CN104152761A - 含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金及制备方法。所述的合金是由下列合金元素及其质量百分含量组成：锌：7.0~9.0%；镁：1.5~3.0%；铜：0.5~1.5%；钪：0.1~0.4%；锆：0.1~0.4%；余量为铝。其制备过程包括：按合金元素质量比进行投料，熔炼后浇铸成铸锭，经均匀化处理后热挤压成直径5mm棒材，固溶和时效处理过程，得到含钪高强韧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金。本发明所制得的含钪高强韧的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金晶粒细小。材料T6态室温拉伸强度达746~756MPa，屈服强度达720~735MPa，延伸率为6%~11%。
Description
技术领域
本发明涉及一种含钪的Al-Zn-Mg-Cu-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
7系铝合金包括Al-Zn-Mg系和Al-Zn-Mg-Cu系合金,都具有密度低、加工性能好及焊接性能优良等优点。在航空航天工业、车辆、建筑、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛应用。7系铝合金中由于含有Zn和Mg元素，一般通过时效处理对其进行强化。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集形成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。
但随着科学技术的日新月异，对材料的综合性能提出了更高的要求。为了进一步提升铝合金的综合性能，向合金材料中添加过渡元素以及稀土元素成为目前金属材料设计与制备的常用方法。研究者们发现向铝合金中添加Sc和Zr可以显著提高材料的强度、断裂韧性以及抗应力腐蚀性。这是由于加入Sc和Zr后可以在基体中形成Al3(Zr,Sc)粒子：初生的Al3(Zr,Sc)粒子可以显著细化铸态组织，消除枝晶与偏析；次生的Al3(Zr,Sc)粒子直径一般在10-20nm左右，可以强烈钉扎位错，抑制再结晶，同时有弥散强化的作用。此外，次生Al3(Zr,Sc)粒子可以作为时效析出相的形核位点从而加强了材料的时效作用。
Wu（Metallurgical and Materials Transactions A 30（1999）1017-2024）研究了Sc的加入对7系合金力学性能的影响，结果表明当加入Sc后，材料的抗拉强度从672MPa提高到了715MPa，但延伸率偏低只有5%；Deng（Journal of Alloys and Compounds 517 （2012） 118-126）研究了含Sc的新型7系合金，在经过470℃/12h均匀化退火、420℃热轧、470℃/1h固溶、120℃/24h时效处理后，材料抗拉强度达到555MPa，延伸率达到12.3%；（Journal of Alloys and Compounds 530 (2012) 71-80）并研究了Sc与Zr的复合添加对7系合金的影响，当加入0.25 wt%Sc以及0.1 wt%Zr时，材料的抗拉强度提高了96MPa，延伸率扔可保持在12%以上。
综合关于含Sc铝合金的文献资料发现，含Sc的7系铝合金抗拉强度与屈服强度一般低于700MPa，而延伸率一般低于10%。这就要求开发新型的超高强高韧的铝合金，以满足现代生产制造业的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金及制备方法。该含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金既具有高强度又具有高延伸率，其制备方法过程简单。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其特征在于，该合金是由下列合金元素及其质量百分含量组成：锌：7.0~9.0%；镁：1.5~3.0%；铜：0.5~1.5%；钪：0.1~0.4%；锆：0.1~0.4%；余量为铝。
上述成分的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-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（0.65~0.76）：（0.07~0.09）：（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直径30mm高400mm的棒料；
（3）将步骤（2）中制得的棒料置于箱式炉中在温度为465~475℃下进行均匀化处理8~15h；
（4）将均匀化处理后的棒料加工成直径20mm高20mm的小块，在温度450℃下保温1h，挤压成直径为5mm的棒材，自然冷却至室温；
（5）将步骤（4）制得的棒材在温度470℃进行1.5h固溶处理，然后在室温水中进行淬火，淬火转移时间为10~15s，之后在温度为120℃进行1~24h时效处理，得到含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金。
本发明的优点在于：制备方法简单，所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金晶粒达30~40μm，组织中不存在枝晶。材料T6态室温拉伸强度达746~756MPa，屈服强度达720~735MPa，延伸率为6%~11%。与美国商用7049铝合金在T73态拉伸性能相比，本发明的合金在延伸率相当的条件下抗拉强度提高了51.5%，屈服强度提高了60.2%。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金铸态金相组织照片。
图2为本发明实施例1所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金铸态组织中第二相(Al3(Sc,Zr))的扫描形貌照片。
图3为本发明实施例1所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金热挤压后剖面扫描形貌照片。
图4为本发明实施例1所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金时效处理后组织中析出相的透射照片。
图5为本发明实施例1所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金T6处理拉伸曲线图。
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）向石墨坩埚中投入各种原料质量如下：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0.24Kg、纯度大于99.9%的铜锭0.09Kg、Al-2wt.%Sc中间合金1.75Kg和Al-5wt.%Zr中间合金0.69Kg，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 30mm×400mm的棒料；
（3）将棒料置于箱式炉中在温度为470℃下进行均匀化处理12h；
（4）将均匀化处理后的棒料加工成20mm×20mm的小块，在450℃下保温1h，挤压成5mm×320mm的棒材，自然冷却至室温。
（5）将步骤（4）制得的棒材在温度470℃进行1.5h固溶处理，然后在25℃的水中淬火，淬火转移时间为15s，之后在温度为120℃进行12h时效处理，得到含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金。
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）：8.82%，镁（Mg）：2.08%，铜（Cu）：0.80%，钪（Sc）：0.31%，锆（Zr）：0.30%，余量为铝（Al）。
本实例制得到的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6态室温抗拉强度为746.9MPa，屈服强度为720.7MPa，延伸率为10.9%。
实施例2
本实施例制备方法同实施例1，不同点在于时效时间由12h变为15h。本实例所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6态室温抗拉强度为751MPa，屈服强度为724.2MPa，延伸率为7.40%，硬度为HV222。
实施例3
本实施例制备方法同实施例1，不同点在于时效时间由12h变为17h。本实例所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6态室温抗拉强度为756.5MPa，屈服强度为734.9MPa，延伸率为6.35%。
实施例4
本实施例制备方法同实施例1，不同点在于时效温度由120℃变为80℃。本实例所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6态室温硬度为HV202。
实施例5
本实施例制备方法同实施例1，不同点在于时效温度由120℃变为100℃。本实例所制得的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其T6态室温硬度为HV206。
Claims (2)
1.一种含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金，其特征在于，该合金是由下列合金元素及其质量百分含量组成：锌：7.0~9.0%；镁：1.5~3.0%；铜：0.5~1.5%；钪：0.1~0.4%；锆：0.1~0.4%；余量为铝。
2.一种按权利要求1所述的含钪的Al-Zn-Mg-Cu-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（0.65~0.76）：（0.07~0.09）：（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直径30mm高400mm的棒料；
（3）将步骤（2）中制得的棒料置于箱式炉中在温度为465~475℃下进行均匀化处理8~15h；
（4）将均匀化处理后的棒料加工成直径20mm高20mm的小块，在温度450℃下保温1h，挤压成直径为5mm的棒材，自然冷却至室温；
（5）将步骤（4）制得的棒材在温度470℃进行1.5h固溶处理，然后在室温水中进行淬火，淬火转移时间为10~15s，之后在温度为120℃进行1~24h时效处理，得到含钪的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金。
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