CN103205616B - 一种超高强高延伸率Al-Zn-Mg-Cu合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种超高强高延伸率Al-Zn-Mg-Cu合金及其制备方法，属于金属合金技术领域。该合金主要成分（质量分数）：9.7%-10.3%Zn、1.7%-2.3%Mg、1%-1.3%Cu、0.11%-0.14%Zr；合金中其他杂质元素含量均不超过0.1%；合金中Zn、Mg和Cu元素质量分数比例关系为4.5≤（Zn+0.8Cu）/Mg≤6.5，0.4≤Cu/Mg≤0.6，8.5≤{（Zn+0.8Cu）/Mg}/{Cu/Mg}≤10.5。本发明合金抗拉强度σb≥720MPa，屈服强度σ0.2≥670MPa，延伸率δ≥11%。该合金采用传统熔铸方式，经过均匀化退火、挤压、固溶淬火和T6人工时效处理制得；过程简单，成本低廉，综合性能优越，满足现代航空工业和汽车工业材料的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于新型合金材料领域，具体涉及一种超高强高延伸率Al-Zn-Mg-Cu合金及其制备方法。
背景技术
铝合金合金具有比强度高、成形和加工性能好、耐腐蚀性能好等特点，使其成为非常重要的飞机结构材料，在大飞机结构中占有很大的使用比例。世界汽车保有量与日俱增，随之而来的能源短缺、环境污染等一系列问题也日益突出，高强度铝合金在保证汽车安全性能的同时减轻汽车重量，进而降低能源消耗和减轻环境污染。铝合金在汽车工业和航空工业中具有广阔的应用前景，尤其是超高强度铝合金更是凭借其优异的比强度在汽车工业和航空工业的发展中占有举足轻重的作用。
Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金的研究经历了高强低韧→高强耐蚀→高强高韧耐蚀→超强高韧耐蚀4个发展阶段，而热处理的研究和合金化的探索对Al-Zn-Mg-Cu合金的发展起了关键性作用。目前国内外所公布的超高强合金中，都出现了强度达到700MPa以上，延伸率低于10%的现象。很久以来，研究人员试图通过改善合金制备工艺和热处理工艺的方法来改善合金的综合性能，但是通过工艺手段改变由合金成分本身所决定的特性是难以实现的。
因此，本发明在利用传统制备工艺和热处理方法的基础上，通过改善合金成分得到了一种综合性能优异的Al-Zn-Mg-Cu合金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强高延伸率的Al-Zn-Mg-Cu合金。
本发明提供一种Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，合金中各组分及其重量百分比为：Zn含量为9.7%-10.3%，Mg含量为1.7%-2.3%，Cu含量为1%-1.3%，Zr含量为0.11%-0.14%，Fe、Si杂质元素含量不超过0.1%，余量为Al，且其中Mg、Cu和Zn的重量百分比满足以下条件：4.5≤（Zn+0.8Cu）/Mg≤6.5，0.4≤Cu/Mg≤0.6,8.5≤{（Zn+0.8Cu）/Mg}/{Cu/Mg}≤10.5。
所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）熔炼：将配比后的Al-Zn-Mg-Cu合金原料置于石墨混粘土坩埚中升温熔炼得到合金铸锭，熔炼温度为780℃；
2）退火：将合金铸锭置于电阻炉中进行双级均匀化退火，第一级退火温度为400℃保温4h，随后升温至467℃进行第二级退火，保温30h；
3）挤压：对退火后的合金铸锭进行热挤压变形，挤压成合金板材，挤压工艺参数为挤压温度400-430℃，挤压比17.4，挤压速度7-10mm/s；
4）固溶淬火：将挤压变形后的合金板材置于电阻炉中固溶处理，固溶温度为472℃保温3h；
5）人工时效：将固溶淬火处理后的合金板材置于电阻炉中进行人工时效，时效温度为120℃保温21h。
本发明的优点是：原材料成本低，生产成本低，合金制备过程和热处理方式简单。由于本合金在优化合金成分的基础上，获得了高强度高延伸率的Al-Zn-Mg-Cu合金，因而，本发明可以通过传统制备工艺和简单的热处理方式实现工业化生产，其工业应用前景广阔。
本发明采用熔炼，均匀化退火，挤压，固溶淬火，人工时效的方法制备Al-Zn-Mg-Cu合金材料。具体步骤如下：
1）熔炼。将配比后的原料置于石墨混粘土坩埚中，熔炼过程中的加料顺序为纯铝，铝铜中间合金，铝锆中间合金，纯锌，纯镁；各元素熔炼温度为780℃。
2）退火。采用双级均匀化退火工艺400℃/4h+467℃/30h,将冷却到室温的铸锭放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至一级退火温度400℃并保温4h，再按10℃/min的升温速率加热至二级退火温度467℃并保温30h。
3）挤压。将Ф90mm的圆形铸锭挤压成6mm厚×60mm宽的板材，其工艺参数为：挤压温度400-430℃，挤压比17.4，挤压速度7-10mm/s。
4）固溶淬火。采用472℃/3h固溶工艺，将板材放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至472℃并保温3h，然后将板材快速放入水中淬火。
5）人工时效。采用120℃/21h的T6态人工时效处理，将板材放入电阻炉中，按2℃/min的升温速率加热至120℃并保温21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。
附图说明
图1、图2、图3、图4：时效态Al-Zn-Mg-Cu合金拉伸应力延伸率曲线。
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步描述。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明，一种Al-Zn-Mg-Cu合金其特征在于：该合金各组分及其重量百分比为：Zn含量为9.7%-10.3%，Mg含量为1.7%-2.3%，Cu含量为1%-1.3%，Zr含量为0.11%-0.14%，Fe、Si杂质元素含量不超过0.1%，余量为Al，且其中Mg、Cu和Zn的重量百分比满足以下条件：4.5≤（Zn+0.8Cu）/Mg≤6.5，0.4≤Cu/Mg≤0.6,8.5≤{（Zn+0.8Cu）/Mg}/{Cu/Mg}≤10.5。
其中Zn元素选用工业纯锌，Mg元素选用工业纯镁。
实施例1
1）按名义成分Al-10Zn-2.0Mg-1.2Cu-0.12Zr（重量百分比，%）配制合金，其中铜元素，锆元素分别以铝铜,铝锆中间合金的形式加入。
2）将配好的原材料用酒精洗净，吹干。将纯铝放入温度为780℃的电阻炉中，铝熔化后保温30min；加入铝铜中间合金和铝锆中间合金，保温10min；加入纯锌，保温15min；用CCl6除气，保温5min；加入纯镁，保温5min；用CCl6除气，保温5min；断电扒渣，当熔体温度降至720℃时，以1kg/min的速度将熔体浇入Ф100mm的圆柱形铁模中，由此得到Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭。
3）将冷却到室温的铸锭放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至一级退火温度400℃并保温4h，再按10℃/min的升温速率加热至二级退火温度467℃并保温30h。
4）将Ф100mm铸锭车削成Ф90mm的圆形铸锭，然后挤压成6mm厚×60mm宽的板材，挤压工艺参数为：挤压温度430℃，挤压比17.4，挤压速度7-10mm/s。
5）将板材放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至472℃并保温3h，然后将板材快速放入水中。
6）将板材放入电阻炉中，按2℃/min的升温速率加热至120℃并保温21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。
制备的Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸应力延伸率曲线，如图1所示，该合金抗拉强度σb=755MPa，屈服强度σ0.2=713MPa，延伸率δ=13.5%。
实施例2
1）按名义成分Al-10Zn-1.9Mg-1.1Cu-0.14Zr（重量百分比，%）配制合金，其中铜元素，锆元素分别以铝铜,铝锆中间合金的形式加入。
2）将配好的原材料用酒精洗净，吹干，将高纯铝放入温度780℃的电阻炉中，铝熔化后保温30min；加入铝铜中间合金和铝锆中间合金，保温10min；加入纯锌，保温15min；用CCl6除气，保温5min；加入纯镁，保温5min；用CCl6除气，保温5min；断电扒渣，当熔体温度降至720℃时，以1kg/min的速度将熔体浇入Ф100mm的圆柱形铁模中，由此得到Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭。
3）将冷却到室温的铸锭放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至一级退火温度400℃并保温4h，再按10℃/min的升温速率加热至二级退火温度467℃并保温30h。
4）将Ф100mm铸锭车削成Ф90mm的圆形铸锭，然后挤压成6mm厚×60mm宽的板材，挤压工艺参数为：挤压温度430℃，挤压比17.4，挤压速度7-10mm/s。
5）将板材放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至472℃并保温3h，然后将板材快速放入水中。
6）将板材放入电阻炉中，按2℃/min的升温速率加热至120℃并保温21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。
制备的Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸应力延伸率曲线，如图2所示，该合金抗拉强度σb=746MPa，屈服强度σ0.2=700MPa，延伸率δ=11.5%。
实施例3
1）按名义成分Al-10Zn-2.1Mg-1.2Cu-0.12Zr（重量百分比，%）配制合金，其中铜元素，锆元素分别以铝铜,铝锆中间合金的形式加入。
2）将配好的原材料用酒精洗净，吹干，将高纯铝放入温度780℃的电阻炉中，铝熔化后保温30min；加入铝铜中间合金和铝锆中间合金，保温10min；加入纯锌，保温15min；用CCl6除气，保温5min；加入纯镁，保温5min；用CCl6除气，保温5min；断电扒渣，当熔体温度降至720℃时，以1kg/min的速度将熔体浇入Ф100mm的圆柱形铁模中，由此得到Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭。
3）将冷却到室温的铸锭放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至一级退火温度400℃并保温4h，再按10℃/min的升温速率加热至二级退火温度467℃并保温30h。
4）将Ф100mm铸锭车削成Ф90mm的圆形铸锭，然后挤压成6mm厚×60mm宽的板材，挤压工艺参数为：挤压温度430℃，挤压比17.4，挤压速度7-10mm/s。
5）将板材放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至472℃并保温3h，然后将板材快速放入水中。
6）将板材放入电阻炉中，按2℃/min的升温速率加热至120℃并保温21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。
制备的Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸应力延伸率曲线，如图3所示，该合金抗拉强度σb=728MPa，屈服强度σ0.2=683MPa，延伸率δ=12.5%。
实施例4
1）按名义成分Al-10Zn-2Mg-1.1Cu-0.13Zr（重量百分比，%）配制合金，其中铜元素，锆元素分别以铝铜,铝锆中间合金的形式加入。
2）将配好的原材料用酒精洗净，吹干，将高纯铝放入温度780℃的电阻炉中，铝熔化后保温30min；加入铝铜中间合金和铝铜中间合金，保温10min；加入纯锌，保温15min；用CCl6除气，保温5min；加入纯镁，保温5min；用CCl6除气，保温5min；断电扒渣，当熔体温度降至720℃时，以1kg/min的速度将熔体浇入Ф100mm的圆柱形铁模中，由此得到Al-Zn-Mg-Cu合金铸锭。
3）将冷却到室温的铸锭放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至一级退火温度400℃并保温4h，再按10℃/min的升温速率加热至二级退火温度467℃并保温30h。
4）将Ф100mm铸锭车削成Ф90mm的圆形铸锭，然后挤压成6mm厚×60mm宽的板材，挤压工艺参数为：挤压温度430℃，挤压比17.4，挤压速度7-10mm/s。
5）将板材放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至472℃并保温3h，然后将板材快速放入水中。
6）将板材放入电阻炉中，按10℃/min的升温速率加热至120℃并保温21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。
制备的Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸应力延伸率曲线，如图4所示，该合金抗拉强度σb=724MPa，屈服强度σ0.2=676MPa，延伸率δ=12%。
Claims (2)
1.一种Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，合金中各组分及其重量百分比为：Zn含量为9.7%-10.3%，Mg含量为1.7%-2.3%，Cu含量为1%-1.3%，Zr含量为0.11%-0.14%，Fe、Si杂质元素含量不超过0.1%，余量为Al，且其中Mg、Cu和Zn的重量百分比满足以下条件：4.5≤（Zn+0.8Cu）/Mg≤6.5，0.4≤Cu/Mg≤0.6,8.5≤{（Zn+0.8Cu）/Mg}/{Cu/Mg}≤10.5。
2.根据权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）熔炼：将配比后的Al-Zn-Mg-Cu合金原料置于石墨混粘土坩埚中升温熔炼得到合金铸锭，熔炼温度为780℃；
2）退火：将合金铸锭置于电阻炉中进行双级均匀化退火，第一级退火温度为400℃保温4h，随后升温至467℃进行第二级退火，保温30h；
3）挤压：对退火后的合金铸锭进行热挤压变形，挤压成合金板材，挤压工艺参数为挤压温度400-430℃，挤压比17.4，挤压速度7-10mm/s；
4）固溶淬火：将挤压变形后的合金板材置于电阻炉中固溶处理，固溶温度为472℃保温3h；
5）人工时效：将固溶淬火处理后的合金板材置于电阻炉中进行人工时效，时效温度为120℃保温21h。
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