CN109957689B

CN109957689B - 一种Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材及其制备方法

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Publication number: CN109957689B
Application number: CN201910249829.8A
Authority: CN
Inventors: 房洪杰; 初晋华; 史春丽; 李民; 孔德斌; 朱鹏程; 张涵源; 张彦芝; 程雪婷
Original assignee: Yantai Nanshan University
Current assignee: Yantai Nanshan University
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN109957689A

Abstract

本发明公开了一种Al‑Zn‑Mg‑Cr‑Mn‑Zr‑Er合金板材制备方法，所述合金成分为：Zn3.0～4.0％，Mg1～2％，Mn0.2～0.4％，Cr0.1～0.3％，Zr0.1～0.3％，Er0.1～0.3％，Si0.1～0.5％，Cu<0.01％，余量为Al和其他杂质，单个杂质含量不超过0.1％。制备过程包括按照成分设计配备的合金经熔炼铸造浇注成直径为300mm～500mm的铸锭，铸锭在220℃～300℃完成去应力退火后，不经过均匀化热处理直接升高到460℃，保温3～6小时后热挤压，挤压比超过16的情况下制备成厚度为6～10mm的铝合金板材，挤压成的铝合金板材经固溶时效处理后抗拉强度在350Mp以上，屈服强度在300Mp以上，伸长率超过15％，常温下ISSRT低于0.03。

Description

一种Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材及其制备方法

技术领域

本发明属于铝合金板材制备，属于轻金属材料制备加工技术领域，尤其涉及一种Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材及其制备方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：7系铝合金主要是以Zn为主加合金元素，根据该合金的使用性能要求，还需要添加适量的Cu、Mg，因此所谓的7系铝合金主要是Al-Zn-Mg-Cu合金。目前，因7系铝合金密度低，强度高，易加工成型等优点，已经被广泛用于交通运输和航空航天领域。

随着世界对能源与环境高标准要求，为实现节能环保，铝合金因其密度低的优点更是尽可能多的应用于飞机、轮船、高铁的零部件上，同时随着高铁、轮船的提速以及对安全要求的提高，开发综合力学性能优良的铝合金成为研究的重点。

一直以来，提高合金的韧性及腐蚀性往往是牺牲铝合金强度为代价的，而要实现铝合金优良的综合力学性能，需要进一步完善合金成分设计、添加微量合金元素，在保证强度基本不变的情况下，提高韧性及耐腐蚀性，提高合金的使用寿命，变相降低成本。尤其应用在高铁上，因此需要开发一种中强高韧高耐蚀的铝合金板材，抗拉强度超过350MPa，屈服强度超过300MPa，伸长率超过15％，满足因高铁提速需要的综合力学性能优良的铝合金板材。同时在铝合金板材生产过程中，还需要进行去应力退火、均匀化退火、机械加工等工艺，有必要对制备方法进行改进，提高生产效率，节约能源，提高生产效率，节约能源。

综上所述，现有技术存在的问题是：铝合金成分需要继续优化，中强高韧铝合金需要进一步优化合金成分，开发无Cu，低Zn的中强高韧7系铝合金品种，添加微量稀土及过渡族元素，控制微合金元素比例，获得高性能的中强高韧7系铝合金板材。合金生产工艺复杂，生产效率相对较低，尤其是均匀化热处理，耗时长，因此，需要在优化合金元素基础上，继续探讨制备工艺，优化热处理制度，提高生产效率，实现节能环保。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材，其合金成分按重量百分比由以下几个成分组成：Zn2.5～3.5％，Mg1～2％，Mn0.2～0.4％，Cr0.1～0.3％，Zr0.1～0.3％，Er0.1～0.3％，Si0.1～0.5％，Cu<0.01％，余量为Al和其他杂质，单个杂质含量不超过0.1％。

进一步的，上述合金采用的元素要求为纯Al(99.85％)，纯Zn(99.9％)，纯Mg(99.9％)，其他为中间合金的形式加入。

进一步的，按照合金成分重量百分比进行配料。

进一步的，合金进行熔炼与铸造，将纯铝和所有中间合金一起熔炼，熔炼温度为760℃～790℃，熔炼时添加覆盖剂，覆盖剂为氯化钠和氯化钾按照1：1比例制备，待原材料全部熔化后，采用氩气旋转喷吹精炼，轮子转速为300～400rpm，氩气流量为100～150slpm，精炼时间为10～20min。精炼结束后，待温度降至720～740℃，加入纯锌和纯镁，纯镁按照3～5％的比例计算烧损。待纯锌和纯镁完全熔化后，开始浇注，浇注温度为700～720℃，最后铸成直径为300～500mm的铝合金圆柱锭。

进一步的，将熔铸的铝合金铸锭在220～300℃温度下进行去应力退火，保温时间为2～6h。

进一步的，将去应力退火后的铝合金铸锭进行机械加工，包括锯头，切削圆周表面，切削量为1～2mm。

进一步的，将机械加工后的铝合金铸锭加热至440～460℃，保温3h，加热速率为20～40℃/h。

进一步的，将加热保温后的铝合金铸锭在挤压机上进行铝合金板材制备，挤压比≥16，板材厚度为6～10mm，挤压模具加热至430～450℃，挤出速率为2～6m/min。

进一步的，将制备的铝合金板材加热至460～475℃进行固溶处理，保温时间为30～120min。

进一步的，将固溶处理后的铝合金板材快速放入常温水中淬火处理，转移时间≤15s。

进一步的，将淬火后的铝合金板材沿挤压方向预拉伸，拉伸变形量为2～5％。

进一步的，将预拉伸后的铝合金板材进行时效处理，时效温度为110～150℃，保温时间为16～24h。

通过上述步骤，制备的铝合金板材抗拉强度为350～400MPa，屈服强度为300～350MPa，伸长率≥15％，ISSRT<0.03。按重量百分比Zn2.5～3.5％，Mg1～2％，Mn0.2～0.4％，Cr0.1～0.3％，Zr0.1～0.3％，Er0.1～0.3％，Si0.1～0.5％，Cu<0.01％，余量为Al。

进一步，低Zn，无Cu。

进一步，Er/Zr比＝1。

进一步，采用的元素要求为Al99.85％，纯Zn99.9％，Mg99.9％，其他为中间合金的形式加入。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：在传统7N01铝合金的基础上，降低了Zn元素含量，调控Zn/Mg比和Mg/Si比，将杂质Si元素变为有益元素，通过后续热处理起到时效强化的效果。同时，合金元素的重新设计，有利于提高后续机械加工后的综合性能。复合添加Zr和Er，控制添加比例为1：1，使合金晶粒得到细化，起到细晶强化和弥散强化的效果，提高合金综合力学性能。

本发明不需要均匀化处理，通过控制加热速率，直接升温后挤压的工艺，可避免均匀化耗时长，耗能高，实现提高生产效率，节能增效的效果。挤压成型的板材不需要冷却到室温，直接升温至470℃保温后水冷完成淬火，节省冷却过程所耗时间，提高生产效率。制备出综合力学性能优良的中强高韧耐蚀铝合金板材，能够应用在高铁等交通运输领域。

附图说明

图1是本发明实施例提供的实施案例一显微组织图。

图2是本发明实施例提供的实施案例二显微组织图。

图3是本发明实施例提供的实施案例三显微组织图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的目的是在7N01合金的基础上，调整主加合金元素，添加微量稀土及过渡族元素，提高合金的综合性能，并提供一种制备方法，实现铝合金中强高韧耐蚀的优良性能。

本发明实施例提供的Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材按重量百分比Zn2.5～3.5％，Mg1～2％，Mn0.2～0.4％，Cr0.1～0.3％，Zr0.1～0.3％，Er0.1～0.3％，Si0.1～0.5％，Cu<0.01％，余量为Al。

低Zn，无Cu。

Er/Zr比＝1。

采用的元素要求为Al99.85％，纯Zn99.9％，Mg99.9％，其他为中间合金的形式加入。

本发明实施例提供的Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材的制备方法包括以下步骤：进行配料、熔铸、去应力退火、机械加工、加热、挤压、淬火、拉伸矫直、时效。

将纯铝和所有中间合金一起熔炼，熔炼温度为760℃～790℃，熔炼时添加覆盖剂，覆盖剂为氯化钠和氯化钾按照1：1比例制备，完全熔化后精炼除气，待温度降至730℃以下时，加入纯锌和纯镁，纯镁按照3～5％烧损量计算，熔铸成300mm～500mm的铝合金圆柱锭.

铝合金圆柱锭需要在220～300℃范围内进行去应力退火。

不需要均匀化退火，铝合金圆柱锭以20～40℃/h的速率加热至440～460℃后，挤压成型。

挤压成型时，需将模具加热至430～450℃，挤压比>16；

挤压成型的铝合金板材直接升温至460～475℃进行固溶处理；

淬火后的铝合金板材进行2～5％的预拉伸变形；

淬火后的铝合金板材经预拉伸变形后，在110～150℃温度下进行人工时效处理，保温时间为16～24h。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明的实施例按3.5％Zn，2.0％Mg，0.3％Mn，0.2％Cr，0.2％Zr，0.2％Er，0.4Si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-Mn、Al-Zr、Al-Er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，熔炼时加入覆盖剂，覆盖剂为氯化钠和氯化钾按照1：1配备。待合金完全熔化后，精炼除气、扒渣、静止降温至720℃，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710℃的温度下浇注成直径为440mm的铝合金圆柱锭。将铝合金圆柱锭按照

去应力退火后，锯头切削外圆后，缓慢加热至440℃，保温3h，在挤压机上完成

的挤压板材制备，挤压速率为2m/min，挤压比为37.99。挤压成型的板材经

固溶处理后水冷，预拉伸变形2％，完成矫直和去内应力后，经

时效处理。

通过上述方法制备的铝合金板材力学性能及应力腐蚀敏感性测试结果表1所示，显微组织见图1。

实施案例二

按3.0％Zn，1.5％Mg，0.4％Mn，0.3％Cr，0.2％Zr，0.2％Er，0.3Si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-Mn、Al-Zr、Al-Er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，熔炼时加入覆盖剂，覆盖剂为氯化钠和氯化钾按照1：1配备。待合金完全熔化后，精炼除气、扒渣、静止降温至720℃，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710℃的温度下浇注成直径为500mm的铝合金圆柱锭。将铝合金圆柱锭按照

去应力退火后，锯头切削外圆后，缓慢加热至440℃，保温3h，在挤压机上采用扩展技术，完成

的挤压板材制备，挤压速率为2m/min，挤压比为49.06。挤压成型的板材经

时效处理。

通过上述方法制备的铝合金板材力学性能及应力腐蚀敏感性测试结果表1所示，显微组织见图2。

实施案例三

按2.8％Zn，1.7％Mg，0.3％Mn，0.15％Cr，0.2％Zr，0.2％Er，0.2Si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-Mn、Al-Zr、Al-Er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，熔炼时加入覆盖剂，覆盖剂为氯化钠和氯化钾按照1：1配备。待合金完全熔化后，精炼除气、扒渣、静止降温至720℃，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710℃的温度下浇注成直径为300mm的铝合金圆柱锭。将铝合金圆柱锭按照

的挤压板材制备，挤压速率为2m/min，挤压比为35.3。挤压成型的板材经

时效处理。

通过上述方法制备的铝合金板材力学性能及应力腐蚀敏感性测试结果表1所示，显微组织见图3。

表1合金板材性能测试结果

相比常规的高铁用中强高韧铝合金板材(要求，RP0.2≥300MPa；Rm≥350MPa；A(％)≥15％)，本发明设计制备的中强高韧铝合金板材屈服强度、抗拉强度和伸长率均高出标准10％以上，常温下应力腐蚀敏感性<0.03，完全满足使用要求。实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材，其特征在于，按重量百分比Zn2.5~3.5%，Mg1~2%，Mn0.2~0.4%，Cr0.1~0.3%，Zr0.1~0.3%，Er0.1~0.3%，Si0.1～0.5%，Cu<0.01%，余量为Al；

所述Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材的制备方法包括以下步骤：进行配料、熔铸、去应力退火、机械加工、加热、挤压、淬火、拉伸矫直、时效；

将纯铝和所有中间合金一起熔炼，熔炼温度为760℃～790℃，熔炼时添加覆盖剂，覆盖剂为氯化钠和氯化钾按照1：1比例制备，完全熔化后精炼除气，待温度降至730℃以下时，加入纯锌和纯镁，纯镁按照3～5%烧损量计算，熔铸成300mm～500mm的铝合金圆柱锭；

挤压成型时，需将模具加热至430～450℃，挤压比>16；

挤压成型的铝合金板材直接升温至460～475℃进行固溶处理；

淬火后的铝合金板材进行2～5%的预拉伸变形；

2.如权利要求1所述的中强高韧铝合金板材，其特征在于，低Zn，无Cu。

3.如权利要求1所述的中强高韧铝合金板材，其特征在于，Er/Zr比=1。

4.如权利要求1所述的中强高韧铝合金板材，其特征在于，采用的元素要求为Al99.85%，纯Zn99.9%，Mg99.9%，其他为中间合金的形式加入。

5.如权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材，其特征在于，铝合金圆柱锭需要在220～300℃范围内进行去应力退火。

6.如权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cr-Mn-Zr-Er中强高韧铝合金板材，其特征在于，不需要均匀化退火，铝合金圆柱锭以20～40℃/h的速率加热至440～460℃后，挤压成型。