CN106967910A - 一种高强度Al‑Zn‑Mg系铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度Al‑Zn‑Mg系铝合金及其制备方法，所述高强度Al‑Zn‑Mg系铝合金的成分及质量百分比组成为：Zn 5.6～5.9%，Mg 1.3～1.5%，Li 0.8～1.0%，Zr 0.02～0.03%，B 0.004～0.006%，Re 0.03～0.05%，Fe≤0.15%，Si≤0.1%，Cu≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。本发明Al‑Zn‑Mg系铝合金具有强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能和氧化着色性能优良等优点，适合于制造平板电脑、笔记本电脑、智能手机等便携式电子产品的外壳以及汽车、货车、轨道车辆等交通运输工具的保险杆、防撞梁、枕梁、横梁等，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种高强度Al-Zn-Mg系铝合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金技术领域，具体是涉及一种高强度Al-Zn-Mg系铝合金及其制备方法。

背景技术

随着便携式电子产品轻薄化和交通运输工具轻量化的发展，对铝合金材料的性能也提出了更高的要求。例如，随着平板电脑、笔记本电脑、智能手机等便携式电子产品大屏化和轻薄化的发展，急需高强度、高韧性的铝合金外壳来提高机身的抗压、抗弯能力，以避免机身出现弯曲、弯折等现象，同时还要满足便携式电子产品对外观件的高装饰性要求。又如，随着汽车、货车、轨道车辆等交通运输工具轻量化发展，车体的保险杆、防撞梁、枕梁、横梁等都迫切需要高强度、耐腐蚀和焊接性能优良的铝合金来替代现有的钢铁材料，以达到车身结构的轻量化和节能减排的目的。

Al-Zn-Mg系铝合金属于可热处理强化型铝合金，又称为高强度铝合金或超高强度铝合金，目前主要用于航空航天领域，如制造飞机的壁板、隔框、翼梁、起落架等。Al-Zn-Mg系铝合金的主要合金元素是Zn和Mg，Zn和Mg除了具有固溶强化作用外，还可形成强化效果极为显著的MgZn₂相。随着Zn、Mg含量的增加，元素的固溶强化作用越明显，MgZn₂强化相的数量也越多，合金的强度也随之提高。但随着合金强度的上升，塑性开始下降，耐腐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能也随之下降。现有常规牌号的Al-Zn-Mg系铝合金虽有强度高的特点，但其塑性、耐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能普遍都较差，既无法满足携式电子产品对外观件的高装饰性要求，也无法满足交通运输工具结构件对铝合金耐腐蚀性能和焊接性能的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能和氧化着色性能优良，能够满足便携式电子产品轻薄化和交通运输工具轻量化发展需求的高强度Al-Zn-Mg系铝合金及其制备方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的高强度Al-Zn-Mg系铝合金，其特点是由以下成分及质量百分比组成：Zn5.6～5.9%，Mg 1.3～1.5%，Li 0.8～1.0%，Zr 0.02～0.03%，B 0.004～0.006%，Re 0.03～0.05%，Fe ≤0.15%，Si ≤0.1%，Cu ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。

优选的，本发明所述的高强度Al-Zn-Mg系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Zn 5.8%，Mg 1.4%，Li 0.9%，Zr 0.025%，B 0.005%，Re 0.04%，Fe ≤0.15%，Si ≤0.1%，Cu≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。

其中，所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 10.6%，Nd 25.5%，Pm 17.4%，Sm18.8%，Eu 13.1%，Gd 14.6%。

本发明所述的高强度Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法，其特点是包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；

第二步：将铝锭在740～780℃加热熔化，并加入占原材料总重量为5.6～5.9%的锌锭、1.3～1.5%的镁锭和4～5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.4～0.6%的Al5Zr1B合金和0.03～0.05%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至700～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在490～500℃固溶处理1～3小时，水淬后，在120～130℃时效处理15～18小时，随炉冷却后得到高强度Al-Zn-Mg系铝合金。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明Al-Zn-Mg系铝合金的室温抗拉强度大于420MPa，屈服强度大于380MPa，伸长率大于11%，具有强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能和氧化着色性能优良等优点，适合于制造平板电脑、笔记本电脑、智能手机等便携式电子产品的外壳以及汽车、货车、轨道车辆等交通运输工具的保险杆、防撞梁、枕梁、横梁等，具有广阔的市场应用前景。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明作进一步的详细说明。

本发明所述的高强度Al-Zn-Mg系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Zn 5.6～5.9%，Mg 1.3～1.5%，Li 0.8～1.0%，Zr 0.02～0.03%，B 0.004～0.006%，Re 0.03～0.05%，Fe ≤0.15%，Si ≤0.1%，Cu ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。

优选的，所述高强度Al-Zn-Mg系铝合金的成分及质量百分比组成为：Zn 5.8%，Mg1.4%，Li 0.9%，Zr 0.025%，B 0.005%，Re 0.04%，Fe ≤0.15%，Si ≤0.1%，Cu ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%。

其中，所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 10.6%，Nd 25.5%，Pm 17.4%，Sm18.8%，Eu 13.1%，Gd 14.6%。

Zn和Mg是本发明Al-Zn-Mg系铝合金的主要合金元素，除了具有固溶强化作用外，二者还可形成强化效果极为显著的MgZn₂相，是铝合金的主要增强相。随着Zn、Mg含量的增加，铝合金的强度也随之提高，但合金的塑形、耐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能也会随之下降。为了保证铝合金具有足够的强度和良好的塑性、耐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能，因此，Zn含量选择在5.6～5.9%，Mg含量选择在1.3～1.5%，优选的，Zn含量为5.8%，Mg含量为1.4%。

Li在铝合金时效过程还会析出纳米尺寸的Al₃Li和Al₂MgLi强化相，这些强化相可钉扎位错、亚晶和晶界，提高铝合金的塑性变形能力和焊接性能，添加0.8～1.0%的Li即可对铝合金产生显著的效果，优选的，Li添加量为0.9%。

Zr、B是以Al5Zr1B合金的形式加入到铝合金中，Al5Zr1B合金是由氟锆酸钾和氟硼酸钾的混合物与铝液反应得到，内部含有大量的ZrB₂粒子。Al5Zr1B合金是一种新型的铝合金晶粒细化剂，发明人的大量实验证明，Al5Zr1B合金比现有的Al5Ti1B和Al5Ti1C合金具有更强的晶粒细化能力，添加0.4～0.6%的Al5Zr1B合金，铝合金中含有0.02～0.03%的Zr和0.004～0.006%的B，可显著细化铝合金的晶粒，改善铝合金的组织均匀性，提高铝合金的塑性变形能力，优选的，Al5Zr1B合金添加量为0.5%，铝合金中含有0.025%的Zr和0.005%的B。

Re是含Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd共6种轻稀土元素的混合稀土，稀土元素的物理化学性质活泼，能与铝合金液中的氢、氧、铁、硅、铜、铬等杂质元素反应生成高熔点、高稳定性的稀土化合物，对铝合金液有深度净化作用，可以消除杂质元素的有害影响，同时稀土元素还可以提高铝合金的腐蚀电位并在铝合金表面形成致密的稀土氧化膜，提高铝合金抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀的能力。另外，稀土元素还可以提高阳极氧化成膜速率，增加氧化膜厚度，改善铝合金的氧化着色性能。发明人的大量实验研究表明，添加含Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd共6种轻稀土元素的混合轻稀土的效果比添加一种或几种轻稀土元素的效果都更高，因此，选择添加0.03～0.05%的混合轻稀土Re，优选的，Re混合轻稀土添加量为0.04%。

本发明还提供了所述高强度Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；

第二步：将铝锭在740～780℃加热熔化，并加入占原材料总重量为5.6～5.9%的锌锭、1.3～1.5%的镁锭和4～5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.4～0.6%的Al5Zr1B合金和0.03～0.05%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至700～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在490～500℃固溶处理1～3小时，水淬后，在120～130℃时效处理15～18小时，随炉冷却后得到高强度Al-Zn-Mg系铝合金。

本发明的制备方法，选用工业纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料，通过优化Zn、Mg主合金元素的含量，添加Al20Li合金进行微合金化，经精炼除气、除渣后，再加入Al5Zr1B合金和混合稀土，能够充分发挥Al5Zr1B合金和混合稀土对铝合金液的晶粒细化和深度净化作用，确保本发明Al-Zn-Mg系铝合金获得高强度、高塑性以及优良的耐腐蚀性能、焊接性能和氧化着色性能。

为了更详尽的描述本发明的铝合金及其制备方法，以下列举几个实施例作更进一步的说明。

实施例1：

本发明所述的高强度Al-Zn-Mg系铝合金的成分及质量百分比组成为：Zn 5.6%，Mg1.3%，Li 0.8%，Zr 0.02%，B 0.004%，Re 0.03%，Fe ≤0.15%，Si ≤0.1%，Cu ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 10.6%，Nd 25.5%，Pm 17.4%，Sm 18.8%，Eu 13.1%，Gd 14.6%。

该高强度Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法由以下步骤组成：

第一步：选用工业纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；

第二步：将铝锭在740℃加热熔化，并加入占原材料总重量为5.6%的锌锭、1.3%的镁锭和4%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：用六氯乙烷对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.4%的Al5Zr1B合金和0.03%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至700℃并静置1小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在500℃固溶处理1小时，水淬后，在120℃时效处理18小时，随炉冷却后得到高强度Al-Zn-Mg系铝合金。

实施例2：

本发明所述的高强度Al-Zn-Mg系铝合金的成分及质量百分比组成为：Zn 5.8%，Mg1.4%，Li 0.9%，Zr 0.025%，B 0.005%，Re 0.04%，Fe ≤0.15%，Si ≤0.1%，Cu ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 10.6%，Nd 25.5%，Pm 17.4%，Sm 18.8%，Eu 13.1%，Gd 14.6%。

该高强度Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法由以下步骤组成：

第一步：选用工业纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；

第二步：将铝锭在760℃加热熔化，并加入占原材料总重量为5.8%的锌锭、1.4%的镁锭和4.5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：用六氯乙烷对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.5%的Al5Zr1B合金和0.04%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至710℃并静置0.7小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在495℃固溶处理2小时，水淬后，在125℃时效处理16小时，随炉冷却后得到高强度Al-Zn-Mg系铝合金。

实施例3：

本发明所述的高强度Al-Zn-Mg系铝合金，由以下成分及质量百分比组成：Zn 5.9%，Mg1.5%，Li 1.0%，Zr 0.03%，B 0.006%，Re 0.05%，Fe ≤0.15%，Si ≤0.1%，Cu ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 10.6%，Nd 25.5%，Pm 17.4%，Sm 18.8%，Eu 13.1%，Gd 14.6%。

该高强度Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法由以下步骤组成：

第一步：选用工业纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；

第二步：将铝锭在780℃加热熔化，并加入占原材料总重量为5.9%的锌锭、1.5%的镁锭和5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：用六氯乙烷对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.6%的Al5Zr1B合金和0.05%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至720℃并静置0.5小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在490℃固溶处理3小时，水淬后，在130℃时效处理15小时，随炉冷却后得到高强度Al-Zn-Mg系铝合金。

按中华人民共和国国家标准GB/T16865-2013，将实施例1-3的Al-Zn-Mg系铝合金加工成标准拉伸试样，在DNS200型电子拉伸试验机上进行室温拉伸，拉伸速率为2毫米/分钟，拉伸力学性能如表1所示。

表1 实施例1-3的Al-Zn-Mg系铝合金的拉伸力学性能

实施例序号	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	伸长率/%
				实施例1	420.9	385.7	16.1
实施例2	447.6	408.4	14.5
				实施例3	468.2	427.8	11.8

由表1的检测结果可见，本发明Al-Zn-Mg系铝合金的室温抗拉强度大于420MPa，屈服强度大于380MPa，伸长率大于11%，具有强度高、塑性好、耐腐蚀、焊接性能和氧化着色性能优良等优点，适合于制造平板电脑、笔记本电脑、智能手机等便携式电子产品的外壳以及汽车、货车、轨道车辆等交通运输工具的保险杆、防撞梁、枕梁、横梁等，具有广阔的市场应用前景。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种高强度Al-Zn-Mg系铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Zn 5.6～5.9%，Mg 1.3～1.5%，Li 0.8～1.0%，Zr 0.02～0.03%，B 0.004～0.006%，Re 0.03～0.05%，Fe ≤0.15%，Si ≤0.1%，Cu ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 10.6%，Nd 25.5%，Pm17.4%，Sm 18.8%，Eu 13.1%，Gd 14.6%。

2.根据权利要求1所述的高强度Al-Zn-Mg系铝合金，其特征在于由以下成分及质量百分比组成：Zn 5.8%，Mg 1.4%，Li 0.9%，Zr 0.025%，B 0.005%，Re 0.04%，Fe ≤0.15%，Si ≤0.1%，Cu ≤0.1%，余量为Al和不可避免的杂质，杂质单个≤0.05%，总量≤0.15%，其中所述Re的成分组成及质量百分比为：Pr 10.6%，Nd 25.5%，Pm 17.4%，Sm 18.8%，Eu 13.1%，Gd14.6%。

3.一种制备如上述任一权利要求所述高强度Al-Zn-Mg系铝合金的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：选用工业纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、Al20Li合金、Al5Zr1B合金和混合稀土Re作为原材料；

第二步：将铝锭在740～780℃加热熔化，并加入占原材料总重量为5.6～5.9%的锌锭、1.3～1.5%的镁锭和4～5%的Al20Li合金，搅拌熔化成铝合金液；

第三步：对铝合金液精炼除气除渣后，再加入占原材料总重量为0.4～0.6%的Al5Zr1B合金和0.03～0.05%的混合稀土Re，搅拌使铝合金液的成分均匀；

第四步：将铝合金液降温至700～720℃并静置0.5～1小时，然后铸造成铝合金；

第五步：将铝合金在490～500℃固溶处理1～3小时，水淬后，在120～130℃时效处理15～18小时，随炉冷却后得到高强度Al-Zn-Mg系铝合金。