專利名稱：耐海水腐蝕鋁合金及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋁基合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耐海水腐蝕鋁合金及其制造工藝。
海水是含鹽度很高的強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，對(duì)一般金屬有著較強(qiáng)的腐蝕作用；長(zhǎng)期以來，人們常選用鈦材、銅鎳合金作為耐海水腐蝕材料；鈦材耐蝕性高，但導(dǎo)熱性能差、價(jià)格昂貴，且不容易加工；銅鎳合金易產(chǎn)生接觸電化學(xué)腐蝕，世界各國(guó)都非常重視海水腐蝕材料的研究工作，鋁及鋁合金以其質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，熱效率高，價(jià)格適中，易加工等優(yōu)良性能得到越來越廣泛的應(yīng)用，大部分鋁合金由于含有銅、鐵、硅等合金元素，其耐蝕性能反而降低，耐海水腐蝕性能更差，鋁鎂防銹鋁系合金耐海水腐蝕性能較好，但其合金中存在一些易引起腐蝕的雜質(zhì)相影響耐蝕性能，其中以美國(guó)的5454、5052合金為代表。
1、現(xiàn)有耐海水腐蝕鋁合金主要性能①化學(xué)成份(％)
②主要性能指標(biāo)③存在的不足5454、5052合金具有中等強(qiáng)度、耐海水腐蝕生能比純鋁好。其合金相由于
存在Mg5Al8金相組織，該組織的存在形式與分布對(duì)其耐蝕性能有重要影響，海水介質(zhì)中5454、5052合金中呈鏈狀分布的Mg5Al8相，影響其抗海水腐蝕性能。
④5454、5052合金存在的缺點(diǎn)a、存在“時(shí)效軟化”現(xiàn)象，5454、5052合金在使用中，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，力學(xué)性能下降b、存在應(yīng)力腐蝕開裂傾向、在熱加工與冷加工的過程中，制品中有內(nèi)應(yīng)力存在，內(nèi)應(yīng)力的存在加速應(yīng)力腐蝕c、焊接時(shí)存在開裂傾向。焊接時(shí)焊縫由于晶間局部熔化而產(chǎn)生顯微裂紋，容易引起焊縫開裂。
2、常用耐海水腐蝕材料性能比較現(xiàn)在最常用的耐海水腐蝕材料常選用鈦材、銅鎳合金，也有少量碳鋼，在對(duì)系統(tǒng)加藥進(jìn)行防腐，阻垢和防生物附著的處理?xiàng)l件下，不同金屬的腐蝕率分別為碳鋼0.15mm/y；銅0.076mm/y；海軍銅(銅鎳合金)0.03mm/y；鈦材0.007mm/y(引自海水利用技術(shù)與海洋防腐技術(shù)P18)。
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種耐海水腐蝕，成本低的鋁合金及制造工藝。
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種鋁合金，其組分及含量為(重量百分比)Mg2.0-2.2％ Cr0.10-0.35％ Mn0.05-0.20％ Sb0.001％Ti0.05-0.01％B0.001％ Re0.05-0.10％，余量為Al
本發(fā)明是由以下方法制備的熔鑄熔化→添加合金元素→精煉→變質(zhì)細(xì)化→稀土合金化→二次精煉→靜置→熱頂鑄造→截棒擠壓加溫→“低棒高?！睌D壓→淬火→矯直→鋸切雙模拉拔潤(rùn)滑→輾頭→內(nèi)外雙模拉拔→矯直→尺定鋸切穩(wěn)定化處理無火焰穩(wěn)定化處理熔鑄裝爐高熔點(diǎn)合金元素以中間合金形式與鋁錠混裝熔化鋁及中間合金完全熔化后加入熔點(diǎn)低、易燃燒的鎂，再加入稀土元素?cái)嚢杈珶捜鋈敫采w劑，然后將精煉劑和氮?dú)饣旌贤ㄈ脘X液基件，精煉速度2.5m3精煉均勻，扒去浮渣變質(zhì)處理加入變質(zhì)劑攪拌鑄造鑄造溫度720-730℃，水壓3-6×104pa，鑄造速度100-115mm/min，鑄造直徑φ110。
擠壓鋁棒加熱溫度350-450℃，模具溫度490-580℃，擠壓筒溫度420℃，擠壓速度2-3mm/min，風(fēng)冷淬火，在低于60℃以下，拉伸矯直率1-3％。冷拉拔拉管采用硬質(zhì)合金模具，并用液壓油和皂類混合液作潤(rùn)滑劑，拉拔速度20m/min。
穩(wěn)定化熱處理溫度200℃，保溫1-2h，出爐風(fēng)冷。
由于本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、耐蝕性海水介質(zhì)中腐蝕率小于0.018mm/y2、導(dǎo)熱性鋁合金熱傳導(dǎo)率為137(W/m℃)與鋼制品熱傳導(dǎo)率46(W/m℃)相比，是后者的3倍，這一優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于高效傳熱來說尤其重要的。
3、抗結(jié)垢性特種鋁合金拉抗延性能好，管材經(jīng)拉撥后可獲得光潔的管壁表面，由此相對(duì)提高了近管壁流層的流速，從而減少了沉積，形成優(yōu)良的抗垢性能。
4、加工性特種鋁合金可焊性好，同時(shí)具有良好的沖擴(kuò)、彎曲、粘接等加工性能。
5、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高密度2680Kg/m3，抗拉強(qiáng)度260Mpa，屈服強(qiáng)度數(shù)215Mpa，伸長(zhǎng)率16％，彈性模量69.3Gpa。
6、成本低其售價(jià)僅為銅合金材料的1/3，鈦材的1/10，可大幅度降低設(shè)備造價(jià)。
下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明海水介質(zhì)中鋁合金腐蝕機(jī)理海水合鹽量高，導(dǎo)電性能強(qiáng)，對(duì)金屬電化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，導(dǎo)致海水設(shè)備結(jié)垢、腐蝕，鋁合金在海水介質(zhì)中的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，此外還有生物腐蝕及沉積腐蝕，應(yīng)力腐蝕，晶間腐蝕等。其電化學(xué)腐蝕主要表現(xiàn)在①點(diǎn)蝕鋁合金在海水中的腐蝕為點(diǎn)蝕、點(diǎn)蝕嚴(yán)重時(shí)即發(fā)生穿孔現(xiàn)象。
②海水接近中性，其中溶解的氧會(huì)形成電化學(xué)腐蝕。
③海水中含有大量的Cl-，加速鋁的腐蝕。
④海水的電阻率很小，導(dǎo)電性能強(qiáng)，在金屬表面形成微電池增大其腐蝕性。
針對(duì)海水對(duì)鋁合金的腐蝕機(jī)理，研發(fā)在鋁鎂防銹鋁系基礎(chǔ)上通過控制主要鎂元素含量；通過錳、鉻聯(lián)效作用添加新的合金元素，消除有害雜質(zhì)的影響；利用變質(zhì)細(xì)化合金晶粒；通過稀土元素的微量合金化作用，使合金改性、凈化雜質(zhì)，提高合金抗蝕性能。
①相對(duì)降低鎂(Mg)含量，使合金相呈單相α固熔體組織，增加合金抗蝕性能，減少點(diǎn)蝕，提高合金焊接性能，Mg是基本添加元素，是合金的主要強(qiáng)化相之一，每增加1％的鎂，其抗拉強(qiáng)度增大34MPa，由于鎂的存在，使鋁與氧結(jié)合生成三氧化二鋁鈍化膜保護(hù)層，改變了鋁合金的電化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)電位，使其電位迅速從-1.66伏上升到-0.05伏，減小整個(gè)腐蝕電池的電位差。其抗腐蝕的機(jī)理在于α固熔體及其平衡的Mg5Al8相，然而Mg5Al8相的存在形式和分布對(duì)抗蝕性有明顯影響，通過分析實(shí)驗(yàn)，相對(duì)降低鎂含量，減少M(fèi)g5Al8相的形成傾向，使Mg5Al8呈彌散分布，最終明顯提高基體耐蝕性能，鎂含量降低，力學(xué)性能相對(duì)下降，對(duì)此通過錳、鉻聯(lián)效來起補(bǔ)充強(qiáng)化作用。
②聯(lián)合加入錳鉻，起補(bǔ)充強(qiáng)化作用。錳和鉻的聯(lián)合加入，不僅使合金機(jī)械性能極大提高，而且消除應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，同時(shí)利用錳元素消除合金中的硅，鐵雜質(zhì)對(duì)合金抗性能的影響，大大提高了產(chǎn)品力學(xué)性能和抗蝕性能。
消除鐵雜質(zhì)化學(xué)反應(yīng)式消除硅雜質(zhì)化學(xué)反應(yīng)式③微量銻的加入，不僅起到細(xì)化晶粒作用，并提高合金基體抗海水腐蝕能力④鈦硼(Ti-B)細(xì)化劑細(xì)化合金晶粒，使合金中Mg5Al8相呈彌散狀分布，鈦在焊接時(shí)起補(bǔ)縮和增加金屬的流動(dòng)的作用，提高合金焊接性能，消除焊接裂紋敏感性。
⑤通過穩(wěn)定化處理，消除時(shí)效“時(shí)效軟化”現(xiàn)象，減少應(yīng)力腐蝕傾向。
通過對(duì)稀土元素凈化雜質(zhì)，合金改性的定量分析，以及名鉻、錳聯(lián)效等機(jī)理的研究，a在防銹鋁合金中添加了鈰、釔等幾種稀土元素，實(shí)驗(yàn)分析了稀土元素的控制范圍，使合金抗海水腐蝕能力提高20％；b、聯(lián)合加入錳、鉻合金元素，提高合金機(jī)械性能，并消除應(yīng)力腐蝕開裂敏感性；c、研究分析了銻、鈦、硼變質(zhì)細(xì)化劑對(duì)稀土鋁合金晶粒細(xì)化的作用效果，使鋁鎂系合金中Mg5Al8相呈彌散狀分布，降低晶間，剝蝕及應(yīng)力腐蝕，消除合金點(diǎn)狀腐蝕傾向。
首先在熔煉方面，在保護(hù)熔煉，混合精煉，變質(zhì)處理，熱頂鑄造等工藝步聚中，確定了最佳的工藝參數(shù)，改善合金金相組織，減少氣體及夾雜的有害影響，最終明顯提高基體耐蝕性能；其次，采用了反傳統(tǒng)的特殊擠壓工藝—“低棒高?！惫に?，擠壓出的產(chǎn)品組織致密，力學(xué)性能可提高30％，耐蝕性能明顯增強(qiáng)，外表光亮，按的照傳統(tǒng)擠壓工藝，對(duì)難擠壓合金，一般采用高棒溫，小擠壓系數(shù)擠壓，有利于提升擠壓量，但此種工藝造成組織疏松，力學(xué)性能低，抗蝕能力差，表面粗糙，顏色發(fā)暗；其三含稀土鋁合金的熱處理工藝，改變了傳統(tǒng)空管拉拔工藝，在鋁合金管內(nèi)、外同時(shí)設(shè)計(jì)配制模具，使原來只有在銅或純鋁管中應(yīng)用的內(nèi)外雙模拉拔工藝應(yīng)用于合金鋁管中，采用外模內(nèi)芯桿的冷拉拔工藝后，列管內(nèi)、外壁尺寸均勻，組織更加密實(shí)，表面光潔度增加，提高產(chǎn)品物理性能，大大提高了該合金產(chǎn)品抗電化學(xué)腐蝕，抗生物附著能力。
耐海水腐蝕鋁合金列管產(chǎn)品經(jīng)國(guó)家有關(guān)部門及專家檢測(cè)鑒定該列管抗海水腐蝕能力超過當(dāng)前各種已定型防銹鋁如美國(guó)自牌號(hào)的5052、5054等的耐蝕性能，達(dá)到海水利用行業(yè)的使用要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
一是添加鈰、釔等幾種微量稀土元素的配比與鋁基合金相的均勻彌散度；二是“低棒高?！睌D壓技術(shù)中的溫度控制與速度的最佳結(jié)合；三是冷做硬化技術(shù)中列管內(nèi)外?？刂?，拉拔設(shè)計(jì)及管壁精確度的計(jì)算與工藝設(shè)計(jì)。
耐海水腐蝕持種鋁鉿金的腐蝕率在無保護(hù)條件為0.0103mm/y(中國(guó)船舶工業(yè)船舶材料檢測(cè)中心檢測(cè))，所以其腐蝕性能超過海軍銅，具有優(yōu)良的耐蝕性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過海水利用行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。研發(fā)耐海水腐蝕特種鋁合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度大、傳熱效率高等特點(diǎn)，和其它耐蝕材料相比具有先進(jìn)性和新型性。
①耐蝕性能比較研制鋁合金、銅、銅鎳合金、鈦材性能比見

圖1圖1為鋁合金、銅、銅鎳合金、鈦材耐海水腐蝕性對(duì)比圖。
②經(jīng)濟(jì)性能比較性能成本優(yōu)勢(shì)相同條件下，傳遞一定的熱量，該合金列管與鈦、銅鎳合金相比，有明顯的性成本優(yōu)勢(shì)，詳見下表
海水腐蝕鋁合金”屬經(jīng)濟(jì)型新材料，主要應(yīng)用于海水直接利用、海水淡化、海洋化工程，作為熱交換輸水管材。公司研制的耐海水腐蝕鋁合金具有①高的耐海水腐蝕性能，其在海水介質(zhì)中腐蝕率小于0.018mm/y，滿足海水利行業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。②高的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱性能是熱交換列管的重要性能指標(biāo)之一。③具有一定強(qiáng)度及可加工性，做為新材料的合金要具有一定強(qiáng)度及可加工的性能。④研制合金在經(jīng)濟(jì)上具有竟?fàn)巸?yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
1.一種耐海水腐蝕鋁合金，其組分及含量為(重量百分比)Mg2.0-2.2％Cr0.10-0.35％ Mn0.05-0.20％ Sb0.001％Ti0.05-0.01％ B0.001％Re0.05-0.10％，余量為Al
2.一種耐海水腐蝕鋁合金，是由以下方法制備的熔鑄熔化→添加合金元素→精煉→變質(zhì)細(xì)化→稀土合金化→二次精煉→靜置→熱頂鑄造→截棒擠壓加溫→“低棒高模”擠壓→淬火→矯直→鋸切雙模拉拔潤(rùn)滑→輾頭→內(nèi)外雙模拉拔→矯直→尺定鋸切穩(wěn)定化處理無火焰穩(wěn)定化處理
全文摘要
耐海水腐蝕鋁合金是在5XXX合金基礎(chǔ)上通過錳鉻聯(lián)效,稀土加強(qiáng),并采用特殊的加工工藝,形成耐海水腐蝕性能優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)型新材料。在海水介質(zhì)中耐海水腐蝕鋁合金標(biāo)準(zhǔn)電位為－0.05伏和純鋁相當(dāng),合金為單一α相,又由于合金元素的添加,鈍化膜對(duì)基體保護(hù)作用增加,腐蝕為均勻的面腐蝕,減少點(diǎn)蝕,晶間腐蝕向。耐海水腐蝕特種鋁合金產(chǎn)品具有導(dǎo)熱率高、抗結(jié)垢,耐海水腐蝕等特點(diǎn),是高性能、低成本、節(jié)能型環(huán)保產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C22C21/06GK1380432SQ0111067
公開日2002年11月20日 申請(qǐng)日期2001年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月17日
發(fā)明者郭鵬, 董少華, 趙長(zhǎng)忠, 刑豫 申請(qǐng)人:河南德昌銅鋁型材股份有限公司