CN109136677A - Zn合金化的5086型高强度铝合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种Zn合金化的5086型高强度铝合金及制备方法，所述的合金由铝、镁、锌、锰(Mn)、锆和锶组成，其中，镁的质量百分比为3.46～3.92％，锌的质量百分比为1.28～1.62％，锰的质量百分比为0.77％，锆的质量百分比为0.191～0.24％，锶的质量百分比为0.002～0.0026％，其余为铝和少量杂质元素。该合金的制备依次包括：(1)熔铸、(2)均匀化退火(420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h)(3)热压缩(430±5℃保温2h)(4)热轧制组成(先将试样在470±5℃保温2h，轧机轧辊加热至100±5℃，多次轧制)(5)退火(250±5℃×2h)。本发明的拉伸强度最高可以达到326.8MPa，硬度达到104.8HV，延伸率达到17.65％，晶间腐蚀深度为73.05μm。

Description

Zn合金化的5086型高强度铝合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金材料及制备方法，尤其是一种Zn合金化的铝合金及其制备方法，具体地说是一种Zn合金化的5086型高强度铝合金及其制备方法。
背景技术
5086型铝合金(3.5％-4.5％Mg，0.25％Zn，0.2％-0.7％Mn，0.0026％Sr，0.2％Zr)由于其比强度较高，具有优良的导热性、抗蚀性以及较好的焊接性能，在汽车、航空航天及轨道交通等领域应用广泛，是汽车等交通工具轻量化的重要材料。
当前应用于工业设备以及行业装备中的5086型铝合金有着较好的抗腐蚀性能，但是力学性能方面有进一步提高的潜力与必要，即在提高强度的同时，又要保证其抗腐蚀性能。一般来说通过合金中Zn和Mg可以作为主要合金元素会在合金中形成弥散的MgZn2强化相，Mg含量高时可以提高合金强度，但β(Al3Mg2)相的析出会导致合金的耐蚀性严重降低；而合适的塑性变形加工工艺可以提高合金的位错密度，在提高合金强度的同时也能使β(Al3Mg2)相均匀析出，有效改善抗腐蚀性能；Zn含量的增加，使其与Al、Mg元素结合形成Al-Mg-Zn三元析出相，这种第二相对位错、空位等缺陷产生钉扎作用，从而使合金强度得到提高，同时Zn元素在铝合金中可以形τ(Mg32(Al,Zn)49)相来抑制β(Al3Mg2)相的生成，从而改善耐蚀性能。所以5086型铝合金一方面通过固溶强化提高强度，另一方面可以通过Zn的合金化提高其抗晶间腐蚀性能。
铸态组织中由于大量合金元素的添加以及杂质元素的存在，合金在凝固时易形成大量的非平衡金属间化合物，例如各种晶内偏析、晶间偏析，以及存在于晶界和枝晶网络间的低熔点共晶相。这些非平衡共晶相的形成将严重影响合金的后续变形加工并具有一定的遗传特性，而均匀化退火使铸锭从非平衡状态向平衡状态转变，从而提高合金的综合性能。
到目前为止，我国尚未有一种具有自主知识产权Zn合金化的5086型高强度铝合金及制备方法将合金强度提升到329.4～367MPa，同时又能够保证高抗晶间腐蚀性能，这严重制约了铝合金零部件在航空，航海，以及军工和民生方面的使用，所以亟待解决这一问题以至于研究出具有较高强度，同时又具备优良耐蚀性能的新型5086型铝合金。
发明内容
本发明的目的是针对目前5086型铝合金综合性能尚不够理想的问题，发明一种通过控制Zn在合金中的含量及合金化程度，并通过熔铸-均匀化退火-热压缩-热轧制加工工艺来有效提高5086型铝合金的强度同时保证其较高的抗腐蚀性能。
本发明技术方案之一是：
一种Zn合金化的5086型高强度铝合金，其特征在于：它由铝(Al)、镁(Mg)、锌(Zn)、锰(Mn)、锆(Zr)和锶(Sr)组成，其中，镁(Mg)的质量百分比为3.46～3.92％，锌(Zn)的质量百分比为1.28～1.62％，锰(Mn)的质量百分比为0.77％，锆(Zr)的质量百分比为0.191～0.24％，锶(Sr)的质量百分比为0.002～0.0026％，其余为铝和少量杂质元素。
本发明的技术方案之二是：
一种Zn合金化的5086型高强度铝合金的制备方法，其特征依次包括：
首先，将纯Al放入炉中融化，随后依次将工业纯Zn、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金加入，等到所有的工业纯金属以及中间合金全部融化后，搅拌均匀，然后再加入C2Cl6除气，直至没有气体排出；静置一段时间，等到温度降温到750±10℃，加入工业纯Mg置底，同时保温15min后搅拌均匀，随后第二次加入适量C2Cl6除气，并保温20min，最后缓慢浇铸到铁模中成形；
其次，对浇铸成锭的合金进行多级均匀化退火处理；
第三，对经过多级均匀化退火处理的合金进行热压缩和热轧制，得到热轧制板材；
最后，对所得的热轧制板材进行稳定化退火处理，即可获得Zn合金化的5086型高强度铝合金板材。
所述的Al-Mn中间合金中，Mn的质量百分比为10.02％、Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89％、Al-Zr中间合金Zr的质量百分比为4.11％。
对浇铸成锭的合金进行的多级均匀化退火的工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h；
所述的热压缩是指将试样在430±5℃保温2h，随后在液压机上沿径向方向压缩至原直径的20％-50％；所述的热轧制是指先将试样在470±5℃保温2h，多次轧制最终被轧制成厚度为2-5mm的板材。
所述的稳定化退火是指将热轧制成形的板材进行250±5℃×2h的稳定化退火。
发明的有益效果：
(1)本发明获得的Zn合金化的5086型高强度铝合金与原有5086铝合金相比，强度有了很大提升，提高了14.3％。
(2)本发明公开了一种强度达到293.6～326.8MPa的Zn的合金化5086型高强度铝合金的成分及制备方法，经检测其硬度在92.48～104.8HV之间，延伸率在17.65～18.76％之间，一定程度上打破了国外对高性能铝合金的技术封锁，可满足我国军工、民生等领域的需求。
(3)本发明获得的Zn合金化的5086型高强度铝合金有很多等轴晶，晶粒较细小，退火后的位错密度都很高，位错对强度的贡献值在47～57MPa之间。
(4)本发明获得的Zn合金化的5086型高强度铝合金及制备方法的晶间腐蚀深度在64.35～78.72μm之间，合金晶间腐蚀评级都为3级。
附图说明
图1是本发明实施例一合金的XRD分析谱。
图2是本发明实施例一的晶间腐蚀相貌图。
图3是本发明实施例二合金的XRD分析谱。
图4是本发明实施例二的晶间腐蚀相貌图。
图5是本发明实施例三合金的XRD分析谱。
图6是本发明实施例三的晶间腐蚀相貌图。
图7是本发明对比例的XRD分析谱。
图8是本发明对比例的晶间腐蚀相貌图。
具体实施方式
下面结合附图和较佳实施例对本发明作进一步的详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例一。
请参阅图1、图2，本发明实施例包括：
一种Zn合金化的5086型高强度铝合金制备方法，它包括以下步骤：
一、熔炼工艺过程为：先将坩埚电磁炉升温到850±10℃，随后保温半小时，去除炉内的水分和氧气。当熔炼时先将工业纯Al、纯Mg、纯Zn、Al-Mn中间合金(10.02％Mn)、Al-Sr中间合金(9.89％Sr)、Al-Zr中间合金(4.11％Zr)加入，约40min完全融化后，用铁棒搅拌均匀，同时加入适量C2Cl6除气，同时进行搅拌，并静置一段时间，待降温到750±10℃立即加入工业纯Mg，在加入Mg块时需用铝箔纸包裹，防止温度过高时与空气接触燃烧，并用夹子将其压到底部一边融化一边进行轻轻搅拌使其快速均匀扩散。等全部融化后，保温15min用铁棒搅拌均匀，第二次再加入适量C2Cl6除气，保温20min，最后再缓慢浇铸到圆柱形钢模中成形，在室温下冷却到一定程度后即可敲出。
二、多级均匀化退火：多级均匀化退火具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×h。
三、热压缩工艺：热压工艺是先将直径为40mm的试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至14mm厚(最大可径向压缩至20毫米厚，最小可径向压缩到8毫米厚)。
四、热轧制：轧制试验先将试样在470±5℃保温2h，轧机轧辊加热至100±5℃，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材(最大厚度可为5毫米，最小厚度可为2毫米)。
五、退火：轧制样进行250±5℃×2h的退火。
经过上述步骤即获得所述Zn合金化的5086型高强度铝合金，合金的XRD分析谱如图1所示，合金的具体成分采用德国SPECTRO MAXx光谱仪测量显示3.46％Mg，1.28％Zn，0.77％Mn，0.0022％Sr，0.24％Zr，余量为铝和杂质元素；大部分晶粒显著长大，晶粒粗化，合金位错对强度贡献值为50.01MPa，经过强度拉伸实验，测得本合金抗拉强度为293.6MPa，延伸率为18.76％，合金在退火状态的晶间腐蚀深度为64.35μm，合金晶间腐蚀评级为3级(附图2)。
实施例二。
请参阅图3、图4，本发明实施例包括：
一种Zn合金化的5086型高强度铝合金的制备方法，它包括
一、熔炼工艺过程为：先将坩埚电磁炉升温到850±10℃，随后保温半小时，去除炉内的水分和氧气。当熔炼时先将工业纯Al、纯Mg、纯Zn、Al-Mn中间合金(10.02％Mn)、Al-Sr中间合金(9.89％Sr)、Al-Zr中间合金(4.11％Zr)加入，约40min完全融化后，用铁棒搅拌均匀，同时加入适量C2Cl6除气，同时进行搅拌，静置一段时间，待降温到750±10℃立即加入工业纯Mg，在加入Mg块时需用铝箔纸包裹，防止温度过高时与空气接触燃烧，并用夹子将其压到底部一边融化一边进行轻轻搅拌使其快速均匀扩散。等全部融化后，保温15min用铁棒搅拌均匀，第二次再加入适量C2Cl6除气，保温20min，最后再缓慢浇铸到圆柱形钢模中成形，在室温下冷却到一定程度后即可敲出。
二、均匀化退火：多级均匀化退火具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h。
三、热压缩工艺：热压工艺是先将直径为40mm的试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至14mm厚(最大可径向压缩至20毫米厚，最小可径向压缩到8毫米厚)。
四、热轧制：轧制试验先将试样在470±5℃保温2h，轧机轧辊加热至100±5℃，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材(最大厚度可为5毫米，最小厚度可为2毫米)。
五、退火：轧制样进行250±5℃×2h的退火。
经过上述步骤即获得所述Zn合金化的5086型高强度铝合金，合金的XRD分析谱如图3所示，合金的具体成分采用德国SPECTRO MAXx光谱仪测量显示3.92％Mg，1.44％Zn，0.77％Mn，0.002％Sr，0.191％Zr，余量为铝和杂质元素；大部分晶粒显著长大，晶粒粗化，合金位错对强度贡献值为57.61MPa，经过强度拉伸实验，测得本合金抗拉强度为315.9MPa，延伸率为18.24％，合金在退火状态的晶间腐蚀深度为78.72μm，合金晶间腐蚀评级为3级(附图4)。
实施例三。
请参阅图5、图6，本发明实施例包括：
一种Zn合金化的5086型高强度铝合金的制备方法，它包括：
一、熔炼工艺过程为：先将坩埚电磁炉升温到850±10℃，随后保温半小时，去除炉内的水分和氧气。当熔炼时先将工业纯Al、纯Mg、纯Zn、Al-Mn中间合金(10.02％Mn)、Al-Sr中间合金(9.89％Sr)、Al-Zr中间合金(4.11％Zr)加入，约40min完全融化后，用铁棒搅拌均匀，同时加入适量C2Cl6除气，同时进行搅拌，静置一段时间，待降温到750±10℃立即加入工业纯Mg，在加入Mg块时需用铝箔纸包裹，防止温度过高时与空气接触燃烧，并用夹子将其压到底部一边融化一边进行轻轻搅拌使其快速均匀扩散。等全部融化后，保温15min用铁棒搅拌均匀，第二次再加入适量C2Cl6除气，保温20min，最后再缓慢浇铸到圆柱形钢模中成形，在室温下冷却到一定程度后即可敲出。
二、均匀化退火：多级均匀化退火具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h。
三、热压缩工艺：热压工艺是先将直径为40mm的试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至14mm厚(最大可径向压缩至20毫米厚，最小可径向压缩到8毫米厚)。
四、热轧制：轧制试验先将试样在470±5℃保温2h，轧机轧辊加热至100℃，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材(最大厚度可为5毫米，最小厚度可为2毫米)。
五退火：轧制样进行250±5℃×2h的退火。
经过上述步骤即获得所述Zn合金化的5086型高强度铝合金，合金的XRD分析谱如图5所示，合金的具体成分采用德国SPECTRO MAXx光谱仪测量显示3.89％Mg，1.62％Zn，0.77％Mn，0.0026％Sr，0.192％Zr，余量为铝和杂质元素；大部分晶粒显著长大，晶粒粗化，合金位错对强度贡献值为47.07MPa，经过强度拉伸实验，测得本合金抗拉强度为326.8MPa，延伸率为17.65％，合金在退火状态的晶间腐蚀深度为73.05μm，合金晶间腐蚀评级为3级(附图6)。
对比例：
请参阅图7、图8，本发明对比例包括：
熔炼工艺过程为：先将坩埚电磁炉升温到850±10℃，随后保温半小时，去除炉内的水分和氧气。当熔炼时先将工业纯Al、纯Mg、纯Zn、Al-Mn中间合金(10.02％Mn)、Al-Sr中间合金(9.89％Sr)、Al-Zr中间合金(4.11％Zr)加入，约40min完全融化后，用铁棒搅拌均匀，同时加入适量C2Cl6除气，同时进行搅拌，静置一段时间，待降温到750±10℃立即加入工业纯Mg，在加入Mg块时需用铝箔纸包裹，防止温度过高时与空气接触燃烧，并用夹子将其压到底部一边融化一边进行轻轻搅拌使其快速均匀扩散。等全部融化后，保温15min用铁棒搅拌均匀，第二次再加入适量C2Cl6除气，保温20min，最后再缓慢浇铸到圆柱形钢模中成形，在室温下冷却到一定程度后即可敲出。
均匀化退火：多级均匀化退火具体工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃×10h。
热压缩工艺：热压工艺是先将直径为40mm的试样在430±5℃保温2h，再在液压机上沿径向方向压缩至14mm厚(最大可径向压缩至20毫米厚，最小可径向压缩到8毫米厚)。
热轧制：轧制试验先将试样在470±5℃保温2h，轧机轧辊加热至100±5℃，多次轧制最终被轧制成厚度约为4mm的板材(最大厚度可为5毫米，最小厚度可为2毫米)。
退火：轧制样进行250±5℃×2h的退火。
经过上述步骤即获得常规5086型铝合金，合金的XRD分析谱如图7所示，合金的具体成分采用德国SPECTRO MAXx光谱仪测量显示3.51％Mg，0.25％Zn，0.77％Mn，0.0026％Sr，0.203％Zr，余量为铝和杂质元素；晶粒尺寸较细小，合金位错对强度贡献值为52.77MPa，经过强度拉伸实验，测得本合金抗拉强度为280.2MPa，延伸率为17.65％，合金在退火状态的晶间腐蚀深度为83.31μm，合金晶间腐蚀评级为3级(附图8)。
以上所述仅为本发明的实施例，本领域的技术人员可以根据上述实例适当地调整各组份的配比并严格按上述步骤进行制造即可获得较理想的Zn合金化的5086型高强度铝合金。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种Zn合金化的5086型高强度铝合金，其特征在于：它由铝(Al)、镁(Mg)、锌(Zn)、锰(Mn)、锆(Zr)和锶(Sr)组成，其中，镁(Mg)的质量百分比为3.46～3.92％，锌(Zn)的质量百分比为1.28～1.62％，锰(Mn)的质量百分比为0.77％，锆(Zr)的质量百分比为0.191～0.24％，锶(Sr)的质量百分比为0.002～0.0026％，其余为铝和少量杂质元素。
2.一种权利要求1所述Zn合金化的5086型高强度铝合金的制备方法，其特征是它依次包括：
首先，将纯Al放入炉中融化，随后依次将工业纯Zn、Al-Mn中间合金、Al-Zr中间合金、Al-Sr中间合金加入，等到所有的工业纯金属以及中间合金全部融化后，搅拌均匀，然后再加入C2Cl6除气，直至没有气体排出；静置一段时间，等到温度降温到750±10℃，加入工业纯Mg置底，同时保温15min后搅拌均匀，随后第二次加入适量C2Cl6除气，并保温20min，最后缓慢浇铸到铁模中成形；
其次，对浇铸成锭的合金进行多级均匀化退火处理；
第三，对经过多级均匀化退火处理的合金进行热压缩和热轧制，得到热轧制板材；
最后，对所得的热轧制板材进行稳定化退火处理，即可获得Zn合金化的5086型高强度铝合金板材。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的Al-Mn中间合金中，Mn的质量百分比为10.02％、Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89％、Al-Zr中间合金Zr的质量百分比为4.11％。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：对浇铸成锭的合金进行的多级均匀化退火的工艺为420±5℃×2h+460±5℃×2h+500±5℃×2h+520±5℃
×10h。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述的热压缩是指将试样在430±5℃保温2h，随后在液压机上沿径向方向压缩至原直径的20％-50％；所述的热轧制是指先将试样在470±5℃保温2h，多次轧制最终被轧制成厚度为2-5mm的板材。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征是所述的稳定化退火是指将热轧制成形的板板进行250±5℃×2h的稳定化退火。
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