CN112111680A - 一种铝合金及其板材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝合金加工技术领域，具体是一种铝合金，按重量百分比包括：5～15％锌，3～10％镁，0.5～2.0％铜，0.1～0.5％锰，0.02～0.08％锂，0.01～0.1％锆，0.02～0.1％稀土元素，余量为铝；铝合金是采用铝锭、纯锌，铝‑镁中间合金，铝‑铜中间合金，纯锰，纯锂，纯锆和稀土按上述合金含量配制，进行熔炼及铸锭。本发明以铝锭为基体；其中，锌、镁、铜能够大大提高铝合金的硬度；稀土元素能够降低熔融温度，降低铝合金的孔隙率，提高致密度；锂可以增加铝合金的硬度，还可以减轻铝合金的重量；锰能够增加铝合金的强度、硬度和弹性极限，还能够增加铝合金的耐腐蚀性；锆能够提高铝合金的硬度、强度及耐腐蚀性，锆可以细化铸造组织，提高合金的高温塑性性能。

Description

一种铝合金及其板材的制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，具体是一种铝合金及其板材的制备方法。
背景技术
铝合金是以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，是轻金属材料之一。铝合金除具有铝的一般特性外，由于添加合金化元素的种类和数量的不同又具有一些合金的具体特性。铝合金的密度为2.63～2.85g/cm，有较高的强度，比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用。铝合金是制造飞机用的主要材料。铝合金与制造汽车用的软钢比较起来，价格贵、密度小，相对密度为2.8，与软钢相对密度7.8比较，约轻三分之一，尽管强度相差不多，但对飞机来说，材料轻是最主要的，而且耐腐蚀性较强，加工也方便，故铝合金是制造飞机最理想的材料。
随着技术的不断发展，对材料的性能要求越来越高，韧性不足则成为铝合金的应用短板，直接影响材料的耐疲劳性能和使用寿命，而且铝合金在耐高温和抗腐蚀性能方面也有待提高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决上述技术问题，本发明提供一种铝合金及其板材的制备方法，主要用于航天航空领域。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种铝合金，按重量百分比包括：5～15％锌，3～10％镁，0.5～2.0％铜，0.1～0.5％锰，0.02～0.08％锂，0.01～0.1％锆，0.02～0.1％稀土元素，余量为铝；铝合金是采用铝锭、纯锌，铝-镁中间合金，铝-铜中间合金，纯锰，纯锂，纯锆和稀土按上述合金含量配制，进行熔炼及铸锭。
可选地，稀土元素为镧、铈或钇。
可选地，铝合金按重量百分比包括：8～10％锌，5～7％镁，0.8～1.2％铜，0.2～0.4％锰，0.04～0.07％锂，0.05～0.08％锆，0.05～0.07％稀土元素，余量为铝。
本发明还提供一种铝合金板材的制备方法，包括以下具体步骤：
S1：将铝锭加入熔炼炉中熔融，然后将剩余各原料加入熔炼炉中熔融，检测各组分含量后浇注，经挤压成型，得到铸锭；
S2：将铸锭装入热处理加热炉中，在200～300℃下保温1～3小时，使其合金元素均匀的溶入铝基体中，然后在370-390℃下进行热轧，热轧之后进行冷轧，得到板坯；
S3：将轧制变形后的板坯装入热处理炉中进行固化处理，固化温度为650～750℃，固化时间1～2小时，得到铝合金中间板；
S4：将铝合金中间板进行水冷淬火，淬火时间1-1.5小时；
S5：将淬火后的铝合金中间板进行人工时效处理，在150～180℃下保温2～3小时，得到铝合金板材。
可选地，步骤S5之前进行自然时效处理。
可选地，步骤S1中，将铝锭加入熔炼炉中，升温至770～790℃使之熔融，然后将剩余各原料加入熔炼炉中熔融，检测各组分含量后降温至500～545℃，浇注，经挤压成型，得到铸锭。
可选地，步骤S1中加料顺序为加入铝锭，加热至铝熔化后，加入纯锌和稀土保温6～8分钟，再加入铝-镁中间合金和铝-铜中间合金，最后加入纯锰，纯锂和纯锆。
可选地，步骤S5之后，进行拉丝处理。
可选地，铝合金中间板的厚度≥15mm。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的一种铝合金及其板材的制备方法，采用铝锭、纯锌，铝-镁中间合金，铝-铜中间合金，纯锰，纯锂，纯锆和稀土按合金含量配制，进行熔炼及铸锭。其中铝锭为基体；加入的锌、镁、铜能够大大提高铝合金的硬度。加入的稀土元素能够降低熔融温度，降低铝合金的孔隙率，提高致密度。加入的锂不仅可以增加铝合金的硬度，还可以减轻铝合金的重量。加入的锰不仅能够增加铝合金的强度、硬度和弹性极限，而且还能够增加铝合金的耐腐蚀性。加入的锆能够提高铝合金的硬度、强度及耐腐蚀性，锆可以细化铸造组织，提高合金的塑性，尤其是高温塑性性能。
本发明铝合金板材的性能指标为：维氏硬度165～175Hv，断裂韧性5.6～6.5MPa.m1/2，拉伸强度为544～634MPa，延伸率为6～15％，整体性能优异，特别适合用于航空航天领域的铝合金板材。
本发明将上述组分进行配制后，进行熔炼及铸锭，然后通过热处理工序对铸锭进行处理，所制得的铝合金板材具有很高的硬度和断裂韧性，并且耐高温性及耐腐蚀性也得到有效提高。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明提供一种铝合金，按重量百分比包括：5～15％锌，3～10％镁，0.5～2.0％铜，0.1～0.5％锰，0.02～0.08％锂，0.01～0.1％锆，0.02～0.1％稀土元素，余量为铝；铝合金是采用铝锭、纯锌，铝-镁中间合金，铝-铜中间合金，纯锰，纯锂，纯锆和稀土按上述合金含量配制，进行熔炼及铸锭。其中，稀土元素为镧、铈或钇。
本发明提供的铝合金中各个原料优选重量百分比为：8～10％锌，5～7％镁，0.8～1.2％铜，0.2～0.4％锰，0.04～0.07％锂，0.05～0.08％锆，0.05～0.07％稀土元素，余量为铝。
本发明还提供一种铝合金板材的制备方法，包括以下具体步骤：
S1：将铝锭加入熔炼炉中熔融，然后将剩余各原料加入熔炼炉中熔融，检测各组分含量后浇注，经挤压成型，得到铸锭。
S2：将铸锭装入热处理加热炉中，在200～300℃下保温1～3小时，使其合金元素均匀的溶入铝基体中，然后在370-390℃下进行热轧，热轧之后进行冷轧，得到板坯。
S3：将轧制变形后的板坯装入热处理炉中进行固化处理，固化温度为650～750℃，固化时间1～2小时，消除轧制加工硬化，得到铝合金中间板；铝合金中间板的厚度≥15mm。
S4：将铝合金中间板进行水冷淬火，淬火时间1-1.5小时。
S5：将淬火后的铝合金中间板进行人工时效处理，在150～180℃下保温2～3小时，得到铝合金板材，充分的消除淬火加工硬化。
具体地，步骤S5之前进行自然时效处理。步骤S5之后，进行拉丝处理。
具体地，步骤S1中，将铝锭加入熔炼炉中，升温至770～790℃使之熔融，然后将剩余各原料加入熔炼炉中熔融，检测各组分含量后降温至500～545℃，浇注，经挤压成型，得到铸锭。步骤S1中加料顺序为加入铝锭，加热至铝熔化后，加入纯锌和稀土保温6～8分钟，再加入铝-镁中间合金和铝-铜中间合金，最后加入纯锰，纯锂和纯锆。
本发明提供的一种铝合金及其板材的制备方法，采用铝锭、纯锌，铝-镁中间合金，铝-铜中间合金，纯锰，纯锂，纯锆和稀土按合金含量配制，进行熔炼及铸锭。其中铝锭为基体；加入的锌、镁、铜能够大大提高铝合金的硬度。加入的稀土元素能够降低熔融温度，降低铝合金的孔隙率，提高致密度。加入的锂不仅可以增加铝合金的硬度，还可以减轻铝合金的重量。加入的锰不仅能够增加铝合金的强度、硬度和弹性极限，而且还能够增加铝合金的耐腐蚀性。加入的锆能够提高铝合金的硬度、强度及耐腐蚀性，锆可以细化铸造组织，提高合金的塑性，尤其是高温塑性性能。
本发明将上述组分进行配制后，进行熔炼及铸锭，然后通过热处理工序对铸锭进行处理，所制得的铝合金板材具有很高的硬度和断裂韧性，并且耐高温性及耐腐蚀性也得到有效提高。
以下结合具体实施例，说明本发明制备方法的特点和技术效果。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1-7
实施例1-7的铝合金板材制备的工艺参数条件见表1所示：
表1实施例1-7中铝合金板材制备的工艺参数条件
Figure BDA0002687751130000051
Figure BDA0002687751130000061
实施例性能测试
对实施例1-7制得的铝合金板材的性能进行测试，结果见表2所示。
表2实施例1-7制得的铝合金板材的性能测试结果
实施例 维氏硬度(Hv) 断裂韧性(MPa.m<sup>1/2</sup>) 拉伸强度(MPa) 延伸率(％)
1 172 5.6 544 6
2 166 5.9 625 8
3 170 6.5 568 7
4 165 6.1 634 15
5 175 6.2 633 13
6 171 5.9 596 11
7 169 5.7 620 10
从表2可以看出，实施例1-7所制得的铝合金板材的性能指标为：维氏硬度165～175Hv，断裂韧性5.6～6.5MPa.m1/2，拉伸强度为544～634MPa，延伸率为6～15％，整体性能优异，特别适合用于航空航天领域的铝合金板材，尤其实施例5得到的铝合金板材的性能最为优异。
对比例1
对比例1与实施例5的其他条件都相同，不同之处在于所采用的原料没有加入稀土，将原料铝的用料改为83.57％。经检测，其制成的铝合金板材的硬度约为163Hv，断裂韧性3.1MPa.m1/2，拉伸强度为269MPa，延伸率为5％。
对比例2
对比例2与实施例5的其他条件都相同，不同之处在于所采用的原料没有加入锰，将原料铝的用料改为83.81％。经检测，其制成的铝合金板材的硬度约为150Hv，断裂韧性3.5MPa.m1/2，拉伸强度为287MPa，延伸率为5％。
对比例3
对比例3与实施例5的其他条件都相同，不同之处在于所采用的原料没有加入锆，将原料铝的用料改为83.58％。经检测，其制成的铝合金板材的硬度约为152Hv，断裂韧性3.3MPa.m1/2，拉伸强度为282MPa，延伸率为6％。
由上述的对比例也可以看出，添加锰和锆后得到的铝合金板材与不添加锰和锆得到的铝合金板材相比，进一步地提高了铝合金板材的维氏硬度、拉伸强度及延伸率；添加稀土元素后得到的铝合金板材与不添加稀土元素得到的铝合金板材相比，进一步地提高了铝合金板材的断裂韧性和拉伸强度。
总之，采用本发明的原料配比以及制作工艺，可以进一步地提高铝合金的机械性能。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种铝合金，其特征在于，按重量百分比包括：5～15％锌，3～10％镁，0.5～2.0％铜，0.1～0.5％锰，0.02～0.08％锂，0.01～0.1％锆，0.02～0.1％稀土元素，余量为铝；
所述铝合金是采用铝锭、纯锌，铝-镁中间合金，铝-铜中间合金，纯锰，纯锂，纯锆和稀土按上述合金含量配制，进行熔炼及铸锭。
2.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述稀土元素为镧、铈或钇。
3.如权利要求1所述的铝合金，其特征在于，所述铝合金按重量百分比包括：8～10％锌，5～7％镁，0.8～1.2％铜，0.2～0.4％锰，0.04～0.07％锂，0.05～0.08％锆，0.05～0.07％稀土元素，余量为铝。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的铝合金板材的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1：将铝锭加入熔炼炉中熔融，然后将剩余各原料加入熔炼炉中熔融，检测各组分含量后浇注，经挤压成型，得到铸锭；
S2：将铸锭装入热处理加热炉中，在200～300℃下保温1～3小时，使其合金元素均匀的溶入铝基体中，然后在370-390℃下进行热轧，热轧之后进行冷轧，得到板坯；
S3：将轧制变形后的板坯装入热处理炉中进行固化处理，固化温度为650～750℃，固化时间1～2小时，得到铝合金中间板；
S4：将铝合金中间板进行水冷淬火，淬火时间1-1.5小时；
S5：将淬火后的铝合金中间板进行人工时效处理，在150～180℃下保温2～3小时，得到铝合金板材。
5.如权利要求4所述的一种铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤S5之前进行自然时效处理。
6.如权利要求4所述的一种铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，将铝锭加入熔炼炉中，升温至770～790℃使之熔融，然后将剩余各原料加入熔炼炉中熔融，检测各组分含量后降温至500～545℃，浇注，经挤压成型，得到铸锭。
7.如权利要求4所述的一种铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中加料顺序为加入铝锭，加热至铝熔化后，加入纯锌保温6～8分钟，再加入铝-镁中间合金和铝-铜中间合金，最后加入纯锰，纯锂，纯锆和稀土。
8.如权利要求4所述的一种铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述步骤S5之后，进行拉丝处理。
9.如权利要求4所述的一种铝合金板材的制备方法，其特征在于，所述铝合金中间板的厚度≥15mm。
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