CN111996425A - 一种高强Al-Zn-Mg-Cu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Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金及其制备方法,涉及铝合金领域,按重量百分比,包括以下成分:Si:≤0.5%,Fe:≤0.5%,Zn:5.0‑7.0%,Cu:2.0‑3.0%,Mg:1.5‑3.0%,Sc:0.15‑0.35%,Zr:0.1‑0.2%,Y:0.1‑0.3%,余量为铝及不可除杂质。制备方法为:熔炼、模具、精炼除杂除气、浇注、均匀化热处理、三维大变形锻造预变形、等温变形加工、热处理。所用铸造模具为金属模具作为内模、环绕冷却管,砂型模具作为外模的特殊组合模具,制备得到高质量、高性能铸件;所述热处理为固溶处理+梯度时效处理。本发明所制备的Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金,强度达650MPa,伸长率为10‑13%,在强度提高的同时,实现了伸长率的提升,提高了使用寿命,在高强铝合金领域具有重要的价值。
Description
技术领域
本发明提供了一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法,属于铝合金领域。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu铝合金具有密度低,强度高,塑性优异的特点,同时具备优良导电和导热性能,在工业领域有着广泛的应用,尤其在航天航空领域,是航空飞行器重要的结构材料,飞机机身接头、框架、轮毂等支撑结构零部件均采用了铝合金。
目前使用的Al-Zn-Mg-Cu铝合金的抗拉强度、抗疲劳性能较低,需要进一步优化显微组织,改善性能,满足航天航空需求。中国专利CN107502796A公开了一种Sc-Zr-Yb复合增强Al-Zn-Mg合金及其制备方法,成分包括5.8-6.9%的Zn,2.0-2.5%的Mg,0.1-0.15%的Zr,0.09-0.15%的Sc,0.2-0.4%的Yb,以及余量的Al,合金经轧制变形,固溶、时效处理,强度达到537MPa。中国专利CN102127665A公开了一种可作为超高强铸造铝合金使用的Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr-RE合金及其制备方法,成分包括:Zn:7.0-8.0%,Mg:1.5-2.5%,Cu:1.4-2.0%,Mn:0.2-0.5%,Sc:0.15-0.25%,Zr:0.1-0.2%,Er或Yb:0.1-0.3%,余量为铝,合金经固溶时效处理后,强度可达605MPa,伸长率为7.0%。
本发明提供一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法,采用Sc、Zr、Y微合金化,结合铸造工艺控制制备高质量铸锭,采用三维大变形多向锻造对铸锭进行预变形处理,然后进行等温挤压或等温锻造变形加工,在避免提高变形储能的同时,实现亚结构强化,固溶及时效热处理后所制备合金强度达610MPa,伸长率达到10-13%。
发明内容:
本发明针对Al-Zn-Mg-Cu铝合金的抗拉强度、抗疲劳性能较低的问题,提供一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金及其制备方法,采用Sc、Zr、Y微合金化,结合铸造工艺控制制备高质量铸锭,采用三维大变形多向锻造对铸锭进行预变形处理,然后进行等温挤压或等温锻造变形加工,在避免提高变形储能的同时,实现亚结构强化,结合固溶+时效热处理,达到同时提高铝合金强度以及伸长率的目的。
本发明提供一种高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,按重量百分比,包括以下成分:Si:≤0.5%,Fe:≤0.5%,Zn:5.0-7.0%,Cu:2.0-3.0%,Mg:1.0-2.0.0%,Sc:0.15-0.35%,Zr:0.1-0.2%,Y:0.1-0.3%,Sc与Zr按质量比Sc:Zr=1-3:1添加,余量为铝及不可除杂质。
进一步该铝合金按重量百分比,包括以下成分:Si:≤0.5%,Fe:≤0.5%,Zn:5.6-6.5%,Cu:2.0-2.6%,Mg:1.9-3.0%,Sc:0.2-0.3%,Zr:0.12-0.15%,Y:0.2-0.3%,Sc与Zr按质量比Sc:Zr=1-3:1添加,余量为铝及不可除杂质。
进一步该铝合金按重量百分比,包括以下成分:Si:≤0.5%,Fe:≤0.5%,Zn:6.0-6.5%,Cu:2.0-2.6%,Mg:2.0-2.6%,Sc:0.26%,Zr:0.13%,Sc:Zr=2:1,Y:0.3%,余量为铝及不可除杂质。
如上所述一种高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金及其制备方法,按以下步骤进行:
A、熔炼:以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锌中间合金、铝锆中间合金、铝钇中间合金为原料。其中,高纯铝纯度≥99.9%,工业纯镁的纯度≥99.9%,铝铜中间合金中铜的含量≥50.0%,铝钪中间合金中钪的含量≥1.0%,铝锆中间合金中锆的含量≥10.0%,铝锌中间合金中锌的含量≥20.0%,铝钇中间合金中钇的含量≥10.0%;按配比称取原料,装入电阻炉内,加热熔融;
B、模具:依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚大于等于30mm)充当内模,从钢模具外壁底部向上环绕冷却管,管内通入冷却水,冷却水温度和流量可以控制,采用砂型模具作为外模,其中钢模具与砂型模具厚度比为1:(2-5),浇注系统采用钢模具浇注系统;通过控制冷却水温度和流量控制冷却速度;
C、精炼、除杂、除气:待金属熔体完全合金化之后,将除渣剂加入合金熔体中进行聚渣,并同时通入氩气,时间10-20分钟,静置、扒渣;重复上述过程2-3次;然后将铝合金熔体静置,时间大于20分钟;
D、浇注:待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕,保持熔体温度720±5℃,浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固,得到铸锭;
E、均匀化热处理:将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃,并保温13-15h,出炉空冷至室温;
F:锻造预变形:将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420-430℃并保温45min,进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤3-5次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料;
G、等温变形加工:将步骤F获得的多菱形柱状坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min,挤压比为(10-20):1,挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1;或等温锻造,坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min,锻造时液压机下压速度0.05mm/s;
H、热处理:先进行固溶处理,等温变形加工件升温至480-490℃,保温1.0-2.0h,水淬;再进行梯度时效处理,首先将固溶处理件加热至110-130℃,保温3.0-5.0h,随后升温至160-180℃保温5.0-10.0h,空冷,得到制件。
上述方案的进一步改进:步骤A中加热后熔体温度为750-800℃。
上述方案的进一步改进:依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚大于等于30mm)充当内模;从钢模具外壁底部向上环绕冷却管,管内通入冷却水,冷却水的温度可进行控制,冷却水流量通过压力和冷却管直径控制,进而调控冷却速度;采用砂型模具作为外模,其中钢模具与砂型模具厚度比为1:(2-5),浇注系统采用钢模具浇注系统。
上述方案的进一步改进:步骤C中精炼除渣时向合金熔体中加入除渣剂,并同时通入氩气,时间10-20分钟,静置、扒渣,重复上述过程2-3次;然后将铝合金熔体静置,时间大于20分钟。
上述方案的进一步改进:步骤E中对获得的铸锭进行均匀化处理,将铸锭加热至480±10℃,并保温13-15h,出炉空冷至室温。
上述方案的进一步改进:步骤F中将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420-430℃并保温45min,进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤3-5次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料;
上述方案的进一步改进:步骤G中采用等温变形加工工艺,坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min,挤压比为(10-20):1,挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1;或等温锻造,坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min,锻造时液压机下压速度0.05mm/s。
上述方案的进一步改进:步骤H中对等温变形加工件进行固溶处理:升温至480-490℃,保温1.0-2.0h,出炉水淬。
上述方案的进一步改进:步骤H中对固溶处理的铝合金进行梯度时效处理,首先将固溶处理件加热至110-130℃,保温3.0-5.0h,随后升温至160-180℃保温5.0-10.0h,空冷,得到制件。
本发明的优点和积极效果:
1.本发明采用Sc、Y和Zr进行铝合金微合金化,在铝合金中会形成弥散分布的第二相,提高再结晶温度,还可以同时形成Al3(ScxZr1-x)复合相,该相具有更高的热稳定性,因此制备的铝合金具备更高的强度及热稳定性,提高了服役寿命和温度。
2.本发明制备工艺严格控制材料纯度,降低Fe、Si元素含量,避免形成粗大的脆性相,影响合金塑性;同时利用Y、Sc和Zr等微合金化元素细化晶粒,改善合金元素偏聚程度,提高合金力学性能。
3.本发明采用三维大变形多向锻造技术对合金铸锭进变形处理,使铸锭组织得到均匀化,特别是粗大第二相得到充分破碎和均匀化,改善合金综合性能,为后续变形加工提供组织均匀的坯料。结合等温挤压或等温锻造变形加工,得到变形均匀、第二相尺寸细小分布均匀的变形组织,优异的力学性能。
4.本发明采用梯度时效,低温时效和高温时效协同作用,形成均匀分布的多尺度纳米第二相,有效提高组织均匀性和力学性能。
5.本发明铝合金的铸造模具采用金属型模具作为内模,环绕水冷却管,再采用砂型模具作为外模,既提高冷却速度,细化晶粒,又降低模具制作成本,同时保证了铸锭的质量。通过控制水冷却水温高、水流量,与砂型外模协同调节熔体凝固速率,进而调控铸锭组织,提高了铸件表层与中心部位的晶粒尺寸均匀性和成分均匀性,得到组织、成分均匀的铸件。
6.本发明提供的工艺操作简单,有效避免了砂型模具因冷却速度慢,熔体直接与型砂接触,导致铸锭容易产生夹砂,组织粗大等缺陷;金属型模具冷却速度快,但铸件表层与中心部位之间组织均匀性差,为了提高组织均匀性需要加大模具尺寸,导致金属模具成本高、加工难度大等问题;本发明工艺操作简单,生产成本低,铸锭产品质量好,组织致密,性能优异;相比于采用砂型模具铸造,铸锭力学性能优;相比于金属型铸造,可有效调控中心部位组织,制备的铸件表层与中心部位的组织均匀性和成分均匀性好;所制备的铝合金铸件组织致密、晶粒尺寸小、成分均匀,利于铝合金塑性加工。
7.本发明制备的铝合金强度达650MPa,伸长率提升至10-13%,在强度提高的基础上,实现了伸长率的提升,综合性能优异,对高强高韧铝合金具有重大意义。
附图说明
为了使本发明的技术方案及有益效果更加清晰,提供如下附图进一步说明:
图1为实施例1制备的Al-Zn-Mg-Cu铝合金铸锭的金相显微组织照片。
具体实施方式
以下结合实施例及对比例对本发明作进一步描述。
实施例一:
一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金,合金组成按重量百分含量:铜含量2.3%,Mg含量为2.4%,锌含量6.2%,Si:≤0.5%,Fe:≤0.5%,Sc含量为0.26%,Zr含量为0.13%,Sc:Zr=2:1,Y:0.3%,余量为铝。
具体制备方法、步骤为:
A、熔炼:以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锌中间合金、铝锆中间合金为原料。其中,高纯铝纯度为99.9%,工业纯镁的纯度为99.9%,铝铜中间合金中铜的含量为50.0%,铝钪中间合金中钪的含量为2.0%,铝锆中间合金中锆的含量为40.0%,铝锌中间合金中锌的含量为20.0%,铝钇中间合金中钇的含量10%,按配比称取原料,装入电阻炉内,加热熔融,熔体温度为750-800℃;
B、模具:依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚等于30mm)充当内模,从钢模具外壁底部向上环绕冷却管,管内通入冷却水,水温10℃,流速1m/s,采用砂型模具作为外模,其中钢模具砂型模具厚度比为1:2,浇注系统采用钢模具浇注系统;
C、精炼、除杂、除气:待金属熔体完全合金化之后,将除渣剂加入合金熔体中进行聚渣,并同时通入氩气,时间20分钟,静置、扒渣,重复上述过程2次,然后将铝合金熔体静置,时间为25分钟;
D、浇注:待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕,保持熔体温度723℃,浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固,得到铸锭;
E、均匀化热处理:将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃,并保温14h,出炉空冷至室温;
F:锻造预变形:将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min,利用液压机进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤4次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料;
G、等温挤压:将步骤E获得的铸锭在420℃保温1.5h,模具在420℃保温30min。进行挤压时,挤压比为15:1,挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1;
H、热处理:先进行固溶处理,等温变形加工件升温至480℃,保温1.0h,水淬;再进行梯度时效处理,首先将固溶处理件加热至120℃,保温5.0h,随后升温至160-180℃保温8.0h,空冷,得到制件。
实施例二:
一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金,合金组成按重量百分含量:铜含量2.3%,镁含量2.4%,锌含量6.2%,Sc含量为0.3%,Zr含量为0.1%,Sc:Zr=3:1,Y:0.3%,余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为:
A、熔炼:以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锌中间合金、铝锆中间合金为原料。其中,高纯铝纯度为99.9%,工业纯镁的纯度为99.9%,铝铜中间合金中铜的含量为50.0%,铝钪中间合金中钪的含量为2.0%,铝锆中间合金中锆的含量为40.0%,铝锌中间合金中锌的含量为20.0%,铝钇中间合金中钇的含量10%,按配比称取原料,装入电阻炉内,加热熔融,熔体温度为750-800℃;
B、模具:依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚等于30mm)充当内模,从钢模具外壁底部向上环绕冷却管,管内通入冷却水,水温10℃,流速1m/s,采用砂型模具作为外模,其中钢模具砂型模具厚度比为1:2,浇注系统采用钢模具浇注系统;
C、精炼、除杂、除气:待金属熔体完全合金化之后,将除渣剂加入合金熔体中进行聚渣,并同时通入氩气,时间20分钟,静置、扒渣,重复上述过程2次,然后将铝合金熔体静置,时间为25分钟;
D、浇注:待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕,保持熔体温度723℃,浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固,得到铸锭;
E、均匀化热处理:将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃,并保温14h,出炉空冷至室温;
F:锻造预变形:将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min,取出在液压机进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤4次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料;
G、等温挤压:将步骤E获得的铸锭在420℃保温1.5h,模具在420℃保温30min。进行挤压时,挤压比为15:1,挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1;
H、热处理:先进行固溶处理,等温变形加工件升温至480℃,保温1.0h,水淬;再进行梯度时效处理,首先将固溶处理件加热至120℃,保温5.0h,随后升温至170℃保温8.0h,空冷,得到制件。
对比例一:
一种未含Sc和Zr的Al-Zn-Mg-Cu铝合金,合金组成按重量百分含量:铜含量2.3%,镁含量2.4%,锌含量6.2%,余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为:
A、熔炼:以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锌中间合金、铝锆中间合金为原料。其中,高纯铝纯度为99.9%,工业纯镁的纯度为99.9%,铝铜中间合金中铜的含量为50.0%,铝锌中间合金中锌的含量为20.0%。按配比称取原料,装入电阻炉内,加热熔融,熔体温度为750-800℃;
B、模具:依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚等于30mm)充当内模,从钢模具外壁底部向上环绕冷却管,管内通入冷却水,水温10℃,流速1m/s,采用砂型模具作为外模,其中钢模具砂型模具厚度比为1:2,浇注系统采用钢模具浇注系统;
C、精炼、除杂、除气:待金属熔体完全合金化之后,将除渣剂加入合金熔体中进行聚渣,并同时通入氩气,时间20分钟,静置、扒渣,重复上述过程2次,然后将铝合金熔体静置,时间为25分钟;
D、浇注:待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕,保持熔体温度723℃,浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固,得到铸锭;
E、均匀化热处理:将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃,并保温14h,出炉空冷至室温;
F:锻造预变形:将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min,利用液压机进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤4次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料;
G、等温挤压:将步骤E获得的铸锭在420℃保温1.5h,模具在420℃保温30min。进行挤压时,挤压比为15:1,挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1;
H、热处理:先进行固溶处理,等温变形加工件升温至480℃,保温1.0h,水淬;再进行梯度时效处理,首先将固溶处理件加热至120℃,保温5.0h,随后升温至170℃保温8.0h,空冷,得到制件。
对比例二:
一种Al-Zn-Mg-Cu铝合金,合金组成按重量百分含量:铜含量2.3%,镁含量2.4%,锌含量6.2%,Sc含量为0.26%,Zr含量为0.13%,Sc:Zr=2:1,Y:0.3%,余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为:
A、熔炼:以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锌中间合金、铝锆中间合金为原料。其中,高纯铝纯度为99.9%,工业纯镁的纯度为99.9%,铝铜中间合金中铜的含量为50.0%,铝锌中间合金中锌的含量为20.0%,铝钇中间合金中钇的含量10%,按配比称取原料,装入电阻炉内,加热熔融,熔体温度为750-800℃;
B、模具:依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚等于30mm)充当内模,从钢模具外壁底部向上环绕冷却管,管内通入冷却水,水温10℃,流速1m/s,采用砂型模具作为外模,其中钢模具砂型模具厚度比为1:2,浇注系统采用钢模具浇注系统;
C、精炼、除杂、除气:待金属熔体完全合金化之后,将除渣剂加入合金熔体中进行聚渣,并同时通入氩气,时间20分钟,静置、扒渣,重复上述过程2次,然后将铝合金熔体静置,时间为25分钟;
D、浇注:待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕,保持熔体温度723℃,浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固,得到铸锭;
E、均匀化热处理:将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃,并保温14h,出炉空冷至室温;
F:锻造预变形:将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min,利用液压机进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤4次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料;
G、等温挤压:将步骤E获得的铸锭在420℃保温1.5h,模具在420℃保温30min。进行挤压时,挤压比为15:1,挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1;
H、热处理:挤压件升温至480℃,保温1.0h,出炉后进行水淬,控制淬火转移时间1.5s内;再进行时效处理,升温至120℃,保温13.0h,随后取出空冷。
对比例三:
一种Al-Zn-Mg-Cu铝合金,合金组成按重量百分含量:铜含量2.3%,镁含量2.4%,锌含量6.2%,Sc含量为0.05%,Zr含量为0.1%,Sc:Zr=1:2,Y:0.2%,余量为纯铝余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为:
A、熔炼:以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锌中间合金、铝锆中间合金为原料。其中,高纯铝纯度为99.9%,工业纯镁的纯度为99.9%,铝铜中间合金中铜的含量为50.0%,铝锌中间合金中锌的含量为20.0%,铝钇中间合金中钇的含量10%,按配比称取原料,装入电阻炉内,加热熔融,熔体温度为750-800℃;
B、模具:依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具(壁厚等于30mm)充当内模,从钢模具外壁底部向上环绕冷却管,管内通入冷却水,水温10℃,流速1m/s,采用砂型模具作为外模,其中钢模具砂型模具厚度比为1:2,浇注系统采用钢模具浇注系统;
C、精炼、除杂、除气:待金属熔体完全合金化之后,将除渣剂加入合金熔体中进行聚渣,并同时通入氩气,时间15分钟,静置、扒渣,重复上述过程3次,然后将铝合金熔体静置,时间为25分钟;
D、浇注:待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕,保持熔体温度723℃,浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固,得到铸锭;
E、均匀化热处理:将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃,并保温14h,出炉空冷至室温;
F:锻造预变形:将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min,利用液压机进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤4次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料;
G、等温挤压:将步骤E获得的铸锭在420℃保温1.5h,模具在420℃保温30min。进行挤压时,挤压比为15:1,挤压速度确保铸锭应变速率为0.1s-1;
H、热处理:先进行固溶处理,等温变形加工件升温至480℃,保温1.0h,水淬;再进行梯度时效处理,首先将固溶处理件加热至120℃,保温5.0h,随后升温至170℃保温8.0h,空冷,得到制件。
对比例四:
一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金,合金组成按重量百分含量:铜含量2.3%,镁含量2.4%,锌含量6.2%,Sc含量为0.3%,Zr含量为0.1%,Sc:Zr=3:1,Y:0.3%,余量为纯铝。
具体制备方法、步骤为:
A、熔炼:以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锌中间合金、铝锆中间合金为原料。其中,高纯铝纯度为99.9%,工业纯镁的纯度为99.9%,铝铜中间合金中铜的含量为50.0%,铝钪中间合金中钪的含量为2.0%,铝锆中间合金中锆的含量为40.0%,铝锌中间合金中锌的含量为20.0%。按配比称取原料,装入电阻炉内,加热熔融,熔体温度为750-800℃;
B、模具:依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具;
C、精炼、除杂、除气:待金属熔体完全合金化之后,将除渣剂加入合金熔体中进行聚渣,并同时通入氩气,时间20分钟,静置、扒渣,重复上述过程2次,然后将铝合金熔体静置,时间为25分钟;
D、浇注:待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕,保持熔体温度723℃,浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固,得到铸锭;
E、均匀化热处理:将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃,并保温14h,出炉空冷至室温;
F:锻造预变形:将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420℃并保温45min,利用液压机进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤4次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料;
G、等温挤压:将步骤E获得的铸锭在420℃保温1.5h,模具在420℃保温30min。进行挤压时,挤压比为15:1,挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1;
H、热处理:先进行固溶处理,等温变形加工件升温至480℃,保温1.0h,水淬;再进行梯度时效处理,首先将固溶处理件加热至120℃,保温5.0h,随后升温至170℃保温8.0h,空冷,得到制件。
性能测试:
对上述实施例及对比例铝合金成品进行检测,拉伸试样尺寸依据GB/T228.1-2010加工,结果取其平均值。检测结果如表1所示。
表1
实施例一 | 实施例二 | 对比例一 | 对比例二 | 对比例三 | 对比例四 | |
σ<sub>b</sub> | 650MPa | 620MPa | 568MPa | 592MPa | 594MPa | 566MPa |
δ/% | 11 | 13 | 9 | 12 | 10.9 | 11.2 |
以上仅为本发明较佳实施例并不用以限制本发明,凡在本发明的原则之内所做的任何修改、替换等,均包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金,其特征在于,按重量百分比,包括以下成分:Zn:5.0-7.0%,Cu:2.0-3.0%,Mg:1.0-2.0.0%,Si:≤0.5%,Fe:≤0.5%,Sc:0.15-0.35%,Zr:0.1-0.2%,Y:0.1-0.3%,Sc与Zr按质量比Sc:Zr=1-3:1添加,余量为铝及不可除杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金,其特征在于,按重量百分比,包括以下成分:Zn:5.6-6.5%,Cu:2.0-2.6%,Mg:1.9-3.0%,Si:≤0.5%,Fe:≤0.5%,Sc:0.2-0.3%,Zr:0.12-0.15,Y:0.2-0.3%,Sc与Zr按质量比Sc:Zr=1-3:1添加,余量为铝及不可除杂质。
3.根据权利要求1-2所述的一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金,其特征在于,按重量百分比,包括以下成分:Zn:6.0-6.5%,Cu:2.0-2.6%,Mg:2.0-2.6%,Si:≤0.5%,Fe:≤0.5%,Sc:0.26%,Zr:0.13%,Sc:Zr=2:1,Y:0.3%,余量为铝及不可除杂质。
4.如权利要求1-3所述一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法,其特征在于,按以下步骤进行:
A、熔炼:以高纯铝、高纯镁、铝铜中间合金、铝钪中间合金、铝锌中间合金、铝锆中间合金、铝钇中间合金为原料。其中,高纯铝纯度≥99.9%,工业纯镁的纯度≥99.9%,铝铜中间合金中铜的含量≥50.0%,铝钪中间合金中钪的含量≥1.0%,铝锆中间合金中锆的含量≥10.0%,铝锌中间合金中锌的含量≥20.0%,铝钇中间合金中钇的含量≥10.0%;按配比称取原料,装入电阻炉内,加热熔融;
B、模具:依据铝合金铸锭尺寸设计并制备一定尺寸的钢模具.钢模具的壁厚大于等于30mm,充当内模,从钢模具外壁底部向上环绕冷却管,管内通入冷却水,冷却水温度和流量可以控制,采用砂型模具作为外模,其中钢模具与砂型模具厚度比为1:(2-5),浇注系统采用钢模具浇注系统;通过控制冷却水温度和流量控制冷却速度
C、精炼、除杂、除气:待金属熔体完全合金化之后,将除渣剂加入合金熔体中进行聚渣,并同时通入氩气,时间10-20分钟,静置、扒渣,重复上述操作2-3次,然后将铝合金熔体静置,时间大于20分钟;
D、浇注:待铝合金熔体精炼、除杂、除气完毕,保持熔体温度720±5℃,浇注至B所设计制备的模具中冷却凝固,得到铸锭;
E、均匀化热处理:将步骤D获得的铸锭加热至480±10℃,并保温13-15h,出炉空冷至室温;
F:锻造预变形:将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420-430℃并保温45min,进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤3-5次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料;
G、等温变形加工:将步骤E获得的坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min,挤压比为(10-20):1,挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1;或等温锻造,坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min,锻造时液压机下压速度0.05mm/s;
H、热处理:先进行固溶处理,等温变形加工件升温至480-490℃,保温1.0-2.0h,水淬;再进行梯度时效处理,首先将固溶处理件加热至110-130℃,保温3.0-5.0h,随后升温至160-180℃保温5.0-10.0h,空冷,得到制件。
5.根据权利要求4所述的一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法,其特征在于,步骤A:加热后熔体温度为750-800℃。
6.根据权利要求4所述的一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法,其特征在于,步骤C:精炼除渣时向合金熔体中加入除渣剂,并同时通入氩气,时间10-20分钟,静置、扒渣,重复上述过程2-3次;然后将铝合金熔体静置,时间大于20分钟。
7.根据权利要求4所述的一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法,其特征在于,步骤E:对获得的铸锭进行均匀化处理,将铸锭加热至480±10℃,并保温13-15h,出炉空冷至室温。
8.根据权利要求4所述的一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法,其特征在于,步骤F:将步骤E获得的均匀化铸锭在电阻炉中加热至420-430℃并保温45min,进行三维大变形多向锻造,压下速率2mm/s;第一次变形:在最大尺寸方向(Y轴向)进行压下变形,当应变达到0.5时,进行第一次翻转换向变形:沿着径向(X轴向)即垂直于第一次加压方向(Y轴向)进行换向多次变形,得到多菱形柱状坯料,当应变达到0.5时,进行第二次翻转换向变形:沿着X轴向和Y轴向之间夹角最大尺寸方向进行换向多次变形,得到球状多面体;重复上述步骤3-5次;最后沿X轴方向换向变形,得到多菱形柱状坯料。
9.根据权利要求4所述的一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法,其特征在于,步骤G:采用等温变形工艺,坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min,挤压比为(10-20):1,挤压速度需确保铸锭应变速率为0.1s-1;或等温锻造,坯料在420-450℃保温1.5h,模具在420-450℃保温30min,锻造时液压机下压速度0.05mm/s;
步骤H:对等温变形加工件进行固溶处理,升温至480-490℃,保温1.0-2.0h,出炉水淬。
10.根据权利要求9所述的一种高强Al-Zn-Mg-Cu铝合金的制备方法,其特征在于,步骤H:对固溶处理的铝合金进行梯度时效处理,首先将固溶处理件加热至110-130℃,保温3.0-5.0h,随后升温至160-180℃保温5.0-10.0h,空冷,得到制件。
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