CN112267050A - 一种高强韧5系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韧5系铝合金及其制备方法，属于铝合金制备技术领域。所述的高强韧5系铝合金包括以下原料：Si≤0.12%、Fe≤0.3%、Cu≤0.1%、Mn 0.8‑1.0%、Mg 6.2‑6.7%、Zn≤0.2%，Ti≤0.1%、Sc≤0.2%、Er 0.1‑0.2%、Zr 0.08‑0.1%，余量为Al和其他不可避免的杂质元素；其中Er+Zr用量为0.18‑0.3%；Ti：Sc：Zr的用量比例为（0.05‑0.1）：（0.16‑0.2）：（0.08‑0.1）；Sc:Zr=2:1。本发明通过调整Ti、Sc、Zr用量，使该三组分在制备5系铝合金时协同提高了铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率。
Description
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域，具体涉及一种高强韧5系铝合金及其制备方法。
背景技术
铝及铝合金在近代工业尤其是高铁、汽车及舰船产业中的地位越来越显著，由于其较高的比强度、良好的加工性及高的性价比等优点，已成为交通工具轻量化的首选材料。5系铝合金广泛应用于高铁外板、补强板及舰船甲板等承载结构中，主要配用ER5356焊丝，但目前国产5系铝合金的性能较差。
中国专利申请文献“一种激光同轴送粉增材制造铝合金粉末及其在修复5系铝合金中的应用（申请号为：202010630989.X） ”公开了一种铝合金粉末，按照质量百分比，由以下组份组成：Si：0.4-1.5wt％，Mg：0.5-5.0wt％，Cu：0.15-0.8wt％，Mn：0.05-0.9wt％，Zn：0.15-0.7wt％，Cr：0.01-1.0wt％，Ti：0.2-1.2wt％，Fe：0.1-2.0wt％，Zr：0.2-2.1wt％，Sc：0.2-2.1wt％，Ni：0.15-0.65wt％，TiB2：0.2-2.5wt％，Ce：0.1-0.9wt％，余量为Al。该铝合金粉末用于修复5系铝合金的裂缝能够提高涂层的硬度和耐磨性，但是该配方制得的5系铝合金存在抗拉强度、屈服强度、延伸率较差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强韧5系铝合金及其制备方法，以解决在中国专利申请文献“一种激光同轴送粉增材制造铝合金粉末及其在修复5系铝合金中的应用（专利号为：CN202010630989.X） ”公开的基础上，如何优化组分、用量、工艺等，提高5系铝合金存在抗拉强度、屈服强度、延伸率的问题。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高强韧5系铝合金，所述高强韧5系铝合金包括以下原料：Si≤0.12%、Fe≤0.3%、Cu≤0.1%、Mn 0.8-1.0%、Mg 6.2-6.7%、Zn≤0.2%，Ti≤0.1%、Sc≤0.2%、Er 0.1-0.2%、Zr0.08-0.1%，余量为Al和其他不可避免的杂质元素；
其中Er+Zr用量为0.18-0.3%；Ti：Sc：Zr的用量比例为（0.05-0.1）：（0.16-0.2）：（0.08-0.1）；Sc:Zr=2:1。
所述Ti为金属内部具有逐渐变化阶梯结构的合金钛。
优选地，所述高强韧5系铝合金包括以下原料：Si≤0.1%、Fe≤0.25%、Cu≤0.05%、Mn 0.9%、Mg 6.3%、Zn≤0.18%，Ti≤0.08%、Sc≤0.18%、Er 0.15%、Zr 0.09%，余量为Al和其他不可避免的杂质元素。
优选地，所述Ti：Sc：Zr的用量比例为0.08：0.18：0.09。
优选地，所述Er+Zr=0.24%。
本发明还提供一种高强韧5系铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按配比将5系铝合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金圆铸锭；
S2：将铝合金圆铸锭进行二级均质处理；
S3：将步骤S2均质化处理后的铝合金圆铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为67-68，其中铝合金铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压模具温度为450-460℃，挤压筒加热温度为455-460℃，铝合金铸锭挤压速度控制在2-3m/min，得到铝合金型材；
S4：将铝合金型材进行风冷处理，冷却速度为50℃/min，冷却后铝合金型材温度为80-100℃；
S5：将冷却后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸量为0.5-1.2％，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
S6：将拉伸矫直后的铝合金型材进行时效热处理，时效制度为175℃×8h，得到综合性能优异的铝合金型材。
优选地，所述步骤S1中熔炼温度为550-650℃，炉内压力为0.6-0.7MPa。
优选地，所述步骤S1中熔炼温度为600℃，炉内压力为0.65MPa。
优选地，所述步骤S2中二级均质处理的均质制度为580±8℃×15h+320±8℃×8h，然后自然炉冷至440±5℃。
优选地，所述步骤S3中分梯度加热方式为：挤压筒头部的加热温度为480℃，中部的加热温度为470℃，尾部的加热温度为460℃。
优选地，所述步骤S3中挤压筒上装有液氮冷却装置，吸收铝合金铸锭挤压过程中产生的热量，保证挤压过程温度不发生变化。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明制得的5系铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率显著优于现有技术制得的5系铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率，可大力推广应用。
（2）本发明的Ti、Sc、Zr在制备高强韧5系铝合金中起到了协同作用，协同提高了高强韧5系铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率。
（3）特殊结构的Ti金属，除了具有较高的Ti密度外，还能够进一步提高协同作用，提高铝合金整体的抗拉强度。
（4）针对高强韧5系铝合金的具体构成，利用本申请的制备方法进一步提高了铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，现采用以下实施例加以说明，以下实施例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
以下实施例中，所述高强韧5系铝合金包括以下原料：Si≤0.12%、Fe≤0.3%、Cu≤0.1%、Mn 0.8-1.0%、Mg 6.2-6.7%、Zn≤0.2%，Ti≤0.1%、Sc≤0.2%、Er 0.1-0.2%、Zr 0.08-0.1%，余量为Al和其他不可避免的杂质元素；其中Er+Zr用量为0.18-0.3%；Ti：Sc：Zr的用量比例为（0.05-0.1）：（0.16-0.2）：（0.08-0.1）；Sc:Zr=2:1。
其中，钛金属Ti为金属内部具有逐渐变化阶梯结构的合金钛。具体制作方法为：采用钛合金为Ti - 15Mo -5Zr -3A1． 将其表面研磨清洗干净，在NaOH 水溶液中漫渍24h(60℃ )，再清洗， 40 ℃ 干燥24h ， 再在电炉中以5 ℃ /min 的速度升温到600 ℃ ，保温并炉冷。再将试样浸渍在pH 为7.40 ，温度为36.5℃ 的NaCl溶液中， 经72h 后取出、清洗、干燥。在经过NaOH 水溶液处理后，钛合金试样的表面都形成了海绵状薄层，通过加热处理而致密化．由AES 分析， Na 和O的浓度由表及里逐渐减少，钛浓度则增加，元素浓度分布呈梯度，深度约lOOOnm 左右。由此可知，通过NaOH水溶液处理，各试样表面均形成钛酸钠水合凝胶，加热处理后，形成含少量结晶相的非晶钛酸钠层。这样形成的非晶钛酸钠具有经氧化钛向基体金属内部逐渐变化的阶梯结构。
所述的高强韧5系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按配比将5系铝合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，熔炼温度为550-650℃，炉内压力为0.6-0.7MPa，将液态铝合金熔铸为铝合金圆铸锭；
S2：将铝合金圆铸锭进行二级均质处理；均质制度为580±8℃×15h+320±8℃×8h，然后自然炉冷至440±5℃。
S3：将步骤S2均质化处理后的铝合金圆铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为67-68，其中铝合金铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为480℃，中部的加热温度为470℃，尾部的加热温度为460℃；挤压模具温度为450-460℃，挤压筒加热温度为455-460℃，铝合金铸锭挤压速度控制在2-3m/min，得到铝合金型材；所述挤压筒上装有液氮冷却装置，吸收铝合金铸锭挤压过程中产生的热量，保证挤压过程温度不发生变化；
S4：将铝合金型材进行风冷处理，冷却速度为50℃/min，冷却后铝合金型材温度为80-100℃；
S5：将冷却后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸量为0.5-1.2％，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
S6：将拉伸矫直后的铝合金型材进行时效热处理，时效制度为175℃×8h，得到综合性能优异的铝合金型材。
下面通过更具体的实施例加以说明。
实施例1
一种高强韧5系铝合金包括以下原料：Si 0.05%、Fe 0.28%、Cu 0.07%、Mn 1.0%、Mg6.4%、Zn 0.1%，Ti 0.1%、Sc 0.2%、Er 0.2%、Zr 0.1%，余量为Al和其他不可避免的杂质元素。
所述的高强韧5系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按配比将5系铝合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，熔炼温度为600℃，炉内压力为0.65MPa，将液态铝合金熔铸为铝合金圆铸锭；
S2：将铝合金圆铸锭进行二级均质处理；均质制度为580℃×15h+320℃×8h，然后自然炉冷至440℃。
S3：将步骤S2均质化处理后的铝合金圆铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为67，其中铝合金铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为480℃，中部的加热温度为470℃，尾部的加热温度为460℃；挤压模具温度为460℃，挤压筒加热温度为455℃，铝合金铸锭挤压速度控制在2m/min，得到铝合金型材；所述挤压筒上装有液氮冷却装置，吸收铝合金铸锭挤压过程中产生的热量，保证挤压过程温度不发生变化；
S4：将铝合金型材进行风冷处理，冷却速度为50℃/min，冷却后铝合金型材温度为90℃；
S5：将冷却后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸量为0.9％，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
S6：将拉伸矫直后的铝合金型材进行时效热处理，时效制度为175℃×8h，得到综合性能优异的铝合金型材。
实施例2
一种高强韧5系铝合金包括以下原料：Si 0.1%、Fe 0.3%、Cu 0.1%、Mn 0.8%、Mg 6.7%、Zn 0.17%，Ti 0.05%、Sc 0.16%、Er 0.15%、Zr 0.08%，余量为Al和其他不可避免的杂质元素。
所述的高强韧5系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按配比将5系铝合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，熔炼温度为650℃，炉内压力为0.7MPa，将液态铝合金熔铸为铝合金圆铸锭；
S2：将铝合金圆铸锭进行二级均质处理；均质制度为588℃×15h+328℃×8h，然后自然炉冷至445℃。
S3：将步骤S2均质化处理后的铝合金圆铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为67，其中铝合金铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为480℃，中部的加热温度为470℃，尾部的加热温度为460℃；挤压模具温度为450℃，挤压筒加热温度为458℃，铝合金铸锭挤压速度控制在2m/min，得到铝合金型材；所述挤压筒上装有液氮冷却装置，吸收铝合金铸锭挤压过程中产生的热量，保证挤压过程温度不发生变化；
S4：将铝合金型材进行风冷处理，冷却速度为50℃/min，冷却后铝合金型材温度为100℃；
S5：将冷却后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸量为1.2％，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
S6：将拉伸矫直后的铝合金型材进行时效热处理，时效制度为175℃×8h，得到综合性能优异的铝合金型材。
实施例3
一种高强韧5系铝合金包括以下原料：Si 0.12%、Fe 0.2%、Cu 0.05%、Mn 0.9%、Mg6.2%、Zn 0.2%，Ti 0.07%、Sc 0.19%、Er 0.2%、Zr 0.095%，余量为Al和其他不可避免的杂质元素。
所述的高强韧5系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按配比将5系铝合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，熔炼温度为550℃，炉内压力为0.6MPa，将液态铝合金熔铸为铝合金圆铸锭；
S2：将铝合金圆铸锭进行二级均质处理；均质制度为572℃×15h+322℃×8h，然后自然炉冷至435℃。
S3：将步骤S2均质化处理后的铝合金圆铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为 68，其中铝合金铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为480℃，中部的加热温度为470℃，尾部的加热温度为460℃；挤压模具温度为455℃，挤压筒加热温度为 460℃，铝合金铸锭挤压速度控制在 3m/min，得到铝合金型材；所述挤压筒上装有液氮冷却装置，吸收铝合金铸锭挤压过程中产生的热量，保证挤压过程温度不发生变化；
S4：将铝合金型材进行风冷处理，冷却速度为50℃/min，冷却后铝合金型材温度为80℃；
S5：将冷却后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸量为0.5％，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
S6：将拉伸矫直后的铝合金型材进行时效热处理，时效制度为175℃×8h，得到综合性能优异的铝合金型材。
实施例4
一种高强韧5系铝合金包括以下原料：Si 0.09%、Fe 0.28%、Cu 0.09%、Mn 0.9%、Mg6.3%、Zn 0.12%，Ti 0.08%、Sc 0.18%、Er 0.1%、Zr 0.09%，余量为Al和其他不可避免的杂质元素。
所述的高强韧5系铝合金的制备方法，包括以下步骤：
S1：按配比将5系铝合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，熔炼温度为580℃，炉内压力为0.65MPa，将液态铝合金熔铸为铝合金圆铸锭；
S2：将铝合金圆铸锭进行二级均质处理；均质制度为580℃×15h+320℃×8h，然后自然炉冷至440℃。
S3：将步骤S2均质化处理后的铝合金圆铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为68，其中铝合金铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压筒头部的加热温度为480℃，中部的加热温度为470℃，尾部的加热温度为460℃；挤压模具温度为450℃，挤压筒加热温度为460℃，铝合金铸锭挤压速度控制在3m/min，得到铝合金型材；所述挤压筒上装有液氮冷却装置，吸收铝合金铸锭挤压过程中产生的热量，保证挤压过程温度不发生变化；
S4：将铝合金型材进行风冷处理，冷却速度为50℃/min，冷却后铝合金型材温度为80℃；
S5：将冷却后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸量为1％，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
S6：将拉伸矫直后的铝合金型材进行时效热处理，时效制度为175℃×8h，得到综合性能优异的铝合金型材。
对比例1
与实施例4的制备方法基本相同，不同之处在于制备高强韧5系铝合金的原料中缺少Ti、Sc、Zr。
对比例2
与实施例4的制备方法基本相同，不同之处在于制备高强韧5系铝合金的原料中缺少Ti。
对比例3
与实施例4的制备方法基本相同，不同之处在于制备高强韧5系铝合金的原料中缺少Sc。
对比例4
与实施例4的制备方法基本相同，不同之处在于制备高强韧5系铝合金的原料中缺少Zr。
对比例5
采用中国专利申请文献“一种激光同轴送粉增材制造铝合金粉末及其在修复5系铝合金中的应用（申请号为：202010630989.X） ”中的配方，按照本发明实施例4中所述方法制备5系铝合金。
将实施例1-4和对比例1-5的5系铝合金，按照行业标准进行相关性能测试，其测试结果见下表。
| 项目 | 抗拉强度（MPa） | 屈服强度（MPa） | 延伸率（%） |
| 实施例1 | 486.2 | 351.1 | 12.1 |
| 实施例2 | 481.5 | 353.4 | 11.5 |
| 实施例3 | 483.6 | 356.2 | 12.3 |
| 实施例4 | 488.6 | 357.9 | 12.6 |
| 对比例1 | 446.1 | 321.2 | 7.6 |
| 对比例2 | 477.4 | 346.3 | 11.5 |
| 对比例3 | 479.8 | 343.9 | 10.9 |
| 对比例4 | 474.6 | 348.7 | 11.7 |
| 对比例5 | 443.2 | 316.3 | 7.5 |
由上表可知：（1）由实施例1-4和对比例5的数据可见，实施例1-4制得的5系铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率显著优于对比例5（现有技术）制得的5系铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率；同时综合实施例1-4的数据可见，实施例4为最优实施例。
（2）由实施例4和对比例1-4的数据可见，Ti、Sc、Zr在制备高强韧5系铝合金中起到了协同作用，协同提高了高强韧5系铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率。
本发明的Ti、Sc、Zr在制备高强韧5系铝合金中起到了协同作用，协同提高了高强韧5系铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率，这是因为：Sc元素在铝合金中形成过饱和固溶体，经热处理作用弥散析出与基体共格的Al3Sc颗粒，对基体进行变质强化、弥散以及亚结构强化，从而使铝合金抗拉强度、屈服强度显著升高。在铝合金中加入Zr元素时，Zr元素、Sc元素在铝合金中产生Al3（Sc、Zr）质点，对合金具有细晶及沉淀起强化作用，使抗拉强度、屈服强度进一步提高，同时纳米级的二次Al3（Sc、Zr）析出，相对位错及亚晶界具有钉扎作用，提高了铝合金的强度。本申请中特制的合金Ti为孕育剂，在Ti的基础上，再添加适量的Zr孕育剂，使铝合金在制备过程中形成更多的异质形核核心Al3Zr及Al3Ti，铝合金中Ti、Zr产生复合作用，适量Zr的存在会与Al3Ti发生反应置换处部分Ti而形成Al3（Ti、Zr）细小颗粒，使铝合金组织更均匀，从而提高铝合金的抗拉强度和延伸率。
背景技术所引用的专利申请文献“一种激光同轴送粉增材制造铝合金粉末及其在修复5系铝合金中的应用（申请号为：202010630989.X） ”，虽然利用该发明配方制备的铝合金粉末用于修复5系铝合金中能起到提高涂层的硬度和耐磨性的效果，但是利用该配方制备的5系铝合金却存在抗拉强度、屈服强度、延伸率较差的问题，基于为了解决以上技术问题，本发明才对该发明的组分进行进一步的优化和改良，经过多次试验研究发现，当制备原料中调整Ti、Sc、Zr用量时，该三组分协同提高了高强韧5系铝合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率，能够解决了背景技术文件中出现的技术问题，产生了意想不到的效果。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种高强韧5系铝合金，其特征在于，所述高强韧5系铝合金包括以下原料：Si≤0.12%、Fe≤0.3%、Cu≤0.1%、Mn 0.8-1.0%、Mg 6.2-6.7%、Zn≤0.2%，Ti≤0.1%、Sc≤0.2%、Er0.1-0.2%、Zr 0.08-0.1%，余量为Al和其他不可避免的杂质元素；
其中Er+Zr用量为0.18-0.3%；Ti：Sc：Zr的用量比例为（0.05-0.1）：（0.16-0.2）：（0.08-0.1）；Sc:Zr=2:1。
2.根据权利要求1所述的高强韧5系铝合金，其特征在于，所述Ti为金属内部具有逐渐变化阶梯结构的合金钛。
3.根据权利要求1所述的高强韧5系铝合金，其特征在于，所述Ti：Sc：Zr的用量比例为0.08：0.18：0.09。
4.根据权利要求1所述的高强韧5系铝合金，其特征在于，所述Er+Zr=0.24%。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的高强韧5系铝合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：按配比将5系铝合金原料加入熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金圆铸锭；
S2：将铝合金圆铸锭进行二级均质处理；
S3：将步骤S2均质化处理后的铝合金圆铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒的挤压比为67-68，其中铝合金铸锭采用分段梯度加热方式加热；挤压模具温度为450-460℃，挤压筒加热温度为455-460℃，铝合金铸锭挤压速度控制在2-3m/min，得到铝合金型材；
S4：将铝合金型材进行风冷处理，冷却速度为50℃/min，冷却后铝合金型材温度为80-100℃；
S5：将冷却后的铝合金型材经牵引矫直机进行拉伸矫直，拉伸量为0.5-1.2％，将拉伸矫直后的铝合金型材停放2h后定尺锯切；
S6：将拉伸矫直后的铝合金型材进行时效热处理，时效制度为175℃×8h，得到综合性能优异的铝合金型材。
6.根据权利要求5所述的高强韧5系铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中熔炼温度为550-650℃，炉内压力为0.6-0.7MPa。
7.根据权利要求6所述的高强韧5系铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中熔炼温度为600℃，炉内压力为0.65MPa。
8.根据权利要求5所述的高强韧5系铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中二级均质处理的均质制度为580±8℃×15h+320±8℃×8h，然后自然炉冷至440±5℃。
9.根据权利要求5所述的高强韧5系铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中分梯度加热方式为：挤压筒头部的加热温度为480℃，中部的加热温度为470℃，尾部的加热温度为460℃。
10.根据权利要求5所述的高强韧5系铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中挤压筒上装有液氮冷却装置，吸收铝合金铸锭挤压过程中产生的热量，保证挤压过程温度不发生变化。
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