CN115874089B - 一种快速时效响应Al-Mg-Zn-Cu合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种快速时效响应Al‑Mg‑Zn‑Cu合金，按照质量百分比，所述铝合金成分包括：镁：2.5～4.5％，锌：2.0～4.5％，铜：0.8～1.5％，不可避免的杂质含量≤0.2％，余量为铝；所述铝合金的制备方法包括铸造、固溶处理、初时效、轧制、终时效。本发明不仅省略了时效前高温长时间固溶处理，并且大幅度减少了时效处理时间，显著降低了生产成本，而且在保持较高延伸率的同时，显著提高了Al‑Mg‑Zn‑Cu合金的力学性能，其力学性能：屈服强度≥525MPa，抗拉强度≥563MPa，延伸率达～10％。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种快速时效响应Al-Mg-Zn-Cu合金及其制备方法。
背景技术
近年来随着汽车轻量化的推进和国家产业政策的支持，铝镁合金等轻质材料由于降重效果显著，在汽车上的用量不断增加。尤其是Al-Mg-Zn-Cu系合金具有比重小、强度高、韧性好等优点，广泛应用于航空航天、交通运输等领域。
然而，目前针对Al-Mg-Zn-Cu变形合金，常规的制备工艺需要长时间高温热处理，该制备工艺复杂且能耗高，而且由于Al-Mg-Zn-Cu合金时效动力学低，制备周期长，合金中时效析出的粗大析出相限制了合金的时效强化能力。因而，在目前传统的制备工艺下，力学性能和延伸率难以同步提高，严重制约了其在某些强度要求较高的服役工况下的应用。因此，如何通过设计工艺流程，在降低生产成本、加快合金时效响应速度、缩短制备周期的同时，能够显著提升合金的力学性能和塑性是目前亟待解决的技术难题。
发明内容
为了解决上述技术难题，本发明提供了一种快速时效响应Al-Mg-Zn-Cu合金，按照质量百分比，所述铝合金的成分包括：镁：2.5～4.5％，锌：2.0～4.5％，铜：0.8～1.5％，不可避免的杂质含量≤0.2％，余量为铝；
所述铝合金的制备方法包括如下步骤：
(1)在SF6和CO2混合气体保护下，将商业化的铝锭在熔炼炉中加热至750-850℃熔化后，加入Cu，再将温度调至650-690℃，加入Zn和Mg，待合金完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣处理获得合金熔液，再将温度调至680-700℃保温10-20min后将合金熔液浇铸到模具中，随后在空气中冷却获得铝合金铸锭；
(2)将步骤(1)获得的铝合金铸锭进行梯度固溶处理后迅速水冷至室温；再进行初时效处理，在60-120℃热处理2-10h后迅速水冷至室温；再进行轧制处理，在室温条件下进行3-10道次轧制，总压下量为65-85％；再进行终时效处理，在100-160℃热处理1-10h后迅速水冷至室温获得Al-Mg-Zn-Cu合金。
进一步地，步骤(1)所述SF6和CO2的体积比为1-5:90-99。
进一步地，步骤(2)所述的梯度固溶处理为：将铝合金铸锭在450-460℃保温3-6h，随后在460-475℃保温10-15h，然后在475-485℃保温1-3h，再在485-500℃保温0.5-2h。
进一步地，步骤(2)所述初时效处理为：在70-100℃保温4-8h后迅速水冷至室温。
进一步地，步骤(2)所述的总压下量为70-80％。
进一步地，步骤(2)所述的终时效处理为：在110-130℃热处理2-8h。
本发明所述的有益效果：
1.本发明通过形成大量GP区作为形核点，促进了沉淀相析出，提高了析出相密度；由于高密度析出相的形成，加速了溶质原子(Mg，Zn，Cu)的耗尽，抑制了粗大析出相的形成。此外通过引入高密度位错等缺陷，促进溶质元素(Mg，Zn，Cu)的扩散，有利于溶质原子的快速扩散，提高了合金时效响应速率和合金力学性能；本发明在室温轧制后直接进行时效处理，不仅省略了轧制后、时效处理前的高温长时间固溶处理，并且大幅度减少了时效处理时间，显著降低了生产成本；
2.本发明通过合金组分、配比以及工艺的协同作用，同步实现了合金强度和塑性的同步提高：屈服强度≥525MPa，抗拉强度≥563MPa，延伸率达～10％；强度与塑性显著高于现有技术获得的样品。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。
实施例1
一种Al-3.4Mg-4.1Zn-1.21Cu合金，其由以下质量百分含量的组分组成：镁：3.4％，锌：4.1％，铜：1.21％，不可避免的杂质含量≤0.2％，余量为铝，其制备方法如下：
步骤1：在SF6和CO2混合气体(SF6和CO2体积比为1:99)保护下，将商业化的铝锭在熔炼炉中加热至850℃熔化后，加入预热后的纯Cu颗粒，再将温度调至690℃，加入预热后的纯Zn锭和纯Mg锭，待合金完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣处理获得合金熔液，再将温度调至690℃保温15min后将合金熔液浇铸到模具中，随后在空气中冷却获得铝合金铸锭；
步骤2：将步骤1获得的铝合金铸锭在450℃保温5h，随后在470℃保温12h，然后在480℃保温2h，再在490℃保温2h，然后室温水淬。再进行初时效处理，在80℃热处理5h后迅速水冷至室温。再进行轧制处理，在室温条件下进行10道次轧制，总压下量为77％。再进行终时效处理，在125℃热处理4h后迅速水冷至室温获得Al-3.4Mg-4.1Zn-1.21Cu合金。
步骤2获得的Al-3.4Mg-4.1Zn-1.21Cu合金的屈服强度为544MPa，抗拉强度为583MPa。
实施例2
一种Al-2.9Mg-4.0Zn-1.2Cu合金，其由以下质量百分含量的组分组成：镁：2.9％，锌：4.0％，铜：1.2％，不可避免的杂质含量≤0.2％，余量为铝，其制备方法如下：
步骤1：在SF6和CO2混合气体(SF6和CO2体积比为1:99)保护下，将商业化的铝锭在熔炼炉中加热至800℃熔化后，加入预热后的纯Cu颗粒，再将温度调至680℃，加入预热后的纯Zn锭和纯Mg锭，待合金完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣处理获得合金熔液，再将温度调至700℃保温10min后将合金熔液浇铸到模具中，随后在空气中冷却获得铝合金铸锭；
步骤2：将步骤1获得的铝合金铸锭在460℃保温3h，随后在465℃保温14h，然后在485℃保温1.5h，再在495℃保温1h，然后室温水淬。再进行初时效处理，在70℃热处理6h后迅速水冷至室温。再进行轧制处理，在室温条件下进行8道次轧制，总压下量为73％。再进行终时效处理，在120℃热处理5h后迅速水冷至室温获得Al-2.9Mg-4.0Zn-1.2Cu合金。
步骤2获得的Al-2.9Mg-4.0Zn-1.2Cu合金的屈服强度为525MPa，抗拉强度为563MPa。
实施例3
一种Al-3.7Mg-4.2Zn-1.3Cu合金，其由以下质量百分含量的组分组成：镁：3.7％，锌：4.2％，铜：1.3％，不可避免的杂质含量≤0.2％，余量为铝，其制备方法如下：
步骤1：在SF6和CO2混合气体(SF6和CO2体积比为1:99)保护下，将商业化的铝锭在熔炼炉中加热至780℃熔化后，加入预热后的纯Cu颗粒，再将温度调至670℃，加入预热后的纯Zn锭和纯Mg锭，待合金完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣处理获得合金熔液，再将温度调至695℃保温12min后将合金熔液浇铸到模具中，随后在空气中冷却获得铝合金铸锭；
步骤2：将步骤1获得的铝合金铸锭在455℃保温4h，随后在460℃保温15h，然后在475℃保温3h，再在500℃保温0.5h，然后室温水淬。再进行初时效处理，在90℃热处理4h后迅速水冷至室温。再进行轧制处理，在室温条件下进行7道次轧制，总压下量为74％。再进行终时效处理，在130℃热处理4h后迅速水冷至室温获得Al-3.7Mg-4.2Zn-1.3Cu合金。
步骤2获得的Al-3.7Mg-4.2Zn-1.3Cu合金的屈服强度为540MPa，抗拉强度为575MPa。
对比例1
一种Al-6.2Mg-1.5Zn-1.6Cu合金，其由以下质量百分含量的组分组成：镁：6.2％，锌：1.5％，铜：1.6％，不可避免的杂质含量≤0.2％，余量为铝，其制备方法如下：
步骤1：在SF6和CO2混合气体(SF6和CO2体积比为1:99)保护下，将商业化的铝锭在熔炼炉中加热至860℃熔化后，加入预热后的纯Cu颗粒，再将温度调至750℃，加入预热后的纯Zn锭和纯Mg锭，待合金完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣处理获得合金熔液，再将温度调至720℃保温8min后将合金熔液浇铸到模具中，随后在空气中冷却获得铝合金铸锭；
步骤2：将步骤1获得的铝合金铸锭在420℃保温10h，随后在450℃保温18h，然后在470℃保温5h，再在480℃保温3h，然后室温水淬。再进行轧制处理，在室温条件下进行12道次轧制，总压下量为68％。再进行时效处理，在95℃热处理12h后迅速水冷至室温获得Al-6.2Mg-1.5Zn-1.6Cu合金。
步骤2获得的Al-6.2Mg-1.5Zn-1.6Cu合金的屈服强度为475MPa，抗拉强度为528MPa。
对比例2
吴晓东等人在2021年于Journal of Materials Science&Technology期刊公开的题为Investigation on microstructure and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cualloys with various Zn/Mg ratios的文章中，概括如下：
(1)铸锭制备：熔炼浇铸，获得Al-1.8Mg-8.0Zn-1.0Cu合金铸锭；
(2)均质化处理：将铝合金铸锭置于加热炉内，先在460℃保温6h，然后在465℃保温24h；
(3)热轧：热轧总压下量为87.5％(常规轧制温度≥300℃)；
(4)固溶处理：将热轧板材在450℃保温1h；
(5)时效处理：时效温度为150℃，时间为8h。
对比例2的屈服强度为522MPa、抗拉强度为542MPa。
对比例3
Lukas Stemper等人在2020年于Acta Materialia期刊公开的题为Age-hardeningresponse of AlMgZn alloys with Cu and Ag additions的文章中，概括如下：
(1)铸锭制备：熔炼浇铸，获得Al-4.7Mg-3.5Zn-0.5Cu-0.4Mn-0.17Ag合金铸锭；
(2)均质化处理：将铝合金铸锭置于加热炉内，在460℃和470℃保温24h；
(3)热轧：热轧温度为465℃；
(4)固溶处理：将热轧板材在465℃保温35min；
(5)时效处理：先在100℃下保温3h，然后在175℃下保温9h。对比例3的屈服强度为469MPa、抗拉强度为550MPa。
具体实施例1-3和对比例1-3得到的铝合金力学性能如表1所示。
表1实施例1-3和对比例1-3获得的铝合金的力学性能
综上，从表1中可以看出，从本发明实施例可以看出：实施例1的合金含量在所有实施例中不是最高的，并且其中的工艺参数与其他实施例不同，但其力学性能和塑性确是最高的；本发明实施例与对比例1相比，对比例1的组分含量和工艺参数均不在本发明权利要求保护范围内，但其性能确是均低于本发明的力学性能；此外对比例2公开的合金添加含量在高于本发明实施例的情况下，并且工艺与本发明均不同的情况下，对比例2的力学性能均低于本发明实施例获得的合金性能；对比例3在采用合金组分和含量均高于本发明实施例的情况下，并且工艺与本发明完全不同的情况下，其性能远远低于本发明实施例获得的合金性能；本发明可在较短的时效处理后仍然达到较高的强度和延伸率；从实施例和对比例获得的铝合金性能看：与对比例相比，本发明不仅能够显著提高合金力学性能，还能缩短热处理时长。综上：本发明通过合金组分相互作用、配比以及工艺的协同作用能够在提高合金力学性能和塑性的基础上，显著缩短合金的制备周期，有利于提高铝合金的生产效率，节约时间和能源，具有极高的推广价值。
Claims (4)
1.一种快速时效响应Al-Mg-Zn-Cu合金，其特征在于：按照质量百分比，所述合金的组成为：镁：2.5～4.5％，锌：2.0～4.5％，铜：0.8～1.5％，不可避免的杂质含量≤0.2％，余量为铝；
所述合金的制备方法包括如下步骤：
(1)在SF6和CO2混合气体保护下，将商业化的铝锭在熔炼炉中加热至750-850℃熔化后，加入Cu，再将温度调至650-690℃，加入Zn和Mg，待合金完全熔化后进行吹气、搅拌和除渣处理获得合金熔液，再将温度调至680-700℃保温10-20min后将合金熔液浇铸到模具中，随后在空气中冷却获得铝合金铸锭；
(2)将步骤(1)获得的铝合金铸锭进行梯度固溶处理后迅速水冷至室温；再进行初时效处理，在60-120℃热处理2-10h后迅速水冷至室温；再进行轧制处理，在室温条件下进行3-10道次轧制，总压下量为65-85％；再进行终时效处理，在110-130℃热处理2-8h后迅速水冷至室温获得Al-Mg-Zn-Cu合金；
步骤(2)所述的梯度固溶处理为：将铝合金铸锭在450-460℃保温3-6h，随后在460-475℃保温10-15h，然后在475-485℃保温1-3h，再在485-500℃保温0.5-2h。
2.根据权利要求1所述的一种快速时效响应Al-Mg-Zn-Cu合金，其特征在于：步骤(1)所述SF6和CO2的体积比为1-5:90-99。
3.根据权利要求1所述的一种快速时效响应Al-Mg-Zn-Cu合金，其特征在于：步骤(2)所述初时效处理为：在70-100℃保温4-8h后迅速水冷至室温。
4.根据权利要求1所述的一种快速时效响应Al-Mg-Zn-Cu合金，其特征在于：步骤(2)所述的总压下量为70-80％。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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