拉伸试验和抗剥落腐蚀测试。抗剥落腐蚀按照GB/T22639-2008测试。腐蚀液为3.0％NaCl+10ml/L HCl的去离子水，试验温度为35±2℃，侵蚀时间为24h，试样表面积与试验溶液体积的比值小于20mm2/mL。腐蚀后的试样，用水洗净，吹干后进行腐蚀等级评定。
对比实施例2
按以下重量百分比配置Al-Mg-Si合金：3.1％Mg，3.2％Si，0.45％Mn，0.45％Ag，0.15％Zr，0.3％Cr，0.3％Ti，余量为Al，经熔炼，铸造，均匀化退火，热轧，中间退火，冷轧至5mm厚。后续热处理区别于实施例1、2、3的地方在于，改变一、二级时效工艺。具体热处理工艺为：经500℃/5h固溶处理后，进行180～190℃/30min+190～195℃/2h+170～180℃/4h时效处理，然后对时效态合金进行室温拉伸试验和抗剥落腐蚀测试。抗剥落腐蚀按照GB/T22639-2008测试。腐蚀液为3.0％NaCl+10ml/LHCl的去离子水，试验温度为35±2℃，侵蚀时间为24h，试样表面积与试验溶液体积的比值小于20mm2/mL。腐蚀后的试样，用水洗净，吹干后进行腐蚀等级评定。
从表1可以看出实施例的抗拉强度可达到376MPa以上，延伸率可达到12.0％以上，且剥落腐蚀均为N级。
表1各实施例中Al-Mg-Si合金材料的力学性能及耐腐蚀性能
δ(％) σ0.2(MPa) σb(MPa) EXC
实施例1 11.31 312 376 N
实施例2 12.24 294 351 N
实施例3 13 301 365 N
对比实施例1 10 244 302 PA
对比实施例2 6 220 290 PC
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，其特征在于：将Al-Mg-Si合金进行固溶处理后，进行三级时效处理；
所述三级时效处理过程为：1)第一级时效处理：在140～160℃温度下，保温15～60min；2)第二级时效处理：在180～220℃温度下，保温0.5～4h；3)第三级时效处理：在150～180℃温度下，保温4～8h。
2.根据权利要求1所述的一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，其特征在于：所述固溶处理过程为：将Al-Mg-Si合金置于490～520℃温度下固溶2～6h。
3.根据权利要求1所述的一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，其特征在于：第一级时效处理：在150～155℃温度下，保温20～30min，或者在140～150℃温度下，保温30～60min。
4.根据权利要求1所述的一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，其特征在于：第二级时效处理：在180～195℃温度下，保温3～4h，或者在200～220℃温度下，保温0.5～1h。
5.根据权利要求1所述的一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，其特征在于：第三级时效处理：在170～180℃温度下，保温4～6h，或者在150～165℃温度下，保温6～8h。
6.根据权利要求1或3所述的一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，其特征在于：Al-Mg-Si合金进行第一级时效处理后冷却至室温，冷却介质为室温水。
7.根据权利要求1或4所述的一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，其特征在于：Al-Mg-Si合金进行第二级时效处理过程中采用随炉升温，升温速率≥30℃/min。
8.根据权利要求1或5所述的一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，其特征在于：Al-Mg-Si合金进行第三级时效处理后冷却至室温，冷却介质为室温水。
9.根据权利要求1～5任一项所述的一种舰船用Al-Mg-Si合金的热处理方法，其特征在于：以Al-Mg-Si合金总质量为100％计量，Al-Mg-Si合金的质量百分比组成为：
Mg：1.8～3.6％；
Si：1.6～3.3％；
Mn：0.45～0.65％；
Cr：0.25～0.35％；
Zr：0.15～0.3％；
Ti：0.2～0.3％；
Ag：0.2～0.5％；
其他杂质总含量≤0.1％，单个杂质含量≤0.03％；
Al:余量。
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