一种具有高耐蚀性的7N01铝合金型材及其制备和应用

摘要

本发明涉及铝合金生产制造技术领域，具体说是一种具有高耐蚀性的7N01铝合金型材及其制备和应用。按元素重量百分比计，7N01铝合金型材成分范围为，Zn:4.0～5.0％；Mg:1.0～2.0％；Mn:0.2～0.7％；Si:0.08～0.20％；Cr:≤0.30％；Zr:≤0.25％；Ti:≤0.20％；余量为铝和不可避免的杂质。本发明通过合理的控制7N01铝合金型材中的Si含量，提高了7N01铝合金型材的耐蚀性。与此同时，本发明打破了7N01铝合金型材传统的成分设计中认为杂质元素Si含量越低，性能越好的设计理念，降低了工业生产控杂的难度，并大幅度降低了工业冶炼的成本。

说明书

技术领域：

本发明涉及铝合金生产制造技术领域，具体说是一种具有高耐蚀性的7N01铝合金型材及其制备和应用。

背景技术：

铝合金因其具有密度低、强度高、加工性好、美观等特点，而成为当今轻质材料的研究热点，同时是高速列车车体轻量化的首选材料。20世纪50年代，日本率先提出发展高速铁路，并建成了世界上第一条时速200公里的铁路——新干线。随后，世界各国竞相投入高速铁路的研究，并得到了突飞猛进的发展。为了保持技术的领先，日本也在不断改进其高速铁路相关技术，包括铝合金车体的研究。7N01铝合金是日本独立开发的Al-Zn-Mg系合金，其研制始于20世纪70年代，型材作为结构材料专门应用于日本新干线高速铁路铝合金车体。由于7N01铝合金的挤压性能好，能挤压形状复杂的薄壁型材，且焊接性能好，焊缝质量高，是最理想的中强焊接结构材料之一。一般情况下，7N01铝合金型材主要应用于端面梁、车端缓冲器、底座、门槛、侧面构件骨架、车架枕梁等。

铝合金的应力腐蚀在较早时期就被研究者们发现，它是指在拉应力和腐蚀介质的共同作用下，伴随着裂纹的萌生和扩展引起的延时破坏。7N01铝合金型材经过人工时效后晶界处的析出相(MgZn₂)呈连续分布时，具有较高的应力腐蚀敏感性。为降低应力腐蚀敏感性，研究者们探索了许多方式，包括人工过时效、添加稀土元素等。人工过时效虽然提高了合金的耐应力腐蚀性能，但合金力学性能损失比较严重；添加稀土元素能显著抑制合金的再结晶，从而降低沿晶界腐蚀开裂的趋势，但由于其具有较高的成本，工业应用受到限制。因此，新的提高7N01铝合金型材耐蚀性的方法仍值得研究。

发明内容：

本发明的目的是设计一种具有高耐蚀性的7N01铝合金型材成分范围，通过调节杂质元素Si的含量，在保持较高力学性能的前提下提高7N01铝合金型材的耐晶间腐蚀及应力腐蚀能力。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种具有高耐蚀性的7N01铝合金型材，按元素重量百分比计，7N01铝合金型材成分范围为，Zn:4.0～5.0％；Mg:1.0～2.0％；Mn:0.2～0.7％；Si:0.08～0.20％；Cr:≤0.30％；Zr:≤0.25％；Ti:≤0.20％；余量为铝和不可避免的杂质。

所述的具有高耐蚀性的7N01铝合金型材的制备方法，采用如下步骤：

1)合金原料在800～830℃下熔炼，680～700℃浇铸，得到7N01铝合金铸锭；

2)铸锭置于460～480℃保温20～30h进行均匀化处理，空冷至室温；

3)铸锭置于440～460℃保温1～2h，保证铸锭心部烧透，随后进行热挤压得到挤压型材，在线淬火；

4)挤压型材室温自然停放60～80h；

5)挤压型材置于95～105℃保温10～14h，空冷至室温；

6)挤压型材置于165～175℃保温1～4h，空冷至室温。

所述的具有高耐蚀性的7N01铝合金型材的制备方法，步骤1)中，优选铸造方法为金属型重力铸造。

所述的具有高耐蚀性的7N01铝合金型材的制备方法，步骤4)中，优选自然停放时间为70～74h。

所述的具有高耐蚀性的7N01铝合金型材的应用，7N01铝合金型材的主要应用包括高速铁路、航空航天或汽车领域。

本发明的设计思想是：

在工业生产中，Si元素是7N01铝合金型材中不可避免的杂质元素，一般将其严格控制在0.05％(重量百分比)甚至更低。本发明通过研究发现，在7N01铝合金型材中，作为杂质元素残留的Si元素，其含量小于0.08％(重量百分比)时，型材的耐晶间腐蚀性能和抗应力腐蚀性能下降明显，而当Si含量大于0.20％(重量百分比)时，型材力学性能出现明显恶化。只有当Si含量(重量百分比)在0.08～0.20％(重量百分比)区间内，可在保持较高力学性能的前提下，具备良好的耐晶间腐蚀及应力腐蚀的能力。本发明通过合理控制7N01铝合金型材中的Si元素含量，可以在晶界处析出异质相富硅相，破坏原有晶界析出相(MgZn₂)的连续分布，阻碍沿晶界的连续腐蚀，提高了7N01铝合金型材的耐蚀性。

本发明的优点和有益效果在于：

1、本发明在保持较高力学性能的前提下，提高了7N01铝合金型材的耐晶间腐蚀及应力腐蚀能力；

2、本发明打破了7N01铝合金型材传统的成分设计中，认为杂质元素Si含量越低，性能越好的设计理念，降低了工业生产控杂的难度，并大幅度降低了工业冶炼的成本。

总之，本发明在7N01铝合金型材成分国际标准范围内(Si含量<0.3％wt.)打破了传统工业生产对于杂质元素Si的严格限制，不将杂质元素Si控制得过低，相比起传统7N01铝合金型材，由于Si含量适当提高，在晶界处析出异质相富硅相，破坏原有晶界析出相(MgZn₂)的连续分布，阻碍沿晶界的连续腐蚀，提高7N01铝合金型材的耐蚀性。

附图说明：

图1为7N01铝合金型材生产工艺流程图。

图2为7N01铝合金型材力学性能曲线。

图3为7N01铝合金型材晶间腐蚀金相照片。(a)<0.01Si；(b)0.065Si；(c)0.1Si；(d)0.25Si；(e)0.38Si。

图4为7N01铝合金型材慢应变速率拉伸曲线。

具体实施方式：

在具体实施过程中，采用工业纯铝、工业纯锌、纯镁、中间合金等原材料冶炼了五种不同Si含量的7N01铝合金，五种7N01合金实测成分见表1，具体的生产工艺如图1，合金的熔炼→合金的均匀化→合金的热挤压→挤压材在线淬火、矫直→挤压材室温停放→挤压材人工时效，实际操作步骤如下：

1)合金的冶炼(820℃熔炼，690℃浇铸)，采用金属型重力铸造得到6.4Kg铸锭；

2)铸锭置于470℃保温24h进行均匀化退火，空冷至室温；

3)铸锭于的热挤压(挤压温度450℃、保温时间1h、挤压速度14mm/s、挤压比44)，在线淬火，矫直；

4)挤压材室温自然停放72h；

5)挤压材置于100℃保温12h，空冷至室温；

6)挤压材置于170℃保温3h，空冷至室温；

7N01合金型材经过人工时效后，首先进行力学性能测试，室温力学性能结果见图2。由图2可知，当Si含量>0.2％时，7N01铝合金型材力学性能出现了比较严重的恶化。随后对五种不同Si含量的7N01铝合金型材进行晶间腐蚀和应力腐蚀实验并通过极化曲线测量其腐蚀电位。晶间腐蚀实验按照国标GB/T 7998-2005实施，具体实验方法为：将7N01铝合金型材加工成标准圆柱试样，用NaOH溶液对其进行表面预处理，再将处理完的试样浸入加入过氧化氢的NaCl溶液中，恒温(35±2℃)6小时。随后在垂直主变形方向的一端切去5mm，磨制抛光后直接在金相显微镜下观察腐蚀深度。晶间腐蚀金相见图3，晶间腐蚀深度统计见表2。应力腐蚀实验按照GB/T 15970.7—2000实施，具体实验方法为：将7N01合金型材加工成M10标准拉伸样，分别在惰性介质(空气)和腐蚀介质(中性3.5％NaCl溶液)中进行慢应变速率拉伸实验(SSRT)，应变速率1×10^-6，通过计算腐蚀介质与惰性介质中慢拉伸实验的相对断裂延伸率损失来表征应力腐蚀敏感性。应力腐蚀实验慢拉伸曲线见图4，应力腐蚀敏感性以及腐蚀电位见表3。

表1合金实测成分(重量百分比)

合金ZnMgMnCrZrTiFeSiAl合金I4.071.270.300.190.120.0500.02<0.01Bal.合金II4.031.290.300.190.120.0510.020.065Bal.合金III4.061.300.300.180.130.0530.020.100Bal.合金IV4.001.320.290.180.130.0610.090.25Bal.合金V4.001.260.370.110.130.0600.040.38Bal.

表2晶间腐蚀深度统计

合金Si含量wt％晶间腐蚀最大深度(μm)晶间腐蚀平均深度(μm)<0.0167.7350.230.06564.9651.350.139.8327.360.2521.8815.370.3850.6944.43

表3应力腐蚀敏感性及腐蚀电位

由表2可知，随Si含量升高，7N01铝合金型材的晶间腐蚀深度先下降后上升。由表3可知，随Si含量升高，7N01铝合金型材应力腐蚀敏感性指数先从6.45％逐渐降至0(无应力腐蚀)，当Si含量达到0.38％时，又重新出现了应力腐蚀。极化曲线测量结果表示，0.1Si及0.25Si合金型材腐蚀电位较高，分别为-0.828V和-0.825V，晶间腐蚀、应力腐蚀以及极化曲线实验结果较为符合。以上实验结果均表明，0.1Si及0.25Si合金型材的耐蚀性较好。但根据前文提到的力学性能测量结果，当Si含量>0.2％时，7N01铝合金型材力学性能出现比较严重的下降。故综合考虑力学性能和耐蚀性，应当将Si含量控制在0.08～0.20％范围内。

当Si含量升高时，7N01铝合金型材耐晶间腐蚀及应力腐蚀能力呈上升趋势。这主要是由于Si元素的引入，人工时效时在晶界处析出异质相富硅相，破坏了原有晶界析出相(MgZn₂)的连续分布，阻碍了沿晶界的连续腐蚀，从而提高了7N01铝合金型材的耐蚀性。但当Si含量过高时(0.38％)，7N01铝合金型材耐蚀性又出现下降，这主要是因为随Si含量太高时，挤压型材发生严重的再结晶，而再结晶晶界为大角晶界，容易发生腐蚀开裂。

综上所述，本发明通过合理地控制7N01铝合金型材中的Si含量，在保持较高力学性能的前提下提高了7N01铝合金型材的耐蚀性。并且，本发明打破了7N01铝合金型材传统的成分设计中认为杂质元素Si含量越低，性能越好的设计理念，降低了工业生产控杂的难度，并大幅度降低了工业冶炼的成本。从而，7N01铝合金型材可以应用于高速铁路、航空航天和汽车等领域。