CN104694800A - 一种高强、轻质Al-Mg-Zn合金 - Google Patents
一种高强、轻质Al-Mg-Zn合金 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高强、轻质Al-Mg-Zn铝合金,其化学成分重量百分比为:Mg=6.0~10.0%;Zn=3.0~5.0%;Cu<2.0%;Mn<1.2%;Fe<0.3%;Si<0.3%;加入Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd中的至少一种元素,单种元素加入量小于0.5%。本发明中的Al-Mg-Zn合金密度小于2.7g/cm3,采用合适的均匀化制度,压力加工,固溶淬火时效处理后,在T6状态下抗拉强度大于530MPa,延伸率大于8%,硬度大于170HV。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种高强、轻质Al-Mg-Zn合金,可用于航空件、模型板、压力容器等材料,属金属材料领域。
背景技术
交通工具轻量化可大大降低交通工具的燃油消耗,提高运载能力,诸多构件的轻量化也可方便构件的运输与使用,因此轻量化是目前交通工具及诸多构件的发展趋势。
铝合金因具有轻质、高强、易成型等特征而广泛用作航空材料、船舶材料、模型板、压力容器等。铝合金中2XXX(Al-Cu合金)、7XXX铝合金(Al-Zn-Mg-Cu合金)铝合金具有较高的强度,抗拉强度大多在500MPa以上,但其密度相对较大,在2.8g/cm3以上,部分合金密度甚至达到2.85g/cm3以上。5XXX铝合金(Al-Mg合金)中因轻质Mg元素较多,且Zn、Cu等密度相对较高的元素含量极少,因此5XXX铝合金密度一般在2.7g/cm3以下,但5XXX铝合金属不可热处理强化合金,材料只具备中等强度,抗拉强度一般在250~400MPa之间。因此,开发兼具高强度、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。但该专利中材料的抗拉强度不超过500MPa。
申请号为201310214138.7的专利中涉及一种Al-Mg-Zn-Cu合金及其制备方法,合金的化学成分百分比为:Mg=3.5~5.3%、Cu≤0.05~0.28、Zn=0.5~2.0%、Mn=0.1~0.5%、Ti=0.01~0.10%、Cr=0.1%、Si≤0.2%、Fe≤0.3%,余量的Al及不可避免的杂志。但专利主要应用与汽车板,具有良好的烘烤性能,但该专利实施例中合金的抗拉强度低于320MPa,强度明显不足。
现有的一些Al-Mg-Zn或Al-Mg-Zn-Cu合金,Mg含量多小于7%,优选范围甚至小于5%,合金的密度降低幅度势必不大,此外,如上述专利一样,其强度也需要进一步提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种Al-Mg-Zn合金,通过对合金成分进行了优化调整,并采用合理的制备工艺,使得合金具有高强、轻质的特征。
本发明的技术方案为:一种高强、轻质Al-Mg-Zn铝合金,化学成分重量百分比为:Mg=6.0~10.0%;Zn=3.0~5.0%;Cu<2.0%;Mn<1.2%;Fe<0.3%;Si<0.3%;Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr和Nd中的至少一种元素,按下述要求加入:
当Mn=0~0.3%时,至少加入Cr、Ti中的一种;至少加入Zr、Sc、Hf中的一种;Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.5%;Cr、Ti复合加入量<0.6%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6%;
当0.3<Mn<0.6%时,至少加入Zr、Sc、Hf中的一种;至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种;Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6%;La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.6%;
当Mn=0.6~1.2%时,至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种;La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5%,复合加入量<0.6%;余量为Al。
优选Mg=7.0~9.0%;Zn=3.0~4.0%,Cu<1.5%;Fe<0.15%;Si<0.15%。
优选当Mn=0~0.3%时,Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.3%;Cr、Ti复合加入量<0.4%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.4%;选择性加入La、Ce、Pr、Nd中的一种或两种以上元素,单种元素加入量小于0.08%。
优选当Mn=0.3~0.6%时,Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.2%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.3%;La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.3%;选择性加入Cr、Ti中的一种或两种元素,单种元素加入量小于0.5%。
优选当Mn=0.6~1.2%时,La、Ce、Pr、Nd单种加入或复合加入总量均小于0.2%;选择性加入Cr、Ti中的一种或两种元素,单种元素加入量小于0.3%;选择性加入Zr、Sc、Hf中的一种或两种以上元素,单种元素加入量小于0.5%。
上述Al-Mg-Zn铝合金的制备方法,包括下述步骤:熔铸、二级均匀化、压力加工、固溶、淬火和时效处理。
所述二级均匀化制度:390~400℃/12h+460~470℃/12h。所述固溶制度采用470~480℃/2h。所述时效制度采用120~150℃/24~28h。
考虑到Mg元素相对密度低于Al,为降低合金密度,本发明中Mg含量控制的6~10%,优选的Mg含量为7~9%。Mg、Zn作为主要合金元素加入,一方面在基体中产生明显的固溶强化,另一方面Mg、Zn与在基体中形成T相(Al2Zn3Mg3)产生明显的时效强化,时效强化是5XXX铝合金不具备的特征。
Cu元素的加入通过析出物和位错交互作用影响变形行为,同时可改变电化学特性,能够有效保证合金的抗应力腐蚀性能。
Mn元素强化效果明显,且具有细化晶粒的作用,但当Mn含量过高,会降低合金的塑性,影响材料或部件的加工性能,因此本发明中Mn含量小于1.2%;Cr、Ti可细化合金晶粒;Zr、Sc、Hf可抑制合金热加工过程中及固溶时的再结晶;La、Ce、Pr、Nd可在合金熔铸过程中净化熔体、细化晶粒。本发明中Mn与Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd配合添加,当Mn=0~0.3%时,至少加入Cr、Ti中的一种,至少加入Zr、Sc、Hf中的一种;当Mn=0.3~0.6%时,至少加入Zr、Sc、Hf中的一种,至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种;当Mn=0.6~1.2%时,至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种。当Mn含量较低时,加入Cr、Ti、Zr、Sc、Hf等微量元素可进一步的确保合金强度,当Mn含量过高时,为确保合金加工性能,需加入镧系(La、Ce、Pr、Nd)稀土进化熔体。此外,为提高铸锭组织的质量,本发明中均匀化制度采用二级均匀化,使铸锭中第二相尽量回熔或球化,为后续高品质材料的制备奠定基础。
Fe、Si为铝锭中的杂质元素,在熔铸过程中不做合金元素添加。
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)抗拉强度σb≥530Mpa、伸长率δ≥8%;
(2)硬度>170HV;
(3)密度<2.7g/cm3。
本发明中,元素种类较多,Mn含量范围较广,作为最佳的应用,本发明的Al-Mg-Zn合金可以作为薄板、小型锻件等材料。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行详细的说明,但不限于实施例。
实施例1~30(表1、2)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<1.2%;Fe<0.3%;Si<0.3%。
当Mn=0~0.3%时,至少加入Cr、Ti中的一种;至少加入Zr、Sc、Hf中的一种;Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.5%;Cr、Ti复合加入量<0.6%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6%(如:添加Cr、Ti、Zr和Sc,其中Cr、Ti、Zr或Sc<0.5%,Cr+Ti<0.6%,Zr+Sc<0.6%;又如:添加Cr、Ti、Zr、Sc和Hf,其中Cr、Ti、Zr、Sc或Hf<0.5%,Zr+Sc+Hf<0.6%)。
当0.3<Mn<0.6%时,至少加入Zr、Sc、Hf中的一种;至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种;Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6%;La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.6%。
当Mn=0.6~1.2%时,至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种;La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5%,复合加入量<0.6%(如:添加La、Ce和Pr,其中La、Ce或Pr<0.5%,La+Ce+Pr<0.6%)。
为体现本发明的优势特征,进一步的将实施例的成分范围控制在本发明所述的优选范围内。
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。本发明公开的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,实施例中以轧制为例做具体说明:
选择本发明中优选范围内的合金成分,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390~400℃/12h+460~470℃/12h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。
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。。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 实施例实测化学成分表(wt.%)
序号 | Fe | Si | Mg | Zn | Cu | Mn | Cr | Ti | Zr | Sc | Hf | La | Ce | Pr | Nd | Al |
1 | 0.09 | 0.05 | 7.2 | 3.2 | 0.9 | 0.15 | 0.24 | 0 | 0.18 | 0.12 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 87.78 |
2 | 0.08 | 0.06 | 8.2 | 3.5 | 1.3 | 0.22 | 0.13 | 0.2 | 0.23 | 0 | 0.05 | 0 | 0 | 0 | 0 | 85.95 |
3 | 0.1 | 0.06 | 7.7 | 3.8 | 1.1 | 0.24 | 0.08 | 0.22 | 0.24 | 0.07 | 0 | 0.05 | 0 | 0 | 0 | 86.24 |
4 | 0.11 | 0.05 | 7.5 | 3.3 | 0.7 | 0.19 | 0.11 | 0.12 | 0 | 0.18 | 0.17 | 0 | 0 | 0 | 0 | 87.47 |
5 | 0.09 | 0.06 | 8.5 | 3 | 0.6 | 0.18 | 0.2 | 0.11 | 0.16 | 0.06 | 0.12 | 0 | 0 | 0 | 0 | 86.83 |
6 | 0.06 | 0.07 | 7.3 | 3.6 | 1.2 | 0.25 | 0 | 0.12 | 0.2 | 0 | 0.1 | 0 | 0.05 | 0 | 0 | 86.95 |
7 | 0.12 | 0.07 | 7.8 | 3.8 | 1.1 | 0.22 | 0.14 | 0.08 | 0.15 | 0.1 | 0.1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 86.25 |
8 | 0.8 | 0.05 | 8 | 3.5 | 1 | 0.1 | 0.22 | 0 | 0.22 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 86.01 |
9 | 0.1 | 0.06 | 7.9 | 3.4 | 0.8 | 0.27 | 0.18 | 0.15 | 0.1 | 0.14 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.04 | 86.78 |
10 | 0.07 | 0.05 | 8.3 | 3.9 | 0.9 | 0.18 | 0.17 | 0.09 | 0.2 | 0.06 | 0.09 | 0 | 0 | 0 | 0 | 85.92 |
11 | 0.13 | 0.07 | 7.3 | 3.5 | 0.6 | 0.42 | 0 | 0 | 0.08 | 0.06 | 0.1 | 0.06 | 0 | 0 | 0.18 | 87.41 |
12 | 0.07 | 0.09 | 8 | 3.4 | 1.2 | 0.38 | 0.3 | 0 | 0.15 | 0 | 0 | 0.06 | 0.07 | 0.08 | 0.05 | 86.07 |
13 | 0.09 | 0.06 | 7.4 | 3.8 | 0.5 | 0.53 | 0 | 0 | 0.14 | 0.06 | 0.08 | 0 | 0.08 | 0 | 0 | 87.18 |
14 | 0.1 | 0.09 | 7.1 | 3.9 | 0.8 | 0.48 | 0 | 0 | 0.14 | 0.12 | 0 | 0.1 | 0 | 0.08 | 0.09 | 86.92 |
15 | 0.09 | 0.1 | 8.2 | 3.5 | 0.9 | 0.35 | 0 | 0.2 | 0.06 | 0.07 | 0.1 | 0.05 | 0.06 | 0 | 0.11 | 86.13 |
16 | 0.06 | 0.08 | 7.9 | 3.6 | 1 | 0.39 | 0 | 0 | 0.25 | 0 | 0 | 0.12 | 0 | 0.07 | 0.06 | 86.38 |
17 | 0.12 | 0.1 | 7.7 | 3.5 | 1.4 | 0.4 | 0 | 0 | 0.08 | 0.1 | 0.08 | 0 | 0.06 | 0 | 0.14 | 86.23 |
18 | 0.09 | 0.12 | 8.4 | 3.2 | 1.2 | 0.54 | 0.4 | 0 | 1 | 0.09 | 0.07 | 0.08 | 0.11 | 0 | 0 | 84.63 |
19 | 0.11 | 0.08 | 7.4 | 3.3 | 0.9 | 0.36 | 0 | 0 | 0.07 | 0.08 | 0.09 | 0 | 0.08 | 0.14 | 0.05 | 87.25 |
20 | 0.08 | 0.11 | 8.3 | 3.4 | 0.7 | 0.44 | 0.2 | 0.1 | 0.16 | 0.11 | 0 | 0.13 | 0.07 | 0 | 0 | 86.11 |
21 | 0.07 | 0.07 | 7.7 | 3.3 | 0.9 | 0.72 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.12 | 0 | 0.06 | 0 | 86.96 |
22 | 0.12 | 0.08 | 8.2 | 3.6 | 1.2 | 0.84 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.08 | 0.06 | 0 | 0.05 | 85.68 |
23 | 0.06 | 0.06 | 7.9 | 3.4 | 0.8 | 0.87 | 0.1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.1 | 0.08 | 0 | 86.57 |
24 | 0.14 | 0.07 | 7.4 | 3.2 | 1.3 | 0.92 | 0 | 0 | 0 | 0.3 | o | 0.05 | 0.07 | 0 | 0.06 | 86.42 |
25 | 0.11 | 0.09 | 7.5 | 3.3 | 1.1 | 0.79 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.05 | 0.08 | 0.06 | 86.83 |
26 | 0.09 | 0.05 | 8.4 | 3.6 | 0.7 | 1.06 | 0 | 0 | 0.2 | 0 | 0 | 0.04 | 0.1 | 0.05 | 0 | 85.62 |
27 | 0.1 | 0.1 | 7.9 | 3.2 | 0.9 | 0.98 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.1 | 0.08 | 86.56 |
28 | 0.13 | 0.09 | 8.8 | 3.5 | 1 | 0.95 | 0.2 | 0 | 0.2 | 0 | 0 | 0.06 | 0.06 | 0 | 0.06 | 84.88 |
29 | 0.09 | 0.07 | 7.6 | 3.7 | 0.5 | 0.75 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.09 | 0 | 0.04 | 0.06 | 87.01 |
30 | 0.12 | 0.06 | 8 | 3.6 | 0.6 | 1.1 | 0.1 | 0.1 | 0 | 0 | 0 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.04 | 86.05 |
注:部分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。表2 实施例实测性能表
序号 | 硬度(HV) | 抗拉强度(MPa) | 延伸率(%) | 密度(g/cm3) |
1 | 176.1 | 546.7 | 10.4 | 2.677 |
2 | 172.3 | 550.6 | 9.9 | 2.677 |
3 | 180.0 | 542.3 | 10.6 | 2.686 |
4 | 174.8 | 534.9 | 11.6 | 2.672 |
5 | 172.9 | 536.1 | 11.2 | 2.652 |
6 | 174.2 | 540.4 | 10.9 | 2.689 |
7 | 178.1 | 552.4 | 9.5 | 2.684 |
8 | 176.8 | 548.5 | 10.2 | 2.683 |
9 | 177.4 | 544.2 | 10.4 | 2.670 |
10 | 175.5 | 558.8 | 9.2 | 2.674 |
11 | 172.6 | 535.8 | 10.6 | 2.680 |
12 | 175.2 | 543.1 | 9.6 | 2.682 |
13 | 179.4 | 540.5 | 10.2 | 2.681 |
14 | 172.9 | 536.0 | 10.5 | 2.693 |
15 | 178.1 | 552.0 | 8.9 | 2.672 |
16 | 171.3 | 531.7 | 10.8 | 2.679 |
17 | 175.5 | 544.1 | 9.5 | 2.688 |
18 | 174.2 | 556.3 | 8.6 | 2.691 |
19 | 173.9 | 539.1 | 10.4 | 2.680 |
20 | 175.8 | 545.2 | 9.5 | 2.668 |
21 | 174.2 | 540.6 | 10.8 | 2.676 |
22 | 176.8 | 548.7 | 10.2 | 2.682 |
23 | 173.2 | 537.4 | 11.2 | 2.677 |
24 | 175.2 | 543.9 | 10.6 | 2.692 |
25 | 173.9 | 539.2 | 10.9 | 2.685 |
26 | 179.7 | 557.6 | 9.2 | 2.677 |
27 | 177.1 | 549.0 | 10 | 2.676 |
28 | 178.2 | 552.3 | 9.6 | 2.676 |
29 | 175.5 | 544.0 | 10.4 | 2.678 |
30 | 177.4 | 550.6 | 8.6 | 2.681 |
Claims (10)
1.一种高强、轻质Al-Mg-Zn铝合金,其特征在于化学成分重量百分比为:Mg=6.0~10.0%;Zn=3.0~5.0%;Cu<2.0%;Mn<1.2%;Fe<0.3%;Si<0.3%;Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr和Nd中的至少一种元素,按下述要求加入:
当Mn=0~0.3%时,至少加入Cr、Ti中的一种;至少加入Zr、Sc、Hf中的一种;Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.5%;Cr、Ti复合加入量<0.6%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6%;
当0.3<Mn<0.6%时,至少加入Zr、Sc、Hf中的一种;至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种;Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6%;La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.6%;
当Mn=0.6~1.2%时,至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种;La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5%,复合加入量<0.6%;余量为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Mg-Zn铝合金,其特征在于其中Mg=7.0~9.0%;Zn=3.0~4.0%。
3.根据权利要求2所述的Al-Mg-Zn铝合金,其特征在于Cu<1.5%;Fe<0.15%;Si<0.15%。
4.根据权利要求1~3之一所述的Al-Mg-Zn铝合金,其特征在于当Mn=0~0.3%时,Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.3%;Cr、Ti复合加入量<0.4%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.4%;选择性加入La、Ce、Pr、Nd中的一种或两种以上元素,单种元素加入量小于0.08%。
5.根据权利要求1~3之一所述的Al-Mg-Zn铝合金,其特征在于当Mn=0.3~0.6%时,Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.2%;Zr、Sc、Hf复合加入量<0.3%;La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.3%;选择性加入Cr、Ti中的一种或两种元素,单种元素加入量小于0.5%。
6.根据权利要求1~3之一所述的Al-Mg-Zn铝合金,其特征在于当Mn=0.6~1.2%时,La、Ce、Pr、Nd单种加入或复合加入总量均小于0.2%;选择性加入Cr、Ti中的一种或两种元素,单种元素加入量小于0.3%;选择性加入Zr、Sc、Hf中的一种或两种以上元素,单种元素加入量小于0.5%。
7.一种权利要求1~6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、二级均匀化、压力加工、固溶、淬火和时效处理。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于二级均匀化制度:390~400℃/12h+460~470℃/12h。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于固溶制度采用470~480℃/2h。
10.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于时效制度采用120~150℃/24~28h。
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CN201510116114.7A CN104694800A (zh) | 2015-03-17 | 2015-03-17 | 一种高强、轻质Al-Mg-Zn合金 |
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