CN116516222A - 一种高强度铝合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度铝合金材料，属于合金技术领域，照质量百分比计,高强度铝合金材料包括以下组分：Zn:17～21%;Si:7～10%;Cu：1.8～2.5%；Mn：0.1～0.6%;Mg：0.1～0.3%;Fe：0.6～1%;Ti:0.05～0.1%;Ni:0.2～0.5%;AL:余量；本发明高强度铝合金材料抗拉强度为380～410MPa，屈服强度为290～320MPa，延伸率≥1.2％，硬度≥140HV，导热率为96.731W/m·K，在保证较高强度的基础上具有较好的屈服强度，使其具有良好的力学性能，满足需承受较大动载荷工件的使用要求，有效解决了现有的压铸铝合金强度和延伸率都比较低，无法满足高承载要求，易出现变形甚至造成机械连接零件断裂的问题。
Description
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体为一种高强度铝合金材料。
背景技术
铝合金是以铝为基础加入其它元素组成的合金，是结构工程中最常用的材料，具有比重小、传热性好、导电性好、环保、可回收循环利用，被广泛应用于3C、汽车交通运输、家居、航空航天、化工、火箭等各个领域。铝合金材料是公知的轻质材料，主要用作大型公用设施、汽车、高铁、飞机等交通用空调器、散热器，以及电子电气、精密机械等壳体。但是现有的压铸铝合金的强度和延伸率都比较低，无法满足高承载要求，容易出现变形甚至造成机械连接零件断裂的现象，不能满足一些需要承受较大动载荷的机械零件的工作要求，需要研发出一种提高合金强度的高强度铝合金材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的压铸铝合金强度和延伸率都比较低，无法满足高承载要求，易出现变形甚至造成机械连接零件断裂的问题，本发明提供了一种提高合金强度的高强度铝合金材料。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高强度铝合金材料，按照质量百分比计,高强度铝合金材料包括以下组分：Zn:17～21%;Si:7～10%;Cu：1.8～2.5%；Mn：0.1～0.6%;Mg：0.1～0.3%;Fe：0.6～1%;Ti:0.05～0.1%;Ni:0.2～0.5%;AL:余量。
进一步，所述高强度铝合金材料中Zn的质量百分比含量为18.5～20％。
进一步，所述高强度铝合金材料中Si 的质量百分比含量为8.5～9.5％。
进一步，所述高强度铝合金材料中Cu的质量百分比含量为2.1-2.5％。
进一步，所述高强度铝合金材料中Mn的质量百分比含量为0.35～0.48％。
进一步，所述高强度铝合金材料中Mg的质量百分比含量为0.15～0.25％。
进一步，所述高强度铝合金材料中Fe的质量百分比含量为0.75～0.9％。
进一步，所述高强度铝合金材料中Ti的质量百分比含量为0.065～0.084％。
进一步，所述高强度铝合金材料中Ni的质量百分比含量为0.3～0.45％。
进一步，所述高强度铝合金材料的抗拉强度为380～410MPa，屈服强度为290～320MPa，延伸率≥1.2％，硬度≥140HV，导热率为96.731W/m·K。
本发明提供的一种高强度铝合金材料，具备以下有益效果：
本发明所提供的高强度铝合金材料的抗拉强度为380～410MPa，屈服强度为290～320MPa，延伸率≥1.2％，硬度≥140HV，导热率为96.731W/m·K；本发明高强度铝合金材料在保证较高强度的基础上具有较好的屈服强度，使其具有良好的力学性能，压力铸造可以使得铝合金的组织性能大大细化，分布的相对均匀，从而避免内部大的缺陷，具有良好的耐磨性能和机加工性能，提高了合金的切削加工性能，满足需承受较大动载荷工件的使用要求，减少了铸造压装力引起部件的变形和潜在的损坏；本发明提供的一种高强度铝合金材料具有良好的综合性能，实用性强，有效解决了现有的压铸铝合金强度和延伸率都比较低，无法满足高承载要求，易出现变形甚至造成机械连接零件断裂的问题。
具体实施方式
下面结合本发明的具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。
本发明实施例提供一种高强度铝合金材料，按照质量百分比计，该高强度铝合金材料包括以下组分：Zn:17～21%;Si:7～10%;Cu：1.8～2.5%；Mn：0.1～0.6%;Mg：0.1～0.3%;Fe：0.6～1%;Ti:0.05～0.1%;Ni:0.2～0.5%;AL:余量。
优选地，本发明实施例提供一种高强度铝合金材料，按照质量百分比计，该铝合金材料包括以下组分:Zn的质量百分比含量为18.5～20％；Si的质量百分比含量为8.5～9.5％；Cu 的质量百分比含量为2.1～2.5％；Mn 的质量百分比含量为0.35～0.48％；Mg的质量百分比含量为0.15～0.25％；Fe的质量百分比含量为0.75～0.9％；Ti的质量百分比含量为0.065～0.084％；Ni的质量百分比含量为0.3～0.45％。
本发明制备高强度铝合金材料的方法为常规方法，步骤包括：备料、配料、熔炼、铸锭、淬火，均匀化热处理，大变形比热挤压/热轧制，后续加工处理和固溶时效处理，最后形成不同规格的高强度铝合金材料；下面结合具体实施例进一步说明本发明的有益效果。
实施例1～5的组成配比具体见表1，其中AL余量相同，按照表1中的原料及配比以及常规工艺制备出铝合金锭，然后依照GBT228.1～2010测试。
| % | Zn | Si | Cu | Mn | Mg | Fe | Ti | Ni | 杂质 |
| 实施例1 | 17 | 7 | 1.8 | 0.2 | 0.1 | 0.6 | 0.05 | 0.2 | 余量 |
| 实施例2 | 18.5 | 8 | 2.1 | 0.35 | 0.15 | 0.75 | 0.065 | 0.35 | 余量 |
| 实施例3 | 19.5 | 8.5 | 2.3 | 0.4 | 0.24 | 0.86 | 0.076 | 0.4 | 余量 |
| 实施例4 | 20 | 9 | 2.4 | 0.48 | 0.28 | 0.9 | 0.084 | 0.45 | 余量 |
| 实施例5 | 21 | 10 | 2.5 | 0.6 | 0.3 | 1 | 0.1 | 0.5 | 余量 |
表1
根据表1测定实施例1-5获得的高强度铝合金在室温下的力学性能系数，参照《GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》测试的铝合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率，将本发明实施例1-5挤压加工后的板材经线切割制成标准拉伸试样，拉伸试样的轴线方向与挤压方向一致。其次导热系数的测定：将各实施例与对比例高强度铝合金制备为直径为18.6mm、厚度为26.8mm的板状试样；在待测试样的两面均匀喷涂石墨涂层；按照《ASTME1461闪光法测定热扩散系数的标准方法》将处理好的试样放入激光导热仪中进行测试。
经实施例1-5可得，上述实施例公开制备得到的高强度铝合金具有更优良的力学性能，均能达到本申请高强度铝合金的基础标准；本申请优选实施例3中的质量百分比计，按照上述方法检测采用本发明的技术方案制备的铝合金材料具备良好的抗拉强度和屈服强度，其中材料性能检测为抗拉强度不小于380MPa，屈服强度不小于290MPa，延伸率不小于1.2％，硬度不小于140HV；在具备良好的力学性能的同时，导热系数不低于96W/(m·K)；本申请实施例1的组分配比为基础配比，在实施例1的基础上，增加实施例2配比的百分比，经检测得出按照实施例2配比制备的铝合金在实施例1的基础上抗拉强度提高了6%，屈服强度提高了8%，可以看出指标数据中抗拉强度与屈服强度产生了变化，综合性能提高；在实施例1的基础上，增加实施例3配比的百分比，经检测得出按照实施例3配比制备的铝合金在实施例1的基础上抗拉强度提高了15%，屈服强度提高了12%；在实施例1的基础上，增加实施例4配比的百分比，经检测得出按照实施例4配比制备的铝合金在实施例1的基础上抗拉强度提高了15%，屈服强度提高了10%；在实施例1的基础上，增加实施例5配比的百分比，经检测得出按照实施例4配比制备的铝合金在实施例1的基础上抗拉强度提高了12%，屈服强度提高了8%；经检测分析得出抗拉强度的增加，会对屈服强度产生一定的影响，因此根据实施例1-5组的实验测试指标数据，实施例均能达到本申请高强度铝合金的基础标准；其中按照实施例3配比制备的铝合金达到高强度的综合性能最优。
经检测综合对比本申请实施例3的配比为本发明申请的优选配比，具体地，本发明实施例提供的高强度铝合金材料，Al、Ni和Fe元素会发生共晶反应，低含量的Ni、Fe合金元素就能与Al发生反应生成高体积分数的Al9FeNi共晶相和共晶组织、凝固区间狭窄，铸造工艺性能良好；加入Mg和Zn元素能形成Mg3Zn3Al2第二强化相；相比MgZn2相来说，在实际压铸工艺下，Mg3Zn3Al2相的非平衡共晶温度为495°C，而MgZn2相的非平衡共晶温度为480°C，形成Mg3Zn3Al2相时的凝固区间更窄，铸造性能更好。同时共晶Al9FeNi相和Mg3Zn3Al2强化相互相不反应，提升合金力学性能(抗拉强度)的同时不影响共晶组织的形成。因此，可明显增加抗拉强度和屈服强度；Zn的质量百分比含量选为17～21%，优选为18.5～20％时，使比重小的Si与强化元素的组合来提高高温强度，轻质且比强度优良。另一方面，通过不添加会固溶于铝中并降低导热率的Mn，或者将其添加量抑制在0.6%以下并将添加的Mn 嵌入Fe 系金属间化合物中，可以将该Fe系金属间化合物变成块状并得到抗拉强度优良同时屈服强度优良的铝合金。
本发明实施例提供的高强度铝合金材料中还加入了Si（硅），Si可以具有提高高温强度的作用，Si的含量高时会提高合金的电阻率，通过对铝硅合金进行熔炼，添加变质剂、合金元素和热处理等工艺处理，可获得良好的导热性和力学性能的铝合金材料；不同合金元素及其形成的第二相对铝合金导热系数值都会产生影响。通过对含有Cu、Fe、Mg三种元素的铝硅合金中常见第二相的热力学性质和力学性能进行研究和分析,得知其中三元铝铁硅相具有良好的刚度和理论硬度,其强化能力优于其它第二相，同时还能改善合金的热性能，足量的低膨胀合金元素Si保证了低热膨胀系数，其中Si与Mg加入铝中形成铝镁硅系合金，强化相为MgSi，有极好的铸造性能和抗蚀性，该效果在 Si为7%以上时发挥特别好的效果，若超过10 % 则导热率降低。另外若析出量增加则室温下的伸展降低且加工性恶化。因此本申请高强度铝合金材料中Si 的质量百分比含量优选为8.5～9.5％。
本发明实施例提供的高强度铝合金材料中还加入了Cu（铜），Cu是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，Cu在Al基体中会形成CuAl2，特别是在固溶处理后CuAl2能全部溶解于α固溶体中使过饱和度增大，从而使得固溶热处理后，合金力学性能提升；若与Ni同时添加则作为Al‐Ni‐Cu系化合物通过分散强化使高温强度提高，该作用在添加1.8%以上时变得显著，但若超过2.5%则使导热率降低。另外，合金密度变高且无法得到比强度的提高，因此，本申请高强度铝合金材料中Cu 的质量百分比含量优选为2.1-2.5％。
本发明实施例提供的高强度铝合金材料中还加入了Mn（锰），Mn 被嵌入由Al‐Fe‐Si系金属间化合物构成的晶析物并具有使该晶析物块状化的作用；Mn能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显着细化再结晶晶粒，再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用，并且适当提高 Mn 的含量也会提高合金的电阻率，但是若大量添加则并非全部被嵌入前述晶析物，过量部分固溶于铝中使合金总体的强度降低。因此本申请高强度铝合金材料中Mn的质量百分比含量选为0.1～0.6％，优选为0.35～0.48％。
本发明实施例提供的高强度铝合金材料中还加入了Mg（镁），在进行照射超声波时，通过添加Mg容易产生微细的泡，因此能发挥细微化效果。该作用在添加0.1%以上时变得显著，但若超过0.3%则导热率降低。另外伸展降低且容易生成铸造裂缝。因此，本申请高强度铝合金材料中Mg的质量百分比含量选为0.1～0.3%，优选为0.15～0.25％。
本发明实施例提供的高强度铝合金材料中还加入了Fe（铁），可以提高合金的抗拉强度及抗蠕变性，并且对电阻影响较小，不会显著降低导电率，Fe若与Si同时添加则形成Al‐Fe‐Si系晶析物，有助于分散强化并提高高温强度。该效果在Fe的添加量为0.6%以上的添加时可以发挥，但若超过1%添加越多则越会发生粗大化，因此机械性质反而降低。而且若Fe添加量多，则导热率急剧下降。为了抑制晶析物的粗大化并发挥其效果，Fe含量有必要调整至0.75～0.9％。
本发明实施例提供的高强度铝合金材料中还加入了Ti（钛），Ti与Al形成TiAl2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用，而细化的晶体结构可使合金的强度得到提高，Ti在改良Al‐Fe‐Si系化合物的同时也会变成Al‐Fe‐Si系化合物的异质核，通过分散强化有助于高温强度提高。但是由于屈服强度的降低，Ti的含量不宜过高，因此Ti的质量百分比含量选为0.05～0.1%，因此本申请高强度铝合金材料中Ti的质量百分比含量优选为0.065～0.084％可以发挥效果。
本发明实施例提供的高强度铝合金材料中还加入了Ni，不会对导热率产生不良影响且具有提高高温强度的作用。若与Cu同时添加，则作为Al‐Ni‐Cu系化合物析出并通过分散强化使高温强度提高。若不足0.2%则无法期待这种效果，若超过0.5%则合金密度变高，无法得到比强度的提高，因此本申请高强度铝合金材料中Ni的质量百分比含量优选为0.3～0.45％可以发挥效果。
综上所述，本申请所述导热铝合金含有Zn:18.5～20%;Si:8.5～9.5%;Cu：2.1～2.5%；Mn：0.35～0.48%;Mg：0.15～0.25%;Fe：0.75～0.9%;Ti:0.065～0.084%;Ni:0.25～0.45%;AL:余量组成时，优选本申请实施例3中的配比制得的高强度铝合金具有更优良的力学性能，其抗拉强度不小于380MPa，屈服强度不小于290MPa，延伸率不小于1.2％，硬度不小于140HV；在具备良好的力学性能的同时导热系数不低于96W/(m·K)；本发明提供的高强度铝合金材料在保证较高强度的基础上具有较好的屈服强度，使其具有良好的力学性能，压力铸造可以使得铝合金的组织性能大大细化，分布的相对均匀，从而避免内部大的缺陷，具有良好的耐磨性能和机加工性能，同时铸造性能和强韧性能匹配良好，提高了合金的切削加工性能，满足需承受较大动载荷工件的使用要求，减少了铸造压装力引起部件的变形和潜在的损坏，有效解决了现有的压铸铝合金强度和延伸率都比较低，无法满足高承载要求，易出现变形甚至造成机械连接零件断裂的问题，使其具有广阔的应用范围和良好的经济效益。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种高强度铝合金材料，其特征在于：按照质量百分比计,高强度铝合金材料包括以下组分：Zn:17～21%;Si:7～10%;Cu：1.8～2.5%；Mn：0.1～0.6%;Mg：0.1～0.3%;Fe：0.6～1%;Ti:0.05～0.1%;Ni:0.2～0.5%;AL:余量。
2.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料，所述高强度铝合金材料中Zn的质量百分比含量为18.5～20％。
3.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料，所述高强度铝合金材料中Si 的质量百分比含量为8.5～9.5％。
4.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料，所述高强度铝合金材料中Cu的质量百分比含量为2.1-2.5％。
5.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料，所述高强度铝合金材料中Mn的质量百分比含量为0.35～0.48％。
6.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料，所述高强度铝合金材料中Mg的质量百分比含量为0.15～0.25％。
7.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料，所述高强度铝合金材料中Fe的质量百分比含量为0.75～0.9％。
8.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料，所述高强度铝合金材料中Ti的质量百分比含量为0.065～0.084％。
9.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料，所述高强度铝合金材料中Ni的质量百分比含量为0.3～0.45％。
10.根据权利要求1所述的一种高强度铝合金材料，所述高强度铝合金材料的抗拉强度为380～410MPa，屈服强度为290～320MPa，延伸率≥1.2％，硬度≥140HV，导热率为96.731W/m·K。
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