CN102409206B - 一种高强韧挤压铸造Al-Zn系合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强韧挤压铸造铝锌镁铜合金材料，该合金材料采用挤压铸造技术，其挤压比压为25～75Mpa，并采用固溶处理+人工时效工艺制备的高强韧挤压铸造Al-Zn系合金；其主要成分及其质量百分比含量为：锌6.50～7.50％，镁2.00～3.00％，铜1.80～2.20％，微量合金强化元素0.22～0.60％，其余为铝和不可避免的杂质本发明合金材料成分设计合理，综合力学性能优良、铸造成形性好，且成本较低。可用于制造具有轻量化和减重要求的零件，诸如飞机机翼、转向节、连杆等结构件，在汽车、交通、航空、航天等领域中有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料，具体是指一种力学性能优异的高强韧挤压铸造Al-Zn系合金材料。
背景技术
近年来，随着我国经济的高速发展，汽车工业、轨道交通、航空、航天等工业对装备的轻量化和高性能化提出了更高的要求。因此，铝合金作为实现零件轻量化发展的重要材料，应用范围越来越广，对性能的要求也越来越高。其中铸造铝合金的应用倍受关注。
通过优化合金成分和选择合适的成形工艺是提升铝合金材料性能的重要途径。目前，在高强韧铸造铝合金材料的研制中，研究得比较深入、应用也比较成熟的是Al-Cu系铸造铝合金，国内外比较典型的合金牌号有法国的A-U5GT合金、美国铝协会的A201.0和206.0合金及我国的ZL205A合金。这些合金虽然强度较高，但还存在着以下不足：
(1)塑性较差，无法承受大的冲击载荷。铸造性能较差，铸造过程中合金的热裂倾向大、流动性较差、补缩困难，因此一般采用砂型铸造工艺，大大限制了合金的使用范围及材料性能潜力的发挥。
(2)为了获得良好的性能，对杂质元素的含量必须进行严格控制，如A-U5GT合金和A201.0要求铁控制在0.1％以下，硅控制在0.05％以下；206.0合金要求铁控制在0.15％以下，如果用于航空装备中的结构件，杂质铁甚至要低于0.07％以下；ZL205A合金要求铁控制在0.15％以下，硅控制在0.06％以下。
(3)为了获得良好的性能，还需要在这些合金中添加一些贵重合金元素，如美国铝协会牌号201.0合金(AlCu4AgMgMn)含有0.40～1.00％的银，国标ZL205A合金中含有镉等贵金属，导致这些合金材料的成本较高，无法大规模应用于日常生产。
含有较多合金元素的Al-Zn系合金，属于变形铝合金的一种，经相应热处理后可以获得很高的抗拉强度，但该合金在未经后续塑性变形处理时，塑性不佳，大大限制了其应用。
挤压铸造是一种结合了铸造和锻造特点的成形工艺，可获得晶粒细小、组织致密度高、力学性能优良的铸件。具有广泛的适用性、技术上的先进性和经济上的低成本，是一种获得高性能铸件的高效液态成形技术。然而，利用挤压铸造成形工艺，通过多合金元素的优化及添加钛、硼、锆、稀土等微量元素获得高强韧的Al-Zn系合金，迄今未见文献记载。
发明内容
本发明的目的在于针对现有挤压铸造铝合金的不足，通过优化合金成分设计和采用挤压铸造工艺开发出一种综合力学性能优良且铸造成形性好的高强韧挤压铸造Al-Zn系合金材料。从而经济高效地推动铸造铝合金零件的高性能化和轻量化发展。
本发明的目的可以通过如下措施来实现：
一种高强韧挤压铸造Al-Zn系合金材料，其特征在于：采用挤压铸造技术，其挤压比压为25～75Mpa，并采用固溶处理+人工时效工艺制备的高强韧挤压铸造Al-Zn系合金；其主要成分及其质量百分比含量为：锌6.50～7.50％，镁2.00～3.00％，铜1.80～2.20％，微量合金强化元素0.22～0.60％，其余为铝和不可避免的杂质；所述微量合金强化元素为钛、硼、锆、混合稀土，其成分及其质量百分比含量为：钛0.10～0.20％，硼0.02～0.05％，锆0.05～0.20％，混合稀土0.05～0.15％。
所述挤压铸造的挤压比压不低于50MPa。
所述不可避免的杂质元素铁控制在0.2％以下，硅控制在0.1％以下。
该合金与国内外同类合金相比，具有以下优点：
1、本发明通过优化合金成分设计和采用挤压铸造工艺开发出一种综合力学性能优良且铸造成形性好的高强韧挤压铸造Al-Zn系合金材料。该合金材料同时具有较高的强度、良好的塑性和流动性能，在相同的浇注条件下，其流动性能要优于Al-Si-Cu合金。在挤压比压为75MPa，淬火+人工时效热处理条件下，本发明实施例1、2、3获得的合金材料的力学性能分别如表1、2、3所述，相对于高强度的铝铜系铸造铝合金，具有更优异的强度和塑性组合，因此可用于制造具有轻量化和减重要求的，诸如飞机机翼、转向节、连杆等结构件，在汽车、交通、航空、航天等领域中有着广阔的应用前景。
2、本发明的挤压铸造Al-Zn系合金材料的杂质元素含量要求较低，杂质元素铁控制在0.2％以下，硅控制在0.1％以下，因此，可以采用Al 99.80％或Al 99.70等重熔用工业纯铝锭为原材料，而不用采用高纯铝锭。同时，本发明合金含铜量在2.0％左右，远低于一般含铜量在5.0％左右的高强度铸造铝合金，此外，该合金中还不含银、镉等贵重金属，因此本发明成本低于ZL205A、A201等高强韧铸造铝合金。
3、本发明利用挤压铸造成形工艺，通过多合金元素的优化获得挤压铸造Al-Zn系合金材料，成为开发具有高性能、低成本潜力的铝合金材料的有效途径，从而经济高效地推动了铸造铝合金零件的高性能化和轻量化发展。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，本发明实施方式不仅限于此。
实施例一：
本发明挤压铸造Al-Zn系合金材料采用挤压铸造工艺，并采用固溶处理+人工时效工艺制备，步骤及其工艺如下：
步骤一：配料
步骤二：熔炼
合金在石墨坩埚中进行熔炼，熔炼前预热坩埚至暗红，在炉温为300-400℃时加入纯铝、Al-50Cu中间合金、铝锆合金，在700℃时加入纯镁、纯锌，720℃时加入铝钛硼合金和铝稀土合金，待其完全熔化后，精炼除气，静置几分钟除渣，搅拌均匀后于720℃进行浇注。
步骤三：挤压铸造
挤压铸造用压机100吨四柱液压机，在直接挤压铸造模具上进行，挤压比压分别为25，50，75MPa，挤压速度为0.01～0.03m/s，保压30s左右，铸件尺寸为：长100mm×宽80mm×高40mm。
步骤四：热处理
将铸件切割成条形方块进行热处理，热处理炉为带鼓风机的电阻炉，温控精度±1℃。采用的热处理工艺为T6，具体参数为：470℃固溶24小时，室温水淬，然后在160℃下时效12小时。
通过上述步骤获得的挤压铸造Al-Zn系合金材料，经检测其主要成分及其质量百分比含量为：含有锌6.80％，镁2.6％，铜2.10％，钛0.10％、硼0.02％、锆0.10％，混合稀土0.50％，其余为铝和不可避免的杂质，其中铁为0.20％，硅为0.10％。本实施例合金材料在不同比压下的力学性能如表1所示。
表1不同挤压比压下的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度 | 466 | 472 | 513 |
| 伸长率 | 11.8 | 12.0 | 12.5 |
实施例二：
本发明挤压铸造Al-Zn系合金材料采用挤压铸造工艺，并采用固溶处理+人工时效工艺制备，步骤及其工艺如下：
步骤一：配料
步骤二：熔炼，步骤三：挤压铸造，步骤四：热处理
与实施例一相同。
通过上述步骤获得的挤压铸造Al-Zn系合金材料，经检测其主要成分及其质量百分比含量为：合金材料锌7.00％，镁2.80％，铜2.00％，钛0.15％、硼0.03％、锆0.15％，混合稀土0.10％，其余为铝和不可避免的杂质，其中铁为0.20％，硅为0.10％。本实施例合金材料在不同比压下合金材料的力学性能如表2所示。
表2不同挤压比压下的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度 | 463 | 488 | 505 |
| 伸长率 | 11.6 | 14.7 | 15.5 |
实施例三：
步骤一：配料
步骤二：熔炼，步骤三：挤压铸造，步骤四：热处理
与实施例一相同。
通过上述步骤获得的挤压铸造Al-Zn系合金材料，经检测其主要成分及其质量百分比含量为：锌7.30％，镁2.90％，铜1.90％，钛0.20％、硼0.04％、锆0.20％，混合稀土0.15％，其余为铝和不可避免的杂质，其中铁为0.20％，硅为0.10％。本实施例合金材料在不同比压下合金材料的力学性能如表3所示。
表3不同挤压比压下的合金力学性能
| 挤压比压 | 25MPa | 50MPa | 75MPa |
| 抗拉强度 | 475 | 490 | 520 |
| 伸长率 | 12 | 13.5 | 15.8 |
Claims (3)
1.一种高强韧挤压铸造Al－Zn系合金材料，其特征在于：采用挤压铸造技术，其挤压比压为25～75Mpa，并采用固溶处理+人工时效工艺制备的高强韧挤压铸造Al-Zn系合金；其主要成分及其质量百分比含量为：锌6.50～7.50%，镁2.00～3.00%，铜1.80～2.20%，微量合金强化元素0.22～0.60%，其余为铝和不可避免的杂质；所述微量合金强化元素为钛、硼、锆、混合稀土，其成分及其质量百分比含量为：钛0.10～0.20%，硼0.02～0.05%，锆0.05～0.20%，混合稀土0.05～0.15%，所述固溶处理+人工时效工艺，具体参数为：470℃固溶24小时，室温水淬，然后在160℃下时效12小时。
2.根据权利要求1所述的一种高强韧挤压铸造Al－Zn系合金材料，其特征在于：所述挤压铸造的挤压比压不低于50MPa。
3.根据权利要求1所述的一种高强韧挤压铸造Al－Zn系合金材料，其特征在于：所述不可避免的杂质元素铁控制在0.2%以下，硅控制在0.1%以下。
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