CN107964615A - 一种挤压型材用高强7xxx系铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤压型材用高强7xxx系铝合金及其制备方法。该合金按重量百分比计，包括如下组分：Zn 7%‑8%，Mg 1%‑2%，Cu 0.15%‑0.25%，Zr 0.15%‑0.25%，Fe和Si总量小于0.2%，杂质含量小于0.2%，余量为Al。本发明的7xxx系铝合金具有较高的Zn/Mg比例，能有效地提高合金强度；具有较低的Cu含量，能提高材料的断裂韧性；同时添加了Zr，在凝固过程中能细化晶粒，均匀化后形成弥散Al₃Zr相，能在热变形过程中抑制再结晶晶粒长大，提高材料强度；本发明的7xxx系铝合金制备的挤压型材具有较高的强度和塑性。

Description

一种挤压型材用高强7xxx系铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种挤压型材用高强7xxx系铝合金及其制备方法。

背景技术

7xxx系铝合金是以Zn为主要合金元素的变形铝合金，具体包括Al-Zn、Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu等系列合金。Al-Zn-Mg-Cu系合金具有高的比强度、比刚度、优良的断裂韧性和抗应力腐蚀性能，广泛用于航空航天、交通运输、军工装备、建筑、桥梁等领域。在飞机、汽车、高速列车等对结构轻量化非常重视的领域，Al-Zn-Mg-Cu系合金的应用是实现减重的重要手段之一。

6xxx系和7xxx系铝合金是常用的挤压型材材料。6xxx系铝合金的挤压成形性能优良，但强度较低；7xxx系铝合金具有高强度的特点，但由于含较多的合金元素，其挤压成形时塑性变形能力较差，影响到型材的生产效率。在采用挤压工艺生产汽车车身用铝合金型材时，6xxx系铝合金主要用于中等强度型材，7xxx系铝合金用于高强型材，包括防撞梁、碰撞环、支撑梁柱等。比如，专利CN103290278A提供了一种汽车车身用铝合金，其重量百分比组成是：0.56%-0.64%Mg，0.42%-0.50%Si，0.17%-0.19%Cu，0.20%-0.22%Fe，0.028%-0.032%Mn，0.028%-0.032%Cr，0.028%-0.032%Zn，0.29%-0.31%Ti以及0.29%-0.31%Zr，其余为Al。其铸锭在560℃均匀化处理9h，快速水冷，加热，挤压成形，采用水或雾淬，再在180℃下人工时效。以此得到的合金型材抗拉强度为302MPa，挤压成形性能优良，但强度较低。又如专利CN104018038A提供了一种7003汽车防撞梁用铝合金，6.50%-6.80%Zn，0.90%-1.10%Mg，0.20%-0.30%Cu，0.15%-0.20Zr，0.10%-0.15Mn，0.01%-0.02%Ti，Cr≤0.05%，Fe≤0.25%，Si≤0.20%，其余为Al。其所得的汽车防撞梁的抗拉强度为420MPa以上，屈服强度在390MPa~420MPa之间，但含较多的合金元素，其挤压成形时塑性变形能力较差，影响到型材的生产效率。

因此，研究开发出一种成形能力较好、型材力学性能优良的7xxx系铝合金，具有显著必要性，有利于扩展7xxx系铝合金的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种挤压型材用高强7xxx系铝合金。本发明通过合金成分优化，控制主合金元素的Zn/Mg比例，降低强化元素Cu的含量，加入Zr细化晶粒，严格限制其他合金元素和杂质元素的含量，在保持合金材料高强度的同时，提高合金材料的塑性和成形性能。

本发明的目的还在于提供所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种挤压型材用高强7xxx系铝合金，按重量百分比，包括如下组分：

Zn 7%-8%，Mg 1%-2%，Cu 0.15%-0.25%，Zr 0.15%-0.25%，Fe和Si总量小于0.2%，杂质含量小于0.2%，余量为Al。

进一步优选的，所述挤压型材用高强7xxx系铝合金，按重量百分比，包括如下组分：

Zn 7.2%-7.8%，Mg 1.2%-1.8%，Cu 0.17%-0.23%，Zr 0.13%-0.23%，Fe和Si总量小于0.2%，杂质含量小于0.2%，余量为Al。

制备所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的方法，包括如下步骤：

按所述重量百分比，将工业纯铝和Cu源加入坩埚电阻炉中加热熔化完全后，依次加入Zn源、Zr源和Mg源，直至全部完全熔化；然后进行除气精炼、扒渣，静置后加入细化剂并浇注，得到铸态铝合金，再经均匀化热处理，得到所述挤压型材用高强7xxx系铝合金。

进一步地，所述工业纯铝的纯度≥99.85%。

进一步地，所述Cu源为Al-50Cu中间合金。

进一步地，所述Zn源为工业纯锌，纯度≥99.5%。

进一步地，所述Zr源为Al-10Zr中间合金。

进一步地，所述Mg源为Al-50Mg中间合金。

进一步地，Zn源、Zr源和Mg源的加入温度均为710℃-720℃，且上一种原料直至完全熔化后静置5-10min ，再加入下一种原料。

在纯铝以及Cu源Zn源、Zr源和Mg源的中间合金的加入过程中，会引入Fe和Si。

进一步地，所述除气精炼的温度为720℃-730℃，时间为5-10min，处理剂为氩气或精炼剂。

更进一步地，所述精炼剂包括C₂Cl₆。

进一步地，所述静置是在710℃-720℃静置3-5min。

进一步地，所述细化剂为Al-5Ti-B中间合金。

进一步地，所述浇注的温度为710℃-720℃。

进一步地，所述铸态铝合金的铸态显微组织主要由α(Al)基体和α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃)的共晶相组成，α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃)的共晶相以网状形式分布在晶界处，其中Cu和Zr分别固溶在α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃)的共晶相和α(Al)基体中。

进一步地，所述均匀化热处理的温度为470℃，时间为24h，冷却方式为空冷至室温。

所述铝合金经均匀化热处理后，合金中的铸态显微组织中α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃)的共晶相消失。

本发明的挤压型材用高强7xxx系铝合金还能够采用低成本的传统铸造工艺制备，包括重力铸造、挤压铸造或连续铸造。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明的挤压型材用高强7xxx系铝合金具有较高的Zn/Mg比例，能有效地提高合金强度；具有较低的Cu含量，能提高材料的断裂韧性；同时添加了Zr，在凝固过程中能细化晶粒，均匀化后形成弥散Al₃Zr相，能在热变形过程中抑制再结晶晶粒长大，提高材料强度；

（2）本发明的挤压型材用高强7xxx系铝合金塑性成形性能较好，以其制备的挤压型材具有较高的强度和塑性。

附图说明

图1为实施例1中制备的铸态合金的铸态金相组织图；

图2为实施例1中制备的铸态合金经470℃、24h的均匀化处理后的金相组织图；

图3为实施例2中制备的挤压型材T6态的拉伸曲线图；

图4为实施例2中制备的挤压型材T6态的拉伸断口形貌图。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

挤压型材用高强7xxx系铝合金，按重量百分比计，具体包括如下组分：

Zn 7.65%，Mg 1.57%，Cu 0.16%，Zr 0.17%，Fe和Si 总量为0.08%，Ti 0.013%，余量为Al。

制备上述的挤压型材用高强7xxx系铝合金，具体包括如下步骤：

（1）将工业纯铝（纯度≥99.85%）和Al-50Cu中间合金加入坩埚电阻炉中加热熔化；

（2）待工业纯铝和Al-50Cu中间合金完全熔化后，在715℃下依次加入工业纯锌（纯度≥99.5%）、Al-10Zr中间合金、Al-50Mg中间合金；添加过程中直至上一种原料完全熔化后静置6min，再加入下一种原料，直至所有原料完全熔化；

（3）然后在725℃下，进行除气精炼，精炼时间为5min，处理剂为C₂Cl₆；扒渣、在715℃下静置5min后加入细化剂Al-5Ti-B中间合金并浇注，浇注温度为715℃，得到铸态铝合金；

制备的铸态合金的铸态金相组织图如图1所示，由图1可知，铸态合金为两相（α(Al)基体和α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃) 的共晶相）组织，第二相（α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃) 的共晶相）以网状分布在晶界处。

（4）将铸态合金在470℃保温24h进行均匀化热处理后，空冷至室温，得到所述挤压型材用高强7xxx系铝合金。

铸态合金经470℃、24h的均匀化处理后的金相组织图如图2所示，晶粒长大，网状的第二相（α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃) 的共晶相）消失。

实施例2

利用实施例1制备的7xxx系铝合金，采用热正挤压的方法，得到直径为12mm的实心棒状型材，具体制备方法如下：

（1）首先将实施例1制备的7xxx铝合金机加工成φ50x45的挤压坯料，将加工好的挤压坯料放入箱式电阻炉中进行加热保温，加热温度为430℃，保温时间为1h；

（2）保温完成后进行挤压，挤压比为17.4，模具温度为450℃，挤压筒温度为400℃，冷却方式为空冷；然后对型材采用480℃、1h和120℃、24h的固溶时效处理，得到实心棒状型材。

制备的实心棒状型材表面光滑平整、无开裂；对制备的型材依据GB/T228-2000进行力学性能测试，测试结果如下：抗拉强度为740MPa，伸长率为7.8%。可见，获得的挤压型材力学性能良好。

制备的实心棒状型材T6态的拉伸曲线图如图3所示，由图3可知，其抗拉强度为740MPa；

T6态的拉伸断口形貌图如图4所示，由图4可知，断口较为平坦，存在少量韧窝。

实施例3

利用实施例1制备的7xxx系铝合金，采用热正挤压的方法，得到直径为10mm的实心棒状型材，具体制备方法如下：

（1）首先将实施例1提供的铝合金机加工成φ50x45的挤压坯料，将加工好的挤压坯料放入箱式电阻炉中进行加热保温，加热温度为430℃，保温时间为1h；

（2）保温完成后进行挤压，挤压比为25，模具温度为450℃，挤压筒温度为400℃，冷却方式为空冷；然后对型材采用480℃、1h和120℃、24h的固溶时效处理。

制备的实心棒状型材表面光滑平整、无开裂；对制备的型材依据GB/T228-2000进行力学性能测试，测试结果如下：抗拉强度为732MPa，伸长率为8.3%。可见，获得的挤压型材力学性能良好。

实施例4

利用实施例1制备的7xxx系铝合金，采用热正挤压的方法，得到直径为8mm的实心棒状型材，具体制备方法如下：

（1）首先将实施例1提供的铝合金机加工成φ50x45的挤压坯料，将加工好的挤压坯料放入箱式电阻炉中进行加热保温，加热温度为430℃，保温时间为1h；

（2）保温完成后进行挤压，挤压比为39.1，模具温度为450℃，挤压筒温度为400℃，冷却方式为空冷；然后对型材采用480℃、1h和120℃、24h的固溶时效处理。

制备的实心棒状型材表面光滑平整、无开裂；对制备的型材依据GB/T228-2000进行力学性能测试，测试结果如下：抗拉强度为762MPa，伸长率为9.6%。可见，获得的挤压型材力学性能良好。

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质与原理下所作的任何改变、替换、组合、简化、修饰等，均应为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种挤压型材用高强7xxx系铝合金，其特征在于，按重量百分比，包括如下组分：

Zn 7%-8%，Mg 1%-2%，Cu 0.15%-0.25%，Zr 0.15%-0.25%，Fe和Si总量小于0.2%，杂质含量小于0.2%，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金，其特征在于，按重量百分比计，包括如下组分：

Zn 7.2%-7.8%，Mg 1.2%-1.8%，Cu 0.17%-0.23%，Zr 0.13%-0.23%，Fe和Si总量小于0.2%，杂质含量小于0.2%，余量为Al。

3.制备权利要求1-2任一项所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：

按所述重量百分比，将工业纯铝和Cu源加入坩埚电阻炉中加热熔化完全后，依次加入Zn源、Zr源和Mg源，直至全部完全熔化；然后进行除气精炼、扒渣，静置后加入细化剂并浇注，得到铸态铝合金，再经均匀化热处理，得到所述挤压型材用高强7xxx系铝合金。

4.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法，其特征在于，所述工业纯铝的纯度≥99.85%；所述Cu源为Al-50Cu中间合金；所述Zn源为工业纯锌，纯度≥99.5%；所述Zr源为Al-10Zr中间合金；所述Mg源为Al-50Mg中间合金。

5.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法，其特征在于，所述Zn源、Zr源和Mg源的加入温度均为710℃-720℃，且上一种原料直至完全熔化后静置5-10min ，再加入下一种原料。

6.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法，其特征在于，所述除气精炼的温度为720℃-730℃，时间为5-10min，处理剂为氩气或精炼剂；所述精炼剂包括C₂Cl₆；所述静置是在710℃-720℃静置3-5min。

7.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法，其特征在于，所述细化剂为Al-5Ti-B中间合金。

8.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法，其特征在于，所述浇注的温度为710℃-720℃。

9.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法，其特征在于，所述铸态铝合金的铸态显微组织主要由α(Al)基体和α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃)的共晶相组成，α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃)的共晶相以网状形式分布在晶界处，其中Cu和Zr分别固溶在α(Al)+T(Al₂Mg₃Zn₃)的共晶相和α(Al)基体中。

10.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法，其特征在于，所述均匀化热处理的温度为470℃，时间为24h，冷却方式为空冷至室温。