一种抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及铝合金材料领域，具体为一种抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料及其制备工艺。

背景技术：

1、铝硅镁系合金因具有较好的力学性能和加工成型能力，被广泛应用于建筑门窗制造领域。然而，在复杂的室外服役环境中，现有的铝门窗用铝合金材料容易发生局部腐蚀和晶间腐蚀，且现有的制备方法难以同时兼顾合金的高强度与高耐蚀性。

2、现有技术中，合金内部的铁杂质在凝固时易形成富铁相，其与铝基体之间存在的电势差容易引发点蚀和电偶腐蚀；同时，常规的晶粒细化方式容易导致第二相粒子在材料内部发生偏析和团聚，进一步增加了局部腐蚀的诱发源。

3、在形变与热处理环节，常规的工艺往往难以平衡材料的力学性能与耐蚀性。为了提升合金的拉伸强度，常规的热处理及形变过程常导致材料内部存在温度差及应力不均，并促使溶质元素在晶界处集中富集。这种状态破坏了晶界的抗腐蚀能力，为晶间腐蚀提供了连续的扩展通道，导致材料在获得较高强度的同时，断后伸长率和耐晶间腐蚀性能明显下降。

4、此外，在合金熔炼阶段，铝熔体容易吸收氢气并混入氧化膜及非金属夹杂物。常规的精炼方式对熔体表面的氧化膜溶解以及内部细小夹杂物的吸附分离能力有限，难以将熔体内部的气体和悬浮物完全排除。这些残留的气体缩孔和非金属杂质在后续加工及服役过程中，不仅降低了材料成品的结构致密度，还会直接演变为潜在的腐蚀引发源。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料及其制备工艺，解决了现有的铝门窗用铝合金材料在复杂服役环境中易发生晶间腐蚀、点蚀以及电偶腐蚀，且在提升耐腐蚀性能时往往伴随合金拉伸强度和塑性下降的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料，采用如下的技术方案：

4、一种抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料，包含下述质量分数的组分：

5、硅：0.42%～0.49%；

6、镁：0.55%～0.65%；

7、铁：0.10%～0.12%；

8、锶：0.015%～0.022%；

9、铬：0.06%～0.085%；

10、钛：0.006%～0.012%；

11、碳：0.0003%～0.0006%；

12、剩余成分为铝和不可避免的杂质，所有组分的质量分数之和为100%；

13、所述不可避免的杂质中，单个杂质元素的质量分数不超过0.01%，所述杂质元素的总质量分数不超过0.05%；硼元素的质量分数不超过0.0010%；

14、所述抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料由所述组分经熔炼铸造得到铝合金圆铸锭，所述铝合金圆铸锭经包含两阶段升温的均匀化处理后，进行热挤压成型得到挤压型材并进行在线水冷淬火，再利用所述在线水冷淬火后的残余热量使所述挤压型材的表面温度回升并稳定在60℃～90℃后进行拉伸，最后经双级人工时效处理制得，其中所述两阶段升温的第一阶段加热终温为350℃～380℃，第二阶段加热终温为530℃～540℃；所述双级人工时效的第一级保温温度为105℃～115℃，第二级保温温度为175℃～185℃。

15、通过采用上述技术方案，本发明通过控制特定含量的合金元素并结合热处理工艺，改善了合金材料的内部组织状态，降低了材料的局部腐蚀倾向，获得了强度、塑性及抗腐蚀性能较好的铝合金材料。具体作用过程如下：

16、第一步，铁元素在铝合金凝固时易形成富铁相，富铁相与铝基体的电位差易引发电偶腐蚀和点蚀。锶元素的加入改变了富铁相的生长方式，使富铁相形貌由长针状转变为颗粒状。同时锶元素固溶于铝基体中，降低了富铁相与铝基体之间的电势差，降低了合金材料的局部击穿倾向和电偶腐蚀倾向。

17、第二步，采用钛和碳元素在合金内部生成碳化钛相，作为细化剂细化铸态晶粒。同时限制硼元素的质量分数不超过0.0010%，该限制硼元素质量分数的技术手段为：在熔炼过程中，通过选用铝钛碳中间合金作为引入钛元素和碳元素的晶粒细化剂，替代常规含有硼元素的铝钛硼中间合金，并且在整个配料和熔炼过程中不有意添加含有硼元素的其他原料及辅助试剂，从而有效控制硼元素的引入。该手段避免了含硼第二相在材料内部的偏析及团聚现象，减少了点蚀引发源。

18、第三步，铬元素在均匀化处理中析出含铬相。两阶段升温使低熔点相固溶，并保留含铬相。在后续的热变形加工中，含铬相能够抑制合金的完全再结晶过程，使材料内部组织边界呈交错分布状态，破坏了腐蚀通道的平直性与连续性，进而抑制晶间腐蚀向合金材料内部扩展。

19、第四步，在线水冷淬火后进行均温处理及拉伸，提高了合金内部的形变程度，为后续强化相的析出提供条件。在双级人工时效处理中，第一级低温时效促使溶质元素聚集；第二级高温时效促使强化相在晶粒内部析出并长大。这种分级处理方式避免了溶质元素在局部区域的过度富集，防止了连续析出带的形成，在提升材料屈服强度的同时，降低了局部区域的电位差，提高了合金材料的力学性能与耐晶间腐蚀性能。

20、第二方面，本发明提供一种抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料的制备工艺，采用如下的技术方案：

21、一种抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料的制备工艺，包括以下步骤：

22、将工业纯铝锭熔化得到铝液，加入结晶硅、铝铁中间合金、铝铬中间合金和纯镁锭得到合金熔体并加入辅助精炼剂进行精炼，并通入氩气进行除气处理，得到精炼合金熔体；

23、向所述精炼合金熔体中加入铝锶中间合金得到变质合金熔体，将所述变质合金熔体进行过滤得到过滤合金熔体，随后向所述过滤合金熔体中加入铝钛碳中间合金得到最终合金熔体并进行半连续直接水冷铸造，制得铝合金圆铸锭，冷却至室温；

24、将所述铝合金圆铸锭加热并保温进行两阶段升温的均匀化处理，所述加热并保温结束后进行冷却至室温；

25、将所述均匀化处理后的所述铝合金圆铸锭加热并保温，进行热挤压成型得到挤压型材并进行在线水冷淬火；

26、利用所述在线水冷淬火后的残余热量将所述挤压型材进行均温处理，使所述挤压型材的表面温度回升并稳定在60℃～90℃后，进行拉伸得到拉伸型材，将所述拉伸型材自然冷却至室温并在室温下放置后，对放置后的所述拉伸型材进行双级人工时效处理，出炉空冷至室温，得到抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料成品。

27、通过采用上述技术方案，本发明通过控制合金元素的添加顺序以及形变热处理工艺，使合金内部成分分布均匀。半连续铸造后的多阶段热处理工艺调控了升降温速率及形变时机，使强化相在基体中均匀析出，在提升材料强度的同时，减少了溶质元素的局部富集，获得了较高强度与耐蚀性的合金材料成品。

28、优选的，辅助精炼剂由包含下述质量份的原料制成：氯化钠粉末40重量份～50重量份，氯化钾粉末40重量份～50重量份，氟铝酸钠粉末5重量份～10重量份；

29、辅助精炼剂的制备方法包括：将氯化钠粉末、氯化钾粉末和氟铝酸钠粉末置于混料机中，于室温下搅拌混合30min得到混合粉末；将混合粉末置于干燥箱中，于120℃下干燥2h得到干燥混合粉末，冷却至室温密封保存；

30、辅助精炼剂的使用量占理论合金投料总量的质量百分比为0.085%～0.110%，理论合金投料总量为加入的工业纯铝锭、结晶硅、铝铁中间合金、铝铬中间合金、纯镁锭、铝锶中间合金和铝钛碳中间合金的总质量。

31、加入结晶硅、铝铁中间合金、铝铬中间合金和纯镁锭得到合金熔体的过程为：依次加入结晶硅、铝铁中间合金和铝铬中间合金，随后加入纯镁锭并搅拌得到合金熔体；加入结晶硅、铝铁中间合金和铝铬中间合金时铝液温度控制在725℃～740℃，加入纯镁锭时铝液的温度控制在710℃～725℃；

32、除气处理中通入的氩气流量为12l/min～18l/min，除气处理采用旋转喷吹除气装置进行，除气转子转速为350r/min～450r/min，除气处理时间为8min～12min，除气处理后扒除合金熔体表面的浮渣。

33、通过采用上述技术方案，辅助精炼剂在熔体表面熔化，氟铝酸钠对熔体表面的氧化铝薄膜进行溶解；氯化钠和氯化钾形成的熔融盐层隔绝空气中的氧气，并吸附从铝液中分离的夹杂物。除气处理中通入氩气，氩气在熔池内分散成气泡，依靠气泡内外的分压差，将铝液中溶解的氢气吸附并带出熔体表面。上述净化过程排除了合金材料内部因气体和非金属夹杂物引发的点蚀诱发源；降温后加入纯镁锭降低了镁元素的氧化烧损，保证了合金组分比例的准确性。

34、优选的，向精炼合金熔体中加入铝锶中间合金的过程为：将精炼合金熔体温度控制在700℃～715℃，加入铝锶中间合金后进行搅拌并静置，自铝锶中间合金全部加入完毕起算的总处理时间设定为10min～20min，得到变质合金熔体；过滤采用陶瓷泡沫过滤板对变质合金熔体进行，且在对陶瓷泡沫过滤板预热后进行；向过滤合金熔体中加入铝钛碳中间合金的过程为：将过滤合金熔体引入流槽，在流槽中向过滤合金熔体中加入铝钛碳中间合金；半连续直接水冷铸造为将最终合金熔体输送至结晶器进行半连续直接水冷铸造，所述半连续直接水冷铸造的铸造速度控制在110mm/min～130mm/min，冷却水温度控制在22℃～28℃。

35、通过采用上述技术方案，控制铝锶中间合金的加入温度和静置时间，使锶元素在熔体中扩散，改变富铁相的结晶条件，降低电偶腐蚀倾向。在流槽环节加入铝钛碳中间合金，缩短了钛碳相在高温熔体中的停留时间，避免了沉淀与团聚，促使熔体快速结晶，提高铸锭致密度。预热的陶瓷泡沫过滤板拦截了前期造渣反应残留的悬浮物。

36、优选的，两阶段升温的均匀化处理中，第一阶段从室温开始采用40℃/h～60℃/h的炉温平均升温速率加热至350℃～380℃，第二阶段采用15℃/h～20℃/h的炉温平均升温速率加热至530℃～540℃并进行保温，均匀化处理中的保温时间为6h～8h；均匀化处理中加热并保温结束后进行冷却至室温的过程为：先进行强制风冷，将铝合金圆铸锭的芯部温度降低至300℃，所述强制风冷的平均冷却速率控制在300℃/h～480℃/h，随后自然冷却至室温。

37、通过采用上述技术方案，第一阶段升温消除了铸锭结晶过程产生的内应力；第二阶段慢速升温使低熔点相平稳固溶至铝基体中，避免了快速升温导致的局部过烧现象。均热保温后进行强制风冷，使基体快速跨越强化相的析出温度区间，抑制了强化相在局部区域的集中析出，将合金元素保留在基体中，降低了材料内部的局部电位差。

38、优选的，热挤压成型在预热后的挤压模具中进行；热挤压成型时铝合金圆铸锭加热温度为475℃～490℃，挤压模具预热温度为450℃～480℃，挤压型材的出口温度为510℃～530℃；在线水冷淬火分为两个阶段，第一阶段以挤压型材的表面温度降低至500℃的时刻为起点，在挤压型材的表面温度由500℃降低至250℃的过程中，平均冷却速率为15℃/s～25℃/s；第二阶段将挤压型材的表面温度由250℃冷却至40℃～60℃，平均冷却速率为5℃/s～12℃/s，待挤压型材的表面温度达到40℃～60℃时停止在线水冷淬火。

39、通过采用上述技术方案，挤压温度参数保证了材料在热变形期间维持元素的固溶状态。在线水冷淬火中，第一阶段快速水冷将溶质元素保留在基体内；第二阶段降低冷却速率并控制终止温度区间，降低了型材表层与芯部之间的热应力，避免了形变翘曲，同时保留的适量残余热量为后续截面均温处理提供条件。

40、优选的，均温处理为通过开启循环气流使挤压型材的表面温度回升并稳定在60℃～90℃；控制从停止在线水冷淬火至开始拉伸的时间间隔为300s，拉伸时挤压型材产生0.8%～1.5%的永久伸长率，拉伸时间控制在5s～30s；双级人工时效处理为将拉伸型材置于空气循环时效炉中进行，第一级将拉伸型材加热至105℃～115℃后保温2.5h～3.5h；第二级不进行降温，控制空气循环时效炉在30min～75min内继续升温至175℃～185℃，并保温4h～5h。

41、通过采用上述技术方案，截面均温处理消除了淬火后的截面温度差，使型材维持一致的形变状态。拉伸操作提高了材料内部的形变程度，为后续强化相的析出提供基础。在双级人工时效处理中，第一级低温时效促使溶质元素定向聚集；第二级高温时效促使强化相析出。上述形变与热处理的配合步骤减少了溶质元素在局部区域的集中富集，降低了材料内部的电势差，使合金材料在保持较高拉伸强度的同时，表现出较好的耐晶间腐蚀及耐点蚀性能。

42、本发明提供了一种抗腐蚀铝门窗用铝硅镁系合金材料及其制备工艺。具备以下有益效果：

43、1、本发明通过控制合金中锶、钛、碳及杂质硼等元素的含量，改变了合金内部富铁相的结晶形态并细化了铸态晶粒，降低了杂质相与铝基体之间的电势差，同时避免了第二相粒子在材料内部的偏析与团聚，减少了点蚀和电偶腐蚀的引发源，提高了合金材料的抗局部腐蚀能力。

44、2、本发明通过采用包含两阶段升温的均匀化处理、均温处理、拉伸以及双级人工时效处理的形变热处理工艺，调控了合金内部强化相的析出过程，消除了材料内部的温度差，为强化相的析出提供形变基础。分级时效处理避免了溶质元素在晶界处的集中富集，破坏了晶间腐蚀的连续通道，使合金材料在保持较高拉伸强度和断后伸长率的同时，改善了耐晶间腐蚀性能。

45、3、本发明通过使用氯化钠、氯化钾与氟铝酸钠混合配制的辅助精炼剂并配合氩气除气及过滤工艺，实现了对合金熔体的净化。精炼剂在熔体表面形成覆盖层溶解氧化膜并吸附夹杂物，氩气将铝液中的氢气排出，结合过滤操作去除了残留悬浮物。熔体净化过程减少了材料内部的气体缩孔和非金属夹杂物，排除了潜在的腐蚀引发源，保证了合金材料成品的结构致密度。