CN106399775A - 一种高强度铝合金材料配方及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度铝合金材料配方及其制备方法。所述配方包括合金元素Al、Zn、Mg、Cu、Zr，各合金元素的原料是纯度为99% 以上的纯元素粉末，按重量百分比为：Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.2%，Cu 1.7~2.0%，Zr 0.18~0.25%，余量为Al，各组分之和为100%。合金配料为10μm 铜粉、2μm 铝粉、20μm 镁粉、6~9μm 锌粉和2~3μm 锆粉。所述合金制备方法包括配料、研磨、烧结、热处理、挤压、固溶和时效等步骤。本发明使用的粉末纯度高、粒径细小，合金的组织处于多相细小弥散分布状态，从而使得合金具有良好的综合机械性能。

Description

一种高强度铝合金材料配方及其制备方法

技术领域

本发明属于新型材料技术领域，具体涉及一种高强度铝合金材料配方及其制备方法。

背景技术

铝是一种银白色的金属，具有密度低，只有2.79/cm³，约为钢、铜或黄铜的密度(分别为7.839/cm³，8.939/cm³) 的1/3。导电性和导热性好、塑性高、抗腐蚀性能好等特点，铝的表面具有高度的反射性，辐射能、可见光、辐射热和电波都能有效地被铝反射，而阳极氧化和深色阳极氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，抛光后的铝在很宽波长范围内具有优良的反射性，因而具有各种装饰用途及具有反射功能性的用途。铝的化学性质活泼，在空气中易与氧结合，表面形成一层致密坚固的氧化铝薄膜，可保护内层金属不再继续氧化，故在大气中有极好的稳定性。铝在大自然中的蕴藏量非常丰富，铝在地壳中的含量为7.45％，仅次于氧和硅，我国铝土矿的储量也居世界前列，探明储量有6.3 亿吨，而且它是一种具有很强再生性的金属，它的“绿色生命力”可供持续发挥。

由于纯铝的硬度较小，所以难以作为结构性材料使用，为了充分利用铝的其它优良性能，改善铝的机械强度，通常是通过添加其他金属成分，生成不同种类的铝合金。在现代生活中，铝及铝合金已经广泛地应用在各种行业中。

铝合金具有以下优点：

(1) 密度小：密度小对于航天航空器、船舶、车辆等交通工具及建筑物轻量化非常有益，在交通运输中，能大大减少油耗，同时也可以节省搬运费和加工费，降低成本，在工业、建筑业、民用业等领域的应用越来越广泛；

(2) 良好的耐腐蚀性、耐候性：铝及铝合金在大气中能够形成一层硬而且致密，具有良好抗腐蚀性能的氧化膜，通过阳极氧化、电泳涂漆、粉末喷涂等表面处理，可进一步提高铝材的抗腐蚀性；

(3) 良好的机加工性和装饰性：铝合金具有良好的可塑性，可加工成各种规格、形状的产品，通过表面处理可生成不同性质、不同颜色的膜层，具有良好的装饰性；

(4) 良好的导热性：铝合金的导热率大约是铜的50.6％，这对制造热交换器、蒸发器、加热电器、炊事用具，以及汽车的缸盖与散热器非常有利；

(5) 良好的可锻性：铝合金可以锻造成强度高、形状与品种繁多的锻件，它们的最终部件锻造设计标准的选择范围非常宽泛；

(6) 良好的可焊性：铝合金可用各式各样的方法连接，包括熔焊、电阻焊、硬焊、软焊、粘结以及诸如铆接和栓接之类的机械方法；

(7) 极高的回收性：再生铝合金的特性与原生铝合金几乎没有差别，这点使铝合金成为环保人士的宠儿，环保性相当好；

(8) 铝合金有高的比强度、比刚度、断裂韧性和疲劳强度，用其代替钢铁材料可大大减轻零构件的重量，增加结构的稳定性。作为一种工程结构材料，在液体导弹、运载火箭和飞机中得到广泛应用，在其它行业应用也十分广泛；

(9) 特定铝合金具有高电阻率，这些合金可用于如高转矩的电动机中；

铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。

变形铝合金的分类方法很多，目前，世界上绝大部分国家通常按以下三种方法进行分类：

(1) 按合金状态图及热处理特点分为可热处理强化铝合金和不可热处理强化铝合金两大类。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等；铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。可热处理强化铝合金如：纯铝、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si 系合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。不可热处理强化铝合金如：Al-Mg、Si、Al-Cu、Al-Zn-Mg 系合金；

(2) 按合金性能和用途可分为：工业纯铝、光辉铝合金、切削铝合金、耐热铝合金、低强度铝合金、中强度铝合金、高强度铝合金( 硬铝)、超高强度铝合金( 超硬铝)、锻造铝合金及特殊铝合金等；

(3) 按合金中所含主要合金元素成分可分为：工业纯铝，Al-Cu 合金，Al-Mn 合金，Al-Si 合金，Al-Mg 合金，Al-Mg-Si 合金，Al-Zn 合金，AL- 其它元素合金元素。

Al-Zn-Mg-Cu 合金属于超高强铝合金，是可热处理强化合金，具有较高的比强度，但是由于峰值时效状态下，抗应力腐蚀能力和断裂韧性都比较差，限制了其广泛应用。因此，优化合金成分和热处理工艺获得综合性能良好的合金一直是广大材料研究工作者共同追求的目标。

发明内容

为了克服现有的高强铝合金材料的技术不足和缺陷，本发明提供一种高强度铝合金材料配方及其制备方法。所述铝合金配方的各合金元素组分配比合理，所述制备方法生产工艺简单、可有效提高铝合金的总体强度和稳定性。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种高强度铝合金材料配方，其特征在于，合金元素为Al、Zn、Mg、Cu、Zr ，各合金元素的原料要求是纯度为99% 以上的纯元素粉末，并且按重量百分比为：Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.2%，Cu 1.7~2.0%，Zr 0.18~0.25%，余量为Al，各组分之和为100% 。合金配料为10μm 铜粉、2μm 铝粉、20μm 镁粉、6~9μm 锌粉和2~3μm 锆粉。

一种高强度铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：

1）配料：按照如下组分配置合金原料，Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.2%，Cu 1.7~2.0%，Zr0.18~0.25%，余量为Al，各组分之和为100% ；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr 为纯度99% 以上的纯元素粉末，合金配料为10μm 铜粉、2μm 铝粉、20μm 镁粉、6~9μm 锌粉和2~3μm 锆粉；

2）研磨：元素粉末在轻型球磨机上以180 转/分钟的速度球磨24h；

3）烧结：复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为560℃，烧结时间为5h，烧结压力为100MPa；

4）热处理：对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为650℃，真空度≤ 0.01Pa，烧结时间15h；

5）挤压：烧结后的试样经过热挤压，挤压前模具预热温度为485℃，挤压比为4 ：1~15 ：1，挤压速率为1.5m/min；

6）固溶：挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶3h；

7）时效：挤压件在完成二级固溶后，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至180℃二级时效2h，降温至120℃三级时效24h。

本发明的优点和有益效果为：与现有技术相比，本发明通过大量实验选择了合理配比，尤其是本发明的原料均采用纯元素粉末的方法进行混料，通过球磨混料，使几种元素粉末充分混合，然后通过大量实验，选择合适的低温高压真空热压烧结和高温固溶热处理方法和参数，使锌、镁、铜、锆等元素在铝基体中固溶超过其理论固溶度，并使粉末反应充分进行，以获得致密度高、孔隙率少、金属间化合物相细小弥散分布的烧结态样品，再进行热处理获得纳米尺寸分布的时效析出强化相，最终使得合金的组织处于多相细小弥散分布状态，从而使其具有良好的综合机械性能，同时，由于没有Fe、Si 等杂质元素的影响，其性能进一步加强。本发明使用的粉末纯度较高、粒径细小，尽量避免有害杂质的加入，使得合金的性能得到了加强。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种高强度铝合金材料配方，其特征在于，合金元素为Al、Zn、Mg、Cu、Zr ，各合金元素的原料是纯度为99% 以上的纯元素粉末，按重量百分比为：Zn 5.5%，Mg 1.9%，Cu1.8%，Zr 0.20%，余量为Al，各组分之和为100% 。合金配料为10μm 铜粉、2μm 铝粉、20μm 镁粉、8μm 锌粉和2μm 锆粉。

一种高强度铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：

1）配料：按照如下组分配置合金原料，Zn 5.5%，Mg 1.9%，Cu 1.8%，Zr 0.20%，余量为Al，各组分之和为100% ；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr 为纯度99% 以上的纯元素粉末，合金配料为10μm 铜粉、2μm 铝粉、20μm 镁粉、8μm 锌粉和2μm 锆粉；

2）研磨：元素粉末在轻型球磨机上以180 转/分钟的速度球磨24h；

3）烧结：复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为560℃，烧结时间为5h，烧结压力为100MPa；

4）热处理：对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为650℃，真空度≤ 0.01Pa，烧结时间15h；

5）挤压：烧结后的试样经过热挤压，挤压前模具预热温度为485℃，挤压比为4 ：1~15 ：1，挤压速率为1.5m/min；

6）固溶：挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶3h；

7）时效：挤压件在完成二级固溶后，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至180℃二级时效2h，降温至120℃三级时效24h。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种高强度铝合金材料配方，其特征在于：所述合金元素为Al、Zn、Mg、Cu、Zr，各合金元素的原料要求是纯度为99%以上的纯元素粉末，按重量百分比为：Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.2%，Cu 1.7~2.0%，Zr 0.18~0.25%，余量为Al，各组分之和为100%。

2.根据权利要求1 所述的一种高强度铝合金材料配方，其特征在于：所述合金配料为10μm 铜粉、2μm 铝粉、20μm 镁粉、6~9μm 锌粉和2~3μm 锆粉。

3.一种高强度铝合金材料制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1）配料：按照如下组分配置合金原料，Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.2%，Cu 1.7~2.0%，Zr0.18~0.25%，余量为Al，各组分之和为100% ；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr 为纯度99% 以上的纯元素粉末，合金配料为10μm 铜粉、2μm 铝粉、20μm 镁粉、6~9μm 锌粉和2~3μm 锆粉；

2）研磨：元素粉末在轻型球磨机上以180 转/分钟的速度球磨24h；

3）烧结：复合料体在真空热压烧结炉中进行低温高压真空热压烧结，真空度≤0.01Pa，烧结温度为560℃，烧结时间为5h，烧结压力为100MPa；

4）热处理：对采用低温高压真空热压烧结的烧结体进行高温固溶热处理，温度为650℃，真空度≤ 0.01Pa，烧结时间15h；

5）挤压：烧结后的试样经过热挤压，挤压前模具预热温度为485℃，挤压比为4 ：1~15 ：1，挤压速率为1.5m/min；

6）固溶：挤压件在470℃进行一级固溶2h，之后升温至485℃二级固溶3h；

7）时效：挤压件在完成二级固溶后，淬入室温水中，然后在120℃进行一级时效24h，升温至180℃二级时效2h，降温至120℃三级时效24h。