CN113215458A - 一种铝合金及铝合金的制作方法 - Google Patents

一种铝合金及铝合金的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铝合金及铝合金的制作方法，铝合金的制作方法包括步骤：S100、按照质量百分比进行配料，形成制作原料；S200、在熔炼炉中将制作原料融化成金属液；S300、对金属液进行精炼；S400、采用动态控温的高温长时的工艺对精炼后的金属液进行静置处理；S500、将经过静置处理的金属液浇铸成合金铸锭；S600、对合金铸锭进行均匀化处理；S700、将合金铸锭锻造成为坯料；S800、对坯料进行热处理。本发明具有不仅使铝合金淬透厚度变得更大，同时还提高了铝合金的屈强比，进而使铝合金综合性能得到了提高。

Description

一种铝合金及铝合金的制作方法
技术领域
本发明涉及铝合金制作技术领域，特别涉及一种铝合金及铝合金的制作方法。
背景技术
铝合金材料因其具有密度低、比强度高、比刚度高、加工性能优异、可焊并具有一定的耐腐蚀性能的优点，而在航空航天、石油化工、轨道交通、新能源汽车等多个领域得到了广泛的应用。
现有的铝合金如7×××系（Al-Zn-Mg-Cu系）铝合金成分中具有Zn、Mg、Cu等元素，其因淬透厚度较小，屈强比较低，进而使综合性能受到较大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金及铝合金的制作方法，不仅使淬透厚度变得更大，同时还提高了屈强比，进而使综合性能得到了提高。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种铝合金，成分中含有Zn、Cu和Mg，按质量百分比，按质量百分比，5.2≥Zn/Mg≥4，6.4≥（Zn+Cu）/ Mg≥5，Cu/Mg≥1，13≥Zn+Mg+Cu≥10。
较优地，按质量百分比包括：Zn6.2～9.0%，Mg1.0～2.0%,Cu1.2～2.0%，Zr0.08～0.15%，Si≤0.06%,Fe≤0.08%，其它杂质总量≤0.15%，余量为Al。
较优地，所述其他杂质的种类为至少两个，任意一种所述其他杂质≤0.05%。
一种铝合金的制作方法，用以制作以上任意技术特征的铝合金，包括步骤：
S100、按照质量百分比进行配料，形成制作原料；
S200、在熔炼炉中将制作原料融化成金属液；
S300、对金属液进行精炼；
S400、采用动态控温的高温长时的工艺对精炼后的金属液进行静置处理；
S500、将经过静置处理的金属液浇铸成合金铸锭；
S600、对合金铸锭进行均匀化处理；
S700、将合金铸锭锻造成为坯料；
S800、对坯料进行热处理；
其中，在步骤S200中融化温度为680℃～780℃，在步骤S300中，精炼温度为690℃～750℃，在步骤S500中浇铸初始温度为700℃～720℃，并且浇铸速度为15～200mm/分钟。
较优地，在步骤S400中，对金属液进行静止处理的时间大于或等于45分钟。
较优地，步骤S400包括步骤：
S410、将金属液升温至750℃，并保温3分钟以上；
S420、将金属液升温至780℃，并保温10分钟以上；
S430、将金属液降温至750℃，并保温3分钟以上；
S440、将金属液降温至720℃，并保温3分钟以上。
较优地，步骤S600包括步骤：
S610、第一级均匀化处理，均匀化温度为400℃～420℃；
S620、第二级均匀化处理，均匀化温度为460℃～470℃，并且时间在36小时以上。
较优地，步骤S700包括步骤：
S710、将合金铸锭的表面层去除；
S720、将去除表面层的合金铸锭锻造成为坯料，并且在锻造过程中使合金铸锭的温度保持在380℃～440℃。
较优地，步骤S800包括步骤：
S810、对坯料进行固溶，固溶温度为470℃；
S820、采用室温水对坯料淬火，使其冷却至室温；
S830、对坯料进行1.0%～3.5%永久冷变形的预压缩；
S840、对坯料进行时效处理。
较优地，步骤S840包括步骤：
S841、第一级时效处理，时效处理温度为120℃，处理时间为4～8小时；
S842、第二级时效处理，时效处理温度为157℃，处理时间为8～12小时。
本发明的铝合金通过采用按质量百分比，按质量百分比，5.2≥Zn/Mg≥4，6.4≥（Zn+Cu）/ Mg≥5，Cu/Mg≥1，13≥Zn+Mg+Cu≥10的技术方案，不仅使淬透厚度变得更大，同时还提高了屈强比，进而使综合性能得到了提高。
附图说明
图1为实施例一中的铝合金的Zn/Mg比值与屈强比的关系曲线图。
图2为实施例一中的铝合金的Zn/Mg比值与淬透厚度的关系曲线图。
图3为实施例一中的铝合金的（Zn+Cu）/Mg比值与屈强比的关系曲线图。
图4为实施例一中的铝合金的（Zn+Cu）/Mg比值与淬透厚度的关系曲线图。
图5为实施二中的铝合金制作方法流程图。
图6为图5中的步骤S400流程图。
图7为图5中的步骤S600流程图。
图8为图5中的步骤S700流程图。
图9为图5中的步骤S800流程图。
图10为图9中的步骤S840流程图。
图11为实施例二制作的铝合金Fe含量为0.05%的杂质相形貌图。
图12为实施例二制作的铝合金Fe含量为0.07%的杂质相形貌图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的铝合金及制作方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
一种铝合金，成分中含有Zn、Cu和Mg，按质量百分比，按质量百分比，5.2≥Zn/Mg≥4，6.4≥（Zn+Cu）/ Mg≥5，Cu/Mg≥1，13≥Zn+Mg+Cu≥10。
发明人通过有限次试验得出结论，当Mg 元素重量比为1.0～2.0%,且Zn 不高于9.0%， Cu 不高于2.0%时，适当调整合金元素Zn/Mg比值，可获得高屈强比及高淬透性材料。其中屈强比与Zn/Mg比的关系如图1所示，随Zn/Mg比值增大，屈强比逐渐增大。可淬透厚度与Zn/Mg比的关系如图2所示，随Zn/Mg比值增大，淬透厚度逐渐增大。屈强比与（Zn+Cu）/Mg比的关系如图3所示，随（Zn+Cu）/Mg比值增大，屈强比逐渐增大。可淬透厚度与（Zn+Cu）/Mg比的关系如图4所示，随（Zn+Cu）/Mg比值增大，淬透厚度逐渐增大。
具体地，按质量百分比包括：Zn6.2～9.0%，Mg1.0～2.0%,Cu1.2～2.0%，Zr0.08～0.15%，Si≤0.06%,Fe≤0.08%，其它杂质总量≤0.15%，余量为Al。
以下列举本实施例中的铝合金的四种典型的化学成分：
（1）Zn7.50%，Mg1.60%,Cu1.65%，Zr0.12%，Si≤0.06%,Fe≤0.08%，总量≤0.15%，余量为Al。
（2）Zn7.5%，Mg1.5%,Cu1.6%，Zr0.12%，Si≤0.06%,Fe≤0.08%，总量≤0.15%，余量为Al。
（3）Zn8.5%，Mg1.7%,Cu1.7%，Zr0.12%，Si≤0.06%,Fe≤0.08%，总量≤0.15%，余量为Al。
（4）Zn6.6%，Mg1.4%,Cu1.6%，Zr0.12%，Si≤0.06%,Fe≤0.08%，总量≤0.15%，余量为Al。
需要说明的是，其他杂质的种类为至少两个，任意一种其他杂质≤0.05%。
实施例二
本实施例提供一种铝合金的制作方法，用以制作实施例一中的铝合金，如图5所示，包括步骤：
S100、按照质量百分比进行配料，形成制作原料；
S200、在熔炼炉中将制作原料融化成金属液；
S300、对金属液进行精炼；
S400、采用动态控温的高温长时的工艺对精炼后的金属液进行静置处理；
S500、将经过静置处理的金属液浇铸成合金铸锭；
S600、对合金铸锭进行均匀化处理；
S700、将合金铸锭锻造成为坯料；
S800、对坯料进行热处理；
其中，在步骤S200中融化温度为680℃～780℃，在步骤S300中，精炼温度为690℃～750℃，在步骤S500中浇铸初始温度为700℃～720℃，并且浇铸速度为15～200mm/分钟。
采用以上技术方案所生产的铝合金具有优异的强度和断裂韧性，极限抗拉强度可达500MPa以上，屈服强度475MPa以上，同时延伸率能够提高10%、T-L向KⅠc可达32MPam1/2以上，淬透厚度可达300mm以上。
具体地，在步骤S400中，对金属液进行静止处理的时间大于或等于45分钟。进一步地，如图6所示，步骤S400包括步骤：
S410、将金属液升温至750℃，并保温3分钟以上；
S420、将金属液升温至780℃，并保温10分钟以上；
S430、将金属液降温至750℃，并保温3分钟以上；
S440、将金属液降温至720℃，并保温3分钟以上。
采用这样的技术方案，含Fe、Si的杂质相在合金熔铸过程中产生，可以在热塑性变形过程中破碎，但难以融入机体内部。Al7Cu2Fe等杂质相尺寸可达微米级存在晶界处，还消耗一定主合金元素Cu。晶界上的A17Cu2Fe等杂质相对疲劳性能、塑性及韧度损伤较大，控制合金Fe、Si元素含量可以降低杂质数量，熔铸时采用高温长时的工艺可以促进Fe、Si元素向晶内扩散，控制其在晶界上的数量及其尺寸。如图11、12所示，采用这样的技术方案，晶界处杂质相数量及尺寸显著减少。
具体地，如图7所示，步骤S600包括步骤：
S610、第一级均匀化处理，均匀化温度为400℃～420℃；
S620、第二级均匀化处理，均匀化温度为460℃～470℃，并且时间在36小时以上。
采用这种双级均匀化处理的技术方案，能够有效降低铝合金的各向异性差异，提高了均匀化效果，进而使铝合金的综合性能得到提高。
作为一种可实施方式，如图8所示，步骤S700包括步骤：
S710、将合金铸锭的表面层去除；
S720、将去除表面层的合金铸锭锻造成为坯料，并且在锻造过程中使合金铸锭的温度保持在380℃～440℃。
其中在步骤S710可以采用机加工的方式将合金铸锭的表面部分切除掉。
作为一种可实施方式，如图9所示，步骤S800包括步骤：
S810、对坯料进行固溶，固溶温度为470℃；
S820、采用室温水对坯料淬火，使其冷却至室温；
S830、对坯料进行1.0%～3.5%永久冷变形的预压缩；
S840、对坯料进行时效处理。
进一步地，如图10所示，步骤S840包括步骤：
S841、第一级时效处理，时效处理温度为120℃，处理时间为4～8小时；
S842、第二级时效处理，时效处理温度为157℃，处理时间为8～12小时。
通过采用这种双级时效处理的技术方案，能够有效降低铝合金的各向异性差异，提高了均匀化效果，进而使铝合金的综合性能得到提高。
为了验证本发明制作的铝合金性能，发明人对合金主成分控制在Zn6.6～9.0%，Mg1.2～2.0%,Cu1.3～2.0%，加入适量的微合金元素，控制再结晶，并通过本发明的铝合金的制作方法的流程浇铸出φ320mm圆锭，得出如下结论：
1、当Zn为7.5%，Mg为1.6% ，Cu为1.65%，Zr为0.12%，Fe为小于0.08%，Si为小于0.06%时，同时在步骤S600中采用双级均匀化处理，在步骤S800中，采用470℃固溶处理，淬火介质中急冷，并采用双级时效处理，最终获得的铝合金抗拉强度为525MPa，屈服强度为480 MPa，延伸率为11.2 %，断裂韧度为38.9 MPam1/2。
2、当Zn为7.5%，Mg为1. 5 % ，Cu为1.6%，Zr为0.12%，Fe为小于0.08%，Si为小于0.06%时，同时在步骤S600中采用双级均匀化处理，在步骤S800中，采用470℃固溶处理，淬火介质中急冷，并采用双级时效处理，最终获得的铝合金抗拉强度为530MPa，屈服强度为485 MPa，延伸率为12.3%，断裂韧度为36.8 MPam1/2。
3、当Zn为7.5%，Mg为1.6 % ，Cu为1.6%，Zr为0.12%，Fe为小于0.08%，Si为小于0.06%时，同时在步骤S600中采用双级均匀化处理，在步骤S800中，采用470℃固溶处理，淬火介质中急冷，并采用双级时效处理，最终获得的铝合金抗拉强度为515MPa，屈服强度为481 MPa，延伸率为13.5%，断裂韧度为37.2 MPam1/2。
4、当Zn为7.0%，Mg为1.2 % ，Cu为1.3%，Zr为0.12%，Fe为小于0.08%，Si为小于0.06%时，同时在步骤S600中采用双级均匀化处理，在步骤S800中，采用470℃固溶处理，淬火介质中急冷，并采用双级时效处理，最终获得的铝合金抗拉强度为500MPa，屈服强度为440 MPa，延伸率为12%，断裂韧度为39.1 MPam1/2。
5、当Zn为8.0%，Mg为1.8 % ，Cu为2%，Zr为0.12%，Fe为小于0.08%，Si为小于0.06%时，同时在步骤S600中采用双级均匀化处理，在步骤S800中，采用470℃固溶处理，淬火介质中急冷，并采用双级时效处理，最终获得的铝合金抗拉强度为523MPa，屈服强度为481 MPa，延伸率为12.4%，断裂韧度为36.5 MPam1/2。
6、当Zn为8.5%，Mg为1.7 % ，Cu为1.7%，Zr为0.12%，Fe为小于0.08%，Si为小于0.06%时，同时在步骤S600中采用双级均匀化处理，在步骤S800中，采用470℃固溶处理，淬火介质中急冷，并采用双级时效处理，最终获得的铝合金抗拉强度为532MPa，屈服强度为488 MPa，延伸率为13.2%，断裂韧度为37.2 MPam1/2。
7、当Zn为6.6%，Mg为1.4 % ，Cu为1.6%，Zr为0.12%，Fe为小于0.08%，Si为小于0.06%时，同时在步骤S600中采用双级均匀化处理，在步骤S800中，采用470℃固溶处理，淬火介质中急冷，并采用双级时效处理，最终获得的铝合金抗拉强度为501MPa，屈服强度为471 MPa，延伸率为12.8%，断裂韧度为38.1 MPam1/2。
8、当Zn为9%，Mg为2% ，Cu为1.8%，Zr为0.12%，Fe为小于0.08%，Si为小于0.06%时，同时在步骤S600中采用双级均匀化处理，在步骤S800中，采用470℃固溶处理，淬火介质中急冷，并采用双级时效处理，最终获得的铝合金抗拉强度为540MPa，屈服强度为493 MPa，延伸率为12.1%，断裂韧度为37.4 MPam1/2。
综上所述采用以上技术方案所生产的铝合金具有优异的强度和断裂韧性，极限抗拉强度可达500MPa以上，屈服强度475MPa以上，同时延伸率能够提高10%、T-L向KⅠc（断裂韧度）可达32MPam1/2以上，淬透厚度可达300mm以上。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种铝合金，其特征在于：
成分中含有Zn、Cu和Mg，按质量百分比，5.2≥Zn/Mg≥4，6.4≥（Zn+Cu）/ Mg≥5，Cu/Mg≥1，13≥Zn+Mg+Cu≥10。
2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：
按质量百分比包括：Zn6.2～9.0%，Mg1.0～2.0%,Cu1.2～2.0%，Zr0.08～0.15%，Si≤0.06%,Fe≤0.08%，其它杂质总量≤0.15%，余量为Al。
3.根据权利要求2所述的铝合金，其特征在于：
所述其他杂质的种类为至少两个，任意一种所述其他杂质≤0.05%。
4.一种铝合金的制作方法，用以制作如权利要求1至3任意一项所述的铝合金，其特征在于：
包括步骤：
S100、按照质量百分比进行配料，形成制作原料；
S200、在熔炼炉中将制作原料融化成金属液；
S300、对金属液进行精炼；
S400、采用动态控温的高温长时的工艺对精炼后的金属液进行静置处理；
S500、将经过静置处理的金属液浇铸成合金铸锭；
S600、对合金铸锭进行均匀化处理；
S700、将合金铸锭锻造成为坯料；
S800、对坯料进行热处理；
其中，在步骤S200中融化温度为680℃～780℃，在步骤S300中，精炼温度为690℃～750℃，在步骤S500中浇铸初始温度为700℃～720℃，并且浇铸速度为15～200mm/分钟。
5.根据权利要求4所述的铝合金的制作方法，其特征在于：
在步骤S400中，对金属液进行静置处理的时间大于或等于45分钟。
6.根据权利要求5所述的铝合金的制作方法，其特征在于：
步骤S400包括步骤：
S410、将金属液升温至750℃，并保温3分钟以上；
S420、将金属液升温至780℃，并保温10分钟以上；
S430、将金属液降温至750℃，并保温3分钟以上；
S440、将金属液降温至720℃，并保温3分钟以上。
7.根据权利要求4至6任意一项所述的铝合金的制作方法，其特征在于：
步骤S600包括步骤：
S610、第一级均匀化处理，均匀化温度为400℃～420℃；
S620、第二级均匀化处理，均匀化温度为460℃～470℃，并且时间在36小时以上。
8.根据权利要求4至6任意一项所述的铝合金的制作方法，其特征在于：
步骤S700包括步骤：
S710、将合金铸锭的表面层去除；
S720、将去除表面层的合金铸锭锻造成为坯料，并且在锻造过程中使合金铸锭的温度保持在380℃～440℃。
9.根据权利要求4至6任意一项所述的铝合金的制作方法，其特征在于：
步骤S800包括步骤：
S810、对坯料进行固溶，固溶温度为470℃；
S820、采用室温水对坯料淬火，使其冷却至室温；
S830、对坯料进行1.0%～3.5%永久冷变形的预压缩；
S840、对坯料进行时效处理。
10.根据权利要求9的铝合金的制作方法，其特征在于：
步骤S840包括步骤：
S841、第一级时效处理，时效处理温度为120℃，处理时间为4～8小时；
S842、第二级时效处理，时效处理温度为157℃，处理时间为8～12小时。
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