CN108456812A - 一种低Sc高强高韧高淬透性铝锌镁系合金及制备方法 - Google Patents

一种低Sc高强高韧高淬透性铝锌镁系合金及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金及制备方法。所述合金包括以下组分按质量百分比组成：5.5～6.0％Zn、1.8～2.2％Mg、0.3～0.4％Cu、0.2～0.4％Mn、0.05～0.12％Sc、0.06～0.12％Zr、0.05～0.20％Cr、0.03～0.06％Ti和余量的Al制成,合金中Fe、Si等杂质的总含量不大于0.15％。制备方法采用半连续激冷铸造、铸锭两级均匀化处理，以获得纳米级的Al3(Sc,Zr)、亚微米级的Al7Cr和Al6Mn析出相，使之在随后的热加工和热处理过程中得到亚结构强化、析出强化和弥散强化。本发明采用Cr、Mn协同添加部分取代Sc，与现有的Al‑Zn‑Mg‑Sc‑Zr合金相比，本发明的合金在Sc含量降低60％的情况下，不单合金抗拉强度、屈服强度和伸长率有所提高，而且淬透层深度从50mm提高到150mm，制造成本下降45％。

Description

一种低Sc高强高韧高淬透性铝锌镁系合金及制备方法
技术领域
本发明公开了一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金及制备方法；具体是指一种低Sc含量高强高韧高淬透性Al-Zn-Mg-Cu-Mn-Sc-Zr-Cr合金及制备方法，属于铝合金制备技术领域。
背景技术
现有的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金由于其强度高、韧性和焊接性能好等特点，是新型航空航天用轻质高强可焊结构材料。
微量Sc和Zr添加到Al-Mg合金和Al-Zn-Mg合金中，Sc、Zr和Al形成初生的和次生的Al3(Sc1-xZrx)粒子，这种粒子与基体共格，分别有铸态晶粒细化强化、亚结构强化和析出强化三重强化效果，因此铝镁钪合金和铝锌镁钪合金有高的强度。Al-Sc-Zr相图富Al角热力学研究表明，要想在合金凝固过程中得到初生的Al3(Sc1-xZrx)相，使合金得到铸态晶粒细化强化，Sc和Zr的含量必须分别大于或等于0.25％和0.12％。这就是现有的铝镁钪合金和铝锌镁钪合金中Sc和Zr含量的取值依据。
然而，Sc是稀散元素、价格较高，含Sc铝合金的制造成本基本上由Sc含量控制，与此同时，钪还显著降低合金的淬透能力，现有铝锌镁钪合金水淬条件下淬透层深度只有50mm。成本高、淬透性低限制了它的应用范围。应用部门希望保留合金强度高、韧性好的同时，提高合金的淬透性同时显著降低其制造成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金及制备方法。
本发明是通过下述方式实现的：
一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金，所述铝合金，包括以下组分按质量百分比组成：
5.5～6.0％Zn，1.8～2.2％Mg，0.3～0.4％Cu，0.2～0.4％Mn，0.05～0.12％Sc，0.06～0.12％Zr，0.05～0.2％Cr，0.03～0.06％Ti，余量为Al,合金中Fe、Si杂质的总含量≤0.15％。
优选的合金组分质量百分比为：
5.6～5.8％Zn，1.9～2.0％Mg，0.3～0.4％Cu，0.2～0.4％Mn，0.06～0.10％Sc，0.07～0.12％Zr，0.08～0.18％Cr，0.03～0.06％Ti，余量为Al,合金中Fe、Si杂质的总含量≤0.15％。
更优选的合金组分质量百分比为：
5.6～5.9％Zn，1.9～2.1％Mg，0.3～0.4％Cu，0.2～0.4％Mn，0.06～0.10％Sc，0.09～0.12％Zr，0.10～0.18％Cr，0.03～0.06％Ti，余量为Al,合金中Fe、Si杂质的总含量≤0.15％。
再优选的合金组分质量百分比为：
5.6％Zn，2.0％Mg，0.3％Cu，0.3％Mn，0.08％Sc，0.12％Zr，0.16％Cr，0.03％Ti，余量为Al,合金中Fe、Si杂质的总含量≤0.15％。
本发明一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法,包括以下步骤：
第一步：配料
按设计的铝合金组分质量百分比配制合金，其中，Al、Zn、Mg采用纯铝锭、纯锌锭和纯镁锭，Cu、Mn、Sc、Zr、Cr和Ti采用Al-Cu、Al-Mn、Al-Sc、Al-Zr、Al-Cr、Al-Ti中间合金；
第二步：熔炼、铸造
将铝锭及Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Cr中间合金熔化，当熔体温度到达790～810℃后，加入Al-Sc中间合金，搅拌均匀后降温至710～730℃加Zn、加Al-Ti加Mg，扒渣、搅拌、调整成分、精炼、除气、静置，之后进行半连续激冷铸造，铸造温度700～720℃，水压0.05～0.18MPa，铸造速度为30～40mm/min。
第三步：两级均匀化处理
将第二步得到的铸锭进行两级均匀化处理；铸锭均匀化处理工艺参数为：第一级均匀化处理温度为320～360℃，保温6～10小时后空冷；第二级均匀化处理温度为430～470℃，保温14～20小时，之后空冷。
本发明一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法，所述Al-Cu、Al-Mn、Al-Sc、Al-Zr、Al-Cr、Al-Ti中间合金分别是：Al-50Cu、Al-10Mn、Al-2Sc、Al-4Zr、Al-4Cr、Al-5Ti。
本发明一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法，第二步中，先将熔炼炉加热至720-740℃后，再将铝锭及Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Cr中间合金加入到炉中熔化。
本发明一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法，第二步中，铸造采用半连续铸造，所述半连续铸造工艺参数为：铸造温度700～720℃，水压0.05～0.18MPa，铸造速度为30～40mm/min。
本发明一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金棒材的制备方法，
是将经过两级均匀化处理的铸锭在卧式挤压机上挤压成材后进行固溶-双级时效处理；铸锭挤压成材的挤压工艺参数为：铸锭温度380～420℃，挤压比为18:1～28:1，挤压速度1.0～1.5mm/s；所述固溶处理是将热挤压后的棒材在465～475℃保温1～2小时后水淬；一级时效处理是将固溶处理后的棒材随即在105～115℃保温6～8小时，二级时效处理温度为150～160℃，保温时间6～10小时，时效后空冷至室温。
本发明通过在合金中添加微量过渡族Cr元素和Mn元素，熔炼过程中，使合金元素均匀地溶入到铝合金溶体中，铸造过程采用半连续激冷铸造方式，使铝合金熔体转变为类似过饱和的铝基固溶体，随后进行二级均匀化处理，第一级均匀化处理时，在铝基体中析出Al3(Sc,Zr)纳米级粒子，第二级均匀化处理时，析出亚微米级Al7Cr和Al6Mn化合物；这两种化合物具有明显的亚结构强化和弥散强化作用，可以确保制备的铝锌镁系合金的强度指标与现有Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金强度指标相同或略有提升；同时，采用相对廉价的过渡族Cr元素和Mn元素添加到铝合金中来取代部分Sc，一方面可以有效降低Sc对合金淬透性的不利影响，使制备的铝锌镁系合金的淬透性达到150mm，另一方面，可以显著降低合金的制造成本。
应当强调的是，要使Sc、Zr、Cr、Mn和Al形成纳米级的Al3(Sc,Zr)粒子和亚微米级的Al7Cr和Al6Mn化合物，达到复合微合金化强韧化成分设计的目的，制备过程中铸锭半连续激冷铸造与两级均匀化处理是必须协同进行的。熔炼过程形成的铝合金熔体中均匀分布的微合金化元素，在铸造过程中快速冷却，如实施例所述的半连续激冷铸造中的一次冷却和二次冷却，使铝合金熔体转变为类似过饱和的铝基固溶体，随后，通过均匀化处理过程，第一级均匀化处理，使铝基体中析出Al3(Sc,Zr)纳米级粒子，第二级均匀化处理析出亚微米级的Al7Cr和Al6Mn化合物；确保制备的铝锌镁系合金的强度指标不下降。
本发明制备的合金有高强、高韧、高淬透性和较低的制造成本等优点。合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到605MPa、583MPa和10.5％,水淬条件下合金的淬透层深度达到150mm,由于采用低Sc含量，相对于现行高强高韧Al-Zn-Mg-Sc-Zr合金，制造成本下降45％。适于作为航空航天用轻质高强可焊结构材料。
附图说明
附图1为本发明实施例1以及对比例1所采用的端淬装置结构示意图。
附图2为本发明实施例1以及对比例1制备的合金端淬试样测得的硬度分布曲线。
附图3为本发明实施例1制备的合金的透射电子显微图像(高倍率)。
附图4为本发明实施例1制备的合金的透射电子显微图像(低倍率)。
图中：
附图2中的曲线1是实施例1测量得到的硬度曲线；曲线2是对比例1测量得到的硬度曲线。
附图3的高倍率(倍率见附图中标尺，纳米级)透射电子显微图像与附图4的低倍率(倍率见附图中标尺，微米级)透射电子显微图像说明了采用本发明的合金成分和制备工艺，基体中除析出主要强化相η'(MgZn2)外，微量Sc、Zr和Al形成了Al3(Sc,Zr)粒子(附图3)，而Cr、Mn和Al形成了亚微米级的Al7Cr和Al6Mn化合物(附图4)。
具体实施方式
本发明的合金成分按照以下质量百分数组成：5.5～6.0％Zn、1.8～2.2％Mg、0.3～0.4％Cu、0.2～0.4％Mn，0.05～0.12％Sc、0.06～0.12％Zr、0.05～0.2％Cr、0.03～0.06％Ti和余量的Al制成,合金中Fe、Si等杂质的总含量不大于0.15％。合计成分为100％。
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明进一步限定。
实施例1：
(1)合金的化学成分见表1。
表1合金的化学成分(质量分数，％)
(2)按照表1要求的含量将铝锭、Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Cr加入炉温为720-740℃熔炼炉中熔化；铝液温度上升到800℃时加Al-Sc中间合金、搅拌、保温；熔体为720℃时加Zn、加Al-Ti、加Mg；扒渣、搅拌、调整成分、精炼；静置30分钟。
(3)熔体精炼除气静置后半连续铸造成锭，铸造温度720℃、水压0.14MPa、铸造速度35mm/min。
(4)将上述铸锭在在340℃的温度下均匀化处理8小时，空冷；之后再在465℃的温度下均匀化处理20小时，均匀化处理后按常规方法对铸锭进行锯切和铣面。
(4)将均匀化处理后的铸锭在400℃的温度下保温3小时，之后在卧式挤压机上挤压成棒材，挤压比为20:1，挤压速度1.4mm/s。
(5)棒材在475℃的温度下固溶处理70min，水淬，随后进行双级时效处理，一级时效处理是将固溶处理后的棒材随即在108℃保温6小时，二级时效处理温度为155℃，保温时间8小时，时效后空冷。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于合金组分的不同，制备工艺完全相同。
实施例1与对比例1的性能检测
1、端淬试验结果
实验材料：实施例1制备的合金棒材及对比例1制备的合金棒材。
端淬试样处理工艺：475℃/70min固溶+末端淬火(水温21℃)，随后进行108℃6小时+155℃8小时双级时效；
硬度测试：数显布氏硬度计MHRS-30；压头钢球直径D＝5mm；载荷：25；
加载时间：10s；压痕直径d＝1.5mm(±0.1)；相邻压痕中心距≈8mm。
实验结果：参见附图2及表2，从附图2可以看出：取铝合金硬度下降为峰值硬度的90％处为淬透深度，对比例1制备的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr合金棒材的淬透深度为50mm，本发明实施例1制备的合金棒材淬透深度为150mm。
2、拉伸力学性能检验结果
实验材料：实施例1制备的合金棒材及对比例1制备的合金棒材。
试样处理工艺：475℃/70min固溶，随后进行108℃6小时+155℃8小时双级时效；
拉伸测试：MTS-858力学性能试验机上进行，实验过程参照GB/T228-2002的有关规定进行，拉伸速度：2mm/min；
实验结果：参见附表2，每个处理状态取3个试样，取所测出的3个试样性能的平均值作为实验值。
附表2室温拉伸力学性能
实验结果表明：与对比例(现有的Al-Zn-Mg-Sc-Zr)合金相比，本发明的合金在Sc含量降低60％、制造成本下降45％的情况下，合金抗拉强度、屈服强度和伸长率均有所提高，淬透层深度从50mm提高到150mm(附图2及表2)。

Claims (10)

1.一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金，所述铝合金，包括以下组分按质量百分比组成：
5.5～6.0％Zn，1.8～2.2％Mg，0.3～0.4％Cu，0.2～0.4％Mn，0.05～0.12％Sc，0.06～0.12％Zr，0.05～0.2％Cr，0.03～0.06％Ti，余量为Al,合金中Fe、Si杂质的总含量≤0.15％。
2.根据权利要求1所述的一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金，所述铝合金，包括以下组分按质量百分比组成：
5.5～5.8％Zn，1.9～2.0％Mg，0.3～0.4％Cu，0.2～0.4％Mn，0.06～0.10％Sc，0.07～0.12％Zr，0.08～0.18％Cr，0.03～0.06％Ti，余量为Al,合金中Fe、Si杂质的总含量≤0.15％。
3.根据权利要求1所述的一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金，所述铝合金，包括以下组分按质量百分比组成：
5.6～5.9％Zn，1.9～2.1％Mg，0.3～0.4％Cu，0.2～0.4％Mn，0.06～0.10％Sc，0.09～0.12％Zr，0.10～0.18％Cr，0.03～0.06％Ti，余量为Al,合金中Fe、Si杂质的总含量≤0.15％。
4.根据权利要求1所述的一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金，所述铝合金，包括以下组分按质量百分比组成：
5.6％Zn，2.0％Mg，0.3％Cu，0.3％Mn，0.08％Sc，0.12％Zr，0.16％Cr，0.03％Ti，余量为Al,合金中Fe、Si杂质的总含量≤0.15％。
5.一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法，包括以下步骤：
第一步：配料
按设计的铝合金组分质量百分比配制合金，其中，Al、Zn、Mg采用纯铝锭、纯锌锭和纯镁锭，Cu、Mn、Sc、Zr、Cr和Ti采用Al-Cu、Al-Mn、Al-Sc、Al-Zr、Al-Cr、Al-Ti中间合金；
第二步：熔炼、铸造
将铝锭及Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Cr中间合金熔化，当熔体温度到达790～810℃后，加入Al-Sc中间合金，搅拌均匀后降温至710～730℃加Zn、加Al-Ti加Mg，扒渣、搅拌、调整成分、精炼、除气、静置，之后进行半连续激冷铸造。
第三步：两级均匀化处理
将第二步得到的铸锭进行两级均匀化处理；铸锭均匀化处理工艺参数为：第一级均匀化处理温度为330～360℃，保温6～10小时后空冷；第二级均匀化处理温度为430～470℃，保温14～20小时，之后空冷。
6.根据权利要求5所述的一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法，其特征在于：第一步中，所述Al-Cu、Al-Mn、Al-Sc、Al-Zr、Al-Cr、Al-Ti中间合金分别是：Al-50Cu、Al-10Mn、Al-2Sc、Al-4Zr、Al-4Cr、Al-5Ti。
7.根据权利要求5所述的一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法，其特征在于：第二步中，先将熔炼炉加热至720-740℃后，再将铝锭及Al-Cu、Al-Mn、Al-Zr、Al-Cr中间合金加入到炉中熔化。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法，第二步中，半连续激冷铸造工艺参数为：铸造温度700～720℃，水压0.05～0.18MPa，铸造速度为30～40mm/min。
9.根据权利要求8所述的一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法，其特征在于：将铸锭在卧式挤压机上挤压成材后进行固溶-双级时效处理制备棒材。
10.根据权利要求9所述的一种低Sc含量高强高韧高淬透性铝锌镁系合金的制备方法，其特征在于：铸锭挤压成材的挤压工艺参数为：铸锭温度380～420℃，挤压比为18:1～28:1，挤压速度1.0～1.5mm/s；所述固溶处理是将热挤压后的型材在465～475℃保温1～2小时水淬后，进行双级时效处理，一级时效处理是将固溶处理后的棒材在105～115℃保温6～8小时，二级时效处理温度为150～160℃，保温时间6～10小时，时效后空冷至室温。
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