CN119703487A

CN119703487A - 一种耐高温耐磨的铝镁合金焊丝及其制备工艺

Info

Publication number: CN119703487A
Application number: CN202510214476.3A
Authority: CN
Inventors: 陈俊霖; 杨之佳
Original assignee: Hunan Weide New Material Co ltd
Current assignee: Hunan Weide New Material Co ltd
Priority date: 2025-02-26
Filing date: 2025-02-26
Publication date: 2025-03-28
Anticipated expiration: 2045-02-26
Also published as: CN119703487B

Abstract

本申请涉及合金加工技术领域，具体公开了一种耐高温耐磨的铝镁合金焊丝及其制备工艺。以质量百分含量计，该合金焊丝由以下各原料组分组成：Mg 4～6％、Cr 0.2～0.35％、Ti 0.1～0.2%、Mn 0.05～0.2％、Zn 0.02～0.05％、C 0.1～0.3%、Sc 0.05～0.15％，其余为Al和不可避免的杂质，其中杂质≤0.03％；在制备合金焊丝过程中，C以石墨粉的形式加入。该铝镁合金焊丝的制备工艺为：（1）将铝锭升温熔融后，依次加入各元素，搅拌均匀后，除气、升温并扒渣，浇筑得到铝镁合金铸棒；（2）将铝镁合金铸棒进行拉拔和热处理，得到所述铝镁合金焊丝；其中C元素以石墨粉的形式加入熔融体系，石墨粉加入前，熔融体系的温度控制在1000℃以上。

Description

一种耐高温耐磨的铝镁合金焊丝及其制备工艺

技术领域

本申请涉及合金加工技术领域，更具体地说，它涉及一种耐高温耐磨的铝镁合金焊丝及其制备工艺。

背景技术

随着交通运输工具轻量化和高速化的发展，铝合金得到广泛应用，同时，对铝合金的焊接材料与焊接技术提出更高的要求。铝镁合金具有良好的塑性断裂韧度、疲劳强度和耐蚀性，同时还具有良好的成形工艺性和焊接性，因此成为铝合金结构件的主要焊接材料，而焊接材料的性能是影响整体构件的关键；在基材一定的情况下，焊接结构件的性能主要取决于焊接工艺和焊丝的成分和性能，因此提高铝镁焊丝材料的性能对铝合金焊接结构件的广泛应用有重要意义。

铝合金焊丝的化学成分，除铝基体外，一般还含有各种主要合金元素、添加的微量元素及杂质元素，按主要合金元素的不同，可分为纯铝焊丝、铝铜焊丝、铝硅焊丝、铝锰焊丝和铝镁焊丝。铝镁焊丝的主要合金元素为镁，微量元素主要为锰、铬、钛等。

铝镁焊丝作为一种高强度、耐腐蚀性能优异的焊接材料，在现代工业制造领域具有广泛的应用。铝镁合金焊丝不仅继承了铝的轻质、耐腐蚀和良好的可塑性，还结合了镁的高强度和高硬度特性，使其成为一种理想的焊接材料，特别是在需要耐高温和耐磨性能的场合。

铝镁焊丝的主要特点有高强度、优异的耐腐蚀性能、良好的可塑性和韧性、低烟低飞溅、耐高温性能。铝镁合金焊丝的高强度、高稳定性和耐腐蚀性使其应用在航空航天、汽车制造、建筑装饰、电子电器、轨道交通等多个领域。

尽管铝镁焊丝具有诸多优点，但在耐高温和耐磨性能方面仍有提升空间。传统的铝镁合金焊丝在极端高温和摩擦环境下，可能会出现性能下降、强度降低等问题，影响焊接件的稳定性和使用寿命。因此，开发一种耐高温耐磨铝镁合金焊丝及其制备方法，以满足高温和耐磨环境下的应用需求，成为当前研究的重点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供一种耐高温耐磨的铝镁合金焊丝及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种耐高温耐磨的铝镁合金焊丝，采用如下的技术方案：

一种耐高温耐磨的铝镁合金焊丝，按质量百分比计，包括以下原料组分：Mg 4～6％、Cr 0.2～0.35％、Ti 0.1～0.2%、Mn 0.05～0.2％、Zn 0.02～0.05％、C 0.1～0.3%、Sc0.05～0.15％、增强相颗粒1～2％，其余为Al和不可避免的杂质，其中杂质≤0.03％；

在制备所述铝镁合金焊丝的过程中，所述C以石墨粉的形式加入。

Mg含量超过6%时，Mg₅Al₃和Mg₂Al₆会较Al₃Mg₂优先在其晶界处沉淀析出，将会导致铝合金中生成晶间裂纹，降低抗应力腐蚀性能，因此Mg的含量不宜超过6%。Mn可以抑制镁铝合金中的再结晶过程，提高再结晶温度，并且细化再结晶的组织；Mn的含量不宜过高，否则会形成大量的脆性MnAl₆，导致合金塑性显著减低，材料的加工性能急剧下降。

Cr元素是一种过渡族元素，添加少量的Cr元素，可以有效地改善铝合金的组织和性能，和Mn元素类似，Cr元素可以在铝合金中产生弥散质点，阻碍位错运动和晶界间的迁移，抑制再结晶的发生，提高再结晶温度，使合金铸造组织晶粒尺寸变小，铝合金的力学性能和抗应力腐蚀性能都得到提高。在铝合金焊丝中加入微量的Cr，焊接时焊丝熔化后快速凝固会在铝基体上弥散析出初生Al7Cr相，从而提高焊接接头的强度，同时降低焊接热裂纹的产生倾向。

Zn单独加入铝中，其对铝合金力学性能的提高具有局限性，锌的加入使得晶间裂纹增多，抗应力腐蚀性能降低。Zn加入到铝镁合金中，时效强化相析出顺序为：过饱和固溶体，GP区，亚稳定析出相，稳定析出相MgZn₂，强化效果好，并且可以热处理，使其可应用于航天航空、车辆和海洋工程等领域，极大拓宽应用领域。

少量的Ti元素不仅可细化铝合金铸态组织，也能够部分抑制再结晶，提高再结晶温度，提高其铝合金的可焊性，同时还能显著降低热裂纹敏感性，减少焊接过程中焊接接头热裂纹倾向，从而提高焊接接头焊接质量；Ti元素的加入可使铝合金在焊接过程中析出初生的TiAl₃相，TiAl₃粒子在晶胞常数、晶体结构和尺寸上都与铝基体非常接近，可以作为堆积的良好衬底，为铝基体提供异质形核的核心，进而显著的细化焊接过程焊接接头的晶粒组织。

Sc的微量添加，可以在铝合金在快速凝固过程中形成初生的Al₃(Sc，Zr)粒子，该粒子是一种L12型结构的粒子，可以提供铝基体的异质形核的核心，从而细化铝合金晶粒；Al(Sc，Zr)粒子具有高熔点、难熔、结构稳定的性质，在熔化焊时，钪锆的添加引起的细化晶粒作用仍可以适用，因此焊接接头的晶粒得到细化，可以减少焊接接头的焊接热裂纹形成倾向，焊接接头的力学性能有所提高，其耐应力腐蚀性能也得到提高。

C元素的引入可以进一步强化铝镁合金，改善铝镁合金的耐热性、耐磨性，以及冲击韧性，但含量过高的碳元素易导致铝镁合金产生疲劳裂纹，强度和塑性降低，进而造成开裂现象。稀土元素Sc的添加可以改善铝镁合金焊丝的力学性能，因此可以弥补因碳元素引入导致铝镁合金焊丝力学性能下降的缺陷。

优选地，所述石墨粉的粒径为160～200μm。更优选的，所述石墨粉的粒径为160～180μm。

石墨的熔点高达3650℃，在焊丝制备过程中很难熔融，将石墨的粒径控制在160～200μm之间，在不发生团聚现象的情况下，使得石墨粉均匀分散在合金晶相中。

优选地，在制备所述铝镁合金焊丝的过程中：

所述Mn以Al-Mn中间合金的方式加入，其中所述Mn的质量含量为6～8%；

所述Cr以Al-Cr中间合金的方式加入，其中所述Cr的质量含量为6～8%；

所述Ti以Al-Ti中间合金的方式加入，其中所述Ti的质量含量为14～16%；

所述Ti以Al-Sc中间合金的方式加入，其中所述Sc的质量含量为8～12%。

第二方面，本申请还提供一种耐高温耐磨的铝镁合金焊丝的制备方法，采用如下的技术方案：

（1）将铝锭升温熔融后，依次加入各元素，搅拌均匀后，除气、升温并扒渣，浇筑得到铝镁合金铸棒；

（2）将铝镁合金铸棒进行拉拔和热处理，得到所述铝镁合金焊丝；

其中C元素以石墨粉的形式加入熔融体系，所述石墨粉加入前，熔融体系的温度控制在1000℃以上。

本申请在制备铝镁合金焊丝过程中，发现无论如何控制石墨的粒径，其在铝镁熔融体系中的分散性均存在不佳的情况。现有技术表明，在700℃下，铝液与石墨的接触角在90°以上，石墨在铝中的润湿性极差，申请人认为这可能是导致石墨在熔融体系中分散性差的原因，通过在加入石墨粉之前，将铝镁熔融体系的温度进一步升高，当达到1000℃以上时，能够有效解决上述问题，提高铝镁合金焊丝的耐高温耐磨性能。

优选地，各元素加入顺序为：铝锭、镁锭、锌粉、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sc中间合金、石墨粉。

优选地，所述铝镁合金铸棒的直径为9～12mm，所述铝镁合金焊丝的直径为0.1～4mm。

优选地，步骤（1）中，所述升温熔融的温度为670～750℃，所述搅拌的速度为450～500r/min，所述搅拌的时间为0.5～1h。

优选地，步骤（2）中，所述拉拔和热处理的具体步骤为：将所述铝镁合金铸棒依次进行第一拉拔-第一次热处理-第二次拉拔-第二次热处理。

优选地，第一次拉拔时，铝镁合金铸棒的端截面压缩率为30～40%；第二次拉拔时，铝镁合金铸棒的端截面压缩率为20～30%。

优选地，第一次热处理的温度为330～360℃，时间为1～1.5h；第二次热处理的温度为320～350℃，时间为1～1.5h。

优选地，步骤（2）得到的铝镁合金焊丝还经过后处理，具体步骤为：将铝镁合金焊丝的表面先用砂纸打磨去掉氧化层，并用丙酮或者酒精去除表面的油脂，得到成品铝镁合金焊丝。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

本申请通过在铝镁合金体系中加入Sc和C元素，在保证铝镁合金具有高耐磨性的情况下，同时具有较高的强度；其中C元素能够显著提升铝镁合金的耐高温耐磨性能，Sc的加入能够改善因C元素加入导致合金强度下降的缺陷。

本申请通过采用石墨粉的方式在合金中引入C元素，并控制石墨粉的粒径为160～180μm，以及在石墨粉加入到铝镁熔融体系前提高体系温度至1000℃以上，从而显著改善石墨粉在合金中的润湿性、分散性，保证了铝镁合金焊丝具有较高的耐高温性和力学性能。

具体实施方式

下面结合实施例对本申请作进一步详细说明。

本申请铝镁合金焊丝制备过程中，所用加热设备为LY1400井式电阻炉，搅拌设备为Ti₆Al₄V机械搅拌桨。

实施例1 耐高温耐磨的铝镁合金焊丝制备：

（1）在氩气保护下，将氧化铝坩埚预热至250℃，加入铝锭升温至700℃使铝锭熔化，得到铝液，依次加入锌粉、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sc中间合金，熔融后，以450r/min的速度搅拌0.5h，然后升温至1000℃，加入粒径大小为160μm的石墨粉，继续搅拌0.5h，放入六氟乙烷进行除气、扒渣、静置保温5min后浇筑到预热钢模中，冷却得到直径为10mm的铝镁合金铸棒；

（2）将铝镁合金铸棒进行第一次拉拔，端截面压缩率为30～40%，在350℃下热处理1h；然后再进行第二次拉拔，端截面压缩率为20～30%，在330℃下热处理1h，得到直径为3mm的铝镁合金焊丝。

本实施例制备的铝镁合金焊丝中各元素质量百分含量见表1。

实施例2-3 耐高温耐磨的铝镁合金焊丝制备：

与实施例1的区别在于，改变原料加入量，最终得到的铝镁合金焊丝中各元素质量百分含量见表1，其它与实施例1相同。

表1 实施例1-3 耐高温耐磨铝镁合金焊丝组成

实施例4 耐高温耐磨的铝镁合金焊丝制备：

与实施例1的区别在于，加入粒径大小为180μm的石墨粉，其它与实施例1相同。

实施例5耐高温耐磨的铝镁合金焊丝制备：

与实施例1的区别在于，加入粒径大小为200μm的石墨粉，其它与实施例1相同。

实施例6 耐高温耐磨的铝镁合金焊丝制备：

（1）在氩气保护下，将氧化铝坩埚预热至250℃，加入铝锭升温至730℃使铝锭熔化，得到铝液，依次加入锌粉、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sc中间合金，熔融后，以480r/min的速度搅拌0.5h，然后升温至1000℃，加入粒径大小为160μm的石墨粉，继续搅拌0.5h，放入六氟乙烷进行除气、扒渣、静置保温5min后浇筑到预热钢模中，冷却得到直径为10mm的铝镁合金铸棒；

（2）将铝镁合金铸棒进行第一次拉拔，端截面压缩率为30～40%，在340℃下热处理1h；然后再进行第二次拉拔，端截面压缩率为20～30%，在320℃下热处理1h，得到直径为3mm的铝镁合金焊丝。

本实施例制备的铝镁合金焊丝中各元素质量百分含量与实施例1相同。

对比例1铝镁合金焊丝制备：

制备工艺与实施例1相同，与实施例1的区别在于，对比例1未加入石墨粉和Al-Sc中间合金，得到的铝镁合金焊丝的质量百分含量见表1。

对比例2 铝镁合金焊丝制备：

制备工艺与实施例1相同，与实施例1的区别在于，对比例1未加入石墨粉，得到的铝镁合金焊丝的质量百分含量见表1。

对比例3 铝镁合金焊丝制备：

制备工艺与实施例1相同，与实施例1的区别在于，对比例1未加入Al-Sc中间合金，得到的铝镁合金焊丝的质量百分含量见表1。

对比例4

（1）在氩气保护下，将氧化铝坩埚预热至250℃，加入铝锭升温至700℃使铝锭熔化，得到铝液，依次加入锌粉、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sc中间合金，熔融后，以450r/min的速度搅拌0.5h，然后升温至1000℃，加入碳化铬，继续搅拌0.5h，放入六氟乙烷进行除气、扒渣、静置保温5min后浇筑到预热钢模中，冷却得到直径为10mm的铝镁合金铸棒；

最终得到的铝镁合金焊丝中各元素质量含量与实施例1相同，与实施例1的区别在于，对比例4采用加入碳化铬的方式引入C元素。

对比例5

最终得到的铝镁合金焊丝中各元素质量含量与实施例1相同，与实施例1的区别在于，加入石墨粉之前，熔融体系的温度控制为950℃。

性能测试：

将各实施例、对比例制备的焊丝表面用砂纸打磨去掉氧化层，然后用丙酮洗去油脂，进行焊接，对得到的焊层进行测试，测试结果参见下表2。

焊接各参数：采用唐山松下YC-500WX交流标准TIG焊机、松下TA-1400机器人手臂。焊接电流为200A，焊接电压为25V，焊接速度为2.5mm/s，氩气流量为15L/min，坡口为0°，钝边为0.5～1.0mm，厚度为10mm，焊接基材为Q235钢板。

硬度测试：采用HR-150A洛氏硬度计，荷载150Kg，对每个测试样取5点硬度，计算平均值。

耐磨性测试：依据ASTM G65A做干法磨粒磨损试验，采用ABT-3型磨粒磨损试验机，石英砂粒径为40～70目。

表2 测试结果

实施例1-6制备的焊丝，在焊接后的接头成型情况良好，宽度一致性高，余高表面呈鱼鳞状，表面无裂纹、气孔。从表2测试结果可以看出，焊层硬度较高，磨损量较小，且各实施例测试数据分布较窄，重复性较高。

相较于实施例1，对比例1未添加C、Sc元素，铝镁合金焊丝的耐磨性下降，硬度基本没有变化；对比例2未添加C元素、添加Sc元素，铝镁合金焊丝的耐磨性下降幅度较高，而硬度稍有提升；对比例3添加C元素、未添加Sc元素，铝镁合金焊丝的耐磨性基本没变化，硬度下降明显。从对比例1-3的测试结果可以看出，C元素的引入可以提升铝镁合金焊丝的耐磨性，但会对铝镁合金焊丝的硬度产生负面影响，而稀土元素Sc的引入则可以弥补该缺陷。

相较于实施例1，对比例4改变了C元素的加入方式，其以碳化铬的方式引入C元素，可以看出，对比例4得到的焊层的硬度稍有下降，而耐磨性则下降幅度较大；相较于实施例1，对比例5在加入石墨粉前，合金的熔融体系温度控制为950℃，得到的焊层的硬度、耐磨性均下降明显；说明本申请采用加入石墨粉来引入C元素的方式，同时结合加入前合金熔融体系升温至1000℃的工艺，能够得到高硬度、高耐磨性能的铝镁合金焊丝。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，本申请的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本申请思路下的技术方案均属于本申请的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种耐高温耐磨的铝镁合金焊丝，其特征在于，以质量百分含量计，由以下各原料组分组成：Mg 4～6％、Cr 0.2～0.35％、Ti 0.1～0.2%、Mn 0.05～0.2％、Zn 0.02～0.05％、C0.1～0.3%、Sc 0.05～0.15％，其余为Al和不可避免的杂质，其中杂质≤0.03％；在制备所述铝镁合金焊丝的过程中，所述C以石墨粉的形式加入。

2.根据权利要求1所述的耐高温耐磨的铝镁合金焊丝，其特征在于，所述石墨粉的粒径为160～200μm。

3.根据权利要求1所述的耐高温耐磨的铝镁合金焊丝，其特征在于，在制备所述铝镁合金焊丝的过程中：所述Mn以Al-Mn中间合金的方式加入，其中所述Mn的质量含量为6～8%。

4.根据权利要求1所述的耐高温耐磨的铝镁合金焊丝，其特征在于，在制备所述铝镁合金焊丝的过程中：所述Cr以Al-Cr中间合金的方式加入，其中所述Cr的质量含量为6～8%。

5.根据权利要求1所述的耐高温耐磨的铝镁合金焊丝，其特征在于，在制备所述铝镁合金焊丝的过程中：所述Ti以Al-Ti中间合金的方式加入，其中所述Ti的质量含量为14～16%。

6.根据权利要求1所述的耐高温耐磨的铝镁合金焊丝，其特征在于，在制备所述铝镁合金焊丝的过程中：所述Sc以Al-Sc中间合金的方式加入，其中所述Sc的质量含量为8～12%。

7.一种权利要求1-6任一所述的耐高温耐磨的铝镁合金焊丝的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的耐高温耐磨的铝镁合金焊丝的制备工艺，其特征在于，各元素加入顺序为：铝锭、镁锭、锌粉、Al-Mn中间合金、Al-Cr中间合金、Al-Ti中间合金、Al-Sc中间合金、石墨粉。

9.根据权利要求7所述的耐高温耐磨的铝镁合金焊丝的制备工艺，其特征在于，步骤（1）中，所述升温熔融的温度为670～750℃，所述搅拌的速度为450～500r/min，所述搅拌的时间为0.5～1h；

步骤（2）中，所述拉拔和热处理的具体步骤为：将所述铝镁合金铸棒依次进行第一拉拔-第一次热处理-第二次拉拔-第二次热处理；

第一次拉拔时，铝镁合金铸棒的端截面压缩率为30～40%；第二次拉拔时，铝镁合金铸棒的端截面压缩率为20～30%；

第一次热处理的温度为330～360℃，时间为1～1.5h；第二次热处理的温度为320～350℃，时间为1～1.5h。