CN110592445B

CN110592445B - 720-740MPa冷挤压Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金及制备方法

Info

Publication number: CN110592445B
Application number: CN201910862825.7A
Authority: CN
Inventors: 许晓静; 韦宏博; 张可人; 张斌; 刘正; 张日凯; 金啸鹏; 张鹏; 庄园
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: CN110592445A

Abstract

一种720‑740MPa冷挤压Al‑Zn‑Mg‑Cu‑Ti铝合金及制备方法，其特征是铝合金主要由铝、锌、镁、铜、锆和钛组成。其制备依次包括：熔铸；均质化退火；冷挤压；固溶处理；时效处理。本发明合金晶粒细小，强度可达720‑740MPa，其晶间腐蚀深度为124.55~132.36μm。本发明通过Zr、Ti复合微合金化细化合金晶粒，控制Zr/Ti的比例为1/2，同时通过调整Zn元素含量为9.5 wt%左右，最大化提高η(MgZn₂)相在基体中的含量，并改善热处理工艺，大幅提高了合金的拉伸强度与抗腐蚀性，较好地解决了现有的7000系铝合金存在的强度与抗腐蚀性很难兼顾的问题。

Description

720-740MPa冷挤压Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金及制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料，尤其是一种7000系铝合金及其制备方法，具体地说是一种720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金及制备方法。

背景技术

7000系高强铝合金具有比强度高、制造成本低、工艺性能好等一系列特点，诞生了7075、7150、7055、7085等代表的合金，满足了不同历史时期航空航天、武器装备以及民用工业领域的发展需求。

晶间腐蚀是高强铝合金常见的一种腐蚀形态，也是一种基础腐蚀形态，对高强铝合金使用寿命和使用安全性带来很大的损害。一般而言，高强铝合金的强度愈高，晶间腐蚀性能愈低。

Zr、Ti是铝及铝合金较为常用的孕育剂,添加微量的Ti或Zr就能对铝合金产生良好的晶粒细化效果,且Zr、Ti复合微合金化对晶粒细化效果比二者单独添加更加优异。7000系铝合金中，Zn、Mg的作用机理是在基体中形成沉淀强化η (MgZn₂)相和T (Al₂Mg₂Zn₃) 相。相比于T (Al₂Mg₂Zn₃) 相，η (MgZn₂)相的强化效果更好，因此适当的提高Zn与Mg的质量分数比值有益于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金向更高的强度探索。

到目前为止，我国尚未有一种具有自主知识产权的720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金可供使用，这一定程度上制约了我国航空航天、武器装备等工业的发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有的7000系铝合金存在的强度韧性与抗腐蚀很难兼顾的问题，通过成分设计和制备技术设计，发明一种720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金及其制备方法。

本发明的技术方案之一是：

720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金，其特征在于：它主要由铝（Al）、锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）、锆（Zr）和钛（Ti）组成，其中，锌（Zn）的质量百分比为9.34~9.53%，镁（Mg）的质量百分比为1.89~2.04%，铜（Cu）的质量百分比为1.15~1.18%，锆（Zr）的质量百分比为0.183～0.195%，钛（Ti）的质量百分比为0.34-0.38%，余量为铝和少量杂质元素，各组份之和为100%。

本发明的技术方案之二是：

一种720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金的制备方法，其特征是它依次包括：（1）熔铸；（2）均质化退火；（3）冷挤压；（4）固溶处理；（5）时效处理。

所述的熔铸：其过程为将纯Al熔化后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Ti-B中间合金加入石墨坩埚并放置在真空电阻丝熔炼炉中，设定熔炼温度为900±10℃，待所有材料均融化之后再保温一小时，将温度降低至800±10℃后，搅拌后分三次加入纯Zn、纯Mg、六氯乙烷除气剂并分别保温10分钟，最后在400±10℃预热的模具中浇注。

所述的均质化退火：其工艺为450±10℃×24h。

所述的冷挤压：其工艺为试样、模具温度均为室温，挤压比为6-8，最佳为7。

所述的固溶处理：其工艺为450±10℃×2h+460±10℃×2h+470±10℃×2h，水淬。

所述的时效处理：其特征是其工艺为120±2℃×24h。

即可获得720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金。

所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Sr中间合金中Sr的质量百分比为9.89%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%，Al-Ti-B中间合金中Ti的质量百分比为5.11%。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供了720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金的制备方法，按国标GB/T 7998-2005（铝合金晶间腐蚀测定方法）其最大晶间腐蚀深度为131.29-132.36 μm。

（2）本发明在7000系铝合金成分设计的基础上，通过Zr、Ti复合微合金化细化合金晶粒，控制Zr/Ti的比例为1/2，同时通过调整Zn元素含量为9.5 wt%左右，最大化提高η(MgZn₂)相在基体中的含量，并改善热处理工艺，大幅提高了合金的拉伸强度与抗腐蚀性，如本发明的720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金（以实施例一为例），比Zn含量为8.5 wt%其他元素含量基本不变的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金（以对比例一为例）的抗拉强度提高了13.59 %，抗腐蚀性提高了14.46%。

（3）本发明公开了720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金的成分与制备方法，一定程度上打破了国外对高性能铝合金的技术封锁，可满足我国航空航天、武器装备等领域的需求。

（4）本发明通过大量的试验获得了理想的制备方法，尤其是通过采用按次序加入各中间合金及纯金属的方法来控制各组份含量，按本发明的工艺能容易地得到符合要求的铝合金材料。

附图说明

图1是本发明实施例一的Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金的金相组织扫描电子显微镜照片。

图2是本发明实施例一的Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金的拉伸试样断口扫描电子显微镜照片。

图3是本发明实施例一的Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金的腐蚀试样金相表面扫描电子显微镜照片。

图4是本发明对比例一的Al-8.54Zn-2.21Mg-0.99Cu-0.187Zr-0.35Ti冷挤压铝合金的金相组织扫描电子显微镜照片。

图5是本发明对比例一的Al-8.54Zn-2.21Mg-0.99Cu-0.187Zr-0.35Ti冷挤压铝合金的拉伸试样断口扫描电子显微镜照片。

图6是本发明对比例一的Al-8.54Zn-2.21Mg-0.99Cu-0.187Zr-0.35Ti冷挤压铝合金的腐蚀试样金相表面扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例、对比例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1，2，3所示。

一种720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金，其由以下制备方法制备而成：

先将A00等级纯Al（成分：99.79%Al，0.14%Fe，0.04%Si，本发明所有组份均采用质量百分比表示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）熔化后依次加入Al-Cu中间合金（49.62%Al, 50.12%Cu，0.15%Fe，0.11%Si）、Al-Zr中间合金（95.69%Al，4.11%Zr，0.20%Fe，0.10%Si )、Al-Ti-B中间合金（5.11%Ti）、纯Zn（Zn的损失率约为8%）和纯Mg（Mg的损失率约为20%），所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出（加入量为56 g），静置保温10 min并去渣后浇铸成锭，对熔铸成锭的合金进行450±10℃×24h的均质化退火，冷却至室温后后进行挤压比为6-8（最佳为7）的冷挤压，再进行450±10℃×2h+460±10℃×2h+470±10℃×2h固溶处理并室温水淬，最后进行120±2℃×24h的时效处理。即获得一种720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金。

本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：9.53%Zn，2.04%Mg，1.15%Cu，0.38Ti%，0.195％Zr，余量为铝和杂质元素。

本实施例组织非常致密，晶粒细化明显（如图1所示），断裂形貌韧窝明显（如图2所示）。本实施例的铝合金的实测强度为735.468MPa，延伸率为12.3％，硬度为210.4 HV。按国标GB/T 7998-2005其晶间最大腐蚀深度为 132.36 μm。

实施例二。

一种720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金，其按以下制备方法制备所得：

先将A00等级纯Al（成分：99.79%Al，0.14%Fe，0.04%Si，本发明所有组份均采用质量百分比表示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）熔化后依次加入Al-Cu中间合金（49.62%Al, 50.12%Cu，0.15%Fe，0.11%Si）、Al-Zr中间合金（95.69%Al，4.11%Zr，0.20%Fe，0.10%Si )、Al-Ti-B中间合金（5.11%Ti）、纯Zn（Zn的损失率约为8%）和纯Mg（Mg的损失率约为20%），所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出（加入量为56 g），静置保温10 min并去渣后浇铸成锭，对熔铸成锭的合金进行450±10℃×24h的均质化退火，冷却至室温后后进行挤压比为7的冷挤压，再进行450±10℃×2h+460±10℃×2h+470±10℃×2h固溶处理并室温水淬固溶处理并室温水淬，最后进行120±2℃×24h的时效处理。即获得一种720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金。

本实施例的铝合金经光谱实际测量成分为：9.34%Zn，1.89%Mg，1.18%Cu，0.34Ti%，0.183％Zr，余量为铝和杂质元素。

本实施例的铝合金的实测强度为728.863MPa，延伸率为12％，硬度为208.1 HV。按国标GB/T 7998-2005其晶间最大腐蚀深度为 131.29 μm。

实施例三。

本实施例与实施例一、二的制备方法相同，经光谱实际测量成分为：9.43%Zn，2.01%Mg，1.16%Cu，0.36Ti%，0.191％Zr，余量为铝和杂质元素。

本实施例的铝合金的实测强度为731.863MPa，延伸率为12.1％，硬度为206.1 HV。按国标GB/T 7998-2005其晶间最大腐蚀深度为 131.89 μm。

对比例一。

如图4，5，6所示。

一种Zn含量为8.5 wt%其他成分基本不变的铝合金，其制备方法为：

先将A00等级纯Al（成分：99.79%Al，0.14%Fe，0.04%Si，本发明所有组份均采用质量百分比表示，下同，凡组份相加不足100%的部分均为杂质）熔化后依次加入Al-Cu中间合金（49.62%Al, 50.12%Cu，0.15%Fe，0.11%Si）、Al-Zr中间合金（95.69%Al，4.11%Zr，0.20%Fe，0.10%Si )、Al-Ti-B中间合金（5.11%Ti）、纯Zn（Zn的损失率约为8%）和纯Mg（Mg的损失率约为20%），所述的中间合金可直接从市场上购置，也可采用常规方法自行配制，熔化过程中等前一种中间合金或金属熔化后加入后一种中间合金或金属，待全部依次熔化到铝液中后加入六氯乙烷精炼直至没有气体溢出（加入量为56 g），静置保温10 min并去渣后浇铸成锭，对熔铸成锭的合金进行450±10℃×24h的均质化退火，冷却至室温后后进行挤压比为7的冷挤压，再进行450±10℃×2h+460±10℃×2h+470±10℃×2h固溶处理并室温水淬，最后进行120±2℃×24h的时效处理。即获得一种Al-8.5Zn-2Mg-1Cu-0.2Zr-0.4Ti型7000系铝合金。

本对比例的铝合金经光谱实际测量成分为：8.54%Zn，2.21%Mg，0.99%Cu，0.187％Zr，0.35Ti%，余量为铝和杂质元素。

本对比例晶粒较为粗大，明显没有实施例1组织致密（如图4所示），韧窝不明显，有缩松现象（如图5所示）。本对比例的铝合金的实测强度为647.440MPa，延伸率为11.2％，硬度为207.3 HV。按国标GB/T 7998-2005其晶间最大腐蚀深度为152.83μm。

以上仅列出了几个常见配比的铝合金的配比及制造方法，本领域的技术人员可以根据上述实例适当地调整各组份的配比并严格按上述步骤进行制造即可获得理想的720-740MPa强度高抗晶间腐蚀铝合金。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金，其特征在于：它主要由铝（Al）、锌（Zn）、镁（Mg）、铜（Cu）、锆（Zr）和钛（Ti）组成，其中，锌（Zn）的质量百分比为9.34~9.53%，镁（Mg）的质量百分比为1.89~2.04%，铜（Cu）的质量百分比为1.15~1.18%，锆（Zr）的质量百分比为0.183～0.195%，钛（Ti）的质量百分比为0.34-0.38%，余量为铝和少量杂质元素，各组份之和为100%；所述的720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金的制备方法依次包括：（1）熔铸；（2）均质化退火；（3）冷挤压；（4）固溶处理；（5）时效处理；所述的熔铸：其过程为将纯Al熔化后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Ti-B中间合金后加入石墨坩埚中并放置在真空电阻丝熔炼炉中，设定熔炼温度为900±10℃，待所有材料均融化之后再保温一小时，将温度降低至800±10℃后，搅拌后分三次加入纯Zn、纯Mg、六氯乙烷除气剂并分别保温10分钟，最后在预热400±10℃的模具中浇注；所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%，Al-Ti-B中间合金中Ti的质量百分比为5.11%；所述的均质化退火：其工艺为450±10℃×24h；所述的冷挤压：其工艺为试样、模具温度均为室温，挤压比为6-8；所述的固溶处理：其工艺为450±10℃×2h+460±10℃×2h+470±10℃×2h，水淬；所述的时效处理：其工艺为120±2℃×24h；经过上述热处理后即可获得720-740MPa强度的冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金。

2.一种权利要求1所述的720-740MPa强度冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金的制备方法，其特征是它依次包括：（1）熔铸；（2）均质化退火；（3）冷挤压；（4）固溶处理；（5）时效处理；

所述的熔铸：其过程为将纯Al熔化后依次加入Al-Cu中间合金、Al-Zr中间合金和Al-Ti-B中间合金后加入石墨坩埚中并放置在真空电阻丝熔炼炉中，设定熔炼温度为900±10℃，待所有材料均融化之后再保温一小时，将温度降低至800±10℃后，搅拌后分三次加入纯Zn、纯Mg、六氯乙烷除气剂并分别保温10分钟，最后在预热400±10℃的模具中浇注；所述的Al-Cu中间合金中Cu的质量百分比为50.12%，Al-Zr中间合金中Zr的质量百分比为4.11%，Al-Ti-B中间合金中Ti的质量百分比为5.11%；

所述的均质化退火：其工艺为450±10℃×24h；

所述的冷挤压：其工艺为试样、模具温度均为室温，挤压比为6-8；

所述的固溶处理：其工艺为450±10℃×2h+460±10℃×2h+470±10℃×2h，水淬；

所述的时效处理：其工艺为120±2℃×24h；

经过上述热处理后即可获得720-740MPa强度的冷挤压高强韧耐腐蚀Al-Zn-Mg-Cu-Ti铝合金。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的冷挤压的挤压比为7。