CN103233149A - 一种高强度铝合金管材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度铝合金管材，其特征在于，合金原料为Al、Zn、Mg、Cu、Zr的纯度为99.5%以上的纯元素粉末，并且按重量百分比为：Zn5.1~6.4%，Mg1.8~2.1%，Cu1.7~2.0%，Zr0.18~0.24%，余量为Al，各组分之和为100%。本发明使用的粉末纯度较高、粒径细小，尽量避免有害杂质的加入，同时使得合金的组织处于多相细小弥散分布状态，从而使其具有良好的综合机械性能，使得合金的性能得到了加强。

Description

一种高强度铝合金管材

技术领域

本发明涉及一种高强度铝合金管材，特别是一种铝锌镁铜锆系高强铝合金管材。 

背景技术

能源、环保、安全是关系到人类生存和发展的三大难题。铝材具有密度小、比强度和比刚度高、耐腐蚀、美观耐用、易成形、可表面处理、可回收再生、可节能储能等一系列优良性能，推广应用铝材是缓解上述三大难题的重要途径。因此，铝材越来越受到人们的青睐，其应用已普及到国民经济各部门和人们生活各方面，在很多场合已代替钢铁、铜材、木材和塑料，成为人类社会的一种重要的基础材料。

铝是一种银白色的金属，具有密度低，只有2.79/cm3，约为钢、铜或黄铜的密度(分别为7.839/cm3，8.939/cm3)的1/3。导电性和导热性好、塑性高、抗腐蚀性能好等特点，铝的表面具有高度的反射性，辐射能、可见光、辐射热和电波都能有效地被铝反射，而阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，抛光后的铝在很宽波长范围内具有优良的反射性，因而具有各种装饰用途及具有反射功能性的用途。铝的化学性质活泼，在空气中易与氧结合，表面形成一层致密坚固的氧化铝薄膜，可保护内层金属不再继续氧化，故在大气中有极好的稳定性。铝在大自然中的蕴藏量非常丰富，铝在地壳中的含量为7.45％，仅次于氧和硅，我国铝土矿的储量也居世界前列，探明储量有6.3亿吨，而且它是一种具有很强再生性的金属，它的“绿色生命力”可供持续发挥。在现代生活中，铝及铝合金已经广泛地应用在各种行业中。

铝合金具有以下优点：

(1)密度小：密度小对于航天航空器、船舶、车辆等交通工具及建筑物轻量化非常有益，在交通运输中，能大大减少油耗，同时也可以节省搬运费和加工费，降低成本，在工业、建筑业、民用业等领域的应用越来越广泛。

(2)良好的耐腐蚀性、耐候性：铝及铝合金在大气中能够形成一层硬而且致密，具有良好抗腐蚀性能的氧化膜，通过阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂等表面处理，可进一步提高铝材的抗腐蚀性。

(3)良好的机加工性和装饰性：铝合金具有良好的可塑性，可加工各种规格、形状的产品，通过表面处理可生成不同性质，不同颜色的膜层，具有良好的装饰性。

(4)良好的导热性：铝合金的导热率大约是铜的50.60％，这对制造热交换器、蒸发器、加热电器、炊事用具，以及汽车的缸盖与散热器非常有利。

(5)良好的可锻性：铝合金可以锻造成强度高、形状与品种繁多的锻件，它们的最终部件锻造设计标准的选择范围(基于预定的用途)是非常宽的。

(6)良好的可焊性：铝合金可用各式各样的方法连接，包括熔焊、电阻焊、硬焊、软焊、粘结以及诸如铆接和栓接之类的机械方法。

(7)极高的回收性：再生铝合金的特性与原生铝合金几乎没有别，这点使铝合金成为环保人士的宠儿，。环保性相当好。

(8)铝合金有高的比强度，比刚度，断裂韧性和疲劳强度：用其代替钢铁材料可大大减轻零构件的重量，增加结构的稳定性。作为一种工程结构材料，在液体导弹，运载火箭，飞机中得到广泛应用，在其它行业应用也十分广泛。

(9)特定铝合金具有高电阻率：这些合金可用于如高转矩的电动机中。

铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。

变形铝合金的分类方法很多，目前，世界上绝大部分国家通常按以下三种方法进行分类。

(1)按合金状态图及热处理特点分为可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两大类。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能。它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等；铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。可热处理强化铝合金如：纯铝、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si系合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。不可热处理强化铝合金如：Al-Mg、Si、Al-Cu、Al-Zn-Mg系合金。

(2) 按合金性能和用途可分为：工业纯铝、光辉铝合金、切削铝合金、耐热铝合金、低强度铝合金、中强度铝合金、高强度铝合金(硬铝)、超高强度铝合金(超硬铝)、锻造铝合金及特殊铝合金等。

(3) 按合金中所含主要合金元素成分可分为：工业纯铝，Al-Cu合金，Al-Mn合金，Al-Si合金，Al-Mg合金，Al-Mg-Si合金，Al-Zn合金，AL-其它元素合金元素。

Al-Zn-Mg-Cu合金属于超高强铝合金，是可热处理强化合金，具有较高的比强度，但是由于峰值时效状态下，抗应力腐蚀能力和断裂韧性都比较差，限制了其广泛应用。

现有的铝合金管由于强度和生产工艺的不足，生产的管材力学性能波动大，后续弯曲扩口等成形加工很不顺利，时常出现废品。因此，优化合金成分和热处理工艺获得综合性能良好的合金一直是广大材料研究工作的共同追求的目标。

 

发明内容

本发明的目的旨在针对现有的高强铝合金管材的技术不足和缺陷，提供一种组分配比合理、生产工艺简单、可有效提高铝合金的总体强度和稳定性的铝锌镁铜锆系高强铝合金管材的制备方法，使铝合金管材的性能接近或超过现有铸造或锻造法所生产的制品。 

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案： 

一种高强度铝合金管材，其特征在于，合金原料为Al、Zn、Mg、Cu、Zr的纯度为99.5%以上的纯元素粉末，并且按重量百分比为：

Zn 5.1~6.4%，

Mg 1.8~2.1%，

Cu 1.7~2.0%，

Zr 0.18~0.24%，

余量为Al，

各组分之和为100%；

一种高强度铝合金管材的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按照如下组分配置合金原料，Zn 5.1~6.4%，Mg 1.8~2.1%，Cu 1.7~2.0%，Zr 0.18~0.24%，余量为Al，各组分之和为100%；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr为纯度99.5%以上的纯元素粉末，合金配料为10μm铜粉、2μm铝粉、20μm镁粉、6~9μm锌粉和2~3μm锆粉。

2）元素粉末在轻型球磨机上以150转/分钟的速度球磨24h，复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为550℃，烧结时间为3h，烧结压力为80MPa，

3）对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为620℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间12h，

4）烧结后的试样经过热挤压，挤压前钱模具预热温度为480℃，挤压比为4：1~15：1，挤压速率为1.4m/min，挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶2h，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至170℃二级时效1h，降温至120℃三级时效24h。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：本发明通过大量实验选择了合理配比，尤其是本发明的原料均采用纯元素粉末的方法进行混料，通过球磨混料，使几种元素粉末充分混合，然后通过大量实验，选择合适的低温高压真空热压烧结和高温固溶热处理方法和参数，使锌、镁、铜、锆等元素在铝基体中固溶超过其理论固溶度，并使粉末反应充分进行，以获得致密度高、孔隙率少、金属间化合物相细小弥散分布的烧结态样品，再进行热处理获得纳米尺寸分布的时效析出强化相，最终使得合金的组织处于多相细小弥散分布状态，从而使其具有良好的综合机械性能，同时，由于没有Fe、Si等杂质元素的影响，其性能进一步加强，最后制得的铝合金管的强度接近或超过现有铸造或锻造的铝锌镁铜系高强铝合金管。本发明使用的粉末纯度较高、粒径细小，尽量避免有害杂质的加入，使得合金的性能得到了加强。本发明能够生产尺寸精确的产品，具有操作简单、损失量少、可控性好等特点。

 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。 

实施例1 

1）按照如下组分配置合金原料，Zn 5.1%，Mg 1.8%，Cu 1.7%，Zr 0.18%，余量为Al，各组分之和为100%；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr为纯度99.5%以上的纯元素粉末，合金配料为10μm铜粉、2μm铝粉、20μm镁粉、6~9μm锌粉和2~3μm锆粉。

2）元素粉末在轻型球磨机上以150转/分钟的速度球磨24h，复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为550℃，烧结时间为3h，烧结压力为80MPa，

3）对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为620℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间12h，

4）烧结后的试样经过热挤压，挤压前钱模具预热温度为480℃，挤压比为4：1，挤压速率为1.4m/min，挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶2h，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至170℃二级时效1h，降温至120℃三级时效24h。

最后制得的铝合金管材的气孔率≤0.01%，密度为2.79g/cm2，最大抗拉强度≥475MPa，硬度值为≥181HV。

实施例2 

1）按照如下组分配置合金原料，Zn 5.8%，Mg 1.9%，Cu 1.8%，Zr 0.21%，余量为Al，各组分之和为100%；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr为纯度99.5%以上的纯元素粉末，合金配料为10μm铜粉、2μm铝粉、20μm镁粉、6~9μm锌粉和2~3μm锆粉。

2）元素粉末在轻型球磨机上以150转/分钟的速度球磨24h，复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为550℃，烧结时间为3h，烧结压力为80MPa，

3）对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为620℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间12h，

4）烧结后的试样经过热挤压，挤压前钱模具预热温度为480℃，挤压比为10：1，挤压速率为1.4m/min，挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶2h，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至170℃二级时效1h，降温至120℃三级时效24h。

最后制得的铝合金管材的气孔率≤0.12%，密度为2.76g/cm2，最大抗拉强度≥459MPa，硬度值为≥175HV。

实施例3 

一种高强度铝合金管材的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按照如下组分配置合金原料，Zn 6.4%，Mg 2.1%，Cu 2.0%，Zr 0.24%，余量为Al，各组分之和为100%；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr为纯度99.5%以上的纯元素粉末，合金配料为10μm铜粉、2μm铝粉、20μm镁粉、6~9μm锌粉和2~3μm锆粉。

2）元素粉末在轻型球磨机上以150转/分钟的速度球磨24h，复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为550℃，烧结时间为3h，烧结压力为80MPa，

3）对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为620℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间12h，

4）烧结后的试样经过热挤压，挤压前钱模具预热温度为480℃，挤压比为15：1，挤压速率为1.4m/min，挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶2h，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至170℃二级时效1h，降温至120℃三级时效24h。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高强度铝合金管材，其特征在于，合金原料为Al、Zn、Mg、Cu、Zr的纯度为99.5%以上的纯元素粉末，并且按重量百分比为：

Zn 5.1~6.4%，

Mg 1.8~2.1%，

Cu 1.7~2.0%，

Zr 0.18~0.24%，

余量为Al，

各组分之和为100%。

2.根据权利要求1所述的高强度铝合金管材，其特征在于，所述高强度铝合金管材通过以下步骤制得：

1）按照上述组分配置合金原料，其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr为纯度99.5%以上的纯元素粉末，合金配料为10μm铜粉、2μm铝粉、20μm镁粉、6~9μm锌粉和2~3μm锆粉，

2）元素粉末在轻型球磨机上以150转/分钟的速度球磨24h，复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为550℃，烧结时间为3h，烧结压力为80MPa，

3）对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为620℃，真空度≤0.01Pa，烧结时间12h，

4）烧结后的试样经过热挤压，挤压前钱模具预热温度为480℃，挤压比为4：1~15：1，挤压速率为1.4m/min，挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶2h，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至170℃二级时效1h，降温至120℃三级时效24h。