CN109593998B - 500MPa级低Cu无Mg铝合金及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及500MPa级低Cu无Mg铝合金及制备方法，其中铸坯化学成分按重量百分比为Cu：3.3‑3.8％，Mn：0.6‑0.9％，Fe≤0.5％，Si≤0.5％，Zn≤0.4％，Ti≤0.15％，Ni≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质，余量为Al和不可避免的杂质；将铸坯采用标准化的完全退火工艺制度退火；热轧均匀化退火后的铸坯，然后固溶后立即淬火，再冷轧至薄板；对薄板的分级时效工艺为：180‑200℃/11‑14h+230‑250℃/30‑60min+180‑200℃/10‑14h，得到1.5±0.5mm mm厚的500MPa级低Cu无Mg铝合金板。

Description

500MPa级低Cu无Mg铝合金及制备方法

技术领域

本发明属于合金材料领域，特别涉及一种500MPa级低Cu无Mg铝合金的合金化设计及热处理方法。

背景技术

2系铝合金是典型的硬铝合金，综合性能好，成分较为合理，可热处理强化，具有良好的力学性能和加工性能，主要应用于航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其它建筑与交通运输工具的结构件。Cu和Mg是合金中主要添加的元素，所以合金中除了铝固溶体外，在淬火后，合金元素便以组成相的方式存在，一方面起到固溶强化的作用，另一方面起到沉淀强化的作用。但Cu和Mg元素的添加量直接决定着生产成本，现有2系铝合金中的Cu和Mg元素添加都大大提高了生产成本。

为此，开发一种500MPa级低成本低Cu无Mg铝合金，并通过后续的热处理方法提高铝合金的力学性能和导电性能，可以大幅降低2系铝合金的生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种500MPa级低Cu无Mg铝合金。

本发明的另一目的在于提供该铝合金的制备方法，以降低2系铝合金的生产成本。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种500MPa级低Cu无Mg铝合金，该铝合金按化学成分重量百分比为：Cu：3.3-3.8％，Mn：0.6-0.9％，Fe≤0.5％，Si≤0.5％，Zn≤0.4％，Ti≤0.15％，Ni≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质。

通过适当的合金元素设计和热轧及热处理方法，使其力学性能达到，室温屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥550MPa，断口伸长率≥9％，硬度值≥170HV，电导率≥40％IACS，满足这类铝合金的力学性能和导电性能要求。

上述的500MPa级低Cu无Mg铝合金的制备方法，具体步骤如下：

(一)按设定的化学成分冶炼铝合金并铸成400±5mm的铸坯；铸坯化学成分按重量百分比为：Cu：3.3-3.8％，Mn：0.6-0.9％，Fe≤0.5％，Si≤0.5％，Zn≤0.4％，Ti≤0.15％，Ni≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质；

(二)将铸坯采用标准化的完全退火工艺制度，退火温度选择为410℃-430℃，保温时间为1-3h，冷却方式以小于30℃/h的冷却速度随炉冷却至250℃左右后空冷至室温；

(三)在440℃-460℃将均匀化退火后的30±2mm厚板于460-480℃热轧至6.5±0.5mm，然后于480-500℃固溶1-2h后立即淬火，再于室温冷轧至1.5±0.5mm薄板(变形量约为77％)；

(四)最佳分级时效工艺为：180-200℃/11-14h+230-250℃/30-60min+180-200℃/10-14h，得到1.5±0.5mm mm厚的500MPa级低Cu无Mg铝合金板。

本发明得到的是一种500MPa级低Cu无Mg铝合金板，本发明的成分设计是基于以下几点：

Cu是高强铝合金中极为重要的合金元素。它能提高沉淀相的弥散度，改善晶间结构，如晶界沉淀相、晶界无沉淀析出带，改善沿晶腐蚀性能。在含Zn合金中，Cu原子溶入GP区,可以提高GP区的稳定温度范围,延缓时效析出。Cu原子还可溶入η相中，降低晶界和晶内的电位差，提高合金的抗应力腐蚀能力。当Cu含量在不太高的范围内，随Cu含量的增加，周期应变疲劳抗力和断裂韧性提高，并在腐蚀介质中裂纹扩展速率降低。

Zn在合金中形成主要强化相，一些强化相在合金中的溶解度随温度的降低而急剧下降，在共晶温度下的溶解度达28％，在室温下可下降到4-5％，具有很强的时效强化效果。在固溶极限范围内，提高Zn含量，可以大大提高铝合金的强度和硬度。

Mg虽然可以提高铝合金的强度和硬度，但会导致合全的断裂韧性和抗应力腐蚀能力大幅度降低，对焊接性能不利。

Fe、Si的杂质颗粒分布在晶粒内部或者晶界上，且在高温下很难溶解，热加工变形过程中，容易形成沿变形方向断续排列的带状组织。塑性变形过程中，由于基体与脆性相变形不协调，容易在部分颗粒一基体边界上发生空隙，产生微裂纹，成为宏观裂纹源，对合金的塑性，特别是对合金的断裂韧性有非常不利的影响。目前，2系铝合金的Fe和Si杂质含量一般控制在0.8％以下。

Ti、Ni元素，主要是利用其良好的亲和性，形成沉淀强化作用。随着Ti、Ni含量的增加，沉淀强化的效果增强，可以在后续加工过程(加热、热轧及焊接加工)中仍然具有相对的稳定性。因此，即使在较高的终轧温度下，也可获得具有良好的强韧性均衡的产品。同时，可以提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮等腐蚀能力，但元素含量过高会使塑性和韧性有所下降。

本发明的时效处理设计主要基于以下几点：

固溶处理获得的过饱和固溶体处于不平衡状态，有发生分解和析出过剩溶质原子(呈第二相形式析出)的自发趋势。有的合金在室温下即开始进行这种析出过程，但由于温度低只能完成析出的初始阶段；有的合金则要在温度升高，原子活动能力增强后才开始析出。

过饱和固溶体的分解过程取决于发生分解的温度。对大多数合金来说，在低温下的分解一般经历三个阶段。先是在过饱和固溶体中，溶质原子沿基体的一定晶面富集，形成偏聚区，即GP区。GP区与母相共格，往往呈薄片状。进一步延长时间或升高温度，GP区长大并转变为一种中间过渡相，其成分及晶体结构处于母相与稳定的第二相之间的某种中间过渡状态。最后，中间过渡相转变为具有独立晶体结构的稳定的第二相。时效开始析出的第二相处于弥散状态，一般呈薄片状。因此，从固溶体中析出的新相的形状一般都呈片状。进一步延长时间或升高温度，弥散的第二相将聚集粗化。温度越高，粗化越快。时效使合金的强度、硬度升高，但塑性和抗腐蚀性下降。时效强化的效果取决于合金的成分、固溶体的本性、过饱和度、分解特性和强化相等，因而有的合金系时效强化效果高，有的合金系则时效强化效果低。对同一成分的合金来说，影响其时效强化效果的主要工艺因素有时效温度和保温时间，固溶处理加热温度和冷却速度，以及时效前的塑性变形等。

提高铝合金的强度高、韧性抗应力腐蚀性能的最有效的热处理方法即形变热处理。形变热处理是将塑性变形的形变强化与热处理的相变强化相结合的一种工艺方法，也称热机械处理。其基本原理是通过形变增加金属中缺陷的密度并改变其分布，热处理相变时这些形变所产生的缺陷将影响新相的形核动力学及其分布，同时，新相的形成又对位错等缺陷的运动起钉扎、阻滞作用，使金属中的缺陷稳定、组织细化，从而提高其强度和韧性。变形时导入的位错，为降低能量往往通过滑移、攀移等运动组合成位错网络，故经处理后的合金主要组织特征是具有高的位错密度及由位错网络形成的亚结构，形变热处理实质上就是亚结构强化。

本发明采用的回归再时效处理是首先将合金时效到峰值或近峰值状态，在较高温度短时回归，然后再进行峰时效处理，其目的是在不牺牲强度的前提下提高合金的抗应力腐蚀性能。回归再时效处理有使细小不稳定析出相溶解、促进未溶解析出相长大的作用，因此通过合适的回归组织与回归条件的配合，它可能成为不仅改善晶间组织同时也使晶内析出相尺寸产生明显差异的特殊特处理。这种不同尺寸析出相协同强化可降低平面滑移的倾向，有利于提高合金的强韧性。合金若采用峰值峰值时效，可达最高抗拉强度，但应力腐蚀抗力降低。

本发明采用的经正交优化后的形变与热处理工艺制度是：退火温度选择为430℃，保温时间为1.5h，冷却方式以小于30℃/h的冷却速度随炉冷却至250℃后空冷至室温；在440-460℃将均匀化退火后的30±2mm厚板于460-480℃热轧至6.5±0.5mm(变形量为79％)，然后于480-500℃固溶1-2h后立即淬火，再于室温冷轧至1.5±0.5mm薄板(变形量约为77％)；分级时效工艺为：180-200℃/11-14h+230-250℃/30-60min+180-200℃/10-14h。此时获得的铝合金力学性能结果为：室温屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥550MPa，断口伸长率≥9％，硬度值≥170HV，电导率≥40％IACS。

本发明从铝合金的成分设计入手，开发一种500MPa级低Cu无Mg铝合金板的制造及热处理工艺，本发明的优点是：(1)考虑铝合金的强度、塑性、韧性等力学性能的要求，优化了铝合金的成分设计，特别是降低了Cu和Mg元素的使用量，降低了生产成本，同时采用了合理的轧制与热处理工艺，获得了理想的微观组织，保证其性能要求。(2)利用本发明，可以获得抗拉强度优良的铝合金板材，超出工程应用中规定的指标。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明实施例1的金相组织图。

图2为本发明实施例2的金相组织图。

图3为本发明实施例3的金相组织图。

图4为本发明实施例4的金相组织图。

图5为本发明实施例5的金相组织图。

图6为本发明实施例6的金相组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

实施例1-3

实施例1-3的铝合金的成分是相同的，冶炼、铸坯、锻坯加热以及轧制工艺是相同的，不同之处在于后续的热处理工艺制度，具体工艺如下：

(1)冶炼：冶炼了一炉铝合金，其实际化学成分(重量百分比％)为，Cu：3.62％，Mn：0.73％，Fe：0.41％，Si：0.38％，Zn：0.30％，Ti：0.15％，Ni：0.08％，余量为Al。铸坯经热检、堆冷48h、入炉前坯料表面质量较好，无修磨坯。

(2)铸坯加热与轧制：在440-460℃将均匀化退火后的30±2mm厚板于460-480℃热轧至6.5±0.5mm，然后于480-500℃固溶1-2h后立即淬火，再于室温冷轧至1.5±0.5mm薄板。

(3)热处理工艺与设备：

室温拉伸实验按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行，制成矩形标准试样进行拉伸试验，试验设备为CMT5105型电子万能拉伸实验机，拉伸速度为2mm/min。实施例1-3的力学性能及导电性能如下表所示：

上述的实施例中的时效工艺对比研究结果可知，获得良好的力学性能和导电性能的铝合金热处理制度为：135℃×7h/135℃×7h/185℃×14h。此时的力学性能和导电性能结果为：室温屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥550MPa，断口伸长率≥9％，硬度值≥170HV，电导率≥40％IACS。

对本发明实施例的500Mpa级低Cu无Mg铝合金的在不同热处理状态下的金相组织观察采用OLYMPUS DP70倒置式金相显微镜。图1为本发明实施例1的金相组织图，图2为本发明实施例2的金相组织图，图3为本发明实施例3的金相组织图，由此可见随着时效工艺的逐步优化，组织内部晶粒得到细化，析出增多，力学性能随之提高。

实施例4-6

实施例4-6的铝合金的成分是相同的，冶炼、铸坯、锻坯加热以及轧制工艺是相同的，不同之处在于后续的热处理工艺制度，具体工艺如下：

(4)冶炼：冶炼了一炉铝合金，其实际化学成分(重量百分比％)为，Cu：3.82％，Mn：0.61％，Fe：0.31％，Si：0.14％，Zn：0.12％，Ti：0.07％，Ni：0.5％，余量为Al。铸坯经热检、堆冷48h、入炉前坯料表面质量较好，无修磨坯。

(5)铸坯加热与轧制：铸坯加热温度选择为430℃，保温时间为1.5h，冷却方式以小于30℃/h的冷却速度随炉冷却至250℃后空冷至室温；在450℃将均匀化退火后的厚板由30mm于470℃热轧至6.2mm，然后于490℃固溶1h后立即淬火，再于室温冷轧至1.4mm薄板。

(6)热处理工艺与设备：

室温拉伸实验按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行，制成矩形标准试样进行拉伸试验，试验设备为CMT5105型电子万能拉伸实验机，拉伸速度为2mm/min。实施例4-6的力学性能及导电性能如下表所示：

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种500MPa级低Cu无Mg铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，按设定的化学成分冶炼铝合金并铸成铸坯；铸坯化学成分按重量百分比为：Cu：3.3-3.8％，Mn：0.6-0.9％，Fe≤0.5％，Si≤0.5％，Zn≤0.4％，Ti≤0.15％，Ni≤0.1％，余量为Al和不可避免的杂质；

步骤二，将铸坯采用标准化的完全退火工艺制度退火；

步骤三，热轧均匀化退火后的铸坯，然后固溶后立即淬火，再冷轧至薄板；

步骤四，对薄板的分级时效工艺为：180-200℃/11-14h+230-250℃/30-60min+180-200℃/10-14h，得到1.5±0.5mm厚的500MPa级低Cu无Mg铝合金板。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，退火温度选择为410℃-460℃，保温时间为1-3h，冷却方式以小于30℃/h的冷却速度随炉冷却至250℃后空冷至室温。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，在440℃-460℃将均匀化退火后的30±2mm厚板于460-480℃热轧至6.5±0.5mm，然后于480-500℃固溶1-2h后立即淬火，再于室温冷轧至1.5±0.5mm薄板。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，退火温度选择为440℃-460℃，热轧温度为460-480℃。

5.一种500MPa级低Cu无Mg铝合金，其特征在于，按照如权利要求1至4中任一项所述的制备方法制备。

6.如权利要求5所述的500MPa级低Cu无Mg铝合金，其特征在于，该铝合金的力学性能为：室温屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥550MPa，断口伸长率≥9％，硬度值≥170HV，电导率≥40％IACS。

7.如权利要求5所述的500MPa级低Cu无Mg铝合金，其特征在于，按化学成分重量百分比为，包括Cu：3.62％。

8.如权利要求5所述的500MPa级低Cu无Mg铝合金，其特征在于，按化学成分重量百分比为，包括Zn：0.12％-0.30％。

9.如权利要求5所述的500MPa级低Cu无Mg铝合金，其特征在于，按化学成分重量百分比为，包括Fe：0.31％-0.41％，Si：0.14％-0.38％。

10.如权利要求5所述的500MPa级低Cu无Mg铝合金，其特征在于，按化学成分重量百分比为，包括Ti：0.07％-0.15％，Ni：0.08％。