CN104032193A - 一种Al-Zn-Mg合金及其型材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al-Zn-Mg合金,其成分包括Zn、Mg、Mn、Cr、Zr、Ti、Cu、Al和难以避免的杂质元素,其中Zn的质量百分含量为4.2~4.8%,Zn和Mg的质量百分含量比值为2.8≤Zn/Mg≤3.0,Mn的质量百分含量为0.2~0.4%,Cr的质量百分含量为0.1~0.25%,Zr的质量百分含量为0.1~0.25%,Ti的质量百分含量为0.02~0.1%,Cu的质量百分含量为0.05~0.2%;同时也公开了Al-Zn-Mg合金型材的制备方法。本发明所述的Al-Zn-Mg合金具有较好的综合力学性能,尤其具有较好的焊接性能及耐应力腐蚀性能;本发明所述的制备方法工艺简单,成品率高,性能优良,广泛适用于工业生产,尤其是轨道列车的车体制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种Al-Zn-Mg合金及其型材的制备方法,属于工业用铝合金及其制造领域。
背景技术
轨道交通作为世界城市交通的发展方向,具有运能大、速度快、安全高效、环保节能和成本相对低廉等优点,但随着近年来资源、能源枯竭压力加大和交通线路压力不断升级,轨道列车的轻量化需求也不断增加,已成为轨道交通运输现代化的中心议题。铝合金以其密度小、强度高、耐蚀性好及易加工等优点,已广泛应用于轨道交通运输装备轻量化领域,是实现轨道列车轻量化最有效的途径之一。目前高速列车上,铝合金型材约占车体重量的70%。但国内轨道列车用铝合金车体型材的制造技术与国外发达国家相比还有较大差距,尤其在材料合金元素的设计及合金成分的优化等方面还存在一些不足,如:铝合金中微量元素的种类、含量及比例关系等合金成分控制滞后于国外发达国家。而恰恰合金成分控制方面的不足,一方面将会导致材料自身性能的弱化,尤其耐应力腐蚀性能不足,较差的焊接性能影响合金的焊接及焊缝成型,进而导致了车体结构性能的弱化,影响了列车的有效运行寿命和安全可靠性。
合金元素的优化设计是发展高性能铝合金的重要方向之一,可综合提高其使用性能,对提高高速列车的运行安全可靠性具有重要的工程价值和现实意义。
发明内容
本发明提供了一种Al-Zn-Mg合金及其型材的制备方法,解决了现有合金焊接性能和耐应力腐蚀性能不足的问题。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种Al-Zn-Mg合金,其特征在于:其成分包括Zn、Mg、Mn、Cr、Zr、Ti、Cu、Al和难以避免的杂质元素,其中Zn的质量百分含量为4.2~4.8%,Zn和Mg的质量百分含量比值为2.8≤Zn/Mg≤3.0,Mn的质量百分含量为0.2~0.4%,Cr的质量百分含量为0.1~0.25%,Zr的质量百分含量为0.1~0.25%,Ti的质量百分含量为0.02~0.1%,Cu的质量百分含量为0.05~0.2%。
一种Al-Zn-Mg合金型材的制备方法,包括以下步骤,
(1)采用半连续铸造方法,经保温、扒渣、转炉、除气精炼、静置后,浇注获得直径为400~500mm的Al-Zn-Mg合金圆铸锭;半连续铸造过程中采用冷却水将铸锭冷却至室温;
(2)将Al-Zn-Mg合金圆铸锭加热至420~480℃保温10~20h,后随炉冷却至室温;
(3)将均匀化退火后的Al-Zn-Mg合金圆铸锭加热至480~540℃进行挤压变形,挤压成合金型材;挤压筒温度为420~450℃,模具温度为480~500℃,挤压比为18~22,出口采用风冷在线淬火;
(4)将合金型材经矫直、锯切、去毛刺,自然时效72h后进行人工时效;人工时效参数为:(100~120)℃×(8~12)h+(140~160)℃×(8~12)h。
本发明的有益效果是:本发明所述的Al-Zn-Mg合金具有较好的综合力学性能,尤其具有较好的焊接性能及耐应力腐蚀性能;本发明所述的制备方法工艺简单,成品率高,性能优良,广泛适用于工业生产,尤其是轨道列车的车体制造。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明,以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种Al-Zn-Mg合金,其特征在于:其成分包括Zn、Mg、Mn、Cr、Zr、Ti、Cu、Al和难以避免的杂质元素,其中Zn的质量百分含量为4.2~4.8%,Zn和Mg的质量百分含量比值为2.8≤Zn/Mg≤3.0,Mn的质量百分含量为0.2~0.4%,Cr的质量百分含量为0.1~0.25%,Zr的质量百分含量为0.1~0.25%,Ti的质量百分含量为0.02~0.1%,Cu的质量百分含量为0.05~0.2%。
上述Al-Zn-Mg合金型材的制备方法,包括以下步骤,
(1)采用半连续铸造方法,经保温、扒渣、转炉、除气精炼、静置后,浇注获得直径为400~500mm的Al-Zn-Mg合金圆铸锭;半连续铸造过程中采用冷却水将铸锭冷却至室温;
(2)将Al-Zn-Mg合金圆铸锭加热至420~480℃保温10~20h,后随炉冷却至室温;
(3)将均匀化退火后的Al-Zn-Mg合金圆铸锭加热至480~540℃进行挤压变形,挤压成合金型材;挤压筒温度为420~450℃,模具温度为480~500℃,挤压比为18~22,出口采用风冷在线淬火;
(4)将合金型材经矫直、锯切、去毛刺,自然时效72h后进行人工时效;人工时效参数为:(100~120)℃×(8~12)h+(140~160)℃×(8~12)h。
实施例1
Al-Zn-Mg合金各成分的质量百分含量为:Zn为4.2%,Mg为1.5%,Mn为0.2%,Cr为0.1%,Zr为0.1%,Ti为0.02%,Cu为0.05%,其余为Al和难以避免的杂质元素,Zn和Mg的质量百分含量比值为2.8。
制备合金型材的过程为:
(1)将各合金元素及其中间合金按上述成分设计比例置于坩埚中加热,采用半连续铸造方法,经保温、扒渣、转炉、除气精炼、静置后,浇注获得直径为400~500mm的Al-Zn-Mg合金圆铸锭;半连续铸造过程中采用冷却水将铸锭冷却至室温;
(2)将Al-Zn-Mg合金圆铸锭加热至420~480℃保温10~20h,后随炉冷却至室温;
(3)将均匀化退火后的Al-Zn-Mg合金圆铸锭加热至480~540℃进行挤压变形,挤压成合金型材;挤压筒温度为420~450℃,模具温度为480~500℃,挤压比为18~22,出口采用风冷在线淬火;
(4)将合金型材经矫直、锯切、去毛刺,自然时效72h后进行人工时效;人工时效参数为:(100~120)℃×(8~12)h+(140~160)℃×(8~12)h。
对通过上述制备方法制备的合金型材进行性能测试,获得该型材的抗拉强度为413MPa,屈服强度374MPa,延伸率为16.3%,冲击韧性为21.0J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量该型材应力腐蚀裂纹扩展速率为2.12×10-4mm/h。对该型材进行手工MIG对焊焊接,对焊接接头进行性能测试,获得该焊接接头抗拉强度为279MPa,冲击韧性为26.5J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量焊接热影响区应力腐蚀裂纹扩展速率为4.82×10-4mm/h。
实施例2
Al-Zn-Mg合金各成分的质量百分含量为:Zn为4.63%,Mg为1.64%,Mn为0.21%,Cr为0.12%,Zr为0.16%,Ti为0.023%,Cu为0.13%,其余为Al和难以避免的杂质元素,Zn和Mg的质量百分含量比值为2.82。
制备合金型材的过程为与上述方法一致。对通过上述制备方法制备的合金型材进行性能测试,获得该型材的抗拉强度为431MPa,屈服强度382MPa,延伸率为12.2%,冲击韧性为19.5J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量该型材应力腐蚀裂纹扩展速率为2.45×10-4mm/h。对该型材进行手工MIG对焊焊接,对焊接接头进行性能测试,获得该焊接接头抗拉强度为291MPa,冲击韧性为32.5J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量焊接热影响区应力腐蚀裂纹扩展速率为7.13×10-4mm/h。
实施例3
Al-Zn-Mg合金各成分的质量百分含量为:Zn为4.41%,Mg为1.5%,Mn为0.35%,Cr为0.24%,Zr为0.16%,Ti为0.028%,Cu为0.13%,其余为Al和难以避免的杂质元素,Zn和Mg的质量百分含量比值为2.94。
制备合金型材的过程为与上述方法一致。对通过上述制备方法制备的合金型材进行性能测试,获得该型材的抗拉强度为418MPa,屈服强度378MPa,延伸率为15.2%,冲击韧性为20.2J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量该型材应力腐蚀裂纹扩展速率为2.03×10-4mm/h。对该型材进行手工MIG对焊焊接,对焊接接头进行性能测试,获得该焊接接头抗拉强度为284MPa,冲击韧性为27.1J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量焊接热影响区应力腐蚀裂纹扩展速率为5.08×10-4mm/h。
实施例4
Al-Zn-Mg合金各成分的质量百分含量为:Zn为4.69%,Mg为1.63%,Mn为0.22%,Cr为0.14%,Zr为0.17%,Ti为0.028%,Cu为0.084%,其余为Al和难以避免的杂质元素,Zn和Mg的质量百分含量比值为2.88。
制备合金型材的过程为与上述方法一致。对通过上述制备方法制备的合金型材进行性能测试,获得该型材的抗拉强度为436MPa,屈服强度405MPa,延伸率为12.7%,冲击韧性为19.4J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量该型材应力腐蚀裂纹扩展速率为5.12×10-4mm/h。对该型材进行手工MIG对焊焊接,对焊接接头进行性能测试,获得该焊接接头抗拉强度为277MPa,冲击韧性为28.4J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量焊接热影响区应力腐蚀裂纹扩展速率为16.84×10-4mm/h。
实施例5
Al-Zn-Mg合金各成分的质量百分含量为:Zn为4.2%,Mg为1.4%,Mn为0.2%,Cr为0.1%,Zr为0.1%,Ti为0.02%,Cu为0.05%,其余为Al和难以避免的杂质元素,Zn和Mg的质量百分含量比值为3。
制备合金型材的过程为与上述方法一致。对通过上述制备方法制备的合金型材进行性能测试,获得该型材的抗拉强度为421MPa,屈服强度383MPa,延伸率为17.2%,冲击韧性为22.4J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量该型材应力腐蚀裂纹扩展速率为2.36×10-4mm/h。对该型材进行手工MIG对焊焊接,对焊接接头进行性能测试,获得该焊接接头抗拉强度为283MPa,冲击韧性为27.4J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量焊接热影响区应力腐蚀裂纹扩展速率为5.28×10-4mm/h。
实施例6
Al-Zn-Mg合金各成分的质量百分含量为:Zn为4.8%,Mg为1.7%,Mn为0.4%,Cr为0.25%,Zr为0.25%,Ti为0.1%,Cu为0.2%,其余为Al和难以避免的杂质元素,Zn和Mg的质量百分含量比值为2.8。
制备合金型材的过程为与上述方法一致。对通过上述制备方法制备的合金型材进行性能测试,获得该型材的抗拉强度为439MPa,屈服强度388MPa,延伸率为11.5%,冲击韧性为18.3J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量该型材应力腐蚀裂纹扩展速率为2.76×10-4mm/h。对该型材进行手工MIG对焊焊接,对焊接接头进行性能测试,获得该焊接接头抗拉强度为296MPa,冲击韧性为26.9J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量焊接热影响区应力腐蚀裂纹扩展速率为6.39×10-4mm/h。
实施例7
Al-Zn-Mg合金各成分的质量百分含量为:Zn为4.8%,Mg为1.6%,Mn为0.4%,Cr为0.25%,Zr为0.25%,Ti为0.1%,Cu为0.2%,其余为Al和难以避免的杂质元素,Zn和Mg的质量百分含量比值为3。
制备合金型材的过程为与上述方法一致。对通过上述制备方法制备的合金型材进行性能测试,获得该型材的抗拉强度为434MPa,屈服强度380MPa,延伸率为11.9%,冲击韧性为18.1J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量该型材应力腐蚀裂纹扩展速率为2.59×10-4mm/h。对该型材进行手工MIG对焊焊接,对焊接接头进行性能测试,获得该焊接接头抗拉强度为291MPa,冲击韧性为25.1J/cm2,根据标准《GB12445.3-90》测量焊接热影响区应力腐蚀裂纹扩展速率为5.82×10-4mm/h。
综上所述,通过上述实施例对比可知,本发明所述的Al-Zn-Mg合金具有较好的综合力学性能,尤其具有较好的焊接性能及耐应力腐蚀性能。本发明所述的制备方法工艺简单,成品率高,性能优良,广泛适用于工业生产,尤其是轨道列车的车体制造。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种Al-Zn-Mg合金,其特征在于:其成分包括Zn、Mg、Mn、Cr、Zr、Ti、Cu、Al和难以避免的杂质元素,其中Zn的质量百分含量为4.2~4.8%,Zn和Mg的质量百分含量比值为2.8≤Zn/Mg≤3.0,Mn的质量百分含量为0.2~0.4%,Cr的质量百分含量为0.1~0.25%,Zr的质量百分含量为0.1~0.25%,Ti的质量百分含量为0.02~0.1%,Cu的质量百分含量为0.05~0.2%。
2.基于权利要求1所述的一种Al-Zn-Mg合金型材的制备方法,其特征在于:包括以下步骤,
(1)采用半连续铸造方法,经保温、扒渣、转炉、除气精炼、静置后,浇注获得直径为400~500mm的Al-Zn-Mg合金圆铸锭;半连续铸造过程中采用冷却水将铸锭冷却至室温;
(2)将Al-Zn-Mg合金圆铸锭加热至420~480℃保温10~20h,后随炉冷却至室温;
(3)将均匀化退火后的Al-Zn-Mg合金圆铸锭加热至480~540℃进行挤压变形,挤压成合金型材;挤压筒温度为420~450℃,模具温度为480~500℃,挤压比为18~22,出口采用风冷在线淬火;
(4)将合金型材经矫直、锯切、去毛刺,自然时效72h后进行人工时效;人工时效参数为:(100~120)℃×(8~12)h+(140~160)℃×(8~12)h。
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