CN110699575A - 一种高强度高韧性铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度高韧性铝合金及其制备方法，合金的组成成分按重量百分比包括：Mg：1.3‑2.06％、Zn：6.18‑7.1％、Cu：1.05‑2％、RE：0.07‑0.16％、Fe：0.08‑0.15％、Si：0.11‑0.23％、Zr：0.04‑0.12％、Ti：0.01‑0.23％、Cr：0.01‑0.03％、Mn：0.1‑0.24％、B：0.07‑0.14％、Li：0.11‑0.27％、Ag：0.28‑0.42％、余量为Al；RE为Yb、Sc、Er、Y、Ce、La中的一种或多种的混合物。本发明提出的高强度高韧性铝合金的制备方法过程简单，得到的铝合金强度高，韧性和耐腐蚀性好。
Description
技术领域
本发明涉及铝材技术领域，具体涉及一种高强度高韧性铝合金及其制备方法。
背景技术
铝合金比强度高、耐蚀性好、易成型，并具有良好的导电导热等优良特性，目前已被代替钢铁材料广泛应用。Al-Zn-Mg-Cu系铝合金是可热处理强化的铝合金，其是航空航天、船舶、桥梁、管道、车辆等领域中最重要的轻质结构材料之一，目前已被广泛应用。随着科学技术的发展，对铝合金的强度、韧性和耐腐蚀性的要求日益提高，现有的Al-Zn-Mg-Cu系列铝合金在获得良好的韧性和耐蚀性的同时往往会使强度下降，使铝合金制品在服役的过程中失效，限制了其应用；在维持铝合金高强度的同时，提高材料的韧性和耐腐蚀性，是铝合金研究领域中重要的课题之一。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种高强度高韧性铝合金及其制备方法，所述制备方法过程简单，得到的铝合金强度高，韧性好，耐腐蚀性能优异。
本发明提出的一种高强度高韧性铝合金，其组成成分按重量百分比包括：Mg：1.3-2.06％、Zn：6.18-7.1％、Cu：1.05-2％、RE：0.07-0.16％、Fe：0.08-0.15％、Si：0.11-0.23％、Zr：0.04-0.12％、Ti：0.01-0.23％、Cr：0.01-0.03％、Mn：0.1-0.24％、B：0.07-0.14％、Li：0.11-0.27％、Ag：0.28-0.42％、余量为Al；其中，RE为Yb、Sc、Er、Y、Ce、La中的一种或者多种的混合物。
优选地，Si、Mg、Fe、B的重量百分比满足以下关系式：1.65％≤Si+Mg≤2.17％，且11≤(Fe+3×B+Mg)/Si≤14.2。
优选地，Zr、RE、Ti的重量百分比满足以下关系式：0.16％≤Zr+RE≤0.2％，且1.6×Ti≤Zr+RE。
优选地，Mg、Cu、Mn、Cr的重量百分比满足以下关系式：3.23％≤Mg+Cu+Mn+Cr≤3.63％。
优选地，Mg、Ag的重量百分比满足以下关系式：Mg/Ag＝4.2-5.3。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-RE中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银；将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中，在750-770℃下熔炼25-55min，然后加入剩余原料，熔化后精炼，浇铸后得到铝合金铸锭；
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理，然后在430-450℃下保温120-180min，热轧、退火后进行冷轧，然后进行深冷变形处理，固溶处理后水淬，然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金。
优选地，在S2中，所述均匀化处理的温度为450-480℃，时间为16-22h。
优选地，在S2中，所述热轧的温度为400-420℃，总变形量为75-85％；所述冷轧的总变形量为45-55％；所述固溶处理的温度为500-515℃，时间为100-120min。
优选地，在S2中，所述深冷变形处理的温度为-185℃至-135℃，保温时间为8-12min，深冷变形处理的变形量为35-65％。
优选地，在S2中，所述时效处理的具体工艺包括：在室温下将材料进行单向拉伸，变形量为5-7％，然后在冰水中保温20-30min，然后在95-105℃下保温5-9h，在115-135℃下保温3-8h，然后在145-150℃下保温3-8h，空冷。
本发明所述高强度高韧性铝合金，其组成成分具体选择了Mg、Zn、Cu、RE、Fe、Si、Zr、Ti、Cr、Mn、B、Li、Ag、Al，并调节了各成分的含量，同时优化了铝合金的制备方法，使得到的铝合金强度高、韧性好、耐腐蚀性和耐热性优异；具体地，加入了Zr、RE以及Ti，并控制了Zr、RE、Ti的重量百分比满足以下关系式：0.16％≤Zr+RE≤0.2％，且1.6×Ti≤Zr+RE，在铝合金中形成了尺寸细小、分布均匀的Al3(RE，Zr)等弥散相，有效阻止因位错和亚晶界迁移而导致的亚晶形成、合并和长大，从而稳定合金亚结构并且抑制再结晶，进而提高了合金的强度和韧性；加入了Mg和Ag，其能发生强烈的相互作用，形成了Ag-Mg原子团，通过控制Mg、Ag的重量百分比满足以下关系式：Mg/Ag＝4.2-5.3，调节了合金中强化相的组成，使其能析出耐热析出相，同时控制了S相的形成，提高了合金的耐热性；加入了Si、Mg、Fe、B，控制了Si、Mg、Fe、B的重量百分比满足关系式1.65％≤Si+Mg≤2.17％，且11≤(Fe+3×B+Mg)/Si≤14.2，使四者之间发挥协同作用，其中的Si能取代铝晶格上的部分Al，增加铝基体的空位浓度，增加Fe的扩散速率，B对Si进行掺杂，增加了有效载流子数量，提高了合金的导电率，同时形成了含Fe、Si的第二相及MgSi系金属间化合物，细小弥散分布于基体中，提高了铝合金的韧性和强度，同时在热轧过程中，能减少裂纹的产生，并在时效的过程中有助于形成提高强度的时效析出物，使所得合金强度、韧性和电导率高；加入了Mg、Cu、Mn、Cr，并控制四者的重量百分比满足以下关系式：3.23％≤Mg+Cu+Mn+Cr≤3.63％，调节了体系中的S相，同时提高了合金的再结晶温度，进一步提高了合金的耐热性；在铝合金的制备方法中，将铝合金铸锭进行均匀化处理，控制了均匀化处理的温度和时间，消除了合金中存在的成分偏析、组织不均匀等缺陷，然后在430-450℃下保温120-180min，使合金整体温度均匀，能减少之后热轧过程中裂纹的产生；热轧、退火后进行冷轧，改善了合金的粗大组织，提高了合金的性能；在固溶处理之前进行了深冷变形处理，并控制了深冷变形处理的工艺参数，使晶粒不断细化，在同体积下晶界密度和晶界沉淀相分布密度升高，起到钉扎位错的作用，大大提高了位错在晶界处的滑移阻力，明显提高了合金的强度；在500-515℃下固溶处理100-120min后水淬，提高了铝合金的过饱和程度，减少了粗大的第二相粒子，之后进行时效处理析出了大量细小弥散的强化相，提高了铝合金的强度，在时效处理的过程中，优选在室温下将材料进行单向拉伸，并控制了时效的工艺参数，更有利于晶粒的细化，形成强化效果更大的强化相，同时得到了细小等轴晶，同时改善了合金的强度和耐腐蚀性。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
一种高强度高韧性铝合金，其组成成分按重量百分比包括：Mg：1.3％、Zn：6.9％、Cu：1.05％、Yb：0.16％、Fe：0.08％、Si：0.11％、Zr：0.04％、Ti：0.23％、Cr：0.01％、Mn：0.24％、B：0.14％、Li：0.21％、Ag：0.28％、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Yb中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银；将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中，在770℃下熔炼25min，然后加入剩余原料，熔化后精炼，浇铸后得到铝合金铸锭；
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理，然后在450℃下保温120min，热轧、退火后进行冷轧，然后进行深冷变形处理，固溶处理后水淬，然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金。
实施例2
一种高强度高韧性铝合金，其组成成分按重量百分比包括：Mg：1.5％、Zn：7.1％、Cu：2％、Sc：0.01％、Er：0.07％、Fe：0.08％、Si：0.15％、Zr：0.12％、Ti：0.09％、Cr：0.03％、Mn：0.1％、B：0.07％、Li：0.27％、Ag：0.3％、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Sc中间合金、Al-Er中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银；将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中，在750℃下熔炼55min，然后加入剩余原料，熔化后精炼，浇铸后得到铝合金铸锭；
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理，然后在430℃下保温180min，热轧、退火后进行冷轧，然后进行深冷变形处理，固溶处理后水淬，然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金。
实施例3
一种高强度高韧性铝合金，其组成成分按重量百分比包括：Mg：1.99％、Zn：6.18％、Cu：1.1％、RE：0.07％、Fe：0.15％、Si：0.18％、Zr：0.09％、Ti：0.01％、Cr：0.02％、Mn：0.12％、B：0.07％、Li：0.11％、Ag：0.42％、余量为Al；其中，RE为Y、Ce、La的混合物，且Y、Ce、La的重量比为1∶3∶3。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-RE中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银；将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中，在755℃下熔炼50min，然后加入剩余原料，熔化后精炼，浇铸后得到铝合金铸锭；
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理，然后在445℃下保温130min，热轧、退火后进行冷轧，然后进行深冷变形处理，固溶处理后水淬，然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金；其中，所述均匀化处理的温度为480℃，时间为16h；所述热轧为3道热轧，温度为410℃，总变形量为80％；所述退火的温度为400℃，时间为100min，条件为水淬；所述冷轧为5道冷轧，总变形量为45％；所述固溶处理的温度为510℃，时间为110min；所述深冷变形处理的温度为-185℃，保温时间为8min，深冷变形处理的变形量为35％；所述时效处理的具体工艺包括：在室温下将材料进行单向拉伸，变形量为5％，然后在冰水中保温30min，然后在95℃下保温9h，在115℃下保温8h，然后在145℃下保温8h，空冷。
实施例4
一种高强度高韧性铝合金，其组成成分按重量百分比包括：Mg：1.76％、Zn：6.3％、Cu：1.2％、Ce：0.05％、Y：0.02％、Fe：0.08％、Si：0.16％、Zr：0.09％、Ti：0.01％、Cr：0.03％、Mn：0.24％、B：0.14％、Li：0.11％、Ag：0.35％、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Y中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银；将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中，在765℃下熔炼30min，然后加入剩余原料，熔化后精炼，浇铸后得到铝合金铸锭；
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理，然后在435℃下保温170min，热轧、退火后进行冷轧，然后进行深冷变形处理，固溶处理后水淬，然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金；其中，所述均匀化处理的温度为450℃，时间为22h；所述热轧的温度为400℃，总变形量为85％；所述冷轧的总变形量为55％；所述固溶处理的温度为515℃，时间为100min；所述深冷变形处理的温度为-165℃，保温时间为9min，深冷变形处理的变形量为55％；所述时效处理的具体工艺包括：在室温下将材料进行单向拉伸，变形量为7％，然后在冰水中保温20min，然后在105℃下保温5h，在135℃下保温3h，然后在150℃下保温3h，空冷。
实施例5
一种高强度高韧性铝合金，其组成成分按重量百分比包括：Mg：1.54％、Zn：6.18％、Cu：1.5％、Er：0.16％、Fe：0.08％、Si：0.14％、Zr：0.04％、Ti：0.11％、Cr：0.01％、Mn：0.23％、B：0.07％、Li：0.27％、Ag：0.3％、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Er中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银；将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中，在760℃下熔炼40min，然后加入剩余原料，熔化后精炼，浇铸后得到铝合金铸锭；
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理，然后在440℃下保温150min，热轧、退火后进行冷轧，然后进行深冷变形处理，固溶处理后水淬，然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金；其中，所述均匀化处理的温度为470℃，时间为20h；所述热轧的温度为400℃，总变形量为85％；所述冷轧的总变形量为50％；所述固溶处理的温度为500℃，时间为120min；所述深冷变形处理的温度为-135℃，保温时间为12min，深冷变形处理的变形量为65％；所述时效处理的具体工艺包括：在室温下将材料进行单向拉伸，变形量为6％，然后在冰水中保温25min，然后在100℃下保温8h，在130℃下保温5h，然后在148℃下保温6h，空冷。
实施例6
一种高强度高韧性铝合金，其组成成分按重量百分比包括：Mg：1.7％、Zn：7.1％、Cu：1.6％、Y：0.11％、Fe：0.15％、Si：0.19％、Zr：0.09％、Ti：0.09％、Cr：0.012％、Mn：0.11％、B：0.08％、Li：0.13％、Ag：0.325％、余量为Al。
本发明还提出的一种所述高强度高韧性铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-Y中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银；将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中，在758℃下熔炼32min，然后加入剩余原料，熔化后精炼，浇铸后得到铝合金铸锭；
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理，然后在440℃下保温165min，热轧、退火后进行冷轧，然后进行深冷变形处理，固溶处理后水淬，然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金；其中，所述均匀化处理的温度为470℃，时间为17h；所述热轧的温度为405℃，总变形量为80％；所述冷轧的总变形量为50％；所述固溶处理的温度为505℃，时间为115min；所述深冷变形处理的温度为-170℃，保温时间为8min，深冷变形处理的变形量为45％；所述时效处理的具体工艺包括：在室温下将材料进行单向拉伸，变形量为6％，然后在冰水中保温25min，然后在100℃下保温6h，在130℃下保温4h，然后在145℃下保温7h，空冷。
对比例1
与实施例6的唯一不同仅在于：在铝合金的制备方法中，在S2中，不进行深冷变形处理，冷轧后直接进行固溶处理。
对比例2
与实施例6的唯一不同仅在于：在铝合金的制备方法中，在S2中，先固溶处理后水淬，然后进行深冷变形处理。
对比例3
与实施例6的唯一不同仅在于：在铝合金的制备方法中，在S2中，所述时效处理的具体工艺包括：在100℃下保温6h，在130℃下保温4h，然后在145℃下保温7h，空冷。
对比例4
与实施例6的唯一不同仅在于：其组成成分中不含有Si。
对比例5
与实施例6的唯一不同仅在于：其组成成分中不含有Zr。
对比例6
与实施例6的唯一不同仅在于：其组成成分中不含有Cr和Mn。
对比例7
与实施例6的唯一不同仅在于：其组成成分中不含有Ag。
对本发明实施例6以及对比例1-7的性能进行检测，其中，力学性能按照GB/T 228-2002的标准进行测试，剥落腐蚀测试按照GB/T 22639-2008的标准进行测试，电导率按照GB/T 12966-2008的标准进行测试，测试结果如下表所示：
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强度高韧性铝合金，其特征在于，其组成成分按重量百分比包括：Mg：1.3-2.06％、Zn：6.18-7.1％、Cu：1.05-2％、RE：0.07-0.16％、Fe：0.08-0.15％、Si：0.11-0.23％、Zr：0.04-0.12％、Ti：0.01-0.23％、Cr：0.01-0.03％、Mn：0.1-0.24％、B：0.07-0.14％、Li：0.11-0.27％、Ag：0.28-0.42％、余量为Al；其中，RE为Yb、Sc、Er、Y、Ce、La中的一种或者多种的混合物。
2.根据权利要求1所述高强度高韧性铝合金，其特征在于，Si、Mg、Fe、B的重量百分比满足以下关系式：1.65％≤Si+Mg≤2.17％，且11≤(Fe+3×B+Mg)/Si≤14.2。
3.根据权利要求1所述高强度高韧性铝合金，其特征在于，Zr、RE、Ti的重量百分比满足以下关系式：0.16％≤Zr+RE≤0.2％，且1.6×Ti≤Zr+RE。
4.根据权利要求1所述高强度高韧性铝合金，其特征在于，Mg、Cu、Mn、Cr的重量百分比满足以下关系式：3.23％≤Mg+Cu+Mn+Cr≤3.63％。
5.根据权利要求1-4中任一项所述高强度高韧性铝合金，其特征在于，Mg、Ag的重量百分比满足以下关系式：Mg/Ag＝4.2-5.3。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述高强度高韧性铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按配比称取镁锭、锌锭、铝铜中间合金、Al-RE中间合金、铝铁中间合金、金属硅、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝铬中间合金、锰锭、铝硼中间合金、铝锂中间合金、铝锭和纯银；将金属硅、铝锭、镁锭、锌锭和锰锭加入熔炼炉中，在750-770℃下熔炼25-55min，然后加入剩余原料，熔化后精炼，浇铸后得到铝合金铸锭；
S2、将铝合金铸锭进行均匀化处理，然后在430-450℃下保温120-180min，热轧、退火后进行冷轧，然后进行深冷变形处理，固溶处理后水淬，然后进行时效处理得到所述高强度高韧性铝合金。
7.根据权利要求6所述高强度高韧性铝合金的制备方法，其特征在于，在S2中，所述均匀化处理的温度为450-480℃，时间为16-22h。
8.根据权利要求6所述高强度高韧性铝合金的制备方法，其特征在于，在S2中，所述热轧的温度为400-420℃，总变形量为75-85％；所述冷轧的总变形量为45-55％；所述固溶处理的温度为500-515℃，时间为100-120min。
9.根据权利要求6所述高强度高韧性铝合金的制备方法，其特征在于，在S2中，所述深冷变形处理的温度为-185℃至-135℃，保温时间为8-12min，深冷变形处理的变形量为35-65％。
10.根据权利要求6-9中任一项所述高强度高韧性铝合金的制备方法，其特征在于，在S2中，所述时效处理的具体工艺包括：在室温下将材料进行单向拉伸，变形量为5-7％，然后在冰水中保温20-30min，然后在95-105℃下保温5-9h，在115-135℃下保温3-8h，然后在145-150℃下保温3-8h，空冷。
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