CN109457151A - 一种高强高韧铝合金板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强高韧铝合金板材，按质量百分比计，包括如下组分：Zn 4.8%～6.0%，Mg 2.0～2.8%，Cu 1.5～2.0%，Cr 0.1～0.2%，Fe<0.15%，Si<0.1%，余量为Al，同时还公开了上述高强高韧铝合金板材的制备方法，包括以下步骤：按上述合金成分进行配料、熔炼、铸造、均匀化退火、热轧、冷轧、固溶时效处理；本发明的有益效果是控制主加合金成分比例，避免产生粗大恶化相，提高合金韧性，并提供一种制备方法，实现铝合金高强高韧的特点。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金板材制备领域，属于有色金属材料加工技术，主要是一种高强高韧综合力学性能优良的铝合金板材制备方法。
背景技术
7系铝合金因其密度低，比强度高等优点，被广泛应用于交通运输、航空航天等领域，随着大飞机等战略工程的开展，同时火车提速带来的高铁行业快速发展，需要多品种、性能要求多样化的铝合金产品应用于生产飞机、高铁的不同部位。
目前，7系铝合金品种开发的品种虽然很多，有个别品种铝合金制备技术成熟，已经产业化大批量生成用于飞机、高铁等交通运输领域。但是，随着高铁速度的提升，需要综合的力学性能优良的铝合金产品，尤其是韧性。高韧性能够提高安全性，而为提高韧性，人们往往采取牺牲强度的方式满足使用要求，大大降低合金的使用寿命。
因此在主成份不变的情况下，添加微合金元素，调整合金比例，优化热处理及加工技术，实现铝合金高强高韧，尤其在保持高韧性的基础上，保证高强度非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强高韧铝合金，添加微量过渡族元素，细化晶粒，提高强度和韧性，提高固溶处理效果；控制主加合金成分比例，避免产生粗大恶化相，提高合金韧性，并提供一种制备方法，实现铝合金高强高韧的特点。
为此，本发明采取的技术方案是：
一种高强高韧铝合金板材，按质量百分比计，包括如下组分：Zn 4.8%～6.0%，Mg 2.0～2.8%，Cu 1.5～2.0%，Cr 0.1～0.2%，Fe<0.15%，Si<0.1%，余量为Al，其中，Zn和Mg的质量关系为：2<Zn/Mg<3，Cu和Mg的质量关系为：Cu/Mg<1。
一种高强高韧铝合金板材的制备方法，包括以下步骤：
（1）按重量百分比，所述合金由以下组分组成：Zn4.8%～6.0%，Mg2.0～2.8%，Cu：1.5～2.0%，Cr：0.1～0.2%，Fe<0.15%，Si<0.1%，余量为Al。其中，Zn和Mg的质量关系为：2<Zn/Mg<3，Cu和Mg的质量关系为：Cu/Mg<1。
（2）熔炼与铸造：熔炼温度为760℃-780℃，将纯铝和铝铜合金、铝铬合金同时熔炼，待合金有50%～70%熔化后，开启电磁搅拌，待合金全部熔化后，采用氩气旋转喷吹精炼，在线除气装置，除气扒渣后，依次加入纯锌、纯镁，纯镁的烧损量按照4%～5%计算，为防止纯镁过度烧损，温度降至720℃-740℃时加入，将纯镁压入液体内部熔化，搅拌均匀后浇注成铝合金扁锭，浇注温度为700℃-720℃。
（3）均匀化退火：
将熔铸的铝合金扁锭在箱式电阻炉中进行均匀化退火，结合Zn的含量，采取控制加热速率的单级均匀化退火工艺，具体工艺为：控制温度为470℃、时间为48h，400℃以下时，加热速率为40℃～80℃/h，当温度升至400℃后，加热速率为10℃～20℃/h。
（4）热轧：
将均匀化退火后的铝合金扁锭去头，铣六面，加热至440℃～450℃，开始热轧，热轧温度范围为390℃～450℃。初道次变形量为5%～7%，其他道次变形量为10～20%，总变形量达到70%～80%时，进行一次中间退火，继续热轧至厚度为4～8mm。
（5）冷轧：
将热轧铝合金板材经430℃～450℃中间退火3h后，空冷至室温后进行冷轧，冷轧单道次变形量控制在5%～10%，最终将铝合金板材冷轧制2～4mm，保证总变形量为50%以上。
（6）固溶时效处理
固溶处理采取双级固溶处理工艺，第一级固溶温度为450℃，保温1～2h；第二级固溶温度为470℃～480℃，保温1～2h。时效温度为120℃，保温24h.
通过上述的铝合金板材制备工艺，所制备的铝合金板材抗拉强度为550MPa～590MPa，屈服强度为495MPa～515MPa，伸长率为15%～18%。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体表现在以下方面：
（1）控制主加合金元素的比例，Cu/Mg<1，熔炼铸造过程中，使全部Cu元素与Mg元素和Zn形成化合物，减少铸态组织中的粗大恶化铝铜相，提高合金强韧性。
（2）添加微量过渡族元素Cr，能够细化晶粒，提高合金淬透性，实现较好的热处理效果，获得优良的力学性能。
（3）制备的铝合金板材在保证大于550MPa的基础上，伸长率达到15%以上，获得高强高韧综合力学性能优良的铝合金板材，提高合金使用过程中的耐冲击性和安全性。
（4）通过控制加热速率的方式调控均匀化处理过程，不需要多级均匀化热处理，单级均匀化热处理就能达到理想效果，实现简单操作。
（5）大变形量的热轧工艺，进行一次中间退火，有利于细化晶粒，提高合金综合性能。
附图说明
图1本发明实例一所得板材放大200倍下的显微组织；
图2本发明实例二所得板材放大200倍下的显微组织；
图3本发明实例三所得板材放大200倍下的显微组织；
图4本发明实例四所得板材放大200倍下的显微组织；
图5本发明实例五所得板材放大200倍下的显微组织；
图6本发明实例一至五所得板材力学性能测试曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
按5.5%Zn，2.5%Mg，1.6%Cu，0.2%Cr，其余是Al的成分及重量百分比进行配料，按照成分要求配备Al-Cu和Al-Cr中间合金，纯镁按照5%左右的烧损量配比，将纯铝（99.85%）和中间合金在780℃的温度下同时熔炼，待50%的合金熔化后，开启电磁搅拌，全部熔化后，精炼除气、扒渣、静止降温至730℃，依次加入纯锌（99.9%）、纯镁（99.9%），待纯镁全部熔化后，搅拌、扒渣，在720℃的温度下浇注。将铝合金扁锭去头铣六面后，在箱式电阻炉中加热，加热温度为470℃，保温48h，出炉后空冷至室温。加热温度至440℃，保温3h后开轧，当变形量达到70%时，进行440℃，保持3h的中间退火，继续热轧，直到铝合金板材轧制至6mm；将热轧后的铝合金板材在箱式电阻炉中加热，加热温度为440℃，保温3h，空气中冷却。待合金冷至室温后，冷轧，每次变形量控制在10%左右，冷轧至2.2mm。冷轧板材经450℃×1h+480℃×2h固溶处理后，水冷，进行120℃，保温24h的人工时效处理。
通过上述方法制备的铝合金板材，力学性能测试结果见表1，显微组织见图1。
实施例二
针对Al-5.8Zn-2.7Mg-2.0Cu-0.1Cr板材的制备，按照成分要求配备Al-Cu和Al-Cr中间合金，纯镁按照5%左右的烧损量配比，将纯铝（99.85%）和中间合金在780℃的温度下同时熔炼，待60%的合金熔化后，开启电磁搅拌，全部熔化后，精炼除气、扒渣、静止降温至730℃，依次加入纯锌（99.9%）、纯镁（99.9%），待纯镁全部熔化后，搅拌、扒渣，在720℃的温度下浇注。将铝合金扁锭去头铣六面后，在箱式电阻炉中加热，加热温度为470℃，保温48h，出炉后空冷至室温。加热温度至440℃，保温3h后开轧，当变形量达到75%时，进行440℃，保持3h的中间退火，继续热轧，至铝合金板材轧制至6mm；将热轧后的铝合金板材在箱式电阻炉中加热，加热温度为440℃，保温3h，空冷。待合金空冷至室温后，冷轧，每次变形量控制在10%左右，冷轧至2.2mm。冷轧板材经450℃×1h+480℃×2h固溶处理后，水冷，进行120℃，保温24h的人工时效处理。
通过上述方法制备的铝合金板材，力学性能测试结果见表1，显微组织见图2。
实施例三
针对Al-5.0Zn-2.2Mg-1.8Cu-0.15Cr板材的制备，按照成分要求配备Al-Cu和Al-Cr中间合金，纯镁按照5%左右的烧损量配比，将纯铝（99.85%）和中间合金在780℃的温度下同时熔炼，待70%的合金熔化后，开启电磁搅拌，全部熔化后，精炼除气、扒渣、静止降温至730℃，依次加入纯锌（99.9%）、纯镁（99.9%），待纯镁全部熔化后，搅拌、扒渣，在720℃的温度下浇注。将铝合金扁锭去头铣六面后，在箱式电阻炉中加热，加热温度为470℃，保温48h，出炉后空冷至室温。加热温度至440℃，保温3h后开轧，当变形量达到80%时，进行440℃，保持3h的中间退火，继续热轧，至铝合金板材轧制至6mm；将热轧后的铝合金板材在箱式电阻炉中加热，加热温度为440℃，保温3h，空冷。待合金空冷至室温后，冷轧，每次变形量控制在10%左右，冷轧至2mm。冷轧板材经450℃×1h+480℃×2h固溶处理后，水冷，进行120℃，保温24h的人工时效处理。
通过上述方法制备的铝合金板材，力学性能测试结果见表1，显微组织见图3。
实施例四
针对Al-5.5Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.15Cr板材的制备，按照成分要求配备Al-Cu和Al-Cr中间合金，纯镁按照5%左右的烧损量配比，将纯铝（99.85%）和中间合金在780℃的温度下同时熔炼，待60%的合金熔化后，开启电磁搅拌，全部熔化后，精炼除气、扒渣、静止降温至730℃，依次加入纯锌（99.9%）、纯镁（99.9%），待纯镁全部熔化后，搅拌、扒渣，在720℃的温度下浇注。将铝合金扁锭去头铣六面后，在箱式电阻炉中加热，加热温度为470℃，保温48h，出炉后空冷至室温。加热温度至440℃，保温3h后开轧，当变形量达到70%时，进行440℃，保持3h的中间退火，继续热轧，至铝合金板材轧制至4mm；将热轧后的铝合金板材在箱式电阻炉中加热，加热温度为440℃，保温3h，空冷。待合金空冷至室温后，冷轧，每次变形量控制在10%左右，冷轧至2mm。冷轧板材经450℃×1h+480℃×1h固溶处理后，水冷，进行120℃，保温24h的人工时效处理。
通过上述方法制备的铝合金板材，力学性能测试结果见表1，显微组织见图4。
实施例五
针对Al-5.2Zn-2.2Mg-2.0Cu-0.12Cr板材的制备，按照成分要求配备Al-Cu和Al-Cr中间合金，纯镁按照5%左右的烧损量配比，将纯铝（99.85%）和中间合金在770℃的温度下同时熔炼，待70%的合金熔化后，开启电磁搅拌，全部熔化后，精炼除气、扒渣、静止降温至730℃，依次加入纯锌（99.9%）、纯镁（99.9%），待纯镁全部熔化后，搅拌、扒渣，在720℃的温度下浇注。将铝合金扁锭去头铣六面后，在箱式电阻炉中加热，加热温度为470℃，保温48h，出炉后空冷至室温。加热温度至440℃，保温3h后开轧，当变形量达到75%时，进行440℃，保持3h的中间退火，继续热轧，至铝合金板材轧制至4mm；将热轧后的铝合金板材在箱式电阻炉中加热，加热温度为440℃，保温3h，空冷。待合金空冷至室温后，冷轧，每次变形量控制在10%左右，冷轧至2mm。冷轧板材经450℃×2h+470℃×1h固溶处理后，水冷，进行120℃，保温24h的人工时效处理。
通过上述方法制备的铝合金板材，力学性能测试结果见表1，显微组织见图5。
表1合金板材力学性能测试结果
经本发明设计制备的铝合金板材应用于航空材料领域，与传统的7075铝合金相比，抗拉强度和屈服强度基本相同，伸长率比7075铝合金提高20%以上；应用于高铁铝合金材料领域，与传统的7N01铝合金相比，伸长率基本相同，均为15%以上，抗拉强度提高明显，能够提高150MPa，提高了30%以上。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1. 一种高强高韧铝合金板材，其特征在于，按质量百分比计，包括如下组分：Zn 4.8%～6.0%，Mg 2.0～2.8%，Cu 1.5～2.0%，Cr 0.1～0.2%，Fe<0.15%，Si<0.1%，余量为Al。
2.根据权利要求1所述的高强高韧铝合金板材，其特征在于，Zn和Mg的质量关系为：2<Zn/Mg<3。
3.根据权利要求1所述的高强高韧铝合金板材，其特征在于，Cu和Mg的质量关系为：Cu/Mg<1。
4.一种高强高韧铝合金板材的制备方法，包括以下步骤：按权利要求1所述合金成分进行配料、熔炼、铸造、均匀化退火、热轧、冷轧、固溶时效处理。
5.根据权利要求4所述的高强高韧铝合金板材的制备方法，其特征为，熔炼温度为760℃-780℃，熔炼过程电磁搅拌，氩气旋转喷吹精炼，在线除气，纯镁按照4%～5%的烧损量计算，在700℃-720℃温度时浇注，制备成铝合金扁锭。
6.根据权利要求4所述的高强高韧铝合金板材的制备方法，其特征为，均匀化退火工艺采取控制加热速率的单级均匀化退火工艺，400℃以下时，加热速率为40℃～80℃/h，400℃以上时，加热速率为10℃～20℃/h。
7.根据权利要求4所述的高强高韧铝合金板材的制备方法，其特征为，热轧单道次变形量控制在10%～20%，总变形量达到70%～80%时，进行一次中间退火后继续热轧，热轧后的板材厚度为4mm～8mm。
8.根据权利要求4所述的高强高韧铝合金板材的制备方法，其特征为，冷轧单道次变形量控制在5%～10%，总变形量大于等于50%。
9.根据权利要求4所述的高强高韧铝合金板材的制备方法，其特征为，冷轧后的板材采用双级固溶和单级时效处理。
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