CN115449675A - 一种Al-Zn-Mg超高强度铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al‑Zn‑Mg超高强度铝合金及其制备方法，所述铝合金的组分及质量百分比为：Si：≤0.20%，Fe：≤0.40%，Cu：≤0.26%，Mn：≤0.20‑0.30%，Mg：1.3‑2.6%，Cr：0.05‑0.20%，Zn：7.5‑8.5%，Ti：0.03‑0.05%，Zr：≤0.03%，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05%，总量≤0.15%，通过对合金组分的控制及对生产工艺的优化，得到可挤压性能好、淬火敏感性更低且能够实现在线淬火的Al‑Zn‑Mg铝合金铸锭，此合金淬透性能优异，对于大规格制品配合合理的挤压工艺可得到芯部和表面强度均匀，抗拉强度高达580MPa以上，硬度高达150HB以上且淬透深度150mm以上的超高强度铝合金。
Description
技术领域
本发明属于铝合金材料技术领域，具体涉及一种Al-Zn-Mg超高强度铝合金及其制备方法。
背景技术
超高强度铝合金主要为Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，通过添加较高含量的Zn、Mg、Cu等合金元素，以达到超高强度的性能，但由于其添加了含量较高的Cu元素，导致铝合金可挤压性差，且其淬火敏感性高，表现在变形抗力大，挤压速度快容易出现裂纹，而由于淬火敏感性高和不能快速挤压的原因，无法实现在线淬火，需要采用离线固溶淬火的工艺路线，工艺流程长、生产效率低、生产成本高。同时此类合金淬透性不高，随着制品厚度增加，材料越往中心部位淬火冷却速率越低，存在表面和芯部性能逐渐递减的不均匀现场。而可挤压性好且淬火敏感性不高的合金，例如6系的6063、6005A、6061和7系的7005等合金，其强度又较低，抗拉强度不超过450MPa，无法达到超高强度的要求。
经检索，中国专利，申请号201811227275.3公开一种Al-Zn-Mg-Cu超高强度铝合金及其快速挤压在线淬火生产方法，该方法通过控制合金成分并优化铸锭均匀化工艺来降低合金的淬火敏感性和变形抗力，同时采用三级时效工艺得到抗拉强度500MPa以上的铝合金挤压产品。但该方法合金成分添加了Cu，淬火敏感性仍然较高，需要配合快速的挤压速度才能实现在线淬火，对于一些形状截面稍微复杂需要慢速挤压的产品则无法实现在线淬火，同时其需要配合铸锭三级均热工艺和产品三级时效工艺才能保证其快速挤压在线淬火的要求和达到500MPa强度的性能，工艺制度繁琐，生产效率较低，能耗较高，无法满足更高强度的应用需求。
发明内容
针对以上不足，本发明的目的是提供一种Al-Zn-Mg超高强度铝合金及其制备方法，通过对合金组分的控制及对生产工艺的优化，得到可挤压性能好、淬火敏感性更低且能够实现在线淬火的Al-Zn-Mg铝合金铸锭，此合金淬透性能优异，对于大规格制品配合合理的挤压工艺可得到芯部和表面强度均匀，抗拉强度高达580MPa以上，硬度高达150HB以上且淬透深度150mm以上的超高强度铝合金。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种Al-Zn-Mg超高强度铝合金，所述铝合金的组分及质量百分比为：Si：≤0.20％，Fe：≤0.40％，Cu：≤0.26％，Mn：≤0.20-0.30％，Mg：1.3-2.6％，Cr：0.05-0.20％，Zn：7.5-8.5％，Ti：0.03-0.05％，Zr：≤0.03％，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05％，总量≤0.15％。
Cu原子半径比Al原子半径小，Cu原子以置换固溶的形式存在于铝基体中，使铝基体的晶格发生收缩而产生较大的畸变能，随着Cu含量的增加，更多Cu原子固溶于铝基体中产生更大的晶格畸变能，使固溶体中Zn、Mg在铝中的溶解度下降，并且，Cu含量的增加，η相(MgZn2)的析出动力也会不断增加，在慢速淬火过程中形成淬火析出相，大大减小沉淀强化相的数量，因此，本发明的Al-Zn-Mg超高强度铝合金，其Cu含量≤0.26％，以严格控制Cu含量在较低水平。
在再结晶过程中，晶内大量的Al3Zr粒子失去了与基体的共格性，成为了非均匀形核位点。Cu含量的增加使再结晶分数提高，Al3Zr粒子跟随着增多导致晶内淬火析出相增加，因此，本发明的Al-Zn-Mg超高强度铝合金中，Zr≤0.03％，以控制Zr含量在较低水平。
所述的Al-Zn-Mg超高强度铝合金中，Mg：1.3-2.6％，Zn：7.5-8.5％，Zn、Mg含量控制在较高水平，确保淬火后形成过饱和的固溶体，时效后析出更多亚稳强化相，以达到超高强度目的。
本发明的Al-Zn-Mg超高强度铝合金，通过严格控制Cu、Zr、Mg、Zn以及其他合计元素的含量和比例，以优化可挤压性能以及淬火敏感性，并实现在线淬火；同时，保证合金淬透性能，以保证在合理的挤压工艺下可得到芯部和表面强度均匀、抗拉强度高达580MPa以上、硬度高达150HB以上且淬透深度150mm以上的超高强度铝合金。
进一步的，所述铝合金的组分及质量百分比为：Si：0.04-0.12％，Fe：0.10-0.20％，Cu：0.03-0.06％，Mn：0.20-0.30％，Mg：1.3-2.6％，Cr：0.06-0.10％，Zn：7.5-8.5％，Ti：0.03-0.05％，Zr：≤0.03％，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05％，总量≤0.15％。
进一步的，所述铝合金的组分及质量百分比为：Si：0.04％，Fe：0.12％，Cu：0.26％，Mn：0.23％，Mg：2.2％，Cr：0.09％，Zn：8.1％，Ti：0.03％，Zr：0.01％，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05％，总量≤0.15％。
本发明还提供上述Al-Zn-Mg超高强度铝合金的制备方法，包括以下步骤：铸锭配料、铸锭熔炼、铸锭铸造、铸锭均匀化、机加工、铸锭加热、模具加热、挤压筒加热、挤压、在线淬火、拉伸矫直，以及人工时效；其中，
在铸锭均匀化步骤中，采用单级均匀化工艺，加热到440-475℃保温7-28h，保温结束后以强风冷却至180℃以下；
在铸锭加热步骤中，采用梯度加热方法，加热温度控制在420-520℃，头尾温差控制在10-60℃；
模具在炉内加热，温度控制在440-530℃，保温时间为2-45h；
挤压筒加热温度控制在420-470℃；
在挤压步骤中，挤压速度控制在0.5-5.0m/min。
进一步的，在上述制备方法中，铸锭均匀化后如果均匀化充分，则在铸锭加热步骤中，加热温度控制在420-480℃，头尾温差控制在10-60℃；
在挤压步骤中，挤压速度控制在2.5-5m/min。
进一步的，在上述制备方法中，铸锭均匀化后如果均匀化相对不够充分，则
在铸锭加热步骤中，加热温度控制在大于480℃、小于等于520℃，头尾温差控制在10-60℃；
在挤压步骤中，挤压速度控制在大于等于0.5m/min、小于2.5m/min。
结合本发明的铝合金及其制备方法，通过试验总结概括，在铸锭均匀化步骤中，以加热温度为直观划分，当均匀化加热到460-475℃时，则规划为均匀化充分，当均匀化加热到440-460(不包含)℃时，则规划为均匀化充分。
进一步的，在上述制备方法中，在铸锭熔炼步骤中，将配料投入熔炼炉中进行加热至融化，熔炼温度为710-760℃，熔炼时间≤7h，然后启动电磁搅拌装置搅拌10-60min后转入保温炉保温，保温温度控制在700-750℃，经成分调整、精炼、扒渣并静置15-45min得到所需成分；
在铸锭铸造步骤中，铸造温度控制在685-710℃，铸造速度控制在30-50mm/min，冷却水流量控制在20-40m3/h。
进一步的，在上述制备方法中，在在线淬火步骤中，控制产品淬火前温度在400℃以上，保证淬火方式为强风、水雾或水冷却，淬火冷却速率为1-10℃/s。
进一步的，在上述制备方法中，在人工时效步骤，所述时效采用单级时效工艺，加热至120-140℃，保温12-28h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：与传统的铝合金相比较，本发明对合金成分、以及制备工艺参数进行了改进、控制，可挤压性好、淬火敏感性低、淬透性高，铸锭温度和挤压速度工艺调整空间大，能够满足快速挤压在线淬火，也能够满足复杂截面产品慢速挤压在线淬火效果，省去离线淬火工序，缩短了生产流程，生产效率提高50％以上，降低生产成本40％以上。本发明的产品抗拉强度能够达到580MPa以上超高强度，对于大规格制品能够达到芯部表面性能均匀的要求，满足更多工程轻量化替代应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例1所获铝合金铸锭的金相图；
图2为实施例2所获铝合金铸锭的金相图；
图3为实施例3所获铝合金铸锭的金相图。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施和例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本优选的实施例提供一种Al-Zn-Mg超高强度铝合金，铝合金的组分及质量百分比为：Si：0.04％，Fe：0.12％，Cu：0.26％，Mn：0.23％，Mg：2.2％，Cr：0.09％，Zn：8.1％，Ti：0.03％，Zr：0.01％，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05％，总量≤0.15％。
本实施例还提供上述铝合金的型材制备方法，包括以下步骤：
铸锭配料、铸锭熔炼：按照本实施例提供的组分进行配料，熔炼温度为710℃-760℃，熔炼5h使原材料充分融化，并获得成分均匀稳定的溶体，然后启动电磁搅拌装置搅拌30min后转入保温炉保温，保温温度控制在720℃，经成分调整、精炼、扒渣并静置15-30min得到所需成分；
铸锭铸造：对除气除渣后的溶体进行铸造成型，铸造平台铝液温度控制在685℃-710℃，铸造速度控制在30-50mm/min，冷却水流量控制在20-40m3/h，铸造后获得铸锭；
铸锭均匀化：对铸锭进行单级均匀化处理，均匀化工艺：460℃保温18h，保温结束后进冷却室强风冷却至180℃以下；
铸锭加热：在感应炉内采用梯度加热的方法对铸锭进行加热，加热温度控制在470℃，尾部温度控制在450℃；
模具加热：模具在炉内加热，温度控制在480±10℃，保温时间为10h；
挤压筒加热：挤压筒加热温度控制在450℃±10℃；
挤压：铸锭、模具加热完成、挤压筒到温之后对铸锭进行挤压，挤压速度控制在2.5m/min；
在线淬火：挤压成型后进行在线固溶淬火，控制型材淬火前温度在480℃，淬火冷却速率为6℃/s；
人工时效：采用单级时效工艺，加热至120℃，保温28h。
实施例2
本优选的实施例提供一种Al-Zn-Mg超高强度铝合金，铝合金的组分及质量百分比为：Si：0.07％，Fe：0.15％，Cu：0.03％，Mn：0.20％，Mg：1.3％，Cr：0.09％，Zn：7.5％，Ti：0.03％，Zr：0.03％，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05％，总量≤0.15％。
本实施例还提供上述铝合金的型材制备方法，包括以下步骤：
铸锭配料、铸锭熔炼：按照本实施例提供的组分进行配料，熔炼温度为710℃-760℃，熔炼5h使原材料充分融化，并获得成分均匀稳定的溶体，然后启动电磁搅拌装置搅拌30min后转入保温炉保温，保温温度控制在720℃，经成分调整、精炼、扒渣并静置15-30min得到所需成分，将熔体进行除气过滤，除气后溶体氢含量为0.086ml/100gAl；
铸锭铸造：对除气除渣后的溶体进行铸造成型，铸造平台铝液温度控制在685℃-710℃，铸造速度控制在30-50mm/min，冷却水流量控制在20-40m3/h，铸造后获得铸锭；
铸锭均匀化：对铸锭进行单级均匀化处理，均匀化工艺：475℃保温7h，保温结束后进冷却室强风冷却至180℃以下；
铸锭加热：在感应炉内采用梯度加热的方法对铸锭进行加热，加热温度控制在420℃，尾部温度控制在380℃；
模具加热：模具在炉内加热，温度控制在430±10℃，保温时间为45h；
挤压筒加热：挤压筒加热温度控制在410℃±10℃；
挤压：铸锭、模具加热完成、挤压筒到温之后对铸锭进行挤压，挤压速度控制在5m/min；
在线淬火：挤压成型后进行在线固溶淬火，控制型材淬火前温度在440℃，淬火冷却速率为1℃/s；
人工时效：采用单级时效工艺，加热至140℃，保温12h。
实施例3
本优选的实施例提供一种Al-Zn-Mg超高强度铝合金，铝合金的组分及质量百分比为：Si：0.06％，Fe：0.11％，Cu：0.06％，Mn：0.27％，Mg：2.6％，Cr：0.06％，Zn：8.5％，Ti：0.04％，Zr：0.01％，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05％，总量≤0.15％。
本实施例还提供上述铝合金的型材制备方法，包括以下步骤：
铸锭配料、铸锭熔炼：按照本实施例提供的组分进行配料，熔炼温度为710℃-760℃，熔炼5h使原材料充分融化，并获得成分均匀稳定的溶体，然后启动电磁搅拌装置搅拌30min后转入保温炉保温，保温温度控制在720℃，经成分调整、精炼、扒渣并静置15-30min得到所需成分；
铸锭铸造：对除气除渣后的溶体进行铸造成型，铸造平台铝液温度控制在685℃-710℃，铸造速度控制在30-50mm/min，冷却水流量控制在20-40m3/h，铸造后获得铸锭；
铸锭均匀化：对铸锭进行单级均匀化处理，均匀化工艺：440℃保温28h，保温结束后进冷却室强风冷却至180℃以下；
铸锭加热：在感应炉内采用梯度加热的方法对铸锭进行加热，加热温度控制在520℃，尾部温度控制在490℃；
模具加热：模具在炉内加热，温度控制在500±10℃，保温时间为2h；
挤压筒加热：挤压筒加热温度控制在470℃±10℃；
挤压：铸锭、模具加热完成、挤压筒到温之后对铸锭进行挤压，挤压速度控制在0.5m/min；
在线淬火：挤压成型后进行在线固溶淬火，控制型材淬火前温度在500℃，淬火冷却速率为10℃/s；
人工时效：采用单级时效工艺，加热至130℃，保温18h。
将实施例1至3所获成品进行力学性能测试，测试所获的力学性能如表1所示。
表1本发明制备的铝合金产品性能
由表1中可以看出，本发明的一种Al-Zn-Mg超高强度铝合金，具有超高强度，抗拉强度可达580MPa以上，规定非比例延伸强度可达550MPa以上，断后伸长率可达9％以上，布氏硬度可达到150HB以上，淬透厚度达到150mm以上。能够满足超高强度应用需求。
在研究过程中，申请人还做了以下对比试验：
对比例1
一种Al-Zn-Mg铝合金，合金组分和质量百分比与实施例1基本相同，不同之处在于：将Cu含量调整为2.0％。
所述的Al-Zn-Mg铝合金的生产方法与实施例1基本相同。
在挤压步骤中，使用2.5m/min的挤压速度制品表面出现裂纹，速度降低至1.0m/min。
经检测，对比例1所得到的挤压产品力学性能为：抗拉强度437MPa，屈服强度392MPa，断后伸长率10％。
对比例1试验结果表明，Cu含量的提高，铝合金铸锭的变形抗力变大，可挤压性降低，制品表面容易出现裂纹，同时淬火敏感性大幅增加，表现为降低速度后产品力学性能大幅降低。
对比例2
一种Al-Zn-Mg铝合金，合金组分和质量百分比参照国标7005合金，具体为：Si：0.07％，Fe：0.15％，Cu：0.06％，Mn：0.30％，Mg：1.6％，Cr：0.09％，Zn：4.6％，Ti：0.03％，Zr：0.11％，其余为Al及不可避免的杂质。
所述的Al-Zn-Mg铝合金的生产方法与实施例1基本相同。
经检测，对比例2所得到的挤压产品力学性能为：抗拉强度402MPa，屈服强度357MPa，断后伸长率11.0％。
对比例2试验结果表明，Cu含量相对较低的7005合金，可挤压性较高，能进行快速挤压，但由于其他主要合金元素不同，在线淬火力学性能仅刚达到400MPa，达不到超高强度。
本发明实施案例所获的铸锭金相组织如图1至图3所示，由图1至图3可以看出，实施案例1可以看到第二相已经均匀析出，但晶界仍有较大的相没有充分溶解；实施案例2在较高温度和较长保温时间下，第二相均匀析出，晶界强化相分布不连续。实施案例3为低温短时去应力工艺，第二相析出不充分，晶界明显，配合挤压铸锭高温加热，可减小其变形抗力。
本发明的各个生产步骤是相互配合和相互支撑的，铸锭配料步骤是为了得到淬火敏感性低和淬透性高的合金成分，控制Cu、Zr这两种提高淬火敏感性和降低淬透性的元素，避免大量淬火析出相在慢速淬火过程中析出，这些淬火析出相尺寸较大，几乎没有强化作用，而且还大大消耗了Zn、Mg原子，减小沉淀强化相数量。同时提高Zn、Mg两个主要强化元素，保证了在线淬火工序能够实现，也是确保一种Al-Zn-Mg铝合金能够达到超高强度的基本条件；铸锭均匀化是为了消除铸锭内应力，避免铸锭锯切开裂，同时减少或消除铸锭的化学成分和组织的不均匀，提高铸锭的可挤压性；铸锭加热步骤和挤压步骤工艺参数根据铸锭均匀化工艺制定，均匀化充分的，可以采用温度范围的中下限、挤压速度的中上限进行挤压，如实施例1和实施例2，均匀化相对不够充分的，可以采用温度范围的中上限、挤压速度的中下限进行挤压，如实施例3，使第二相充分回溶到基体中，保证在线淬火步骤中得到过饱和的固溶体；以上步骤的相互配合和支撑，确保了铸锭的低淬火敏感性、高淬透性，可挤压性高，挤压工艺区间范围广。
且本发明仅需单级均匀化处理，时效采用单级时效工艺，产品不需进行离线淬火，大大缩短工艺流程，提高生产效率，达到提高生产效率、节约能耗的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种Al-Zn-Mg超高强度铝合金，其特征在于，
所述铝合金的组分及质量百分比为：Si：≤0.20%，Fe：≤0.40%，Cu：≤0.26%，Mn：0.20-0.30%，Mg：1.3-2.6% ，Cr：0.05-0.20%，Zn：7.5-8.5%，Ti：0.03-0.05 %，Zr：0.01-0.03%，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05%，总量≤0.15%。
2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg超高强度铝合金，其特征在于，
所述铝合金的组分及质量百分比为：Si：0.04-0.12%，Fe：0.10-0.20%，Cu：0.03-0.06%，Mn：0.20-0.30%，Mg：1.3-2.6% ，Cr：0.06-0.10%，Zn：7.5-8.5%，Ti：0.03-0.05 %，Zr：≤0.03%，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05%，总量≤0.15%。
3.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg超高强度铝合金，其特征在于，
所述铝合金的组分及质量百分比为：Si：0.04%，Fe：0.12%，Cu：0.26%，Mn：0.23%，Mg：2.2% ，Cr：0.09%，Zn：8.1%，Ti：0.03%，Zr：0.01%，其余为Al及不可避免的杂质，且每种不可避免的元素均≤0.05%，总量≤0.15%。
4.一种权利要求1至3任一项所述的Al-Zn-Mg超高强度铝合金的制备方法，包括以下步骤：铸锭配料、铸锭熔炼、铸锭铸造、铸锭均匀化、机加工、铸锭加热、模具加热、挤压筒加热、挤压、在线淬火、拉伸矫直，以及人工时效，其特征在于，
在铸锭均匀化步骤中，采用单级均匀化工艺，加热到440-475℃保温7-28h，保温结束后以强风冷却至180℃以下；
在铸锭加热步骤中，采用梯度加热方法，加热温度控制在420-520℃，头尾温差控制在10-60℃；
模具在炉内加热，温度控制在440-530℃，保温时间为2-45h；
挤压筒加热温度控制在420-470℃；
在挤压步骤中，挤压速度控制在0.5-5.0m/min。
5.根据权利要求4所述的Al-Zn-Mg超高强度铝合金的制备方法，其特征在于，铸锭均匀化后如果均匀化充分，则
在铸锭加热步骤中，加热温度控制在420-480℃，头尾温差控制在10-60℃；
在挤压步骤中，挤压速度控制在2.5-5m/min。
6.根据权利要求4所述的Al-Zn-Mg超高强度铝合金的制备方法，其特征在于，铸锭均匀化后如果均匀化相对不够充分，则
在铸锭加热步骤中，加热温度控制在大于480℃、小于等于520℃，头尾温差控制在10-60℃；
在挤压步骤中，挤压速度控制在大于等于0.5m/min、小于2.5m/min。
7.根据权利要求4所述的Al-Zn-Mg超高强度铝合金的制备方法，其特征在于，
在铸锭熔炼步骤中，将配料投入熔炼炉中进行加热至融化，熔炼温度为710-760℃，熔炼时间≤7h，然后启动电磁搅拌装置搅拌10-60min后转入保温炉保温，保温温度控制在700-750℃，经成分调整、精炼、扒渣并静置15-45min得到所需成分；
在铸锭铸造步骤中，铸造温度控制在685-710℃，铸造速度控制在30-50mm/min，冷却水流量控制在20-40m3/h。
8.根据权利要求4所述的Al-Zn-Mg超高强度铝合金的制备方法，其特征在于，
在在线淬火步骤中，控制产品淬火前温度在400℃以上，淬火方式为强风、水雾或水冷却，淬火冷却速率为1-10℃/s。
9.根据权利要求4所述的Al-Zn-Mg超高强度铝合金的制备方法，其特征在于，
在人工时效步骤，所述时效采用单级时效工艺，加热至120-140℃，保温12-28h。
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