CN109811212B

CN109811212B - 一种高性能铝合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109811212B
Application number: CN201910235828.8A
Authority: CN
Inventors: 华林; 赵满; 胡志力; 赵宁; 孙倩
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: CN109811212A

Abstract

本发明公开了提供一种高性能铝合金及其制备方法。包括以下重量百分比的成分：Zn：11.2～13.6％，Mg：1.2～1.8％，Cu：0.2～2.6％，Zr：0.08～0.25％，Cr：0.04～0.36％，Mn：0.05～0.3％，Ti：0.02～0.06％，Fe：0～0.15％，Si：0～0.10％，W：0.05～0.2％，Ce：0.15～2.0％，其余为Al和其他不可避免的杂质元素；Zn和Mg的质量百分比为6.5～11。本发明所述的高性能铝合金通过在铝合金基体上适量添加微合金元素W和稀土元素Ce，并增大Zn/Mg质量比，降低Cu含量，来专门为热冲压成型技术提供一种集高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀于一身的高效、快速的铝合金，其抗拉强度为720～816MPa，断后延伸率大于11％，HBW值为180～210。

Description

一种高性能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，尤其涉及一种高性能铝合金及其制备方法。

背景技术

一直以来，7×××系铝合金在科研、商业及军事的驱动下，自其研制开始，就不断通过优化铝合金材料化学成分，结合采用有效的热处理等制备方法来不断提高7×××系铝合金的综合性能。对7075来讲，经历T6-T73-T76一系列热处理方法的改进，使之在满足抗应力腐蚀性能的同时，只牺牲少量的强度。后来，随着进一步提高Zn含量，出现7055-T77，在不牺牲强度的情况下，提高其腐蚀性能，具有高的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能。

随着不同微量元素和稀土元素的加入及不断优化，有研究发现，钨元素经冶炼后有硬度很大，蒸发速度较小，化学性质稳定等优点，作为一种有色金属，其强度和硬度非常高。将钨与铝结合，优化热处理工艺，形成高强高硬的高性能铝合金材料，强度高达750MPa，硬度大于200HB，在美国市场上，可全面代替7075高强铝合金。目前在我国，仍处于不断开发与研制阶段。结合热冲压成型技术，一直存在固溶时间长，以及固溶后转移所需时间比较长的问题，优化铝合金材料化学成分，对热处理工艺进行改进，两者相互结合，来专门为热冲压成型技术提供一种集多种优良性能于一身的高效、快速的铝合金，是非常有意义的。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种高性能铝合金及其制备方法。通过在铝合金基体上适量添加微合金元素W和稀土元素Ce，并增大Zn/Mg质量比，降低Cu含量，来专门为热冲压成型技术提供一种集高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀于一身的高效铝合金。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高性能铝合金，包括以下重量百分比的成分：

Zn：11.2～13.6％

Mg：1.2～1.8％

Cu：0.2～2.6％

Zr：0.08～0.25％

Cr：0.04～0.36％

Mn：0.05～0.3％

Ti：0.02～0.06％

Fe：0～0.15％

Si：0～0.10％

W：0.05～0.2％

Ce：0.15～2.0％

其余为Al和其他不可避免的杂质元素。

作为上述技术方案的优选，本发明提供的一种高性能铝合金进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述成分Al按以下重量份进行配比：55～65份7075铝锭和35～45份废弃的铝制品。

作为上述技术方案的改进，所述成分Zn和Mg的质量百分比：6.5～11。

作为上述技术方案的改进，所述高性能铝合金的抗拉强度为720～816MPa，断后延伸率大于11％，HBW值为180～210。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高性能铝合金的制备方法，包括以下步骤：处理废弃铝制品、熔炼、喷射成形、均匀化处理、多道次轧制变形、固溶处理、热冲压处理、时效处理。

作为上述技术方案的改进，所述处理废弃铝制品的步骤具体为：用铝材清洗剂对废弃铝制品做清洗处理，之后进行烘干，得到上述重量份为35～45的废弃铝制品。

作为上述技术方案的改进，所述固溶处理的步骤具体为：将加工制得的铝合金板材在温度为400～420℃的电阻炉中进行固溶处理，保温20～30min，得到铝合金板材。

作为上述技术方案的改进，所述热冲压处理的步骤具体为：将得到的铝合金板材立即转移至冲压机模具内进行热冲压处理，温度至少保持在400℃及以上，成形后进行保压8～10s，使其在模具内的冷却系统内快速充分淬火冷却。

作为上述技术方案的改进，所述时效处理的步骤具体为：对固溶后的铝合金制品进行单级时效热处理，温度为120℃，保温时间10～12h，得到本发明所述的高性能铝合金制品。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

(1)Mg、Zn所组成的MgZn₂是7×××铝合金的主要强化相，在一定铝合金数量内，要想获得足够多的热冲压成形件，其Zn/Mg比值不能过低或过高。若过低，会出现Al₂Mg₃Zn₃相，强度会大大降低；若过高，会导致延展性或抗腐蚀性能降低；但在现有热冲压技术的前提下，添加稀土元素Ce与过渡元素Zr使其相互作用，产生一种均匀的纯相锆铈固溶体，即Zr快速、完全溶入Ce中，改变了第二相的析出行为，形成新的形核质点，分布在位错线周围，起到细化晶粒和抑制位错运动。综上考虑，Zn/Mg比值可在热冲压的前提下大幅度提高并控制在6.5～11之间，使其强度可高达800MPa以上，硬度，延展性也有所提高。

(2)由(1)中的Zr快速、完全溶入Ce中可知，稀土Ce与Zr加速固溶，可减少固溶时间，达到快速、高效。

(3)除此之外，在后续热冲压成形时的淬火处理时，快速冷却使形成的过饱和固溶体分解，析出由Ce、Zr与加入的W元素三者结合生成的Al_x(Ce，W)相，该相为细小弥散的沉淀相，且与Al基体有相近的点阵常数，使热成形下的形核为强化合金做出很大贡献。

(4)当强度在(3)中很快达到时，进而就缩短后续时效时间。即刚好处在峰时效阶段，析出相Alx(Ce，W)细小，粒子尺寸较小，与基体Al保持共格关系，强度与成形性都得到改善。

(5)对合金来讲，W金属元素的加入，不仅兼容自身耐高温性能，还可以防止Al挥发，抑制Al合金在高温下的氧化，提高耐腐蚀性能，强化合金强度。在Al-W合金中加入稀土元素Ce，即W中掺杂适量Ce可抑制高温冲击下晶粒的长大，使Al-W在以上耐高温的基础上，可以长久保持高温稳定性。同时，Ce的加入也改善了合金组织，起到细化晶粒，减少铝合金板材裂纹及起到净化、强化的作用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

实施例一：

将由56％7075铝锭和44％废弃铝制品制成的Al，按照各合金成分质量百分数含量：11.5％Zn，1.8％Mg，2.0％Cu，0.15％Ce，0.11％W，0.08％Zr，0.14％Cr，0.05％Mn，0.02％Ti，0.01％Fe，0.03％Si配制两组原料，之后均分为G1和G2两组，进行比较。G1的制备方法按处理废弃铝制品--熔炼--喷射成形--均匀化处理--多道次轧制变形--固溶处理--热冲压处理--时效处理等步骤进行制备，即G1具体步骤为：

S1：用铝材清洗剂对废弃铝制品做清洗处理，之后进行烘干，得到上述重量份为44％的废弃铝制品，之后进行熔炼、喷射成形、均匀化处理、多道次轧制变形，得到铝合金板材。

S2：固溶处理：将加工制得的铝合金板材在温度为410℃的电阻炉中进行固溶处理，保温20min，得到铝合金板材。

S3：热冲压处理：将得到的铝合金板材立即转移至冲压机模具内进行热冲压处理，温度为400℃，成形后进行保压8s，使其在模具内的冷却系统内快速充分淬火冷却。

S4：时效处理：对固溶后的铝合金制品进行单级时效热处理，温度为120℃，保温时间10h，得到高性能铝合金制品。

G2与G1制备方法的不同只在于，G2无热冲压处理这一步。

依据国家标准GB/T228.1-2010及GB/T231.1-2009要求，制备三个板材标准试样，分别进行板材截面的拉伸测试和端面的硬度测试。测试出其抗拉强度、断后延伸率为、HBW值如下表所示：

由上述测试结果分析可得：G2组在制备时无热冲压过程，即没有冲压成形后的淬火处理，也就无法快速冷却使形成的过饱和固溶体分解，无法析出Alx(Ce，W)相，其点阵常数也有所改变，无法按以上进行形核等，所以强度等方面大大降低。

实施例二：

将由56％7075铝锭和44％废弃铝制品制成的Al，按照各合金成分质量百分数含量：12.1％Zn，1.8％Mg，1.8％Cu，0.19％Ce，0.13％W，0.15％Zr，0.21％Cr，0.23％Mn，0.04％Ti，0.01％Fe，0.03％Si配制两组原料，之后均分为G3和G4两组，进行比较。G3组的制备方法按处理废弃铝制品--熔炼--喷射成形--均匀化处理--多道次轧制变形--固溶处理--热冲压处理--时效处理等步骤进行制备，即G3具体步骤为：

S4：时效处理：对固溶后的铝合金制品进行单级时效热处理，温度为120℃，保温时间12h，得到高性能铝合金制品。

G3与G4制备方法的不同只在于时效时间的不同，G3组时效时间为12h，G4组则为24h。

由上述测试结果分析可得：G4因为时效时间仍为传统的时效时间，并未因热冲压成形技术在的前提下做出适时改变，导致其在过时效阶段，析出相粒子尺寸变大，不同于析出相粒子尺寸较小的G3组，与Al基体为非共格关系，强度等方面都所降低。

本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高性能铝合金，其特征在于：包括以下重量百分比的成分：

Zn：12.1~13.6%

Mg：1.2~1.8%

Cu：0.2~2.6%

Zr：0.08~0.25%

Cr：0.04~0.36%

Mn：0.05~0.3%

Ti：0.02~0.06%

Fe：0~0.15%

Si：0~0.10%

W：0.05~0.2%

Ce：0.19~2.0%

其余为Al和其他不可避免的杂质元素；

所述成分Al按以下重量份进行配比：55~65份7系铝锭和35~45份废弃的铝制品；

所述成分Zn和Mg的质量百分比：6.5~11；

所述高性能铝合金的抗拉强度为720~816MPa，断后延伸率大于11%，HBW值为180~210。

2.如权利要求1所述的高性能铝合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：处理废弃铝制品、熔炼、喷射成形、均匀化处理、多道次轧制变形、固溶处理、热冲压处理、时效处理；所述处理废弃铝制品的步骤具体为：用铝材清洗剂对废弃铝制品做清洗处理，之后进行烘干，得到上述重量份为35~45的废弃铝制品；所述固溶处理的步骤具体为：将加工制得的铝合金板材在温度为400~420℃的电阻炉中进行固溶处理，保温20~30min，得到铝合金板材；所述热冲压处理的步骤具体为：将得到的铝合金板材立即转移至冲压机模具内进行热冲压处理，温度至少保持在400℃及以上，成形后进行保压8~10s，使其在模具内的冷却系统内快速充分淬火冷却；所述时效处理的步骤具体为：对固溶后的铝合金制品进行单级时效热处理，温度为120℃，保温时间10~12h，得到本发明所述的高性能铝合金制品。