CN104694797A

CN104694797A - 一种Al-Mg-Zn合金

Info

Publication number: CN104694797A
Application number: CN201510116482.1A
Authority: CN
Inventors: 邓运来; 戴青松; 欧世声; 雷越; 韩素琦; 张佳琪; 付平; 王冯权; 刘胜胆; 张劲; 唐建国; 叶凌英; 张新明
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2015-06-10

Abstract

本发明公开了一种Al-Mg-Zn铝合金，其合金成分重量百分比为：Mg=6.0~10.0%；Zn=3.0~5.0%；Cu<2.0%；Mn<0.5%；Fe<0.3%；Si<0.3%；Zr、Sc元素单独或复合加入，单种元素加入量＜0.5%，复合添加总量＜0.8%；其它杂质元素，单种杂质元素不超过0.05%，杂质总量不超过0.2%，余量为Al；其中Zn、Mg重量比Zn/Mg=0.48~0.62。本发明合金具有较高的强度，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）T6状态下强度不小于500Mpa，材料的室温延伸率不低于10%，密度不大于2.7g/cm³。

Description

一种Al-Mg-Zn合金

技术领域

本发明具体涉及一种Al-Mg-Zn合金，该合金可用于飞机翼肋、飞机翼梁、飞机框架、飞机机身板、装甲板、模型板、压力容器等材料。

背景技术

7XXX铝合金(Al-Zn-Mg-Cu合金)强度较高，T6状态下抗拉强度一般在500MPa以上，但其密度较大在2.8g/cm³以上，且多存在淬火敏感性问题，使得材料中心位置与外部性能差别较大。综合性能较好的7085铝合金淬火敏感性相对较低，但密度大于2.85g/cm³。5XXX铝合金(Al-Mg合金)密度在2.7g/cm³以下，且淬火敏感性问题极小，但5XXX铝合金属不可热处理强化合金，只具备中等强度，抗拉强度一般在250～400MPa之间。因此，开发兼具7XXX、5XXX优势的高强度、低淬火敏感性、低密度的新型Al-Mg-Zn或Al-Mg-Zn-Cu合金具有重要意义。

申请号为200880116009.1的专利中涉及Al-Mg-Zn锻造合金产品及其制造方法，其合金成分质量百分比为：Mg＝3.0～7.0％、Zn＝0.6～2.8％、Mn≤1.0％、Cu≤2.0％、Sc≤0.6％、至少一种选自如下元素的元素：(Zr＝0.04～0.4％、Cr＝0.04～0.4％、Hf＝0.04～0.4％、Ti＝0.01～0.3％)、Fe≤0.3％、Si≤0.3％、不可避免的杂质、余量的铝，以使Zn-含量范围为Mg-含量的函数，即：Zn-含量范围的下限：[Zn]＝0.34[Mg]-0.4；并且Zn-含量范围的上限：[Zn]＝0.34[Mg]+0.4，即[Zn]/[Mg]＝0.21～0.47。但该专利中的材料的抗拉强度在420MPa以下，强度较低。(注：其实施例中的UTS只是一个检测机构，国际上力学性能的检测基本一致，只要单位相同争议就不大)。

申请号为201410577461.5的专利中涉及一种Al-Mg-Zn系合金及其合金板材的制备方法，合金的化学成分百分比为：Mg＝4.0～5.7％、Zn＝2.5～4.0％、Cu≤0.4、Mn＝0.4～1.2％、Cr≤0.1％、Ti≤0.15％、Zr＝0.05～0.25％、Fe≤0.4％、Si≤0.4％其余为Al。该专利中材料的抗拉强度不超过500MPa。

尽管已公开上述一些Al-Mg-Zn合金，但需要比其密度更低、强度更大的Al-Mg-Zn合金。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种Al-Mg-Zn合金，通过对合金化学成分进行优化配置，并进行合理制备，使合金具有更高的强度、更好的延伸率、更低的淬火敏感性、更低的密度。

本发明的技术方案为：一种Al-Mg-Zn铝合金，合金成分重量百分比为：Mg＝6.0～10.0％；Zn＝3.0～5.0％；Cu<2.0％；Mn<0.5％；Fe<0.3％；Si<0.3％；Zr、Sc元素单独或复合加入，单种元素加入量＜0.5％，复合添加总量＜0.8％；不可避免的还存在其它杂质元素，单种杂质元素不超过0.05％，杂质总量不超过0.2％，余量为Al；其中Zn、Mg重量比Zn/Mg＝0.48～0.62。

优选Zn/Mg＝0.52～0.60。

优选Mg＝7.0～9.0％；Zn＝3.5～4.5％，Cu<1.5％；Mn<0.3％；Fe<0.15％；Si<0.1％，Zr、Sc单种元素加入量＜0.35％，复合添加总量＜0.6％。

上述Al-Mg-Zn铝合金的制备方法，包括下述步骤：熔铸、均匀化、压力加工、固溶、淬火和时效处理。

所述均匀化制度采用450～470℃/24～28h。所述固溶制度采用470～480℃/2h。所述时效制度采用120～150℃/24～28h。

下表中根据GBT 3190-2008标准例举了部分5XXX、7XXX合金化学成分含量。5XXX铝合金中，Mg含量小于5％，Zn含量小于0.25％，7XXX铝合金中，Zn、Mg含量较大，且Zn/Mg比大于2，7085铝合金的Zn/Mg比甚至大于5，这主要是为了在合金中形成时效强化η相(MgZn相)。

注：化学成分表中单个数值表示该元素的最大含量,“--”表示不作为合金元素加入，按不可避免的杂质元素控制。

本发明的Al-Mg-Zn合金中：Mg、Zn为主要合金元素，Mg、Zn含量较多，且Zn/Mg为0.48～0.62，元素固溶在基体中产生固溶强化的同时，Mg、Zn在基体中形成较多的T相(AlZnMg相)，时效处理后可产生时效强化，使得材料强度明显较高于只存在固溶强化的5XXX系铝合金，此外Mg元素的大量加入可明显降低合金的密度。Cu元素的加入可提高合金强度，同时提高抗应力腐蚀能力。Mn元素使得合金晶粒得到细化，但为避免过多的Mn元素使得合金的淬火敏感性提高，因此将Mn含量上限控制在7XXX与5XXX合金中Mn元素上限之间，优选的上限接近部分7XXX合金Mn成分含量上限要求。Zr、Sc元素的添加使合金中形成Al₃Zr/Al₃Sc/Al₃(Zr-Sc)粒子，可抑制合金热加工与固溶处理时的再结晶程度，提高了合金的强度、增加了耐蚀性能，Zr、Sc复合添加形成的Al₃(Zr-Sc)粒子效果更好。Fe、Si为铝锭中的杂质元素，不利于合金的耐蚀性能，在熔铸过程中不做合金元素加入。本发明中合金成分种类虽与7XXX铝合金相似，但其主要时效强化相是T相，不同于主要时效强化相为η相的7XXX铝合金，此外该合金从高温到常温的相变较7XXX更为简单，使得第二相种类、形貌、尺寸调控更为简单，为合金的淬火敏感性的降低奠定基础。

选择在本发明所指范围的合金成分，随成分配比和加工处理方法的不同，所得材料(部件)的性能会有差异，但材料总体特征为：

(1)T6状态下抗拉强度σ_b≥500Mpa、室温伸长率δ≥10％，合金强度较5XXX铝合金提高了至少25％。

(2)淬透层深度≥70mm，不低于7085铝合金水平。

(3)密度≤2.7g/cm³，较7XXX铝合金(以7085为例)密度至少降低了5％。

考虑到合金具有高强、轻质特征的同时具备较好的淬透性，作为最佳的应用，本发明的Al-Mg-Zn合金可以作为中厚板、大中型锻件等大规格材料。

附图说明

通过检测或计算图片对本发明进一步解释说明

图1为7085铝合金XRD物相鉴定图，鉴定结果显示7XXX系中含大量η相(MgZn相)。

图2为本发明实施例中的XRD物相鉴定图，鉴定结果显示合金主要合金相为T相(AlZnMg相)，当然不可避免的存在其它相，但因为含量较少而难以检测到，但图片足以说明合金中的主要相是T相，与7XXX系铝合金公认的η相(MgZn相)强化明显不同。

图3为本发明合金的EDS检测图，从图中可以看出合金晶界与晶内都有大量的T相，主要成分为Al-Mg-Zn,呈共晶形貌，其中标号：

图4为Al-Mg-Zn合金在403℃下的相图，该相图中Mg、Zn的固溶度较高，7XXX系与本发明的合金成分范围都处于固溶区内。

图5为Al-Mg-Zn合金在25℃下的相图，从富铝角相图发现7XXX铝合金主要覆盖的成分范围第二相种类较多，本发明合金成分覆盖范围处于单相区。

综合图4、图5可以看出，在常温下，本发明合金成分处于单相区，而7XXX系覆盖的相种类较多，因此第二相调控更能。图4、图5为Thermo-Calc软件计算值，实际与计算存在误差，本发明合金所处单相区区域较多，而7XXX区域变化较大，本发明的实际优越性将更明显，但计算结果已能体现出本发明的优越性。

具体实施方式

以下结合8个具体实施例对本发明进行详细的说明，但不限于例举的实施例。

各实施例中合金化学成分重量百分比控制为：Mg＝6.0～10.0％；Zn＝3.0～5.0％；Cu<2.0％；Mn<0.5％；Fe<0.3％；Si<0.3％；Zr、Sc单种元素加入量＜0.5％，复合添加总量＜0.8％(如：单独添加Zr或Sc＜0.5％；或复合添加Zr和Sc，其中Zr＜0.5％，Sc＜0.5％，Zr+Sc＜0.8％)；不可避免的还存在其它杂质元素，单种杂质元素不超过0.05％，杂质总量不超过0.2％，余量为Al；Zn/Mg＝0.48～0.62。

为体现材料性能的优越性，进一步的将实施例中合金化学成分重量百分比控制在优选范围：Mg＝7.0～9.0％；Zn＝3.5～4.5％；Cu<1.5％；Mn<0.3％；Fe<0.15％；Si<0.1％；Zr、Sc单种元素加入量＜0.35％，复合添加总量＜0.6％；不可避免的还存在其它杂质元素，单种杂质元素不超过0.05％，杂质总量不超过0.2％，余量为Al；Zn/Mg＝0.52～0.60。

材料制备流程为：熔铸—均匀化—锯铣(车皮)—压力加工—固溶—淬火—时效。

本发明的Al-Mg-Zn合金可采用轧制、挤压、锻造等压力加工方式制备成所需规格的材料，以轧制、挤压为例，其制备方法分别如下：

A、轧制制备板材。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；熔铸温度控制为730～750℃，对熔体进行搅拌、除气、扒渣处理，在710～720℃温度范围下将熔体浇铸成板材；对板材铸锭进行450～470℃/24～28h均匀化处理；对均匀化处理后的板材进行锯切、铣面；铣面后进行380～410℃/2h加热保温后热轧至成品厚度；进行470℃～480℃/1～2h固溶后进行水淬火；水淬后进行120～150℃/24～28h时效。

B、挤压制备棒材。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；熔铸温度控制为730～750℃，对熔体进行搅拌、除气、扒渣处理，在710～720℃温度范围下将熔体浇铸成棒材；对棒材铸锭进行450～470℃/24～28h均匀化处理；对铸锭进行锯切、车皮后进行380～410℃/2h加热处理，将加热后的棒材挤压成圆棒，挤压比λ≥25，进行470℃～480℃/1～2h固溶后进行水淬火；水淬后进行120～150℃/24～28h时效。

对各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、淬透性、密度，如表1。在合金性能测试中，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。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。

表1各实施例合金化学成分与性能

注：部分合金中的Zr、Sc元素虽未做合金元素加入，但不可避免的在杂质中存在这些元素，当含量小于0.01％时，将其看成0。

Claims

1.一种Al-Mg-Zn铝合金，其特征在于合金成分重量百分比为：Mg=6.0~10.0%；Zn=3.0~5.0%；Cu<2.0%；Mn<0.5%；Fe<0.3%；Si<0.3%；Zr、Sc元素单独或复合加入，单种元素加入量＜0.5%，复合添加总量＜0.8%；不可避免的还存在其它杂质元素，单种杂质元素不超过0.05%，杂质总量不超过0.2%，余量为Al；其中Zn、Mg重量比Zn/Mg=0.48~0.62。

2.根据权利要求1所述的Al-Mg-Zn合金，其特征在于Zn/Mg=0.52~0.60。

3.根据权利要求1或2所述的Al-Mg-Zn合金，其特征在于Mg=7.0~9.0%；Zn=3.5~4.5%。

4.根据权利要求3所述的Al-Mg-Zn合金，其特征在于Cu<1.5%；Mn<0.3%；Fe<0.15%；Si<0.1%。

5.根据权利要求4所述的Al-Mg-Zn合金，其特征在于Zr、Sc单种元素加入量＜0.35%，复合添加总量＜0.6%。

6.一种权利要求1~5之一所述Al-Mg-Zn铝合金的制备方法，其特征在于包括下述步骤：熔铸、均匀化、压力加工、固溶、淬火和时效处理。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于均匀化制度采用450~470℃/24~28h。

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于固溶制度采用470~480℃/2h。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于时效制度采用120~150℃/24~28h。