CN105200288A - 一种超高强铝合金棒材及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种超高强铝合金棒材及其制造方法，本发明涉及一种新型超高强铝合金棒材及其制造方法，它要解决现有铝合金棒材的抗拉强度较低以及在铸造和挤压过程中易产生裂纹的问题。制造方法：一、按质量百分比为Zn：8.5％～9.6％、Mg：1.8％～2.6％、Cu：2.0％～2.6％、Zr：0.1％～1.5％和余量的Al的比例称取原料，然后熔炼；二、在通有氩氯混合气体的条件下精炼；三、控制熔体温度和铸造速度进行铸造，得到铝合金圆铸锭；四、均匀化退火；五、控制变形速率热挤压成型；六、进行固溶处理；七、时效处理。本发明制备得到的铝合金棒材的抗拉强度能够达到700Mpa以上，并降低了挤压裂纹废品。

Description

一种超高强铝合金棒材及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种超高强铝合金棒材及其制造方法。

背景技术

7000系铝合金是在航天、航空及核工业等领域应用非常广泛的一种超高强合金，其特点主要是机械性能高，可以用来代替低碳钢使用。随着制造技术的不断发展，美国等先进国家已研发了7060、7095等超高强合金，这些合金被广泛应用于核工业。因此，为了保证国内核工业的发展需求，现亟需开发具有超高强度的新型7000系铝合金，该类7000系铝合金主要应用于核电站的建设和核反应堆的结构材料。

发明内容

本发明的目的是要解决现有铝合金棒材的抗拉强度较低以及在铸造和挤压过程中易产生裂纹的问题，而提供一种超高强铝合金棒材及其制造方法。

本发明超高强铝合金棒材中各元素的质量百分比如下：Zn：8.5％～9.6％、Mg：1.8％～2.6％、Cu：2.0％～2.6％、Zr：0.1％～1.5％、Fe≤1.2％、Si≤1.0％、Mn≤0.02％、Ti﹤0.05％和余量的Al。

本发明超高强铝合金棒材的制造方法按下列步骤实现：

一、按质量百分比为Zn：8.5％～9.6％、Mg：1.8％～2.6％、Cu：2.0％～2.6％、Zr：0.1％～1.5％和余量的Al的比例称取高纯铝锭、Al-Zr中间合金、电解铜、纯镁锭和纯锌锭作为原料，然后将原料加入到熔炼炉中，在720℃～740℃的温度下熔炼，得到铝合金熔液；

二、将步骤一得到的铝合金熔液导入静置炉中，在温度为720℃～740℃和通有氩氯混合气体的条件下精炼10min，然后在温度为720℃～734℃和通入氩气的条件下精炼15min，静置后得到铸造熔体；

三、将步骤二得到的铸造熔体在温度为720℃～740℃、铸造速度为120mm/min～200mm/min、冷却水强度为0.06MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～30℃和炉外在线除气的条件下采用热顶半连续铸造法，得到铝合金圆铸锭；

四、将铝合金圆铸锭放置在退火炉中，在455℃～470℃的温度下保温20h～26h进行均匀化退火，出炉空冷后切锯、车皮，得到铝合金短铸锭；

五、将铝合金短铸锭放置在空气加热炉中加热，在铝合金短铸锭温度达到360℃～450℃后以0.1s^-1～10s^-1的变形速率热挤压成型，得到铝合金棒材；

六、将铝合金棒材放置在固溶热处理炉中固溶处理，固溶处理温度为460℃～480℃，固溶处理时间为1h～3h，采用水介质进行固溶处理，得到固溶后的铝合金棒材；

七、将步骤六得到的固溶后的铝合金棒材放置在时效炉中进行时效处理，时效处理温度为110℃～130℃，时效处理时间为20h～28h，出炉后锯切、精整处理后，得到超高强铝合金棒材。

本发明制造的铝合金热挤压棒材的合金成分满足标准要求，提高了熔体质量，通过采用高纯铝合金铸锭来降低熔体中的Fe、Si含量，从而解决了铸锭铸造过程由于含Fe和Si的粗大化合物，减少了铸锭裂纹倾向，并通过科学控制挤压温度和挤压应变速率，能够减少棒材挤压裂纹的产生，同时，可以获得细小的组织。并控制固溶处理和时效处理的温度，提高铝合金棒材的力学强度，确保棒材的抗拉强度达到700Mpa以上。本发明解决了圆铸锭铸造时产生的裂纹，改善了短铸锭的热加工性能，降低了挤压裂纹废品，使棒材的力学性能达到了最大指标，满足核工业用铝合金棒材的需求。

本发明制造得到的新型超高强铝合金棒材，经检测屈服强度为427～494MPa，抗拉强度为715～740MPa，延伸率≥3.5～4.5％。

附图说明

图1为实施例一中步骤三得到的铝合金圆铸锭的高倍放大显微组织图；

图2为实施例一得到的超高强铝合金棒材的SEM扫描形貌图；

图3为实施例一中拉伸超高强铝合金棒材得到的断口SEM扫描形貌图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式超高强铝合金棒材中各元素的质量百分比如下：Zn：8.5％～9.6％、Mg：1.8％～2.6％、Cu：2.0％～2.6％、Zr：0.1％～1.5％、Fe≤1.2％、Si≤1.0％、Mn≤0.02％、Ti﹤0.05％和余量的Al。

本实施方式中的杂质元素主要来源于铝锭；杂质Fe≤1.2％、Si≤1.0％、Mn≤0.02％、Ti﹤0.05％，此范围内的杂质对铝合金棒材的性能没有影响。

具体实施方式二：本实施方式超高强铝合金棒材的制造方法按下列步骤实现：

一、按质量百分比为Zn：8.5％～9.6％、Mg：1.8％～2.6％、Cu：2.0％～2.6％、Zr：0.1％～1.5％和余量的Al的比例称取高纯铝锭、Al-Zr中间合金、电解铜、纯镁锭和纯锌锭作为原料，然后将原料加入到熔炼炉中，在720℃～740℃的温度下熔炼，得到铝合金熔液；

二、将步骤一得到的铝合金熔液导入静置炉中，在温度为720℃～740℃和通有氩氯混合气体的条件下精炼10min，然后在温度为720℃～734℃和通入氩气的条件下精炼15min，静置后得到铸造熔体；

三、将步骤二得到的铸造熔体在温度为720℃～740℃、铸造速度为120mm/min～200mm/min、冷却水强度为0.06MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～30℃和炉外在线除气的条件下采用热顶半连续铸造法，得到铝合金圆铸锭；

四、将铝合金圆铸锭放置在退火炉中，在455℃～470℃的温度下保温20h～26h进行均匀化退火，出炉空冷后切锯、车皮，得到铝合金短铸锭；

五、将铝合金短铸锭放置在空气加热炉中加热，在铝合金短铸锭温度达到360℃～450℃后以0.1s^-1～10s^-1的变形速率热挤压成型，得到铝合金棒材；

六、将铝合金棒材放置在固溶热处理炉中固溶处理，固溶处理温度为460℃～480℃，固溶处理时间为1h～3h，采用水介质进行固溶处理，得到固溶后的铝合金棒材；

七、将步骤六得到的固溶后的铝合金棒材放置在时效炉中进行时效处理，时效处理温度为110℃～130℃，时效处理时间为20h～28h，出炉后锯切、精整处理后，得到超高强铝合金棒材。

本实施方式步骤一中添加少量的Zr，主要起到细化晶粒的作用，并能够提高合金的再结晶温度。并通过合理的调整挤压工艺、固溶热处理、时效处理使棒材的抗拉强度达到了700Mpa以上。步骤三得到的铝合金圆铸锭为圆柱形。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一按质量百分比为Zn：9.2％、Mg：2.2％、Cu：2.4％、Zr：0.12％和余量的Al的比例称取高纯铝锭、Al-Zr中间合金、电解铜、纯镁锭和纯锌锭作为原料。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤一所述的高纯铝锭的纯度为99.96％，纯镁锭的纯度为99.95％，纯锌锭的纯度为99.95％。其它与具体实施方式二或三相同。

本实施方式采用高纯铝合金铸锭来降低熔体中的Fe、Si含量，从而解决了铸锭铸造过程由于含Fe和Si的粗大化合物，减少了铸锭裂纹倾向。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是步骤二所述的氩氯混合气体中Ar和Cl₂体积百分含量由90％～94％的氩气和6％～10％的氯气组成。其它与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是步骤二静置的时间为25～35min。其它与具体实施方式二至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是步骤三铝合金圆铸锭的直径为390～420mm。其它与具体实施方式二至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是步骤四铝合金短铸锭的长度为600～1000mm。其它与具体实施方式二至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式二至八之一不同的是步骤五在铝合金短铸锭温度达到420℃后以1s^-1的变形速率热挤压成型。其它与具体实施方式二至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式二至九之一不同的是步骤六控制固溶处理温度为470℃，固溶处理时间为1.5h。其它与具体实施方式二至九之一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式二至十之一不同的是步骤六时效处理温度为120℃，时效处理时间为24h。其它与具体实施方式二至十之一相同。

实施例一：本实施例超高强铝合金棒材的制造方法按下列步骤实现：

一、按质量百分比为Zn：9.2％、Mg：2.2％、Cu：2.4％、Zr：0.12％和余量的Al的比例称取纯度为99.96％的铝锭、Al-Zr中间合金、电解铜、纯度为99.95％的镁锭和纯度为99.95％的锌锭作为原料，然后将原料加入到熔炼炉中，在730℃的温度下熔炼，得到铝合金熔液；

二、将步骤一得到的铝合金熔液导入静置炉中，在温度为730℃和通有氩氯混合气体的条件下精炼10min，然后在温度为730℃和通入氩气的条件下精炼15min，静置30min后得到铸造熔体；

三、将步骤二得到的铸造熔体在温度为730℃、铸造速度为165mm/min、冷却水强度为0.10MPa、冷却水温度为20℃和炉外在线除气的条件下采用热顶半连续铸造法，得到直径为φ405mm的铝合金圆铸锭；

四、采用分组装炉方式，将铝合金圆铸锭放置在退火炉中，在460℃的温度下保温24h进行均匀化退火，出炉空冷后切锯、车皮，得到长度为6米的铝合金短铸锭；

五、将铝合金短铸锭放置在空气加热炉中加热，控制挤压筒温度为420℃，在铝合金短铸锭温度达到420℃后以1s^-1的变形速率通过工模具热挤压成型，得到铝合金棒材；

六、将铝合金棒材放置在精度为±2.5℃的固溶热处理炉中固溶处理，固溶处理温度为470℃，固溶处理时间为1.5h，采用水介质进行固溶处理，得到固溶后的铝合金棒材；

七、将步骤六得到的固溶后的铝合金棒材放置在精度为±2.5℃的时效炉中进行时效处理，时效处理温度为120℃，时效处理时间为24h，出炉后锯切、精整处理后，得到超高强铝合金棒材。

本实施例制造的铝合金热挤压棒材的合金成分满足标准要求，提高了熔体质量，解决了圆铸锭铸造裂纹，改善了短铸锭的热加工性能，降低了挤压裂纹废品，成品率可达到85％。该超高强铝合金棒材的硬度值194HBW，抗拉强度σ_b值为737.5MPa，断后伸长率δ为3.5％。

Claims (10)

1.一种超高强铝合金棒材，其特征在于该超高强铝合金棒材中各元素的质量百分比如下：Zn：8.5％～9.6％、Mg：1.8％～2.6％、Cu：2.0％～2.6％、Zr：0.1％～1.5％、Fe≤1.2％、Si≤1.0％、Mn≤0.02％、Ti﹤0.05％和余量的Al。

2.一种超高强铝合金棒材的制造方法，其特征在于是按下列步骤实现：

一、按质量百分比为Zn：8.5％～9.6％、Mg：1.8％～2.6％、Cu：2.0％～2.6％、Zr：0.1％～1.5％和余量的Al的比例称取高纯铝锭、Al-Zr中间合金、电解铜、纯镁锭和纯锌锭作为原料，然后将原料加入到熔炼炉中，在720℃～740℃的温度下熔炼，得到铝合金熔液；

二、将步骤一得到的铝合金熔液导入静置炉中，在温度为720℃～740℃和通有氩氯混合气体的条件下精炼10min，然后在温度为720℃～734℃和通入氩气的条件下精炼15min，静置后得到铸造熔体；

三、将步骤二得到的铸造熔体在温度为720℃～740℃、铸造速度为120mm/min～200mm/min、冷却水强度为0.06MPa～0.15MPa、冷却水温度为10℃～30℃和炉外在线除气的条件下采用热顶半连续铸造法，得到铝合金圆铸锭；

四、将铝合金圆铸锭放置在退火炉中，在455℃～470℃的温度下保温20h～26h进行均匀化退火，出炉空冷后切锯、车皮，得到铝合金短铸锭；

五、将铝合金短铸锭放置在空气加热炉中加热，在铝合金短铸锭温度达到360℃～450℃后以0.1s^-1～10s^-1的变形速率热挤压成型，得到铝合金棒材；

六、将铝合金棒材放置在固溶热处理炉中固溶处理，固溶处理温度为460℃～480℃，固溶处理时间为1h～3h，采用水介质进行固溶处理，得到固溶后的铝合金棒材；

七、将步骤六得到的固溶后的铝合金棒材放置在时效炉中进行时效处理，时效处理温度为110℃～130℃，时效处理时间为20h～28h，出炉后锯切、精整处理后，得到超高强铝合金棒材。

3.根据权利要求2所述的一种超高强铝合金棒材的制造方法，其特征在于步骤一按质量百分比为Zn：9.2％、Mg：2.2％、Cu：2.4％、Zr：0.12％和余量的Al的比例称取高纯铝锭、Al-Zr中间合金、电解铜、纯镁锭和纯锌锭作为原料。

4.根据权利要求2所述的一种超高强铝合金棒材的制造方法，其特征在于步骤一所述的高纯铝锭的纯度为99.96％，纯镁锭的纯度为99.95％，纯锌锭的纯度为99.95％。

5.根据权利要求2所述的一种超高强铝合金棒材的制造方法，其特征在于步骤二所述的氩氯混合气体中Ar和Cl₂体积百分含量由90％～94％的氩气和6％～10％的氯气组成。

6.根据权利要求2所述的一种超高强铝合金棒材的制造方法，其特征在于步骤二静置的时间为25～35min。

7.根据权利要求2所述的一种超高强铝合金棒材的制造方法，其特征在于步骤三铝合金圆铸锭的直径为390～420mm。

8.根据权利要求2所述的一种超高强铝合金棒材的制造方法，其特征在于步骤五在铝合金短铸锭温度达到420℃后以1s^-1的变形速率热挤压成型。

9.根据权利要求2所述的一种超高强铝合金棒材的制造方法，其特征在于步骤六控制固溶处理温度为470℃，固溶处理时间为1.5h。

10.根据权利要求2所述的一种超高强铝合金棒材的制造方法，其特征在于步骤六时效处理温度为120℃，时效处理时间为24h。