CN110218919A - 一种高强铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强铝合金材料，其以百分比计的成分如下：Mg 1.61‑1.86％、Zn 6.74‑6.95％、Ti 0.01‑0.05％、Zr 0.1‑0.13％、Cu＜0.02％、Fe＜0.1％、Si＜0.07％、Mn＜0.05％、Cr＜0.05％，余量为Al和不可避免的杂质；上述各成分之和为100％。本发明还公开了上述铝合金材料的制备方法。通过合理调整铝合金材料中各成分的含量，使得该铝合金适用于在线淬火方式制备，得到高强的铝合金材料，该铝合金材料能应用在复杂截面的铝合金产品。

Description

一种高强铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种高强铝合金材料及其制备方法。
背景技术
铝因为地壳储量大、可反复回收利用等优势，特别是“铝代钢”、“铝代木”等应用的推广，近年来在建筑门窗、轨道交通、军工电力等领域，得到了越来越广泛的使用。出于绿色环保、节能降耗等目的，在保证产品初始强度设计要求的前提下，使用小截面高强度的部件来代替大截面低强度的部件，从而达到降低自重、节省成本的目的，已经越来越成为一种趋势。这也对铝合金自身的材料研究，提出来越来越高的要求。
目前为获得满意强度的铝合金产品，一般通过在线淬火或者离线淬火，并辅以后续的时效热处理来实现。根据《GB/T 6892-2015一般工业用铝及铝合金挤压型材》可知，能实现在线淬火的常用铝合金，如6063、6061、6082等6000系铝合金，抗拉强度一般在160-310Mpa左右；如7003、7005、7021等7000系铝合金，抗拉强度一般在310-410Mpa左右。而需要离线淬火的常用铝合金，如7A04、7075、7049A等7000系铝合金，抗拉强度一般在500-610Mpa左右。
通过比较可知，因为铝合金自身合金成分的不同，一般需要离线淬火的铝合金的强度会高于在线淬火的铝合金。但是，在大规模工业化生产中，离线淬火有其自身的局限性：首先，离线淬火相较于在线淬火，一般会额外增加离线固溶淬火、离线拉伸两个工序，从而导致人力、电费等生产成本的增加及生产节奏的拉长；其次，为实现离线淬火需要额外增加离线淬火炉，增加了固定资产的投入；最后，在离线淬火过程中，因为产品的急冷，会导致产品剧烈的变形，因此离线淬火只适用于截面简单的产品，如果截面过于复杂，则很难保证尺寸公差。
基于以上离线淬火的局限性，有必要研究出一种铝合金材料，该铝合金材料其可以通过在线淬火来获得达到离线淬火的高强度的工艺，并应用在复杂截面的铝合金产品上。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高强铝合金材料及其制备方法，以在线淬火方式制得高强铝合金材料，该铝合金材料能应用在复杂截面的铝合金产品。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种高强铝合金材料，其以百分比计的成分如下：Mg 1.61-1.86％、Zn6.74-6.95％、Ti 0.01-0.05％、Zr 0.1-0.13％、Cu＜0.02％、Fe＜0.1％、Si＜0.07％、Mn＜0.05％、Cr＜0.05％，余量为Al和杂质。
上述高强铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)、熔铸：将高纯铝锭、Al-Zr中间合金、Zn锭、Mg锭及Al-5Ti-B丝按照铝合金材料的成分比例进行熔炼，精炼，铸造形成铸棒；
(2)、均匀化处理：将铸棒在470-480℃下均匀化处理10-12小时；
(3)、挤压：出口温度控制在480-500℃，在线淬火冷却速度≥11℃/s；
(4)、停放；
(5)、人工时效处理。
进一步的，在步骤(1)中，在720℃～740℃的温度下将原料进行熔炼，精炼次数≥2次，每次精炼时间≥20分钟。
进一步的，在步骤(1)中，在浇口温度为715℃～725℃时，以80～90mm/min的铸造速度铸造形成铸棒。
进一步的，在步骤(1)中，切除铸棒头尾组织不合格的部分，其中头部切150-200mm，尾部切100-150mm。
进一步的，在步骤(3)中，模具温度控制在445-465℃，铸棒温度控制在450-470℃，挤压筒温度控制在410-430℃，出口温度控制在480-500℃。
进一步的，在步骤(3)中，挤压速度控制在10-15m/min。
进一步的，在步骤(4)中，停放时间≤2小时，或者≥48小时。
进一步的，在步骤(5)中，在120℃温度下人工时效24小时。
本发明的有益效果为：
通过合理调整铝合金材料中各成分的含量，使得该铝合金适用于在线淬火方式制备，得到高强的铝合金材料，该铝合金材料能应用在复杂截面的铝合金产品。
本发明的制备方法中，铸棒依次经过均匀化处理、挤压、停放和人工时效处理，在挤压过程中进行在线淬火，能制成截面复杂的铝合金制品，该铝合金具有高强度，铝合金强度≥545Mpa。该在线淬火处理的铝合金强度能与离线淬火处理的铝合金强度相匹配，这就使得在大规模工业化生产中，高强度铝合金能以在线淬火方式得到，缩短工艺流程、节省生产成本，降低设备投入，能应用在复杂截面的铝合金产品。
附图说明
图1是本发明对比例组3的铝合金产品金相照片；
图2是本发明对比例5和实施例1的铝合金铸态晶粒照片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
本发明一种高强铝合金材料，其以百分比计的成分如下：Mg 1.61-1.86％、Zn6.74-6.95％、Ti 0.01-0.05％、Zr 0.1-0.13％、Cu＜0.02％、Fe＜0.1％、Si＜0.07％、Mn＜0.05％、Cr＜0.05％，余量为Al和不可避免的杂质。
本发明合理调整铝合金材料中主要合金元素Mg、Zn，其中Mg元素1.61-2.36％，Zn元素6.74-6.95％。Mg和Zn元素会形成强化相MgZn2，是该铝合金强度的主要来源。Ti元素作为变质剂，可显著细化晶粒，细化晶粒对提升强度有一定效果，需适当添加，控制在0.01-0.05％。Zr元素能够提高再结晶温度，同样达到细化晶粒的效果，控制在0.1-0.13％。Fe、Si作为主要杂质元素，需分别控制在0.1％、0.07％以下。Mn、Cu、Cr会提高合金的淬火敏感性，为实现在线淬火要严格控制，Cu控制在0.02％以下，Mn控制在0.05％以下，Cr控制在0.05％以下。其他杂质元素按GB/T 3190-2008控制，各组份的质量百分比之和为100％。
通过合理调整铝合金材料中各成分的含量，使得该铝合金适用于在线淬火方式制备，得到高强的铝合金材料，该铝合金材料能应用在复杂截面的铝合金产品。
上述高强铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)、熔铸：将高纯铝锭、Al-Zr中间合金、Zn锭、Mg锭及Al-5Ti-B丝按照铝合金材料的成分比例进行熔炼，精炼，铸造形成铸棒；
(2)、均匀化处理：将铸棒在470-480℃下均匀化处理10-12小时；
(3)、挤压：出口温度控制在480-500℃，在线淬火冷却速度≥11℃/s；
(4)、停放；
(5)、人工时效处理。
上述制备方法中，铸棒依次经过均匀化处理、挤压、停放和人工时效处理，在挤压过程中进行在线淬火，能制成截面复杂的铝合金制品，该铝合金具有高强度，铝合金强度≥545Mpa。该在线淬火处理的铝合金强度能与离线淬火处理的铝合金强度相匹配，这就使得在大规模工业化生产中，高强度铝合金能以在线淬火方式得到，缩短工艺流程、节省生产成本，降低设备投入，能应用在复杂截面的铝合金产品。
在上述方法中，均匀化处理可以改善铸棒的偏析程度，对于提升最终产品强度有一定的作用。均匀化处理温度设定为470-480℃，均匀化温度过低或者时间太短，则效果较差；但是如果温度太高，则有可能导致低熔点共晶相过烧，造成绝对废品，强度显著降低；均匀化处理时间设定为10-12小时，此外随着均匀化处理的进行，时间越长效果越差，因此过度延迟均匀化时间不可取，且会增加成本。
出口温度和在线淬火冷却速度显著影响产品过饱和固溶度，并影响产品最终性能。本发明将出口温度严格控制在480-500℃，使得产品的过饱和固溶度较大，为后续的时效处理奠定较好的组织基础。
进一步的，在步骤(1)中，在720℃～740℃的温度下将原料进行熔炼，精炼次数≥2次，每次精炼时间≥20分钟。精炼剂用量为0.8～1.2kg/t，静置时间为25～35分钟。在浇口温度为715℃～725℃时，以80～90mm/min的铸造速度铸造形成铸棒。切除铸棒头尾组织不合格的部分，其中头部切150-200mm，尾部切100-150mm。
进一步的，在步骤(3)中，模具温度控制在445-465℃，铸棒温度控制在450-470℃，挤压筒温度控制在410-430℃。
模具温度、铸棒温度、挤压筒温度和挤压速度均会影响出口温度，通过严格控制模具温度、铸棒温度和挤压筒温度，使三者的温度与出口温度相匹配，保证出口温度能控制在480-500℃。在实际生产中，在线淬火冷却速度主要通过设置设备来实现。
进一步的，步骤(3)中，挤压速度控制在10-15m/min。在上述方法中，控制挤压速度在10-15m/min，挤压速度会影响出口温度，严格控制挤压速度确保铝合金性能。在线淬火冷却速度≥11℃/s，冷却速度显著影响产品过饱和固溶度，并影响产品的最终性能，该冷却速度可靠，有利于获得高强铝合金。
进一步的，在步骤(4)中，停放时间≤2小时，或者≥48小时。
在线淬火后的停放，在一定时间内会导致产品微观组织的析出，从而降低最终产品性能，通过严格控制停放时间，控制微观组织的晶粒，达到细化晶粒的效果，使得制成的铝合金材料晶粒控制在0.01-0.13mm。
进一步的，在步骤(5)中，在120℃温度下人工时效24小时。
在本领域内，人工时效处理是最常规的提高产品性能的途径，通过强化相的析出来实现。本发明中通过控制人工时效的温度和时间，可以达到较好的性能，制成的铝合金材料的抗拉强度能达到547Mpa。
本发明的制备方法中，熔铸、均匀化处理、挤压、停放和人工时效处理，各工序步骤的参数环环相扣，制得高强铝合金材料。
以下通过实施例和对比例进一步阐述本发明。
实施例1-5
各实施例的高强铝合金材料成分中的Mg、Zn、Ti、Zr、Cu、Fe、Si、Mn、Cr质量百分比如下表所示，余量为Al和不可避免的杂质，铝合金材料的各成分之和为100％。
元素/实施例 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
Mg 1.61 1.7 1.86 1.72 1.8
Zn 6.74 6.75 6.95 6.81 6.88
Ti 0.01 0.04 0.05 0.02 0.04
Zr 0.1 0.115 0.13 0.12 0.122
Cu ＜0.02 ＜0.02 ＜0.02 ＜0.02 ＜0.02
Fe ＜0.1 ＜0.1 ＜0.1 ＜0.1 ＜0.1
Si ＜0.07 ＜0.07 ＜0.07 ＜0.07 ＜0.07
Mn ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05
Cr ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05 ＜0.05
实施例1-5中高强铝合金材料的制备方法，包括步骤(1)-(5)，具体如下：
步骤(1)、熔铸：将高纯铝锭、A1-Zr中间合金、Zn锭、Mg锭及A1-5Ti-B丝按照各实施例铝合金材料的成分比例在720℃～740℃的温度下将原料进行熔炼，精炼次数≥2次，每次精炼时间≥20分钟，精炼剂用量为0.8～1.2kg/t，静置时间为25～35分钟。在浇口温度为715℃～725℃时，以80～90mm/min的铸造速度铸造形成铸棒。切除铸棒头尾组织不合格的部分，其中头部切150-200mm，尾部切100-150mm。
步骤(2)、均匀化处理：将铸棒在470-480℃下均匀化处理10-12小时。
步骤(3)、挤压：模具温度控制在445-465℃，铸棒温度控制在450-470℃，挤压筒温度控制在410-430℃，挤压速度控制在10-15m/min，在线淬火冷却速度≥11℃/s，出口温度控制在480-500℃。
步骤(4)、停放：停放时间≤2小时，或者≥48小时。
步骤(5)、人工时效处理，在120℃温度下人工时效24小时。
实施例1-5的制备方法中步骤(1)、(2)、(3)和(4)的参数如下表所示。
实施例1-5中铝合金材料的性能如下表所示。
对比例组1
本对比例组的铝合金材料成分与实施例2相同，该铝合金材料的制备方法与实施例2基本相同，不同之处在于，在步骤(4)中的停放时间不同。本对比例组中停放时间与抗拉强度的对应关系如下表所示。
通过上表可知，在铝合金材料成分相同和制备工艺参数基本相同的情况下，当停放时间不同时，铝合金产品的抗拉强度有明显区别，停放时间在2-48小时之间，铝合金产品的抗拉强度较低。当停放时间≤2小时，或者≥48小时，铝合金产品的抗拉强度≥545Mpa。
对比例组2
本对比例组的铝合金材料成分与实施例1相同，该铝合金材料的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于，在步骤(5)中的人工时效不同。本对比例组中人工时效与抗拉强度的对应关系如下表所示。
由上述时效制度与铝合金产品抗拉强度对比可知，只有在120℃温度下人工时效24小时得到的铝合金产品的抗拉强度最高，能达到545Mpa以上。
对比例组3
本对比例组的铝合金材料成分与实施例4相同，该铝合金材料的制备方法与实施例4基本相同，不同之处在于，在步骤(2)中的均匀化处理参数不同。本对比例组中均匀化处理参数如下表所示。
参数 对比例3-1 对比例3-2 对比例3-3 对比例3-4 对比例3-5
均匀化制度 无(铸态) 460℃/10h 480℃/10h 490℃/10h 500℃/10h
不同均匀化处理的铝合金产品的均匀化组织照片如图1所示，其中，图1a为对比例3-1的铝合金铸态金相，图1b为对比例3-2的铝合金铸态金相，图1c为对比例3-3的铝合金铸态金相，图1d为对比例3-4的铝合金铸态金相，图1e为对比例3-5的铝合金铸态金相。在490℃/10h出现过烧，可见，(470-480)℃/(10-12)h的均匀化处理参数较佳。
对比例组4
本对比例组的铝合金材料成分与实施例2相同，该铝合金材料的制备方法与实施例2基本相同，不同之处在于，在步骤(3)中的在线淬火冷却速度不同。本对比例组中在线淬火冷却速度与抗拉强度的对应关系如下表所示。
由上表可知当在线淬火冷却速度≥11℃/s时，铝合金产品的抗拉强度≥545Mpa。
对比例5
本对比例组的铝合金材料成分和工艺与实施例1基本相同，不同之处在于，本对比例的铝合金成分中Ti的含量为0。本对比例的铝合金铸态截面照片如图2b所示，其晶粒尺寸为1.17mm；实施例1的铝合金铸态的截面照片如图2a所示，其晶粒尺寸为0.01mm。可见，Ti的加入对铝合金铸态晶粒有显著影响。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高强铝合金材料，其特征在于，其以百分比计的成分如下：Mg 1.61-1.86％、Zn6.74-6.95％、Ti 0.01-0.05％、Zr 0.1-0.13％、Cu＜0.02％、Fe＜0.1％、Si＜0.07％、Mn＜0.05％、Cr＜0.05％，余量为Al和杂质；
上述各成分之和为100％。
2.权利要求1所述的高强铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、熔铸：将高纯铝锭、Al-Zr中间合金、Zn锭、Mg锭及Al-5Ti-B丝按照所述铝合金材料的成分比例进行熔炼，精炼，铸造形成铸棒；
(2)、均匀化处理：将铸棒在470-480℃下均匀化处理10-12小时；
(3)、挤压：出口温度控制在480-500℃，在线淬火冷却速度≥11℃/s；
(4)、停放；
(5)、人工时效处理。
3.根据权利要求2所述的高强铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，在720℃～740℃的温度下将原料进行熔炼，精炼次数≥2次，每次精炼时间≥20分钟。
4.根据权利要求3所述的高强铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，在浇口温度为715℃～725℃时，以80～90mm/min的铸造速度铸造形成铸棒。
5.根据权利要求3所述的高强铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，切除铸棒头尾组织不合格的部分，其中头部切150-200mm，尾部切100-150mm。
6.根据权利要求2所述的高强铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，模具温度控制在445-465℃，铸棒温度控制在450-470℃，挤压筒温度控制在410-430℃。
7.根据权利要求2所述的高强铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，挤压速度控制在10-15m/min。
8.根据权利要求2所述的高强铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，停放时间≤2小时，或者≥48小时。
9.根据权利要求2所述的高强铝合金材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，在120℃温度下人工时效24小时。
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