CN115369294B - 一种耐热Al-Mg-Cu-Zn合金及热处理工艺 - Google Patents

一种耐热Al-Mg-Cu-Zn合金及热处理工艺 Download PDF

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Abstract

一种新型耐热Al‑Mg‑Cu‑Zn合金及热处理工艺，属于高强耐热合金技术领域，合金含有下列组分：2.2‑3.5wt％Mg，1.0‑1.5wt％Cu，1.5‑4.5wt％Zn，0‑0.3wt％Si，0‑0.5wt％Mn，其余含量为铝。本发明在Al‑Mg‑Cu合金中添加了Zn元素以及采用了Si微合金化和双级时效工艺，通过T相的析出使合金具有非常显著的时效强化效果以及相对较好的热稳定性。

Description

一种耐热Al-Mg-Cu-Zn合金及热处理工艺
技术领域
本发明属于合金材料技术领域，具体涉及一种新型耐热铝合金制备及热处理工艺。
背景技术
铝合金材料由于具有较高的比强度、比刚度以及良好的耐蚀性，因而被广泛应用于航空航天、轨道交通、民用建材等行业，并且各行业对铝合金耐热性的要求越来越高。低Cu/Mg比的Al-Mg-Cu合金是可时效强化的铝合金，并且在高温下具有优秀的抗粗化能力，但是由于Cu元素含量较低，所以时效强化能力较弱。传统的时效强化型铝合金所遵循的基本合金化原则即在合金基体中引进固溶度较大且随温度剧烈变化的合金元素，利用高-低温发生的固溶度改变，诱导基体中发生固态相变，从而起到强化的作用。因此，在低Cu/Mg比的Al-Mg-Cu合金中添加少量的微合金元素，并采用合适的热处理工艺，可以使其时效能力大幅提升。
Zn元素是7XXX系合金中的主合金元素，具有较强的时效强化效应，并且Zn元素的含量对析出相类型有重要影响。当Zn/Mg＜2.2时，T-Mg32(Al,Zn)49相为主要强化相；Zn/Mg＞2.2时，η-MgZn2相为主要强化相。但是由于Zn元素固溶度大并且扩散速率较快，所以其析出强化相的热稳定性尤为关键。研究表明，当Zn元素含量较高时，合金的峰时效时间较短。学者研究发现，在Al-Mg合金中添加少量的Zn元素可以析出T相从而显著提高合金的时效强化能力。
Si元素能够提高Al-Mg-Cu合金的时效响应速度，主要是因为Si元素能够降低界面能，稳定GPB区，增大GPB区的数密度。在位于α+S+T相区的Al-Mg-Cu合金中添加Si元素，会抑制合金中T(Al6CuMg4)相的析出，主要是由于Si原子与Mg原子结合能较强形成Mg2Si初生相，从而增大Cu/Mg比，使合金析出相往α+S相区移动。另外，Mg2Si是难溶相，对合金的塑性有很大损害，因此要严格控制Si元素的含量。
双级时效工艺能够显著提高合金的时效显微硬度，主要是由于在低温预时效阶段基体中会形成数密度较大的前驱体，这些前驱体可以作为后期时效的形核点，使合金的时效强化效果显著提升。特别是对于扩散速率较快的合金元素，如Zn元素，低温预时效会使Zn原子先与Mg原子结合，从而影响后期时效的沉淀析出序列。
因此，基于以上的技术背景，本发明通过在低Cu/Mg比的Al-Mg-Cu合金中添加少量Zn元素，不但提高合金时效强化响应，同时使合金中析出热稳定性优于η-MgZn2相的T-Mg32(Al,Zn)49相，并且添加少量的Si元素以及采用双级时效工艺进一步提高合金的峰时效硬度。本发明通过Zn、Si元素的复合添加以及双级时效工艺，使得该合金具有较高的硬度以及相对较好的热稳定性。
发明内容
本发明的目的在于通过向Al-Mg-Cu合金中添加Zn、Si等合金元素，并且采用双级时效工艺，得到一种具有较高强度及热稳定性相对较好的Al-Mg-Cu-Zn-Si合金。
本发明所提供的Al-Mg-Cu-Zn合金中各元素所占重量百分比为2.2-3.5％Mg，1.0-1.5％Cu，1.5-4.5％Zn，0-0.3％Si且不为0，0-0.5％Mn，其余含量为铝及不可避免的杂质。
本发明所述双级时效制度适用的合金成分范围包括但不限于上述合金成分。
本发明所述合金的制备方法包括以下步骤：
(1)熔炼合金，采用石墨坩埚将高纯铝和中间合金等原料熔融，将纯Mg和纯Zn用铝箔包裹加入到熔融的金属液中，待其充分熔化之后进行精炼除气处理，之后保温静置，达到浇注温度后进行浇注。
(3)固溶处理，然后进行淬火。
(4)进行双级时效处理。
步骤(1)中，熔炼温度为800±10℃，浇注温度为720-760℃。
步骤(2)中，固溶处理制度为530-540℃保温2-3h，之后在室温条件下进行水淬，淬火转移时间不超过10s；
步骤(3)中，双级时效工艺为先进行90℃-125℃/24预时效处理，然后在175-225℃下进行高温时效。
进一步优选，步骤(3)中，双级时效工艺为先进行125℃/24预时效处理，然后在175-225℃下进行高温时效。
本发明在Al-Mg-Cu合金中添加Zn、Si元素，Zn元素的添加可以使合金在时效过程中析出T-Mg32(Al,Zn)49相从而显著提高合金的时效硬化响应，在此基础上添加Si元素并采用双级时效工艺可以进一步提高合金的峰时效硬度。在双级时效工艺下，首先通过低温预时效使合金中析出大量细小的前驱体，这些前驱体在之后时效过程中作为形核位点可以进一步提高硬化效果。
附图说明：
图1：A、B合金在175℃下的时效硬度曲线。
图2：1#、2#、3#、4#合金在175℃下的时效硬度曲线。
图3：1#、2#、3#、4#合金在90℃时效24h后，在175℃下时效的硬度曲线。
图4：3#合金在90℃时效24h之后的TEM图。
图5：2#、3#、4#合金在125℃时效24h后，在175℃下时效的硬度曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于本实施例。
对比例1
采用石墨坩埚和铁模制备合金，所用实验原料为高纯Al、纯Mg、纯Zn和Al50Cu、Al24Si中间合金。将高纯Al和中间合金放入石墨坩埚中，在800℃温度下使其熔化，将纯Mg和纯Zn用铝箔包裹加入到熔融的金属液中，然后搅拌均匀使其充分熔化，静置后采用铁模浇注得到铸锭，合金成分如表1所示。固溶处理为从室温升温5h达到540℃后保温2h，固溶后的样品在室温条件下进行水淬，淬火转移时间不超过10s，之后在175℃进行时效处理得到时效硬化曲线(附图1)。如图1所示，两种合金硬度达到峰值后迅速下降，合金的热稳定性较差，并且Si元素的添加使合金硬度有所降低，降低了合金的时效强化能力。
表1
实施例1(对比例2)
采用石墨坩埚和铁模制备合金，所用实验原料为高纯Al、纯Mg、纯Zn和Al50Cu、Al24Si、Al10Mn中间合金。将高纯Al和中间合金放入石墨坩埚中，在800℃温度下使其熔化，将纯Mg和纯Zn用铝箔包裹加入到熔融的金属液中，然后搅拌均匀使其充分熔化，静置后采用铁模浇注得到铸锭，所得合金成分如表2所示。固溶处理为在530℃下保温2h，固溶后的样品在室温条件下进行水淬，淬火转移时间不超过10s，之后在175℃下时效处理得到时效硬化曲线(附图2)。如图2所示，复合添加Zn、Si元素后合金的时效硬化效应显著增强，并且复合添加3.0％Zn和0.15Si的3#合金峰值硬度达到了144.1HV，在长时间时效过程中，其硬度值并无显著下降，表现出了较好的热稳定性。而4#合金的时效硬化效果不如3#合金，这是因为较高的Si含量导致基体中Mg含量降低进而导致时效动力不足，说明Si元素含量较高无明显作用。
表2
实施例2
将1#、2#、3#、4#合金经过相同制度进行固溶处理，淬火后首先进行90℃/24h的预时效处理，然后在175℃下时效处理得到时效硬化曲线(附图3)。经过90℃预时效处理后，2#、3#、4#合金的显微硬度分别为107.5HV、146.1HV、135.2HV，且合金基体中析出了细小的弥散分布的GP区(附图4)，这些GP区会作为后期时效的形核点，显著提高合金的时效硬化响应。在随后的高温时效过程中，3#经过12h达到峰值硬度171HV，与单级峰值硬度相比提升了26.9HV；而2#合金的峰值硬度只有132.9HV，与单级峰值硬度相比仅提升了5.5HV。4#合金在高温时效前期的显微硬度略低于3#合金，而在过时效阶段显微硬度值略高于3#合金，总体趋势基本相同，但4#合金的Si含量较高，会损害合金的塑性。与对比例1中的两种合金相比，Zn含量较低的3#合金经过双级时效处理后的峰值硬度与Zn含量较高的A、B两种合金接近，并且在长时间时效过程中3#合金的热稳定性优于A、B两种合金。
实施例3
将2#、3#、4#合金经过相同制度进行固溶处理，淬火后首先进行125℃/24h的预时效处理，然后在175℃下时效处理得到时效硬化曲线(附图5)。经过125℃预时效处理后，2#、3#、4#合金的显微硬度略高于90℃/24h预时效后的硬度值，分别为112.3HV、149.8HV、155.8HV，这是由于时效温度较高导致，但后期高温时效过程中，合金的时效硬化趋势与实例3中所述基本相同，与A、B合金相比具有较好的热稳定性。

Claims (4)

1.一种耐热Al-Mg-Cu-Zn合金，其特征在于，Al-Mg-Cu-Zn合金中各元素所占重量百分比为2.2-3.5%Mg，1.0-1.5%Cu，3.0-4.5%Zn，0.15%Si，0-0.5%Mn，其余含量为铝及不可避免的杂质；
制备方法，包括以下步骤：
（1）熔炼合金，采用石墨坩埚将高纯铝和中间合金原料熔融，将纯Mg和纯Zn用铝箔包裹加入到熔融的金属液中，待其充分熔化之后进行精炼除气处理，之后保温静置，达到浇注温度后进行浇注；
（2）固溶处理，然后进行淬火；
（3）进行双级时效处理；
步骤（3）中，双级时效工艺为先进行90℃-125℃/24预时效处理，然后在175-225℃下进行高温时效。
2.按照权利要求1所述的Al-Mg-Cu-Zn合金，其特征在于，步骤（3）中，双级时效工艺为先进行125℃/24预时效处理，然后在175-225℃下进行高温时效。
3.按照权利要求1所述的Al-Mg-Cu-Zn合金，其特征在于，步骤（1）中，熔炼温度为800±10℃，浇注温度为720-760℃。
4.按照权利要求1所述的Al-Mg-Cu-Zn合金，其特征在于，步骤（2）中，固溶处理制度为530-540℃保温2-3h，之后在室温条件下进行水淬，淬火转移时间不超过10s。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104862551A (zh) * 2015-05-21 2015-08-26 北京科技大学 Al-Mg-Cu-Zn系铝合金及铝合金板材制备方法
CN107022725A (zh) * 2017-04-20 2017-08-08 北京科技大学 一种提高时效强化型Al‑Mg‑Zn合金晶间腐蚀性能的热处理工艺
JP2019183264A (ja) * 2018-03-30 2019-10-24 株式会社神戸製鋼所 高強度アルミニウム合金、該アルミニウム合金を用いたアルミニウム合金板およびアルミニウム合金部材
CN110541096A (zh) * 2019-09-11 2019-12-06 北京科技大学 一种高强易焊Al-Mg-Zn-Cu合金及其制备方法
CN112501482A (zh) * 2020-10-14 2021-03-16 北京工业大学 一种Si微合金化AlZnMgCu合金及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104862551A (zh) * 2015-05-21 2015-08-26 北京科技大学 Al-Mg-Cu-Zn系铝合金及铝合金板材制备方法
CN107022725A (zh) * 2017-04-20 2017-08-08 北京科技大学 一种提高时效强化型Al‑Mg‑Zn合金晶间腐蚀性能的热处理工艺
JP2019183264A (ja) * 2018-03-30 2019-10-24 株式会社神戸製鋼所 高強度アルミニウム合金、該アルミニウム合金を用いたアルミニウム合金板およびアルミニウム合金部材
CN110541096A (zh) * 2019-09-11 2019-12-06 北京科技大学 一种高强易焊Al-Mg-Zn-Cu合金及其制备方法
CN112501482A (zh) * 2020-10-14 2021-03-16 北京工业大学 一种Si微合金化AlZnMgCu合金及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
新型Al-Mg-Cu-Zn铝合金时效析出强化及成形性研究;曹城;《新型Al-Mg-Cu-Zn铝合金时效析出强化及成形性研究》;20170715;第38页、第73页、第75页、第94页 *

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