CN101445886A

CN101445886A - 高强、高韧铝合金预拉伸厚板及其制造方法

Info

Publication number: CN101445886A
Application number: CNA2008102098583A
Authority: CN
Inventors: 吕新宇; 徐忠艳; 单长智; 李念奎; 何振波; 胡智敏; 王志超; 周静; 刘显东
Original assignee: Northeast Light Alloy Co Ltd
Current assignee: Northeast Light Alloy Co Ltd
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2009-06-03

Abstract

高强、高韧铝合金预拉伸厚板及其制造方法，它涉及一种铝合金预拉伸厚板及其制造方法。针对7A04铝合金中由Fe、Si等元素所形成的难溶化合物或铸造时产生的共晶化合物，导致铝合金结构材料的韧性差、强度低，无法满足在恶劣的工作环境下长时间安全可靠工作问题。本发明的厚板按重量百分比由1.40％－2.00％的Cu、1.80％－2.80％的Mg、0.20％－0.60％的Mn、0.10％－0.25％的Cr、5.00％－6.50％的Zn、0－0.10％的Si、0.05％－0.25％的Fe、0－0.05％的Ti、0－0.10％的Ni、0.01－0.05％的单个杂质、0.01－0.10％的合计杂质和余量的Al组成；方法是：对扁铝合金铸锭熔铸；均匀化退火，热轧，淬火预拉伸，单、双级时效处理。用本发明的方法制成的铝合金预拉伸厚板的抗应力腐蚀能力、疲劳强度和断裂韧性均有明显提高，可满足在恶劣工作环境下长时间安全可靠工作的需要。

Description

高强、高韧铝合金预拉伸厚板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金预拉伸厚板及其制造方法。

背景技术

高强、高韧铝合金属于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，该合金板材热处理后具有优良的综合性能，其大规格预拉伸厚板具有易加工及加工后不翘曲等特点，近些年来已越来越多地取代大型模锻件用于大型军用机种的壁板、隔框、翼梁等重要结构件，可有效减少材料的强度损失、减轻飞机本体重量，简化飞机的生产制造工序，对航空工业的发展有促进作用。

60年代以前，飞机结构设计的主导思想是追求材料的高的静强度，无论在合金设计还是在热处理研究方面都极力着眼于提高合金的强度指标，当时飞机上采用最多的有前苏联的B95-T1和美国的2024-T4、7075-T6铝合金板材。随着航空与航天工业的迅速发展，对铝合金材料的性能要求越来越高。1960～1970年间，北美和西欧从对飞机材料应力腐蚀开裂事故分析中认识到，对铝合金结构材料的要求不仅是静强度和刚度，而且还必须具有较好的抗应力腐蚀能力，有较高的疲劳强度，并有较好的断裂韧性，这样才能使铝合金结构材料在恶劣的工作环境下长时间安全可靠的工作。研究表明，在铝合金结构材料组成中对这些性能影响最大的因素是铝合金结构材料中的不溶化合物等第二相，在7A04铝合金中，由于Fe、Si等元素加入量不合理，形成难溶化合物或在铸造时产生共晶化合物，导致铝合金结构材料的韧性差、强度低。因此，铝合金结构材料采用高纯铝，控制Fe、Si杂质含量，调整主要成分使杂质弥散相的数量减小，以改善铝合金结构材料的韧性，提高铝合金结构材料的强度，以此为原则各国研制出了改良型的新合金，如美国在7075合金基础上研制出了7175和7475合金，并在F-16、C-58飞机上率先得到应用；前苏联的B95改良型为B95пч、B95оч，在“苏二七”机种上获得应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强、高韧铝合金预拉伸厚板及其制造方法，以解决7A04铝合金中，由于Fe、Si等元素加入量不合理，形成难溶化合物或在铸造时产生共晶化合物，导致铝合金结构材料的韧性差、强度低，无法满足在恶劣的工作环境下长时间安全可靠工作的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的高强、高韧铝合金预拉伸厚板，所述厚板按重量百分比由1.40％-2.00％的Cu、1.80％-2.80％的Mg、0.20％-0.60％的Mn、0.10％-0.25％的Cr、5.00％-6.50％的Zn、0-0.10％的Si、0.05％-0.25％的Fe、0-0.05％的Ti、0-0.10％的Ni、0.01-0.05％的单个杂质、0.01-0.10％的合计杂质和余量的Al组成，厚板的厚度为11mm～85mm；本发明的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的制备方法由以下步骤完成：一、扁铝合金铸锭的熔炼与铸造；二、对扁铝合金铸锭均匀化退火，熔炼炉温设定为490℃，加热5h～7h；再将熔炼炉温设定为455℃，加热49h～51h，将扁铝合金铸锭加热至450℃～460℃；三、对扁铝合金铸锭热轧，热轧时铸锭加热温度为370℃～420℃，保温1h～2h；其热轧板厚度为11mm～85mm的板材，四、对热轧后的板材进行淬火预拉伸：先用辊底淬火炉对厚板进行淬火处理：固溶处理的温度为470℃±2℃，保温1h～2h，转移时间小于30s，冷却水温度小于30℃，淬火后6h内将厚板进行预拉伸，预拉伸塑性变形量控制在2.0％～2.5％之间；五、对预拉伸后的铝合金厚板时效处理：1、单级时效：时效温度为115℃～125℃，保温23h～25h；2、双级时效：其中，一级时效温度为110℃～120℃，保温7h～9h；二级时效温度为160℃～170℃，保温19h～20h。

本发明的有益效果是：本发明的铝合金预拉伸厚板通过降低Fe、Si杂质含量和控制Zn、Mg、Cu的含量，25mm厚板在应力水平小于280Mpa的情况下，疲劳寿命基本都能达到10⁷数量级；在超过10⁷次应力循环后没有断裂。断裂韧性L-T：34.09MPa·m^1/2、T-L：27.16MPa·m^1/2。本发明的铝合金预拉伸厚板的综合性能高于7A04。本发明的方法操作简单，用所述方法制成的铝合金预拉伸厚板在板厚为50mm时，其抗拉强度R_m为517Mpa～538Mpa(标准为490Mpa～560Mpa)、屈服强度R_p0.2为447Mpa～470Mpa(标准为420Mpa～500Mpa)、延伸率A为12.0～12.5(标准为≥7.0)，其抗应力腐蚀能力、疲劳强度和断裂韧性均有明显提高，可满足在恶劣的工作环境下长时间安全可靠的工作。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的高强、高韧铝合金预拉伸厚板，所述厚板按重量百分比由1.40％-2.00％的Cu、1.80％-2.80％的Mg、0.20％-0.60％的Mn、0.10％-0.25％的Cr、5.00％-6.50％的Zn、0-0.10％的Si、0.05％-0.25％的Fe、0-0.05％的Ti、0-0.10％的Ni、0.01-0.05％的单个杂质、0.01-0.10％的合计杂质和余量的Al组成，厚板的厚度为11mm～85mm，所述厚板的型号为7B04。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式的厚板按重量百分比由1.70％的Cu、2.40％的Mg、0.40％的Mn、0.15％的Cr、6.00％的Zn、0.05％的Si、0.15％的Fe、0.03％的Ti、0.05％的Ni、0.03％的单个杂质、0.05％的合计杂质和余量的Al组成，厚板的厚度为50mm。

具体实施方式三：本实施方式的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的制造方法由以下步骤完成：一、扁铝合金铸锭的熔炼与铸造；二、对扁铝合金铸锭均匀化退火，熔炼炉温设定为490℃，加热5h～7h；再将熔炼炉温设定为455℃，加热49h～51h，将扁铝合金铸锭加热至450℃～460℃；三、对扁铝合金铸锭热轧，热轧时铸锭加热温度为370℃～420℃，保温1h～2h；其热轧板厚度为11mm～85mm的板材，四、对热轧后的板材进行淬火预拉伸：先用辊底淬火炉对厚板进行淬火处理，淬火：固溶处理的温度为470℃±2℃，保温1h～2h，转移时间小于30s，冷却水温度小于30℃，淬火后6h内将厚板进行预拉伸，预拉伸塑性变形量控制在2.0％～2.5％之间；板材的平面度满足要求，内部的残余应力也降至最低，解决了机械加工翘曲变形的难题；五、对预拉伸后的铝合金厚板时效处理：1、单级时效：时效温度为115℃～125℃，保温23h～25h；2、双级时效：其中，一级时效温度为110℃～120℃，保温7～9h；二级时效温度为160℃～170℃，保温19h～20h。

通过均匀化退火，能消除晶体内偏析和铸造应力，使板材具有较好的加工性能。本发明通过降低Fe、Si杂质含量，Zn、Mg、Cu的值控制在中、上限，其综合性能最好。

具体实施方式四：本实施方式的步骤一中，所述扁铝合金铸锭的熔炼原材料由纯铝锭、铝锭、电解铜、纯镁锭、纯锌锭、Al-Cr中间合金和Al-Mn中间合金组成，所述Al-Cr中间合金中Cr的加入量占Al-Cr中间合金总重量的4％，所述Al-Mn中间合金中Mn的加入量占Al-Mn中间合金总重量的11％，纯度为99.95的纯铝锭的加入量占扁铝合金铸锭总重量的30％～40％，纯度为99.80的铝锭的加入量占铝合金铸锭总重量的20％～40％，Cu、Mg、Zn以纯金属形式加入；所述扁铝合金铸锭按重量百分比由1.40％-2.00％的Cu、1.80％-2.80％的Mg、0.20％-0.60％的Mn、0.10％-0.25％的Cr、5.00％-6.50％的Zn、0-0.10％的Si、0.05％-0.25％的Fe、0-0.05％的Ti、0-0.10％的Ni、0-0.05％的单个杂质、0-0.10％的合计杂质和余量的Al组成。其它方法步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式的步骤一中，所述扁铝合金铸锭的熔炼原材料由纯铝锭、本铝合金一级废料、电解铜、纯镁锭、纯锌锭、Al-Cr中间合金和Al-Mn中间合金组成，所述Al-Cr中间合金中Cr的加入量占Al-Cr中间合金总重量的4％，所述Al-Mn中间合金中Mn的加入量占Al-Mn中间合金总重量的11％，纯度为99.95的纯铝锭的加入量占扁铝合金铸锭总重量的30％～40％，本铝合金一级废料的加入量占铝合金铸锭总重量的20％～40％，Cu、Mg、Zn以纯金属形式加入；所述扁铝合金铸锭按重量百分比由1.40％-2.00％的Cu、1.80％-2.80％的Mg、0.20％-0.60％的Mn、0.10％-0.25％的Cr、5.00％-6.50％的Zn、0-0.10％的Si、0.05％-0.25％的Fe、0-0.05％的Ti、0-0.10％的Ni、0-0.05％的单个杂质、0-0.10％的合计杂质和余量的Al组成。加入中间合金，易于铸造。其它方法步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：本实施方式的步骤一中的熔炼是这样完成的：采用电炉自投固体料方式，扁铝合金铸锭熔炼温度为700～750℃，并在此范围内取样，取样前彻底搅拌，扁铝合金铸锭熔化下塌前和加纯镁锭时一律采用2#熔剂覆盖，炉前成分控制，Fe补至扁铝合金铸锭总重量的0.18～0.20％，Mg补至扁铝合金铸锭总重量的2.7％，Al-5Ti-1B丝在过滤器入口处在线播入，电炉出炉前充Ar气或Cl气精炼10min，可顶出扁铝合金铸锭中的气泡，保证扁铝合金铸锭的加工质量。其它方法步骤与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式的2#熔剂按照重量份由32～40份的KCl、38～46份的MgCl和5～8份的BaCl组成。其它方法步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式的步骤一中的熔炼工具均涂TiO₂粉保护，可起到防潮和阻隔作用。其它方法步骤与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：本实施方式的步骤一中的铸造是这样完成的：静止炉导炉前清炉，把2#熔剂预热后，在熔炼炉出流口处叠坝，铝液出炉时充满导流管，转炉导入静止炉后，充Ar气或Cl气，精炼15min，静止10min后测量氢气含量，使得铸造后的扁铝合金铸锭的氢气含量达到标准，即氢气含量标准≤0.18ml/100g扁铝合金铸锭，对氢气含量不合格的扁铝合金铸锭再次充Ar气或Cl气，精炼15min，静止10min后再次测量氢气含量，使得铸造后的扁铝合金铸锭的氢气含量达到标准，再对氢气含量达到标准的扁铝合金铸锭用2#熔剂覆盖，铸造流线上采用陶瓷管过滤和泡沫陶瓷板双级净化过滤，每次铸一根铸锭，加纯铝铺底，铸造速度为35mm/min～40mm/min，铸造温度为690℃～705℃，水压为0.05mpa～0.15mpa。通过熔铸工艺，避免了铸造裂纹，提高了熔体质量。其它方法步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式十：本实施方式的2#熔剂按照重量份由32～40份的KCl、38～46份的MgCl和5～8份的BaCl组成。其它方法步骤与具体实施方式九相同。

Claims

1、一种高强、高韧铝合金预拉伸厚板，其特征在于：所述厚板按重量百分比由1.40％-2.00％的Cu、1.80％-2.80％的Mg、0.20％-0.60％的Mn、0.10％-0.25％的Cr、5.00％-6.50％的Zn、0-0.10％的Si、0.05％-0.25％的Fe、0-0.05％的Ti、0-0.10％的Ni、0.01-0.05％的单个杂质、0.01-0.10％的合计杂质和余量的Al组成，厚板的厚度为11mm～85mm。

2、根据权利要求1所述的高强、高韧铝合金预拉伸厚板，其特征在于：所述厚板按重量百分比由1.70％的Cu、2.40％的Mg、0.40％的Mn、0.15％的Cr、6.00％的Zn、0.05％的Si、0.15％的Fe、0.03％的Ti、0.05％的Ni、0.03％的单个杂质、0.05％的合计杂质和余量的Al组成，厚板的厚度为45mm。

3、一种制造权利要求1所述的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的方法，其特征在于：所述方法由以下步骤完成：一、扁铝合金铸锭的熔炼与铸造；二、对扁铝合金铸锭均匀化退火，熔炼炉温设定为490℃，加热5h～7h；再将熔炼炉温设定为455℃，加热49h～51h，将扁铝合金铸锭加热至450℃～460℃；三、对扁铝合金铸锭热轧，热轧时铸锭加热温度为370℃～420℃，保温1h～2h；其热轧板厚度为11mm～85mm的板材，四、对热轧后的板材进行淬火预拉伸：先用辊底淬火炉对厚板进行淬火处理，淬火：固溶处理的温度为470℃±2℃，保温1h～2h，转移时间小于30s，冷却水温度小于30℃，淬火后6h内将厚板进行预拉伸，预拉伸塑性变形量控制在2.0％～2.5％之间；五、对预拉伸后的铝合金厚板时效处理：1、单级时效：时效温度为115℃～125℃，保温23h～25h；2、双级时效：其中，一级时效温度为110℃～120℃，保温7～9h；二级时效温度为160℃～170℃，保温19h～20h。

4、根据权利要求3所述的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的制造方法，其特征在于：步骤一中，所述扁铝合金铸锭的熔炼原材料由纯铝锭、铝锭、电解铜、纯镁锭、纯锌锭、Al-Cr中间合金和Al-Mn中间合金组成，所述Al-Cr中间合金中Cr的加入量占Al-Cr中间合金总重量的4％，所述Al-Mn中间合金中Mn的加入量占Al-Mn中间合金总重量的11％，纯度为99.95的纯铝锭的加入量占扁铝合金铸锭总重量的30％～40％，纯度为99.80的铝锭的加入量占铝合金铸锭总重量的20％～40％，Cu、Mg、Zn以纯金属形式加入；所述扁铝合金铸锭按重量百分比由1.40％-2.00％的Cu、1.80％-2.80％的Mg、0.20％-0.60％的Mn、0.10％-0.25％的Cr、5.00％-6.50％的Zn、0-0.10％的Si、0.05％-0.25％的Fe、0-0.05％的Ti、0-0.10％的Ni、0-0.05％的单个杂质、0-0.10％的合计杂质和余量的Al组成。

5、根据权利要求3所述的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的制造方法，其特征在于：步骤一中，所述扁铝合金铸锭的熔炼原材料由纯铝锭、本铝合金一级废料、电解铜、纯镁锭、纯锌锭、Al-Cr中间合金和Al-Mn中间合金组成，所述Al-Cr中间合金中Cr的加入量占Al-Cr中间合金总重量的4％，所述Al-Mn中间合金中Mn的加入量占Al-Mn中间合金总重量的11％，纯度为99.95的纯铝锭的加入量占扁铝合金铸锭总重量的30％～40％，本铝合金一级废料的加入量占铝合金铸锭总重量的20％～40％，Cu、Mg、Zn以纯金属形式加入；所述扁铝合金铸锭按重量百分比由1.40％-2.00％的Cu、1.80％-2.80％的Mg、0.20％-0.60％的Mn、0.10％-0.25％的Cr、5.00％-6.50％的Zn、0-0.10％的Si、0.05％-0.25％的Fe、0-0.05％的Ti、0-0.10％的Ni、0-0.05％的单个杂质、0-0.10％的合计杂质和余量的Al组成。

6、根据权利要求4或5所述的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的制造方法，其特征在于：步骤一中的熔炼是这样完成的：采用电炉自投固体料方式，扁铝合金铸锭熔炼温度为700～750℃，并在此范围内取样，取样前彻底搅拌，扁铝合金铸锭熔化下塌前和加纯镁锭时一律采用2#熔剂覆盖，炉前成分控制，Fe补至扁铝合金铸锭总重量的0.18～0.20％，Mg补至扁铝合金铸锭总重量的2.7％，Al-5Ti-1B丝在过滤器入口处在线播入，电炉出炉前充Ar气或Cl气精炼10min。

7、根据权利要求6所述的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的制造方法，其特征在于：所述2#熔剂按照重量份由32～40份的KCl、38～46份的MgCl和5～8份的BaCl组成。

8、根据权利要求6所述的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的制造方法，其特征在于：步骤一中的熔炼工具均涂TiO₂粉保护。

9、根据权利要求3所述的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的制造方法，其特征在于：步骤一中的铸造是这样完成的：静止炉导炉前清炉，把2#熔剂预热后，在熔炼炉出流口处叠坝，铝液出炉时充满导流管，转炉导入静止炉后，充Ar气或Cl气，精炼15min，静止10min后测量氢气含量，使得铸造后的扁铝合金铸锭的氢气含量达到标准，即氢气含量标准≤0.18ml/100g扁铝合金铸锭，对氢气含量不合格的扁铝合金铸锭再次充Ar气或Cl气，精炼15min，静止10min后再次测量氢气含量，使得铸造后的扁铝合金铸锭的氢气含量达到标准，再对氢气含量达到标准的扁铝合金铸锭用2#熔剂覆盖，铸造流线上采用陶瓷管过滤和泡沫陶瓷板双级净化过滤，每次铸一根铸锭，加纯铝铺底，铸造速度为35mm/min～40mm/min，铸造温度为690℃～705℃，水压为0.05mpa～0.15mpa。

10、根据权利要求9所述的高强、高韧铝合金预拉伸厚板的制造方法，其特征在于：所述2#熔剂按照重量份由32～40份的KCl、38～46份的MgCl和5～8份的BaCl组成。