CN104831134A

CN104831134A - 一种中强高韧的Al-Zn-Mg合金

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Publication number: CN104831134A
Application number: CN201510219655.2A
Authority: CN
Inventors: 张新明; 郑玉林; 谢尚昇; 周文标; 乐永康; 沙江; 彭自业; 覃珊
Original assignee: Gaungxi Nannan Aluminum Processing Co Ltd
Current assignee: Gaungxi Nannan Aluminum Processing Co Ltd
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-08-12

Abstract

本发明公开了一种中强高韧的Al-Zn-Mg合金，涉及铝合金加工技术领域。按重量百分比计，该合金的化学成份为：Zn 4.2-5.0%，Mg 1.2-2.0%，Cu≤0.18%，Mn0.25-0.50%，Cr≤0.25%，Ti≤0.10%，Zr≤0.20%，Fe≤0.15%，Si≤0.06%，余量为Al，其中，Zn、Mg的总含量≤6%，且Zn、Mg的含量比为2≤Zn/Mg≤4。本发明对 Al-Zn-Mg合金的成份进一步进行优化，使其兼具高韧、耐蚀、耐疲劳和可焊的特点，更能适应高速列车的运行需求。

Description

一种中强高韧的Al-Zn-Mg合金

技术领域

本发明涉及铝合金加工技术领域，尤其是涉及一种中强高韧的Al-Zn-Mg合金。

背景技术

Al-Zn-Mg合金强度高、焊接性能优良，已成为目前高速铁路车体主要结构材料之一。采用Al-Zn-Mg合金作为高铁车体用型材，不仅可以保证车体的使用强度，还能使车重大幅降低，有效降低能耗。目前工业化生产的中强可焊Al-Zn-Mg合金中，Fe、Si含量高，Mn、Cr、Ti、Zr上限成份高，致使合金韧性、耐疲劳及抗应力腐蚀性能不高，难以满足350公里/小时高铁的需求。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，对Al-Zn-Mg合金的成份进一步进行优化，使其兼具高韧、耐蚀、耐疲劳和可焊的特点，更能适应高速列车的运行需求。

本发明采用的技术方案如下：

一种中强高韧的Al-Zn-Mg合金，按重量百分比计，该合金的化学成份为：Zn 4.2-5.0％，Mg 1.2-2.0％，Cu≤0.18％，Mn0.25-0.50％，Cr≤0.25％，Ti≤0.10％，Zr≤0.20％，Fe≤0.15％，Si≤0.06％，余量为Al，其中，Zn、Mg的总含量≤6％，且Zn、Mg的含量比为2≤Zn/Mg≤4。

优选地，所述Fe、Si的含量比为Fe/Si≥1。

更优选地，Zn、Mg的总含量为6％，Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝3，Fe、Si的含量比为Fe/Si≥1。

在Al-Zn-Mg合金中，Zn和Mg元素是形成强化相的主要合金元素，两者同时存在时会形成η(MgZn₂)相和T(A1₂Mg₂Zn₃)相，Zn、Mg与Al、Cu、Si等可形成Mg₅Al₈、S(Al₂CuMg)、T(Al₂Mg₂Zn₃)和Mg₂Si等时效强化相，合金随着Zn、Mg含量的增加，其抗拉强度随之增加，但当Zn含量超过一定数值时，与断裂韧性相关的性能急剧降低，焊接性能、耐腐蚀性能显著恶化。另外，合金的应力腐蚀倾向与Zn、Mg含量的总和及Zn/Mg的含量比值有关，因此综合考虑，本发明优选Zn、Mg的含量之和不大于6％，且Zn/Mg的含量比值在2-4的范围内时，是合金在具有较好的抗拉强度的同时，具有较好的耐应力腐蚀性能。

Cu在Al-Zn-Mg系合金中能提高沉淀相的弥散度，Cu与其它元素能产生强化相S(CuMgAl₂)，Cu原子还可溶入η’及η相中，降低晶界和晶内的电位差，提高合金的抗应力腐蚀能力。对于中强度铝合金来说，含有少量Cu或不含Cu，有益于合金的焊接性能，Cu含量大于0.3％时，焊接接头凝固时的热裂倾向严重，合金的焊接性能遭到严重破坏，本发明将Cu的含量控制在Cu≤0.18％，使合金具有良好的综合性能。

Zr和Al结合形成金属间化合物Al₃Zr，微量Zr可提高合金的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能。Mn能急剧提高热变形半成品，特别是挤压制品的再结晶温度，0.25-0.5％的Mn可显著提高合金的抗应力腐蚀性能。Cr和Ti都是起微合金化作用的元素，可以控制加工和热处理时的晶粒结构。微量Ti的加入所形成的TiA1₃主要起细化焊缝铸态组织的作用，以提高抗焊接裂纹的能力。微量Cr的加入所形成的Al₇Cr起析出强化作用。

Fe和Si是合金中不可避免的有害杂质，Fe能降低铝合金的耐蚀性和机械性能，Si能降低铝合金强度，并使合金的弯曲性能降低，焊接裂纹倾向增加。Fe、Si同时存在时，除FeAl₃和Si相外，主要以不溶或难溶的Al₇Cu₂Fe、Mg₂Si、AlFeMnSi等脆性相和共晶化合物的形式存在，增加合金的热裂倾向。当向合金中添加Fe后，生成一些含Fe、Si、Mn的杂质化合物，使晶界和枝晶界的Mg₂Si减少，所以合金的热裂倾向降低。因此本发明在尽量降低Fe、Si含量的同时，控制Fe:Si的含量比为Fe/Si≥1。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提出一种新的铝合金成份，在控制Zn、Mg元素总量一定的情况下，通过控制Zn/Mg元素的比例，保证合金具有良好的强度及抗应力腐蚀性能；添加微量的Cu元素，提高合金的抗应力腐蚀性能，并使合金有较好的可焊接性能；进一步降低Fe、Si杂质含量，控制Fe、Si的含量比，提高合金的耐疲劳性能及断裂韧性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是实施例1-7所得铝合金的疲劳S-N曲线。

图2是实施例4、8-12所得铝合金的疲劳S-N曲线。

具体实施方式

以下通过对比例和实施例，对本发明作进一步详述。

实施例1

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn 3.0％，Mg 2.0％，Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti0.08％，Zr0.18％，Fe0.12％，Si0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为5％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝1.5,分别称取纯铝锭、阴极铜、铝镁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金作为原料。在电阻炉加热原铝，待原铝熔化后，对其进行合金化处理，熔炼温度为720℃，精炼后采用半连续铸造生产出规格为Ф400mm的铸锭，铸锭锭坯挤压前进行均匀化热处理，经500℃保温20小时均匀化处理后，在卧式挤压机进行热挤压。挤压温度为480℃，挤压速度为1m/min，挤压所得型材采用在线淬火，冷却速度为10℃/min，冷却后对型材进行拉伸矫直，拉伸量为0.8％。对型材进行时效处理，以提高合金最终强度，时效温度为150℃，时效时间为10h。

实施例2

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn4.2％，Mg 1.7％，Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti 0.08％，Zr0.18％，Fe0.12％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为5.9％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝2.5。分别称取纯铝锭、阴极铜、铝镁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金作为原料。在电阻炉加热原铝，待原铝熔化后，对其进行合金化处理，熔炼温度为680℃，精炼后采用半连续铸造生产出规格为Ф400mm的铸锭，铸锭锭坯挤压前进行均匀化热处理，经400℃保温50小时均匀化处理后，在卧式挤压机进行热挤压。挤压温度为420℃，挤压速度为0.2m/min，挤压所得型材采用在线淬火，冷却速度为2℃/min，冷却后对型材进行拉伸矫直，拉伸量为0.3％。对型材进行时效处理，以提高合金最终强度，时效温度为80℃，时效时间为25h。

实施例3

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn4.0％，Mg2.0％，Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti 0.08％，Zr0.18％，Fe0.12％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为6.0％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝2.0。分别称取纯铝锭、阴极铜、铝镁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金作为原料。在电阻炉加热原铝，待原铝熔化后，对其进行合金化处理，熔炼温度为750℃，精炼后采用半连续铸造生产出规格为Ф400mm的铸锭，铸锭锭坯挤压前进行均匀化热处理，经510℃保温5小时均匀化处理后，在卧式挤压机进行热挤压。挤压温度为500℃，挤压速度为3m/min，挤压所得型材采用在线淬火，冷却速度为150℃/min，冷却后对型材进行拉伸矫直，拉伸量为2.5％。对型材进行时效处理，以提高合金最终强度，时效温度为200℃，时效时间为2h。

实施例4

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn4.5％，Mg1.5％，Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti 0.08％，Zr0.18％，Fe0.12％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为6.0％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝3.0。分别称取纯铝锭、阴极铜、铝镁中间合金、铝锰中间合金、铝铬中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金作为原料。按照与实施例1相同的工艺生产得到铝合金型材。

实施例5

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn4.8％，Mg 1.2％，Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti 0.08％，Zr0.18％，Fe0.12％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为6.0％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝4.0。按照与实施例1相同的工艺生产得到铝合金型材。

实施例6

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn4.95％，Mg1.1％，Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti 0.08％，Zr0.18％，Fe0.12％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为6.05％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝4.5。按照与实施例1相同的工艺生产得到铝合金型材。

实施例7

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn5.6％，Mg1.2％， Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti 0.08％，Zr0.18％，Fe0.12％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为6％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝4。按照与实施例1相同的工艺生产得到铝合金型材。

实施例8

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn4.5％，Mg1.5％，Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti 0.08％，Zr0.18％，Fe0.036％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为6％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝3,Fe、Si的含量比为Fe/Si＝0.6。按照与实施例1相同的工艺生产得到铝合金型材。

实施例9

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn4.5％，Mg1.5％，Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti 0.08％，Zr0.18％，Fe0.048％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为6％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝3,Fe、Si的含量比为Fe/Si＝0.8。按照与实施例1相同的工艺生产得到铝合金型材。

实施例10

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn4.5％，Mg1.5％，Cu0.15％，Mn0.3％，Cr0.2％，Ti 0.08％，Zr0.18％，Fe0.06％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为6％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝3,Fe、Si的含量比为Fe/Si＝1。按照与实施例1相同的工艺生产得到铝合金型材。

实施例11

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn5.0％，Mg1.6％，Cu0.18％，Mn0.25％，Cr0.25％，Ti 0.1％，Zr0.2％，Fe0.15％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为6.6％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝3,Fe、Si的含量比为Fe/Si＝2.5。按照与实施例1相同的工艺生产得到铝合金型材。

实施例12

按照Al-Zn-Mg合金的化学成份(按重量百分比计)为Zn4.6％，Mg1.2％，Cu0.15％，Mn0.5％，Cr0.18％，Ti 0.06％，Zr0.15％，Fe0.09％，Si 0.06％，余量为Al进行备料，其中，Zn、Mg的总含量为5.8％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝3.86,Fe、Si的含量比为Fe/Si＝1.5。按照与实施例1相同的工艺生产得到铝合金型材。

上述实施例1-7中各化学成份的重量百分比如表1所示。

表1实施例1-7中各化学成份的重量百分比(wt％)

化学成份	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5	实施例6	实施例7
								Zn：Mg	1.5	2.5	2.0	3.0	4.0	4.5	4.0
Zn	3.0	4.2	4.0	4.5	4.8	4.95	5.6
								Mg	2.0	1.7	2.0	1.5	1.2	1.1	1.2
Zn、Mg总量	5.0	5.9	6.0	6.0	6.0	6.05	6.8
								Cu	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15
Mn	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3
								Cr	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
Ti	0.08	0.08	0.08	0.08	0.08	0.08	0.08
								Zr	0.18	0.18	0.18	0.18	0.18	0.18	0.18
Fe	0.12	0.12	0.12	0.12	0.12	0.12	0.12
								Si	0.06	0.06	0.06	0.06	0.06	0.06	0.06
Fe：Si	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0
								Al	余量	余量	余量	余量	余量	余量	余量

上述实施例1-7中，Zn与Mg的含量比值以及Zn与Mg的含量之和在一定范围内变化时，Al-Zn-Mg合金的性能测试结果如表2所示，其疲劳S-N曲线的变化情况如图1所示。

表2实施例1-7所得铝合金的性能测试结果

从表2和图1的测试结果可以看出，实施例2-5设计的合金成份完全满足本发明的要求，所制得的Al-Zn-Mg合金综合性能最好，其断裂韧性、抗应力腐蚀和耐疲劳性能均好于实施例1、6中当Zn、Mg的含量比为1.5、4.5的情况，也优于实施例7中，Zn、Mg含量之和为6.8的情况。

上述实施例4、实施例8-12中各化学成份的重量百分比如表3所示。

表3实施例4、8、9、10、11、12中各化学成份的重量百分比(wt％)

化学成份	实施例8	实施例9	实施例4	实施例10	实施例11	实施例12
							Zn：Mg	3.0	3.0	3.0	3.0	3	3.86
Zn	4.5	4.5	4.5	4.5	5	4.6
							Mg	1.5	1.5	1.5	1.5	1.6	1.2
Zn、Mg总量	6.0	6.0	6.0	6.0	6.6	5.8
							Cu	0.15	0.15	0.15	0.15	0.18	0.15
Mn	0.3	0.3	0.3	0.3	0.25	0.5
							Cr	0.2	0.2	0.2	0.2	0.25	0.18
Ti	0.08	0.08	0.08	0.08	0.1	0.06
							Zr	0.18	0.18	0.18	0.18	0.2	0.15
Fe	0.036	0.048	0.06	0.12	0.15	0.09
							Si	0.06	0.06	0.06	0.06	0.06	0.06
Fe：Si	0.6	0.8	1.0	2.0	2.5	1.5
							Al	余量	余量	余量	余量	余量	余量

上述实施例4、实施例8-10中，Fe与Si的含量比值一定范围内变化时，Al-Zn-Mg合金的性能测试结果如表4所示，其疲劳S-N曲线的变化情况如图2所示。

表4实施例4、8、9、10、11、12所得铝合金的性能测试结果

从表4和图2的测试结果可以看出，实施例4、实施例10、实施例12设计的合金成份完全满足本发明的要求，其中Fe、Si的含量比为1、2、1.5，所制得的Al-Zn-Mg合金综合性能最好，其断裂韧性、抗应力腐蚀和耐疲劳性能均好于实施例8、9中当Fe、Si的含量比为0.6、0.8的情况。

本发明的合金不仅具有较高的强度、断裂韧性、抗应力腐蚀、耐疲劳等优点，同时还具有优良的焊接性能，焊接系数＞0.8，成品焊后热裂纹敏感性低，焊接接头应力腐蚀敏感性因子I_SSSRT＜0.4，具有良好的综合性能。

Claims

1.一种中强高韧的Al-Zn-Mg合金，其特征在于：按重量百分比计，该合金的化学成份为：Zn 4.2-5.0％，Mg 1.2-2.0％，Cu≤0.18％，Mn0.25-0.50％，Cr≤0.25％，Ti≤0.10％，Zr≤0.20％，Fe≤0.15％，Si≤0.06％，余量为Al，其中，Zn、Mg的总含量≤6％，且Zn、Mg的含量比为2≤Zn/Mg≤4。

2.根据权利要求1所述的一种中强高韧的Al-Zn-Mg合金，其特征在于：所述Fe、Si的含量比为Fe/Si≥1。

3.根据权利要求2所述的一种中强高韧的Al-Zn-Mg合金，其特征在于：按重量百分比计，该合金的化学成份为：Zn 4.2-5.0％，Mg 1.2-2.0％，Cu≤0.18％，Mn0.25-0.50％，Cr≤0.25％，Ti≤0.10％，Zr≤0.20％，Fe≤0.15％，Si≤0.06％，余量为Al，其中，Zn、Mg的总含量为6％，且Zn、Mg的含量比为Zn/Mg＝3，所述Fe、Si的含量比为Fe/Si≥1。