CN104004945A

CN104004945A - 含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金及其制备方法

Info

Publication number: CN104004945A
Application number: CN201410245040.2A
Authority: CN
Inventors: 赵乃勤; 李�根; 李家俊; 师春生; 何春年; 刘恩佐
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-06-05
Also published as: CN104004945B

Abstract

本发明公开了一种含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金及其制备方法。该合金由铝、锌、镁、铜、钪和锆组成。其制备过程包括：按合金元素质量比进行投料，采用电磁感应熔炼方法熔炼合金浇铸成铸锭，然后经过车削加工成20mm铸板、均匀化处理、轧制加工成3.7mm轧板、固溶、室温水淬火和时效处理过程，得到含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金。本发明的优点为制备方法简单，所制得的合金强度高，与成分相当的美国商用7075合金在T62状态的拉伸性能相比，本发明的合金在保持延伸率相当的前提下，抗拉强度提高了24%，屈服强度提高了32%。

Description

含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金及其制备方法，属于有色金属材料技术领域。

背景技术

Al-Zn-Mg合金属可热处理强化合金。由于其具有密度低、强度高、良好的可加工性而广泛应用于汽车、建筑及航空航天等诸多领域。随着高科技的不断发展，传统铝合金材料已不能满足部分高科技领域工程设计和先进加工工艺在材料力学性能和加工性能上的要求。为了进一步提高Al-Zn-Mg合金的力学性能和改善加工性能，稀土微合金化方法的应用和优化受到金属材料学者的广泛关注。

A1-Zn-Mg系合金属高强铝合金，时效析出强化是其主要的强化方法。该系铝合金时效时常见的析出序列为：α过饱和固溶体－GP区－η'相－η相，即首先形成过饱和固溶体，然后溶质原子继续富积形成GP区，再形成不稳定的金属化合物η'相，最后不稳定的η'相转化为稳定的η相。

钪（Sc）元素属化学周期表中第4周期第ⅢB族，为过渡金属元素。已有的工作表明，钪对铝合金的细化晶粒效果要优于传统铝合金细化剂，并且钪可以与铝发生反应生成Al₃Sc粒子，可以钉扎位错，阻碍位错运动，提高合金的再结晶温度和合金强度。此外，钪的加入还可以显著改善铝合金的可焊性、耐蚀性和超塑性等使用性能。

自20世纪70年代起，前苏联和俄罗斯在钪的生产和应用方面做了大量的研究和开发工作，其在研发铝钪合金方面居世界领先水平。国内方面，中南大学和东北大学开展了许多关于铝钪合金的研究工作。但由于钪成本较高，阻碍其大范围应用，当向铝钫合金中再加入微量锆后，不仅使合金成本降低，而且复合微合金化也使铝合金性能得到提升。Ying Deng等（Journal of Alloys and Compounds 530 (2012) 71-80）研究了Al-5.40Zn-2.00Mg、Al-5.40Zn-2.00Mg-0.10Sc-0.10Zr和Al-5.4Zn-2.0Mg- 0.25Sc-0.10Zr三种合金在组织结构与性能上的差异。研究结果表明，当Zr含量为0.1%时，而当Sc量为0.25%时，铸态组织会产生晶粒细化效果；当Zr含量为0.1%时，合金中0.1%和0.25%的合金中的都会产生阻碍再结果的作用，并且随含钪量的增加，阻碍再结果作用增强；微量添加Sc和Zr不会对合金主体成分Al-Zn-Mg的沉淀序列产生影响。

通过已发表的文献资料发现，不含铜或含铜量较少（0.3wt%）的 Al-Zn-Mg合金的抗拉强度和屈服强度均处于600MPa以下，有必要开发性能更高的新型Al-Zn-Mg合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金及其制备方法。该合金强度高，其制备方法简单。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金，其特征在于，该合金是由下列合金元素及其质量含量组成：锌：6.0~8.0%；镁：2.0~3.0%；铜：0.1~0.3%；钪：0.1~0.4%；锆：0.1~0.4%；余量为铝。

上述成分的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金的制备方法，其特征在于包括以下过程：

（1）以质量分数大于99.9wt.%的铝锭、质量分数大于99.9wt.%的纯锌锭、质量分数大于99.9wt.%的镁锭、质量分数大于99.9wt.%的铜锭、Al-2wt.%Sc和Al-5wt.%Zr中间合金锭为熔炼原料，按铝锭、锌锭、镁锭、铜锭、Al-2wt.%Sc中间合金锭和Al-5wt.%Zr中间合金锭的质量比为（0.65~0.75）：（0.06~0.08）：（0.03~0.04）：（0.003~0.004）：（0.10~0.20）：（0.04~0.08），采用电磁感应熔炼方法熔炼合金，熔炼温度控制在680~720℃，并在真空气氛环境下浇铸成铸锭；

（2）将步骤（1）得到的铸锭车削加工成20mm厚的铸板；

（3）将铸板在箱式炉内在温度为465~475℃进行均匀化处理12h；

（4）将均匀化处理后的板材先进行450℃温度下预热2h，然后在450℃温度下热轧至6mm轧板，再经温度为400℃下中间退火2h，自然冷却至25℃室温后，冷轧至3.7mm厚；

（5）将步骤（4）制得的冷轧板在温度470℃进行1h固溶处理，然后进行淬火处理冷却至室温，淬火介质为室温水，淬火转移时间为20~30s，之后在温度为120℃进行24h时效处理，得到含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金。

本发明的优点在于：制备方法简单，所制得的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金铸态晶粒细化效果明显，铸态组织不存在枝晶，具有高的强度、良好的延伸率和很高的屈强比。与成分相当的美国商用7075合金在T62状态的拉伸性能相比，本发明合金在保持延伸率相当的前提下，抗拉强度提高了24%，屈服强度提高了32%。

附图说明

　　图1为本发明实施例1所制得的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金铸态金相组织照片。

图2为本发明实施例1所制得的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金铸态扫描形貌照片。

图3为本发明实施例1所制得的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金轧制加工后纵截面的金相照片。

图4为本发明实施例1所制得的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金时效处理后的透射照片。

图5为本发明实施例1、实施例2和实施例3所制得的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金时效态的硬度值柱状图。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明，这些实施例只用于说明本发明，并不限制本发明。

实施例1

（1）配制10Kg含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金需称取出的各熔炼原料分别为：纯度大于99.9%的铝锭7.41Kg、纯度大于99.9%的锌锭0.72Kg、纯度大于99.9%的镁锭0.27Kg、纯度大于99.9%的铜锭0.03Kg、Al-2wt.%Sc中间合金1.02Kg和Al-5wt.%Zr中间合金0.82Kg，采用电磁感应熔炼方法熔炼合金，熔炼温度控制在700~720℃，并在真空气氛环境下浇铸成铸锭。

（2）将步骤（1）得到的铸锭车削加工成800mm×200mm×20mm的铸板；

本实例制得到的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金，其室温抗拉强度为667MPa，屈服强度为627MPa，延伸率为8.3%，屈强比为0.94。

实施例2

本实施例制备方法同实施例1，不同点在于投料量变化。配制10Kg含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金需称取出的各熔炼原料分别为：纯度大于99.9%的铝锭7.10Kg、纯度大于99.9%的锌锭0.72Kg、纯度大于99.9%的镁锭0.27Kg、纯度大于99.9%的铜锭0.03Kg、Al-2wt.%Sc中间合金1.53Kg和Al-5wt.%Zr中间合金0.61Kg。

本实施例制得的合金经电感耦合等离子光谱(ICP)测试，其化学成分（单位为重量百分比）为：锌（Zn）：6.98%，镁（Mg）：2.55%，铜（Cu）：0.19%，钪（Sc）：0.27%，锆（Zr）：0.29%，余量为铝（Al）。

本实例制得的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金，其室温抗拉强度为643MPa，屈服强度为599MPa，延伸率为9.0%，屈强比为0.93。

实施例3

本实施例制备方法同实施例1，不同点在于投料量变化。配制10Kg含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金需称取出的各熔炼原料分别为：纯度大于99.9%的铝锭6.78Kg、纯度大于99.9%的锌锭0.72Kg、纯度大于99.9%的镁锭0.27Kg、纯度大于99.9%的铜锭0.03Kg、Al-2wt.%Sc中间合金2.04Kg和Al-5wt.%Zr中间合金0.41Kg。

本实施例制得的合金经电感耦合等离子光谱(ICP)测试，其化学成分（单位为重量百分比）为：锌（Zn）：6.84%，镁（Mg）：2.60%，铜（Cu）：0.21%，钪（Sc）：0.37%，锆（Zr）：0.18%，余量为铝（Al）。

本实施例制得的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金，其室温抗拉强度为643MPa，屈服强度为599MPa，延伸率为9.0%，屈强比为0.93。

Claims

1.一种含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金，其特征在于，该合金是由下列合金元素及其质量含量组成：锌：6.0~8.0%；镁：2.0~3.0%；铜：0.1~0.3%；钪：0.1~0.4%；锆：0.1~0.4%；余量为铝。

2.一种按权利要求1所述的含钪高强度的Al-Zn-Mg-Zr合金的制备方法，其特征在于包括以下过程：

（1）以质量分数大于99.9wt.%的铝锭、质量分数大于99.9wt.%的纯锌锭、质量分数大于99.9wt.%的镁锭、质量分数大于99.9wt.%的铜锭、Al-2wt.%Sc和Al-5wt.%Zr中间合金锭为熔炼原料，按铝锭、锌锭、镁锭、铜锭、Al-2wt.%Sc中间合金锭和Al-5wt.%Zr中间合金锭的质量比为（0.7~0.8）：（0.05~0.06）：（0.01~0.02）：（0.01：0.02）：（0.1~0.2）：（0.05~0.1），采用电磁感应熔炼方法熔炼合金，熔炼温度控制在680~720℃，并在真空气氛环境下浇铸成铸锭；

（2）将步骤（1）得到的铸锭车削加工成20mm厚的铸板；

（4）将均匀化处理后的板材先进行450℃温度下预热2h，然后在450℃温度下热轧至6mm厚轧板，再经温度为400℃下中间退火2h，自然冷却至室温后，冷轧至3.7mm厚的轧板；