CN114107769A - 一种高强高延展率铝合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝合金材料领域，提供了一种高强高延展率铝合金材料及其制备方法，该铝合金材料以质量百分比计，成分如下：8～11％Zn，2～3％Mg，1～3％Cu，0.15～0.3％Zr，0.1～0.5％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避免的杂质元素，总和为100％。制备中采用了独特的梯度温度冷却工艺，在浇铸凝固过程中，首先采用缓慢冷却制度，给熔体提供一个充分的溶质再分配过程而获得更多的非晶增强相，然后在AlZnMgCu共晶点附近温度下进行均匀化处理，并快速冷却以获得细化晶粒，所得铝合金具有高的抗拉强度和断裂延伸率，较当前同类型铝合金提高了15％；在挤塑成型过程中，可有效解决结构件表面出现裂纹的现象，保证了产品的成品率，节省生产成本。

Description

一种高强高延展率铝合金材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金材料领域，具体涉及一种高强高延展率铝合金材料及其制备方法。
背景技术
铝合金管材是有色金属管的一种，它是将铝合金型材经挤压、拉拔等工艺加工成沿其纵 向全长中空的金属管状材料。铝合金管材可以有一个或多个封闭的通孔，壁厚、横截面均匀 一致，按外形可分为：方管、圆管、花纹管、异型管等；按挤压方式可分为：无缝铝管和普 通挤压管；按精度可分为：普通铝管和精密铝管，其中精密铝管一般需要在挤压后进行再加 工，如冷拉精抽；按轧制厚度可分为：普通铝管和薄壁铝管。由于铝合金管材具有密度小、 质量轻、强度高以及优良的导热性、可焊性、可锻型、低电阻性及机加工等性能，被广泛用 于各行各业，如：汽车、轮船、航天、航空、电器、农业、机电、家居等，在很多场合已代替钢铁、铜材、木材和塑料，成为一种重要的基础材料。
高强度时效硬化Al-Zn-Mg-Cu合金因其优异的机械性能而可应用于具有高标准需求的铝 合金管材领域中，以能够保证稳定输送高效、高品质的压缩空气、真空、惰性气体等。但高 强铝合金管件室温变形能力较差，无法成形复杂形状零件，影响了后续的弯曲扩口等成形加 工，极大地限制了其应用范围。而合金的成形性、强度和延伸率与合金的微观结构密切相关， 尤其是初生颗粒和析出物的大小、类型和分布。因此，设计和控制Al-Zn-Mg-Cu合金中颗粒 的形成和分布具有重要意义。
为了提高强度、韧性并获得较低的淬火敏感性，在Al-Zn-Mg-Cu合金的设计中，锌含量 逐渐增加，如开发的AA7168、AA7136、AA7056、AA7095和AA7037等，由于细沉淀物 的数量密度增加，这被认为是提高强度的有效方法。
然而，随着Zn、Mg和Cu溶质原子浓度的增加，难以避免在铸态合金中形成具有高数密 度的可溶或不可溶粗颗粒，并且难以在随后的高温均匀化处理中完全溶解它们。残留的粗颗 粒通常会对铝合金的塑性、韧性、抗疲劳性或耐腐蚀性产生不利影响。因此，在均匀化处理 过程中，改善提高Zn铝合金中粗可溶颗粒的溶解具有重要意义。
发明内容
基于上述背景，为满足铝合金管材高强度及成形加工需求，解决当前铝合金在高温均匀 化处理中残留的粗晶粒，本发明的目的是提供一种高强高延展率铝合金材料及其制备方法， 从而获得高强、高延展率铝合金。
为实现以上目的，本发明采用以下的技术方案：
一种高强高延展率铝合金材料，以质量百分比计，成分如下：8～11％Zn，2～3％Mg，1～ 3％Cu，0.15～0.3％Zr，0.1～0.5％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避 免的杂质元素，总和为100％。
一种高强高延展率铝合金材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原材料烘干待用：
金属块材铝锭(Al 99.99％)、锌锭(Zn 99.99％)和镁锭(Mg 99.99％)；
Al-50Cu和Al-10Zr中间合金；
晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒；
(2)依照成分百分比称取铝锭、锌锭、镁锭以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金放入熔炼 炉中熔炼，熔炼温度为750～800℃，待熔体稳定后加入晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，开启 电磁搅拌继续熔炼20～30min；
进一步地，步骤(2)中，电磁搅拌的电流为100～200mA，频率为40～60Hz。
(3)利用氩气输送管道向熔体内部输送精炼剂2～3kg/t并均匀搅拌，扒渣后静止；
进一步地，步骤(3)中，扒渣后静止时间为15～20min。
(4)降低熔体温度到710～720℃，由陶瓷过滤网进行过滤浇铸；调控铸模温度以1～2℃/s 速率缓慢降温至450～480℃保温10～12h进行均匀化处理，后以10～13℃/s的速率快速冷却到 室温；
(5)开启热轧机，控制模具、铸锭和挤压筒温度，挤压成铝合金棒材，并室温冷却；
进一步地，步骤(5)中，模具、铸锭和挤压筒温度为450-480℃，挤压速度为8～10m/min、 挤压比为15～20。
(6)将铝合金棒材进行人工时效处理，得到高强高延展率铝合金材料。
进一步地，步骤(6)中，时效温度为130-150℃，时效时间为5～10h。
本发明具有的有益效果是：
提供了一种制备铝合金管材用铝合金棒材，该铝合金棒材的成分配制合理，具有优异的 综合力学性能，具有较高的强度和延展率，能够满足铝合金管材高强度及成形加工需求，有 利于铝合金管材的后续加工，并扩展了铝合金管材的应用领域；
在制备过程中，采用了独特的梯度温度冷却工艺，即在浇铸凝固过程中，首先采用缓慢 冷却制度，给熔体提供一个充分的溶质再分配过程而获得更多的非晶增强相，然后在AlZnMgCu共晶点附近温度下进行均匀化处理，并快速冷却以获得细化晶粒。利用该种方法制备的铝合金具有高的抗拉强度≥600Mpa，同时断裂延伸率达到18％，较当前同类型铝合金 提高了15％。采用该方法制备铝合金铸坯在挤塑成型过程中，可有效解决结构件表面出现裂 纹的现象，保证了产品的成品率，节省生产成本。
在熔炼过程中加入Al-5Ti-B合金作为晶粒细化剂，采用梯度冷却工艺，生长大量均匀的 细小的AlZnMgCu共晶相，改善了微观组织，获得高强、高延展率铝合金，使其广泛应用于 挤压和轧制制造领域。
附图说明
图1为实施例1获得的铝合金组织形貌图；
图2为实施例1获得的铝合金组织进一步扩大的形貌图；
图3为实施例1获得的铝合金组织晶粒元素分布图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体的说明：
实施例1
一种高强高延展率铝合金材料，以质量百分比计，成分如下：8～11％Zn，2～3％Mg，1～ 3％Cu，0.15～0.3％Zr，0.1～0.5％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避 免的杂质元素，总和为100％。
制备的具体步骤如下：
(1)该合金所用原材料为金属块材Al(99.99％)、Zn(99.99％)和Mg(99.99％)以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金，晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，将所有原料烘干待用；
(2)依照成分百分比称取铝锭、锌锭、镁锭以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金放入熔炼 炉中熔炼，熔炼温度为750℃，待熔体稳定后加入晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，开启电磁 搅拌(电流100mA，频率40Hz)继续熔炼20min；
(3)利用氩气输送管道向熔体内部输送精炼剂2kg/t并均匀搅拌，扒渣后静止15min；
(4)降低熔体温度到710℃，由陶瓷过滤网进行过滤浇铸；调控铸模温度以1℃/s速率 缓慢降温至450℃保温10h进行均匀化处理，后以10℃/s的速率快速冷却到室温。
(5)开启热轧机，控制模具、铸锭和挤压筒温度在450℃，挤压速度为8m/min、挤压比为15的条件下挤压成铝合金棒材，并室温冷却；
(6)将铝合金棒材进行人工时效处理，时效温度为130℃，时效时间为10h，得到高强 高延展率铝合金材料。
对实施例1获得的铝合金的组织形貌及晶粒元素分布进行分析，结果见图1至图3所示。 从图中可以看出经过该工艺制备的铝合金组织中均匀分布着微小的AlZnMgCu共晶相，这些 细小的粒子能使位错运动受阻，从而大大提高锻件的力学性能。
实施例2
一种高强高延展率铝合金材料，以质量百分比计，成分如下：8～11％Zn，2～3％Mg，1～ 3％Cu，0.15～0.3％Zr，0.1～0.5％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避 免的杂质元素，总和为100％。
制备的具体步骤如下：
(1)该合金所用原材料为金属块材Al(99.99％)、Zn(99.99％)和Mg(99.99％)以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金，晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，将所有原料烘干待用；
(2)依照成分百分比称取铝锭、锌锭、镁锭以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金放入熔炼 炉中熔炼，熔炼温度为760℃，待熔体稳定后加入晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，开启电磁 搅拌(电流110mA，频率50Hz)继续熔炼20min；
(3)利用氩气输送管道向熔体内部输送精炼剂2kg/t并均匀搅拌，扒渣后静止15min；
(4)降低熔体温度到710℃，由陶瓷过滤网进行过滤浇铸；调控铸模温度以1℃/s速率 缓慢降温至460℃保温12h进行均匀化处理，后以11℃/s的速率快速冷却到室温。
(5)开启热轧机，控制模具、铸锭和挤压筒温度在460℃，挤压速度为8m/min、挤压比为15的条件下挤压成铝合金棒材，并室温冷却；
(6)将铝合金棒材进行人工时效处理，时效温度为130℃，时效时间为9h，得到高强高延展率铝合金材料。
实施例3
一种高强高延展率铝合金材料，以质量百分比计，成分如下：8～11％Zn，2～3％Mg，1～ 3％Cu，0.15～0.3％Zr，0.1～0.5％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避 免的杂质元素，总和为100％。
制备的具体步骤如下：
(1)该合金所用原材料为金属块材Al(99.99％)、Zn(99.99％)和Mg(99.99％)以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金，晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，将所有原料烘干待用；
(2)依照成分百分比称取铝锭、锌锭、镁锭以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金放入熔炼 炉中熔炼，熔炼温度为770℃，待熔体稳定后加入晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，开启电磁 搅拌(电流100mA，频率60Hz)继续熔炼20min；
(3)利用氩气输送管道向熔体内部输送精炼剂2kg/t并均匀搅拌，扒渣后静止15min；
(4)降低熔体温度到720℃，由陶瓷过滤网进行过滤浇铸；调控铸模温度以1℃/s速率 缓慢降温至470℃保温10h进行均匀化处理，后以11℃/s的速率快速冷却到室温。
(5)开启热轧机，控制模具、铸锭和挤压筒温度在460℃，挤压速度为9m/min、挤压比为16的条件下挤压成铝合金棒材，并室温冷却；
(6)将铝合金棒材进行人工时效处理，时效温度为140℃，时效时间为8h，得到高强高延展率铝合金材料。
实施例4
一种高强高延展率铝合金材料，以质量百分比计，成分如下：8～11％Zn，2～3％Mg，1～ 3％Cu，0.15～0.3％Zr，0.1～0.5％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避 免的杂质元素，总和为100％。
制备的具体步骤如下：
(1)该合金所用原材料为金属块材Al(99.99％)、Zn(99.99％)和Mg(99.99％)以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金，晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，将所有原料烘干待用；
(2)依照成分百分比称取铝锭、锌锭、镁锭以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金放入熔炼 炉中熔炼，熔炼温度为790℃，待熔体稳定后加入晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，开启电磁 搅拌(电流120mA，频率40Hz)继续熔炼20min；
(3)利用氩气输送管道向熔体内部输送精炼剂2kg/t并均匀搅拌，扒渣后静止15min；
(4)降低熔体温度到720℃，由陶瓷过滤网进行过滤浇铸；调控铸模温度以2℃/s速率 缓慢降温至480℃保温10h进行均匀化处理，后以12℃/s的速率快速冷却到室温。
(5)开启热轧机，控制模具、铸锭和挤压筒温度在470℃，挤压速度为9m/min、挤压比为18的条件下挤压成铝合金棒材，并室温冷却；
(6)将铝合金棒材进行人工时效处理，时效温度为140℃，时效时间为8h，得到高强高延展率铝合金材料。
实施例5
一种高强高延展率铝合金材料，以质量百分比计，成分如下：8～11％Zn，2～3％Mg，1～ 3％Cu，0.15～0.3％Zr，0.1～0.5％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避 免的杂质元素，总和为100％。
制备的具体步骤如下：
(1)该合金所用原材料为金属块材Al(99.99％)、Zn(99.99％)和Mg(99.99％)以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金，晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，将所有原料烘干待用；
(2)依照成分百分比称取铝锭、锌锭、镁锭以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金放入熔炼 炉中熔炼，熔炼温度为800℃，待熔体稳定后加入晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，开启电磁 搅拌(电流115mA，频率50Hz)继续熔炼20min；
(3)利用氩气输送管道向熔体内部输送精炼剂2kg/t并均匀搅拌，扒渣后静止15min；
(4)降低熔体温度到720℃，由陶瓷过滤网进行过滤浇铸；调控铸模温度以2℃/s速率 缓慢降温至480℃保温10h进行均匀化处理，后以13℃/s的速率快速冷却到室温。
(5)开启热轧机，控制模具、铸锭和挤压筒温度在480℃，挤压速度为10m/min、挤压比为20的条件下挤压成铝合金棒材，并室温冷却；
(6)将铝合金棒材进行人工时效处理，时效温度为150℃，时效时间为5h，得到高强高延展率铝合金材料。
对实施例1-5不同制备工艺下的铝合金材料的抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率进行检 测，结果见表1所示。
表1实施例1-5不同制备工艺下的铝合金材料的抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率
Figure BDA0003381173590000061
由此，本申请制备铝合金管材用铝合金棒材具有优异的综合力学性能，具有较高的强度 和延展率，能够满足铝合金管材高强度及成形加工需求，有利于铝合金管材的后续加工，并 扩展了铝合金管材的应用领域；利用该种方法制备的铝合金具有高的抗拉强度≥600Mpa，同 时断裂延伸率达到18％，较当前同类型铝合金提高了15％。
另外，采用该方法制备铝合金铸坯在挤塑成型过程中，可有效解决结构件表面出现裂纹 的现象，保证了产品的成品率，节省生产成本。
实施例6
一种高强高延展率铝合金材料，以质量百分比计，成分如下：11％Zn，3％Mg，3％Cu， 0.3％Zr，0.5％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避免的杂质元素，总 和为100％。
制备的具体步骤如下：
(1)该合金所用原材料为金属块材Al(99.99％)、Zn(99.99％)和Mg(99.99％)以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金，晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，将所有原料烘干待用；
(2)依照成分百分比称取铝锭、锌锭、镁锭以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金放入熔炼 炉中熔炼，熔炼温度为755℃，待熔体稳定后加入晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，开启电磁 搅拌(电流200mA，频率40Hz)继续熔炼25min；
(3)利用氩气输送管道向熔体内部输送精炼剂3kg/t并均匀搅拌，扒渣后静止20min；
(4)降低熔体温度到715℃，由陶瓷过滤网进行过滤浇铸；调控铸模温度以1℃/s速率 缓慢降温至480℃保温10h进行均匀化处理，后以10℃/s的速率快速冷却到室温。
(5)开启热轧机，控制模具、铸锭和挤压筒温度在450℃，挤压速度为8m/min、挤压比为20的条件下挤压成铝合金棒材，并室温冷却；
(6)将铝合金棒材进行人工时效处理，时效温度为150℃，时效时间为10h，得到高强 高延展率铝合金材料。
实施例7
一种高强高延展率铝合金材料，以质量百分比计，成分如下：10％Zn，2.5％Mg，2％Cu， 0.2％Zr，0.1％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避免的杂质元素，总 和为100％。
制备的具体步骤如下：
(1)该合金所用原材料为金属块材Al(99.99％)、Zn(99.99％)和Mg(99.99％)以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金，晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，将所有原料烘干待用；
(2)依照成分百分比称取铝锭、锌锭、镁锭以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金放入熔炼 炉中熔炼，熔炼温度为795℃，待熔体稳定后加入晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，开启电磁 搅拌(电流180mA，频率60Hz)继续熔炼30min；
(3)利用氩气输送管道向熔体内部输送精炼剂2.5kg/t并均匀搅拌，扒渣后静止20min；
(4)降低熔体温度到715℃，由陶瓷过滤网进行过滤浇铸；调控铸模温度以2℃/s速率 缓慢降温至450℃保温12h进行均匀化处理，后以13℃/s的速率快速冷却到室温。
(5)开启热轧机，控制模具、铸锭和挤压筒温度在480℃，挤压速度为8m/min、挤压比为15的条件下挤压成铝合金棒材，并室温冷却；
(6)将铝合金棒材进行人工时效处理，时效温度为130℃，时效时间为5h，得到高强高延展率铝合金材料。
本申请提供了一种制备铝合金管材用铝合金棒材，该铝合金棒材的成分配制合理，具有 优异的综合力学性能，具有较高的强度和延展率，能够满足铝合金管材高强度及成形加工需 求，有利于铝合金管材的后续加工，并扩展了铝合金管材的应用领域；
在制备过程中，采用了独特的梯度温度冷却工艺，即在浇铸凝固过程中，首先采用缓慢 冷却制度，给熔体提供一个充分的溶质再分配过程而获得更多的非晶增强相，然后在AlZnMgCu共晶点附近温度下进行均匀化处理，并快速冷却以获得细化晶粒。利用该种方法制备的铝合金具有高的抗拉强度≥600Mpa，同时断裂延伸率达到18％，较当前同类型铝合金 提高了15％。采用该方法制备铝合金铸坯在挤塑成型过程中，可有效解决结构件表面出现裂 纹的现象，保证了产品的成品率，节省生产成本。
在熔炼过程中加入Al-5Ti-B合金作为晶粒细化剂，采用梯度冷却工艺，生长大量均匀的 细小的AlZnMgCu共晶相，改善了微观组织，获得高强、高延展率铝合金，使其能够广泛应 用于挤压和轧制制造领域。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的 技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护 范围。

Claims (6)

1.一种高强高延展率铝合金材料，其特征在于，以质量百分比计，成分如下：8～11％Zn，2～3％Mg，1～3％Cu，0.15～0.3％Zr，0.1～0.5％Ti，B≤0.1％，Si≤0.01％，Fe≤0.02％，余量为Al和不可避免的杂质元素，总和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种高强高延展率铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将原材料烘干待用：
金属块材铝锭、锌锭和镁锭；
Al-50Cu和Al-10Zr中间合金；
晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒；
(2)依照成分百分比称取铝锭、锌锭、镁锭以及Al-50Cu和Al-10Zr中间合金放入熔炼炉中熔炼，熔炼温度为750～800℃，待熔体稳定后加入晶粒细化剂Al-5Ti-B合金颗粒，开启电磁搅拌继续熔炼20～30min；
(3)利用氩气输送管道向熔体内部输送精炼剂2～3kg/t并均匀搅拌，扒渣后静止；
(4)降低熔体温度到710～720℃，由陶瓷过滤网进行过滤浇铸；调控铸模温度以1～2℃/s速率缓慢降温至450～480℃保温10～12h进行均匀化处理，后以10～13℃/s的速率快速冷却到室温；
(5)开启热轧机，控制模具、铸锭和挤压筒温度，挤压成铝合金棒材，并室温冷却；
(6)将铝合金棒材进行人工时效处理，得到高强高延展率铝合金材料。
3.根据权利要求2所述的一种高强高延展率铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，电磁搅拌的电流为100～200mA，频率为40～60Hz。
4.根据权利要求2所述的一种高强高延展率铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，扒渣后静止时间为15～20min。
5.根据权利要求2所述的一种高强高延展率铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，模具、铸锭和挤压筒温度为450-480℃，挤压速度为8～10m/min、挤压比为15～20。
6.根据权利要求2所述的一种高强高延展率铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，时效温度为130-150℃，时效时间为5～10h。
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