CN103290280B - 一种低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金 - Google Patents
一种低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种新型低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金。本发明的关键在于调整Al-Zn-Mg-Cu合金中合金元素的质量比；其含有以下重量百分比的成分：锌4.5-6.5%，镁4.0-5.0%，铜0.5-1.0%，锆0.08-0.15%，钛小于0.06%，硅小于0.3%，铁小于0.3%，锰小于0.15%，铝为余量。本发明中的新型铝合金采用合适的均匀化制度，压力加工，固溶时效后，具有较高的强度，较好的塑性，较低的密度，较低的淬火敏感性。采用本发明合金制得的材料（部件）峰值时效后强度大于540Mpa，材料的室温延伸率不低于10%，维氏硬度值不低于175HV，综合性能明显高于已报道的Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属材料领域，特别涉及一种新型低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu铝合金，该合金可满足峰值时效室温强度540MPa，室温延伸率10%，低淬火敏感性。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金由于其高强度、高韧性而被广泛的应用于航空航天飞行器结构件，近年来，Al-Zn-Mg-Cu铝合金Zn/Mg比例的合理调整，Zr、Sc等微量元素的复合添加等方面的得到了关注。由于现有的Al-Zn-Mg-Cu铝合金需要在强度和密度之间权衡，比如7085铝合金强度较高，但其密度值也较高，达到2.85g/cm3。7075铝合金其密度值较低（2.81g/cm3），但强度值也下降。航空航天器的要求在保持一定强度的前提下，尽可能的降低密度，同时考虑可加工性。铝合金存在淬火敏感性，对于厚板来说，容易造成合金性能不均匀，淬火冷却速率的不同，会导致表层淬火端强度高于芯部，如何来获得一种低密度、低淬火敏感性的Al-Zn-Mg-Cu铝合金，目前是国内外学者广泛关注的问题。
常见的四种Al-Zn-Mg-Cu合金的成分表，如表1所示：
表1常见的四种Al-Zn-Mg-Cu合金成分
发明内容
本发明的目的是提供一种新型Al-Zn-Mg-Cu铝合金，该合金具有低密度、低淬火敏感性、综合性能良好。
本发明的目的是通过以下方式实现的。
一种低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金，含有以下重量百分比的成分：锌4.5-6.5%，镁4.0-5.0%，铜0.5-1.0%，锆0.08-0.15%，钛小于0.06%，硅小于0.3%，铁小于0.3%，锰小于0.15%，铝为余量。
所述的一种低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金，合金的铸态组织中晶内独立第二相包括体积百分比不超过0.8%的Al2Zn3Mg3相，以及体积百分比不超过0.25%的Al2CuMg相，非平衡共晶组织为MgZn2/MgAl2/MgCu2复合相，体积百分比不超过2.5%，非平衡共晶组织熔点为476℃。
所述的一种低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金，所述的合金在制备时的均匀化制度是采用470℃均匀化24-28小时，过烧温度为475℃。通过此步骤，铸态中的枝晶组织，非平衡相共晶组织及少量的独立第二相组织很好的消除和回溶。
所述的一种低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金，所所述的合金在制备时的固溶时效制度是采用470-480℃固溶2小时后，再于121℃时效24-28小时，使得强度达到最大，淬火敏感性较低。
本发明的技术效果在于，
1）具有高的强度，其维氏硬度值比7A09T6和7A10T6合金至少都提高7%，拉伸强度提高7%，延伸率不低于10%；
2）具有较低的密度，其密度比7085铝合金降低5%。
3）具有较低的淬火敏感性，其淬透层深度比7050铝合金提高15%，比7A09铝合金提高25%。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为铸锭铸态以及均匀化处理后的DSC分析结果；
图2为铸锭铸态金相组织（OM）照片；
图3为铸锭铸态扫描组织（SEM）照片；
图4为铸锭均匀化金相组织（OM）照片；
图5为铸锭均匀化后扫描电子显微组织（SEM）照片；
图6为铸锭均匀化后扫描电子显微组织（SEM）照片；
图7为铸锭均匀化后挤压后金相显微组织（OM）照片；
图8为淬火敏感性表征；
图9为铸锭均匀化、压力加工后淬火时效态透射电子显微组织（TEM）照片。
具体实施方式
本发明通过合理调整Al-Zn-Mg-Cu铝合金中Mg、Cu元素含量，使得合金中纳米级析出相停留在该系列铝合金主要强化相MgZn2。同时，由于合金密度与元素密切相关，Mg的添加可以降低合金密度，同时提高强度值。
本发明可以采用以下2种方法制备：
方法A：选择在本发明所指范围的合金成分。Al、Mg、Zn采用纯Al、纯Mg、纯Zn的方式加入，其他元素均用中间合金方式加入，严格控制合金中杂质元素含量。按照Al、Zn、Al-Cu、Mg、Al-Zr的顺序依次加入合金元素。熔炼完全后，充分搅拌，在保护气保护下加入除气剂（六氯乙烷)除气，静置，拔渣，待温度下降至浇铸温度720~730℃后浇入铁模中。铸锭在经均匀化退火后，切去头尾，410℃预热2h后进行轧制，为防止板材开裂，需严格控制道次变形量。每道次压下量为不超过10%，中间退火(2-3道次)，退火时间为15min。轧制末期，板材热轧中冷却较快，而且为严格控制轧制精度，每道次轧下量小于1mm。轧制到3mm厚时终止轧制，经固溶、淬火、时效制度后得到新型高强、低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金。
方法B：选择在本发明所指范围的合金成分。Al、Mg、Zn采用纯Al、纯Mg、纯Zn的方式加入，其他元素均用中间合金方式加入，严格控制合金中杂质元素含量。按照Al、Zn、Al-Cu、Mg、Al-Zr的顺序依次加入合金元素。熔炼完全后，充分搅拌，在保护气保护下加入除气剂（六氯乙烷)除气，静置，拔渣，待温度下降至浇铸温度720~730℃后浇入铁模中。铸锭均匀化后，车皮后进行挤压，挤压温度控制在380~400℃，挤压比λ≥30。挤压速度为1m/min，挤压后经固溶、淬火、时效制度后得到新型高强、低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金。
本发明在选择合金成分及含量时还有如下考虑，为保证合金强度值，根据Al-Zn-Mg三元相图，控制合金Mg含量，生成MgZn2相的同时，过量的Mg原子形成固溶强化作用。
本发明所指新型Al-Zn-Mg-Cu铝合金采用压力加工（如轧制、挤压）制备所需材料和（或）部件。压力加工处理前合金经均匀化处理，均匀化温度通过差热分析（DSC）得到。见附图1。部分合金铸态组织见附图2、附图3。均匀化处理结果经过金相分析（OM）与扫描电子显微分析（SEM）来确定合适的均匀化制度，结果如附图4、附图5所示。压力变形后组织见附图6所示。硬度测试采用小负荷维氏硬度计（HV-10B），加载重量3Kg，保载时间15s。室温拉伸实验按照国标GB/T228-2002制成标准拉伸试样，拉伸实验在CSS-44100万能材料力学拉伸机上进行，拉伸速度为2mm/min。淬火敏感性实验采用中国专利：测量铝合金材料淬透深度的装置及方法（200710034410.8）。采用末端淬火试验，将样品置于装置上后进行一端喷淋冷却。将距离淬火端面硬度下降10%的深度定义为淬透层深度，淬透层深度越大，淬火敏感性越低。表征方法见附图7。密度测试采用对照国际铝合金标准成分中的密度，根据相对值测试，密度误差控制在0.2%以内。对于实验样品进行透射电子显微分析（TEM），见附图8.。以确定其硬度变化机理。
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
本发明提供16个实施例，各实施例中杂质Si质量分数小于0.3%，Fe小于0.3%，，Ti小于0.06%，Mn小于0.15%。实施例的合金元素重量百分含量、制备方法与室温拉伸性能如表2所示。
表2
Claims (1)
1.一种低密度、低淬火敏感性Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金，其特征在于，含有以下重量百分比的成分：锌4.5-6.5%， 镁4.0-5.0%，铜0.5-1.0%，锆0.08-0.15%，钛小于0.06%，硅小于0.3%，铁小于0.3%，锰小于0.15%，铝为余量，合金的铸态组织中晶内独立第二相包括体积百分比不超过0.8%的Al2Zn3Mg3相，以及体积百分比不超过0.25%的Al2CuMg相，非平衡共晶组织为MgZn2/MgAl2/MgCu2复合相，体积百分比不超过2.5%，非平衡共晶组织熔点为476℃，所述的合金在制备时的均匀化制度是采用470℃均匀化24-28小时，过烧温度为475℃，所述的合金在制备时的固溶时效制度是采用470-480℃固溶2小时后，再于121℃时效24-28小时。
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