CN114540675A - 一种高性能变形铝合金及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能变形铝合金及制造方法，主要涉及铝合金领域。使用组分包含有5.0‑7.5wt.％Zn，2.0‑3.5wt.％Mg，1.0‑2.5wt.％Ag，0.3‑0.6wt.％Sc，0.6‑0.8wt.％Zr，杂质元素总量小于0.02wt.％，以及余量为Al的铝合金铸锭，经过及挤压工艺制得。本发明的有益效果在于：该铝合金具有优异的超强度、延伸率等力学性能。

Description

一种高性能变形铝合金及制造方法
技术领域
本发明涉及铝合金领域，具体是一种超高强度变形稀土铝合金及制造方法。
背景技术
节能减排是目前世界发展的重要主题，轻量化是实现汽车节能减排的重要途径，也是当今世界汽车创新工程的技术发展方向。汽车所有能耗的60％来自于自重，重量每减少10％，能耗可降低10％～15％，燃油汽车燃油效率可提升6％～8％，电动汽车电量可节省4％～5％。相比于传统钢铁材料，铝合金具有密度小(约为钢的1/3)、质量轻、成形加工性能优良、耐腐蚀性能好、易于回收再利用、在发生碰撞时会比钢铁材料吸收更多的碰撞能量等优点，在汽车上使用铝合金来替代钢铁材料，成为实现汽车轻量化的有效途径。副车架是汽车底盘悬挂系统中的关键部件，单件钢制副车架重量通常为10～25kg，采用铝制副车架能减重30％～50％，轻量化效果显著。如凯迪拉克CTS采用的铝合金副车架，相比较传统的钢制副车架重量减少约40％。2019年北美汽车工业协会报告指出，铝合金在副车架上的应用在未来几年内将会大幅提升
作为一种新型的轻质结构材料，具有高强度，高韧性，良好的耐腐蚀性和上升焊接性能的Al-Zn-Mg合金被广泛应用于航空航天领域。Sc是改善铝合金性能的最有效的合金元素之一。有研究表明，少量的Sc或Sc和Zr的添加可以改变合金的显微组织并显着改善合金的性能。当Sc和Zr都用于Al-Zn-Mg合金中时，会出现Al3(Sc,Zr)析出物。这些析出物是比Al3Sc或Al3Zr更有效的重结晶抑制剂，在Al-Zn-Mg合金中，Al3(Sc,Zr)的分布比Al3Zr更均匀。研究了Sc和Zr元素对Al-Zn-Mg合金铸锭组织的细化作用。结果表明，添加Sc和Zr可以改变Al-Zn-Mg合金铸锭的组织，从而提高抗拉强度和延伸率。Sc含量对Al-Sc-Zr合金中析出物的形成和抗再结晶性的影响。结果表明，随着Sc含量的增加，析出物的平均半径减小，析出物的数密度增加，重结晶温度显着升高。尽管Sc的高价格对于含Sc铝合金的广泛商业应用是禁止的。关于中度Sc和Zr的超高强度Al-Zn-Mg合金降低成本的报道很少。
将不同含量的Sc和恒定的Zr含量添加到Al-Zn-Mg合金中，以研究其对显微组织和力学性能的影响，并研究不同含量的Sc添加到合金中的影响。旨在平衡含Sc和Zr的超高强度铝合金的高性能和低生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强度变形稀土铝合金及制造方法，该铝合金具有优异的超强度、延伸率等力学性能。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种超高强度变形稀土铝合金，使用组分包含有5.0-7.5wt.％Zn，2.0-3.5wt.％Mg，1.0-2.5wt.％Ag，0.3-0.6wt.％Sc，0.6-0.8wt.％Zr，杂质元素总量小于0.02wt.％，以及余量为Al的铝合金铸锭，经过及挤压工艺制得。
优选的，所述铝合金铸锭的制造方法为熔炼法，包括以下步骤：
将纯铝、纯锌、纯镁、Al-20Ag中间合金、Al-25Sc中间合金放入炉中，惰性气体保护下，在720-755℃熔化并保温20-30min；
加入Al-25Zr中间合金，720-755℃保温0.5-2h；
降温至660-690℃，静置10-15min，得铝合金铸锭。
优选的，所述挤压工艺包括以下步骤：
1)低温预挤压，在工艺温度为200℃-300℃条件下，将铝合金铸锭一次挤压为铝合金棒料，挤压比10-20；
2)等温往复挤压，在工艺温度为350℃-450℃条件下进行等温往复挤压，总累积应变量为5-12；
3)进行90℃-120℃，24h的预时效，以及175℃-200℃，24h的最终时效，即得高强度超铝合金棒材。
优选的，在步骤1)之前，先将铝合金铸锭在惰性气体保护下，在温度430℃-475℃进行24h的均匀化处理。
在步骤2)中，等温往复挤压的挤压比为4-6，挤压道次为2-8。
进一步的，所述惰性气体为氩气。
上述超高强度变形稀土铝合金的制造方法同样作为本发明的另一个方面。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
本方案通过向铝中添加高固溶元素Zn，高固溶稀土元素Sc，经均匀化处理后，形成具有高固溶度的铝合金铸态坯料，并经后续塑性加工过程中及多级时效处理后可以形成细小、弥散的沉淀相，提高合金应变硬化率，改善合金均匀应变程度，从而提高合金的强度和延伸率。得到的Al-Mg-Zn系合金屈服强度达到500MPa以上，符合行业对于超高强度的要求。
通过一次大挤压比的低温预挤压，获得细小的动态再结晶晶粒，提高合金的强化和延伸率，同时可缩短生产周期，降低生产成本。
使用本方法，通过添加稀土元素Sc，促进塑变时非基面滑移的开动，通过伸长应变与压缩应变结合的等温往复挤压，极大弱化塑变基面强织构，从而消除织构引起的力学性能各向异性。
本申请的超高强度变形铝合金实现了细晶、固溶、弥散沉淀相的复合强化效果，同时消除了织构引起的力学性能各向异性现象，使该铝合金具有优异的超强度、延伸率等力学性能。
附图说明
图1是实施例1所述铝合金材料的扫描电镜照片。
图2是实施例2所述铝合金材料的扫描电镜照片。
图3是实施例1所得铝合金材料的检验报告。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
定义
在本文中，术语“超”系指物体的物理、化学等方面，尤其指力学性能，的性质不会因方向的不同而有所变化的特性。
在本文中，术语“高强度变形铝合金”系指铝合金适于塑性加工，不但具有较高的拉伸和压缩屈服强度，而且具有良好的塑性。
在本文中，术语“多级时效”系指分阶段进行时效处理，通常至少包含预时效处理和最终时效处理两个阶段。一般情况下，预时效处理温度较低，以在合金中形成高密度的G.P.区，而最终时效处理则是通过调整沉淀相的结构和弥散度以达到预期的性能要求。
在本文中，术语“低温预挤压”系指铝合金变形温度控制在室温-200℃的一次大挤压比(>10)塑性变形，使常规铸态粗晶组织细化为细晶甚至亚微米晶组织。
一种超高强度变形稀土铝合金，使用组分包含有5.0-7.5wt.％Zn，2.0-3.5wt.％Mg，1.0-2.5wt.％Ag，0.3-0.6wt.％Sc，0.6-0.8wt.％Zr，杂质元素总量小于0.02wt.％，以及余量为Al的铝合金铸锭，经过及挤压工艺制得。
优选的，所述铝合金铸锭的制造方法为熔炼法，包括以下步骤：
将纯铝、纯锌、纯镁、Al-20Ag中间合金、Al-25Sc中间合金放入炉中，惰性气体保护下，在720-755℃熔化并保温20-30min，惰性气体的示例性实例包括但不限于氩气、氦气和氮气；
加入Al-25Zr中间合金，720-755℃保温0.5-2h；
降温至660-690℃，静置10-15min，得铝合金铸锭。
优选的，所述挤压工艺包括以下步骤：
1)低温预挤压，在工艺温度为200℃-300℃条件下，将铝合金铸锭一次挤压为铝合金棒料，挤压比10-20；
2)等温往复挤压，在工艺温度为350℃-450℃条件下进行等温往复挤压，总累积应变量为5-12；
3)进行90℃-120℃，24h的预时效，以及175℃-200℃，24h的最终时效，即得高强度超铝合金棒材。
优选的，在步骤1)之前，先将铝合金铸锭在惰性气体保护下，在在电阻箱式炉中进行均匀化处理，温度430℃-475℃处理24h。
在步骤2)中，等温往复挤压的挤压比为4-6，挤压道次为2-8。
超高强度变形铝合金的平均晶粒尺寸约为0.5-3μm。
超高强度变形铝合金的拉伸屈服强度约为540-560Mpa。
超高强度变形铝合金的压缩屈服强度约为440-480MPa。
超高强度变形铝合金的压缩屈服强度与拉伸屈服强度的比值约为0.95-1.05。
超高强变形铝合金的三维性能差异≤6％。在某些实施方案中，超高强变形铝合金的三维性能差异≤2％。
本申请的超高强度变形铝合金很好的解决了传统挤压型材性能各向异性大，抗压能力不足，以及在交变、多向等复杂载荷下承受负载低等问题，极大的促进了铝合金的发展。
实施例1：
将纯铝、纯锌、纯镁放入真空感应熔炼炉中，在高纯氩气保护下在755℃熔化并保温30min，随后加入Al-20Ag中间合金、Al-25Sc中间合金和Al-25Zr中间合金保温2h，最后降温至690℃，静置15min，进行浇注。这样制得成分为6.0wt.％Zn，3.0wt.％Mg，1.6wt.％Ag，0.45wt.％Sc，0.7wt.％Zr，杂质元素总量小于0.02wt.％以及余量为Al，尺寸为Φ110mm×85mm的铝合金圆铸锭(去除冒口之后尺寸)；随后在氩气保护气氛下进行575℃×24h的均匀化处理，以均匀组织，消除偏析及固溶晶间相。
车削去除圆铸锭表面氧化皮，并切制成Φ100mm×80mm的挤压试件，在250℃预热0.5h后，一次挤压成Φ30mm的铝合金棒料，挤压比11，模具预热温度450℃。挤压后铝合金棒材的平均晶粒尺寸为4.3±0.5μm，拉伸屈服强度为569±5MPa，压缩屈服强度为483±5MPa，压缩屈服强度/拉伸屈服强度(CSY/TSY)为0.68。
将预挤压棒料，在450℃进行等温往复挤压，挤压比4，挤压道次2道次；随后进行120℃/24h的预时效+200℃/24h的最终时效。这样制得的Φ30mm的高强度超铝合金棒材，其组织均匀，晶粒尺寸为1.2±0.3μm，且无明显择优取向，拉伸屈服强度为567±5MPa和压缩屈服达到504±5MPa，压缩屈服强度/拉伸屈服强度(CSY/TSY)为0.96，拉伸延伸率为10.5％。
实施例2：
将纯铝、纯锌、纯镁放入真空感应熔炼炉中，在高纯氩气保护下在720℃熔化并保温25min，随后加入Al-20Ag中间合金、Al-25Sc中间合金和Al-25Zr中间合金保温0.5h，最后降温至660℃，静置10min，进行浇注。这样制得成分为7.5wt.％Zn，3.5wt.％Mg，2.5wt.％Ag，0.6wt.％Sc，0.8wt.％Zr，杂质元素总量小于0.02wt.％以及余量为Al，尺寸为Φ110mm×85mm的铝合金圆铸锭(去除冒口之后尺寸)；随后在氩气保护气氛下进行410℃×24h的均匀化处理，以均匀组织，消除偏析及固溶晶间相。
车削去除圆铸锭表面氧化皮，并切制成Φ100mm×80mm的挤压试件，在300℃预热0.5h后，一次挤压成Φ30mm的铝合金棒料，挤压比11，模具预热温度250℃。挤压后铝合金棒材的平均晶粒尺寸为3.2±0.5μm，拉伸屈服强度为537±5MPa，压缩屈服强度为448±5MPa，压缩屈服强度/拉伸屈服强度(CSY/TSY)为0.92。
将预挤压棒料，在400℃进行等温往复挤压，挤压比6，挤压道次4道次；随后进行90℃/24h的预时效+175℃/24h的最终时效。这样制得的Φ30mm的高强度超铝合金棒材，其晶粒尺寸为0.8±0.3μm，且无明显择优取向，拉伸屈服强度为544±5MPa和压缩屈服均达到556±5MPa，压缩屈服强度/拉伸屈服强度(CSY/TSY)为0.95，拉伸延伸率为11.3％。

Claims (10)

1.一种高性能变形铝合金及制造方法，其特征在于，使用组分包含有5.0-7.5wt.％Zn，2.0-3.5wt.％Mg，1.0-2.5wt.％Ag，0.3-0.6wt.％Sc，0.6-0.8wt.％Zr，杂质元素总量小于0.02wt.％，以及余量为Al的铝合金铸锭，经过及挤压工艺制得。
2.根据权利要求1所述、一种高性能变形铝合金及制造方法，其特征在于，所述铝合金铸锭的制造方法为熔炼法，包括以下步骤：
将纯铝、纯锌、纯镁、Al-20Ag中间合金、Al-25Sc中间合金放入炉中，惰性气体保护下，在720-755℃熔化并保温20-30min；
加入Al-25Zr中间合金，720-755℃保温0.5-2h；
降温至660-690℃，静置10-15min，得铝合金铸锭。
3.根据权利要求1所述一种超高强度变形稀土铝合金，其特征在于，所述挤压工艺包括以下步骤：
1)低温预挤压，在工艺温度为200℃-300℃条件下，将铝合金铸锭一次挤压为铝合金棒料，挤压比10-20；
2)等温往复挤压，在工艺温度为350℃-450℃条件下进行等温往复挤压，总累积应变量为5-12；
3)进行90℃-120℃，24h的预时效，以及175℃-200℃，24h的最终时效，即得高强度超铝合金棒材。
4.根据权利要求1所述一种超高强度变形稀土铝合金，其特征在于，在步骤1)之前，先将铝合金铸锭在惰性气体保护下，在温度430℃-475℃进行24h的均匀化处理。
在步骤2)中，等温往复挤压的挤压比为4-6，挤压道次为2-8。
5.根据权利要求2或4所述一种超高强度变形稀土铝合金，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
6.一种超高强度变形稀土铝合金的制造方法，其特征在于，使用组分包含有5.0-7.5wt.％Zn，2.0-3.5wt.％Mg，1.0-2.5wt.％Ag，0.3-0.6wt.％Sc，0.6-0.8wt.％Zr，杂质元素总量小于0.02wt.％，以及余量为Al的铝合金铸锭，经过及挤压工艺制得。
7.根据权利要求6所述一种超高强度变形稀土铝合金的制造方法，其特征在于，所述铝合金铸锭的制造方法为熔炼法，包括以下步骤：
将纯铝、纯锌、纯镁、Al-20Ag中间合金、Al-25Sc中间合金放入炉中，惰性气体保护下，在720-755℃熔化并保温20-30min；
加入Al-25Zr中间合金，720-755℃保温0.5-2h；
降温至660-690℃，静置10-15min，得铝合金铸锭。
8.根据权利要求6所述一种超高强度变形稀土铝合金的制造方法，其特征在于，所述挤压工艺包括以下步骤：
1)低温预挤压，在工艺温度为200℃-300℃条件下，将铝合金铸锭一次挤压为铝合金棒料，挤压比10-20；
2)等温往复挤压，在工艺温度为350℃-450℃条件下进行等温往复挤压，总累积应变量为5-12；
3)进行90℃-120℃，24h的预时效，以及175℃-200℃，24h的最终时效，即得高强度超铝合金棒材。
9.根据权利要求6所述一种超高强度变形稀土铝合金的制造方法，其特征在于，在步骤1)之前，先将铝合金铸锭在惰性气体保护下，在温度430℃-475℃进行24h的均匀化处理。
在步骤2)中，等温往复挤压的挤压比为4-6，挤压道次为2-8。
10.根据权利要求7或9所述一种超高强度变形稀土铝合金的制造方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
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