CN116732395A - 一种Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al‑Zn‑Cu‑Mg铝合金棒材及其制备方法,属于金属材料技术领域。所述Al‑Zn‑Cu‑Mg铝合金棒材通过调控铝合金各组分含量及Zn/Mg比值,增加了主要强化相η(MgZn2)、T(AlZnMgCu)的溶解度,改善了铝合金的淬透性,提高了Al‑Zn‑Cu‑Mg铝合金棒材的力学性能。并且,所述Al‑Zn‑Cu‑Mg铝合金棒材偏析小,残留的粗大第二相如η(MgZn2)、T(AlZnMgCu)、S(Al2CuMg)、CrAl7较少,第二相化合物从固溶体中沉淀析出,弥散地分布在均匀细小的合金组织中。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域,尤其涉及一种Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材及其制备方法。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu合金是在Al-Zn-Mg合金基础上添加Cu发展起来的,其强度高于2xxx系铝合金,被称为超高强铝合金,屈强比高,比强度高,并且有特别好的低温强度;宜做常温、120℃以下使用的承力结构件,合金易于加工,有较好的耐蚀性能和较高的韧性,被广泛运用于航天航空兵器等领域,并成为领域中最重要的结构材料之一。
随着航天航空兵器迅速的发展,整体结构件可显著降低构件重量,并减少装配成本,因此铝合金材料的零件向大型化、部件向大型整体化过渡及零件的形状复杂化发展,但Al-Zn-Mg-Cu合金具有较强的淬火敏感性,淬火时效后产品表层与芯部力学性能差异显著。
由于Al-Zn-Mg-Cu合金化程度较高,其结晶温度范围宽,固液区塑性低,具有极大的形成热裂纹和疏松的倾向。随着铝合金坯料向超大超厚方向发展,铸锭规格增大,铸造性能变差;同时铝合金坯料尺寸变厚后,大截面半成品中间层的性能取决于淬透性(例如7075合金淬透性只有25mm),尺寸越大,中部性能降低越明显,其中屈服强度尤为明显,导致Φ100~250mm规格高强性能棒材很难满足用户需求。
化学成分和主要合金元素(或第二相)的溶解度对淬透性影响极大,但随着成分的优化调整,控制难度增加,铸造性能也随之变差,因此对Al-Zn-Mg-Cu合金化学成分设计、铸造和热处理工艺要求非常高,目前生产工艺易形成铸造开裂、性能不达标等,严重制约了该铝合金厚截面材料应用的迅速发展。对于Al-Zn-Mg-Cu铝合金现有技术难以保证产品要求。
发明内容
有鉴于此,本发明要解决的技术问题在于提供一种Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材及其制备方法。所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的淬透性和力学性能良好。
为达到以上目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明提供了一种Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,以质量百分含量计,包括:
Si≤0.10%;
Fe≤0.25%;
Cu:0.8%~1.5%;
Mn≤0.10%;
Mg:1.6%~2.5%;
Cr:0.10%~0.25%;
Zn:5.7%~7.5%;
Ti≤0.05%;
Na≤0.0005%;
Be:0.0005%~0.002%;
余量为Al;
其中Zn/Mg为2.6~4.67。
上述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材中Zn和Mg是主要强化元素,生产主要强化相MgZn2和AlZnMgCu,Zn和Mg含量的提高可使Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材强度、硬度大幅提高,但会使其塑性、抗应力腐蚀性能和断裂韧性降低。
通过控制上述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材中Cu的含量为0.8wt%~1.5wt%,Mg的含量为1.6wt%~2.5wt%,Zn的含量为5.7wt%~7.5wt%,并且Zn和Mg的含量满足Zn/Mg为2.6~4.67,从而能提高Al-Zn-Cu-Mg铝合金的淬透性。
因为在Cu含量一定情况下,淬火敏感性随着Zn/Mg比增加呈先降低再升高的趋势,Zn/Mg比在2.6-4.67范围增加时,淬火敏感性呈降低的趋势,其淬透深度则呈增加趋势,淬透性越好。当Zn/Mg比在2.6~4.67范围增加时,随着合金中Zn质量分数的增加,生产更多更稳定的含Zn团簇和大量空位,而含Mg团簇易分解,大量空位则可促进Mg原子的扩散,并在时效过程转变成的粒度更小、密度更高、强化效果更好的η'相。
添加0.8wt%~1.5wt%Cu能改善Al-Zn-Cu-Mg铝合金的耐腐蚀性能,提高抗拉伸强度,同时,在一定的Mg和Zn含量范围内,Cu的添加还可以保持Al-Zn-Cu-Mg铝合金的强度改善其塑性,因为Cu的添加会提高淬火效果,增加过饱和固溶体浓度。但是,当Cu含量超过1.5wt%时,反而会使Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材中有更多的Zn、Cu、Mg元素溶解于铝基体中,合金元素(Zn、Cu、Mg)的固溶度升高,导致晶格严重畸变,自由电子运动受阻,反而造成淬火过程冷却速度明显下降,固溶体会发生分解,在晶内的弥散粒子和晶界上析出一些粗大的第二相(例如η(MgZn2)、T(AlZnMgCu)、S(Al2CuMg)、CrAl7),这就大幅减少保留在固溶体中Zn和Mg溶质原子的数量,因而在时效后得到的沉淀强化相数量减少,从而使得Al-Zn-Cu-Mg合金力学性能下降,难以满足用户需求。
对于Al-Zn-Cu-Mg合金,Si和Fe都是有害的杂质。Si与合金中的Mg生成Mg2Si相,使合金中MgZn2、AlMgZnCu、Al2CuMg相数量减少,而这些相比Mg2Si相的强化效果更高,因此高含量的Si会降低合金的强度。Fe含量在0.25%以内时,能使抗拉强度稍有提高,而超过0.25%时,Fe会与Mn、Cr等形成不溶性化合物,从而减少Mn、Cr在过饱和熔体中的含量,造成淬火和时效效果都降低。同时Si和Fe含量过多还会造成铸造裂纹倾向性增加。
在本发明中,所述Si的质量百分含量优选为0~0.08%。
添加少量的Mn和Cr元素可提高再结晶温度、细化晶粒,并提高抗应力腐蚀性能,Mn和Cr的作用基本相同,在提高抗应力腐蚀方面,加Cr比Mn效果好,加入Cr比同量的Mn的抗应力腐蚀开裂寿命长几十至上百倍。在含0.2wt%Cr时,时效效果达到最大值。但是Mn和Cr都属于难溶添加物,随着Mn和Cr含量增加,会加速铝时效过程和过饱和固溶体的分解过程,从而大幅降低淬透性。因此,控制Mn和Cr含量在一定范围,有利于力学性能的提高。
在本发明中,所述Mn的质量百分含量优选为0~0.08%。
所述Cr的质量百分含量优选为0.15%~0.25%。
所述Ti的质量百分含量优选为0.01%~0.03%。
所述Be的质量百分含量优选为0.0005%~0.0015%。
本发明优选的,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材以质量百分含量计,包括:
Si≤0.08%;
Fe≤0.25%;
Cu:0.8%~1.5%;
Mn≤0.08%;
Mg:1.6%~2.5%;
Cr:0.15%~0.25%;
Zn:5.7%~7.5%;
Ti:0.01%~0.03%;
Na≤0.0005%;
Be:0.0005%~0.0015%;
余量为Al;
其中Zn/Mg为2.6~4.67。
在本发明的一些具体实施例中,优选的,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,以质量百分含量计,包括:
Si:0.05%;
Fe:0.20%;
Cu:1.40%;
Mn:0.04%;
Mg:2.30%;
Cr:0.20%;
Zn:6.02%;
Ti:0.02%;
Be:12ppm;
Na:2ppm;
余量为Al;
其中,Zn/Mg为2.62。
优选的,所述的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,以质量百分含量计,包括:
Si:0.06%;
Fe:0.19%;
Cu:1.43%;
Mn:0.05%;
Mg:2.20%;
Cr:0.21%;
Zn:6.04%;
Ti:0.02%;
Be:10ppm;
Na:2ppm;
余量为Al;
其中,Zn/Mg为2.75。
优选的,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,以质量百分含量计,包括:Si:0.04%;
Fe:0.18%;
Cu:1.48%;
Mn:0.02%;
Mg:2.26%;
Cr:0.21%;
Zn:5.90%;
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Na:2ppm;
余量为Al;
其中,Zn/Mg为2.61。
优选的,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,以质量百分含量计,包括:Si:0.05%;
Fe:0.16%;
Cu:1.50%;
Mn:0.03%;
Mg:2.28%;
Cr:0.21%;
Zn:6.03%;
Ti:0.03%;
Be:10ppm;
Na:2ppm;
余量为Al;
其中,Zn/Mg为2.64。
本发明所述的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,其直径优选为100~250mm。
当直径为100~150mm时,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的抗拉强度为≥550MPa,屈服强度为≥470MPa,延伸率≥7%。
所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的抗拉强度优选为550~580MPa。
所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的屈服强度优选为470~500MPa。
所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的延伸率优选为7%~10%;更优选为7%~8%。
在本发明的一些具体实施例中,所述直径优选为140mm时,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的抗拉强度优选为576MPa,屈服强度优选为490MPa,延伸率优选为7.5%。
当直径为150~250mm时,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的抗拉强度优选为≥470MPa,屈服强度优选为≥400MPa,延伸率优选为≥7%。
在本发明的一些具体实施例中,所述直径优选为200mm、230mm或155mm。
所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的抗拉强度优选为520~600MPa,更优选为531MPa、550MPa或591MPa。
所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的屈服强度优选为400MPa~520MPa,更优选为430MPa、450MPa或510MPa。
所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的延伸率优选为8%~13%;更优选为10%~11%;进一步优选为10%或11%。
本发明还提供了一种Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的制备方法,包括以下步骤:
将合金原料进行熔炼、熔体净化、晶粒细化、铸造、均匀化退火、挤压、拉伸矫直、固溶淬火、时效处理,得到Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材。
优选的,所述熔炼的温度为730℃~770℃。
本发明优选的,所述熔体净化包括炉内净化、在线净化和在线过滤。
优选的,所述炉内净化采用喷粉净化、氩气净化、氩氯混合气净化中的一种或多种方式进行。
优选的,所述喷粉净化采用的是颗粒精炼剂。
优选的,所述在线净化采用氩气或氩氯混合气体进行,结束后将熔体氢含量控制为≤0.15mL/100g Al,Na含量控制为≤0.0005wt%。
微量杂质Na能损害合金的铸造和热变形性能,出现“钠脆性”,本发明控制Na含量≤0.0005%可防止钠脆性导致合金开裂。
优选的,所述在线过滤选自板式或深床过滤。
优选的,所述的晶粒细化的细化剂选自Al-5Ti-1B丝。
优选的,所述Al-5Ti-1B丝的用量为1.4~2.2kg/t。
因Al-Zn-Cu-Mg大规格铸锭裂纹倾向性大,铸造前先进行铺底操作,因为纯铝塑性好,线收缩系数大,能以有效变形来抵抗底部的拉应力,可有效防止铸锭底部裂纹。
Al-Zn-Cu-Mg铝合金铸锭规格越大,铸锭内外层温差越大,铸锭中的热应力相应提高,使铸锭的裂纹倾向增大,为了消减铸造过程的热应力,在铺底同时还可增加刮水器。
本发明优选的,所述铸造采用铺底工艺和刮水器工艺联合处理的方式进行。
上述铺底工艺优选采用Al99.70铝锭铺底。
所述铺底的铝锭温度优选为730℃~760℃;更优选为730℃~760℃。
所述铺底的铝锭厚度优选为40~100mm;更优选为40~100mm。
上述刮水器工艺中的刮水器开始刮水的长度优选为≥400mm,刮水器高度优选为150~300mm。
提高铸造速度可使铸锭晶粒细小,铸锭致密度提高,但过高会增大中心裂纹倾向性。随着冷却强度的增加可细化一次晶化合物尺寸,减小区域偏析,提高铸锭致密度。为了获得细小均匀铸锭组织和产品综合性能,在本发明中所述铸造的速度为18~30mm/min。
所述铸造的过程中,水流量优选为5~15m3/h/根,流盘末端铝液温度优选为690℃~720℃,水温优选为18℃~30℃。
上述铸造结束后还包括均热处理。
熔体经过铸造后获得铸锭,为了消除铸锭应力、减小铸锭偏析并获得弥散分布化合物,满足均匀细晶棒材要求,需要对铸锭进行高温均匀化退火处理,这种退火能使固溶体产生部分分解,并通过充分扩散,减少粗大残留第二相。
在本发明中,所述均热处理的升温速度优选为50~100℃/h。
所述均热处理的升温时间优选为6~10h。
所述均热处理的升温温度优选为480℃~550℃。
所述均热处理的保温温度优选为455℃~475℃。
所述均热处理的保温时间优选为12~30h。
经过热处理后,对制备得到的铸锭进行进一步加工处理,得到Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材。
所述棒材的直径为100~250mm,力学性能更好地能满足用户需求。
当直径为100~150mm时,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的抗拉强度为≥550MPa,屈服强度为≥470MPa,延伸率≥7%。
当直径为150~250mm时,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的抗拉强度为≥470MPa,屈服强度为≥400MPa,延伸率为≥7%。
与现有技术相比,本发明提供的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材通过调控铝合金各组分含量及Zn/Mg比值,增加了主要强化相η(MgZn2)、T(AlZnMgCu)的溶解度,改善了铝合金的淬透性,提高了Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的力学性能。并且,所述Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材偏析小,残留的粗大第二相如η(MgZn2)、T(AlZnMgCu)、S(Al2CuMg)、CrAl7较少,第二相化合物从固溶体中沉淀析出,弥散地分布在均匀细小的组织中。
具体实施方式
为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的Al-Zn-Cu-Mg棒材用铝合金棒材及其制备方法进行详细描述。
实施例1
铸锭规格Φ500mm,棒材规格Φ140mm。
将原料Al99.70品位铝锭、废料、中间合金和纯金属配料按照一定比例按相应顺序加入熔炼炉中,在最高1150℃炉气温度下,使原料熔化,在熔化过程中进行人工、机械或电磁搅拌;熔化完成后,得到熔体。
对熔体取样,分析各组分含量,进行组分含量调整至目标值,使其满足上述配方。炉内采用氩气和氯气混合气体进行炉内净化;炉内净化完成后,采用氩气或氩氯混合气体在线净化,在线净化后熔体的液态氢含量为0.12mL/100g Al;在线净化后,用30+50ppi的泡沫陶瓷过滤板对熔体过滤。
过滤后,采用Al-5Ti-1B丝对得到的熔体进行晶粒细化,用量为1.5kg/t。
晶粒细化完成后,开始铸造,用Al99.70铝锭铺底,铺底温度为740℃,厚度为50mm,铸造速度为25mm/min,流盘末端铝液温度为702℃,冷却水温度为27℃,冷却水流量为8m3/h/根。
对铸造的铝合金进行均热处理,铸锭均匀化退火的升温速度60℃/h,升温时间9h,升温温度为500℃,保温温度460~470℃,保温时间16h;然后再锯切成毛料(铸锭)交货。
铸锭检测结果如下:
(1)铸锭低倍结果:晶粒度1.5级,疏松1级;检测方法为GB/T3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》;
(2)化学成分(wt%):Si0.05%,Fe0.20%,Cu1.40%,Mn 0.04%,Mg 2.30%,Cr0.20%,Zn 6.02%,Ti0.02%,Be 12ppm,Na 2ppm,Zn/Mg 2.62;检测方法为GB/T 20975《铝合金分析方法》和GB/T 7999《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》;
(3)液态氢含量:0.12mL/100g Al;检测方法为YS/T600《铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》;
将上述铸锭经过均匀化退火、挤压、拉伸矫直、固溶淬火、时效处理,得到Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材。
棒材检测结果如下:
力学性能结果:抗拉强度576MPa,屈服强度490MPa,延伸率7.5%;检测方法为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》。
实施例2
铸锭规格Φ660mm,棒材规格Φ200mm。
将原料Al99.70品位铝锭、废料、中间合金和纯金属配料按照一定比例按相应顺序加入熔炼炉中,在最高1150℃炉气温度下,使原料熔化,在熔化过程中进行人工、机械或电磁搅拌;熔化完成后,得到熔体。
对熔体取样,分析各组分含量,进行组分含量调整至目标值,使其满足上述配方。炉内采用氩气和氯气混合气体进行炉内净化;炉内净化完成后,采用氩气或氩氯混合气体在线净化,在线净化后熔体的液态氢含量为0.10mL/100g Al;在线净化后,用30+50ppi的泡沫陶瓷过滤板对熔体过滤。
过滤后,采用Al-5Ti-1B丝对得到的熔体进行晶粒细化,用量为1.8kg/t。
晶粒细化完成后,开始铸造,用Al99.70铝锭铺底,铺底温度为745℃,厚度为60mm,铸造速度为19mm/min,流盘末端铝液温度为705℃,冷却水温度为25℃,冷却水流量为10m3/h/根。
对铸造的铝合金进行均热处理,铸锭均匀化退火的升温速度60℃/h,升温时间9h,升温温度为500℃,保温温度460~470℃,保温时间20h;然后再锯切成毛料(铸锭)交货。
铸锭检测结果如下:
(1)铸锭低倍结果:晶粒度1.5级,疏松1级;检测方法为GB/T3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》;
(2)化学成分(wt%):Si0.06%,Fe0.19%,Cu1.43%,Mn 0.05%,Mg 2.20%,Cr0.21%,Zn 6.04%,Ti0.02%,Be 10ppm,Na 2ppm,Zn/Mg 2.75;检测方法为GB/T 20975《铝合金分析方法》和GB/T 7999《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》;
(3)液态氢含量:0.10mL/100g Al;检测方法为YS/T600《铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》;
将上述铸锭经过均匀化退火、挤压、拉伸矫直、固溶淬火、时效处理,得到Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材。
棒材检测结果如下:
力学性能结果:抗拉强度531MPa,屈服强度430MPa,延伸率10%;检测方法为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》。
实施例3
铸锭规格Φ660mm,棒材规格Φ230mm。
将原料Al99.70品位铝锭、废料、中间合金和纯金属配料按照一定比例按相应顺序加入熔炼炉中,在最高1150℃炉气温度下,使原料熔化,在熔化过程中进行人工、机械或电磁搅拌;熔化完成后,得到熔体。
对熔体取样,分析各组分含量,进行组分含量调整至目标值,使其满足上述配方。炉内采用氩气和氯气混合气体进行炉内净化;炉内净化完成后,采用氩气或氩氯混合气体在线净化,在线净化后熔体的液态氢含量为0.13mL/100g Al;在线净化后,用30+50ppi的泡沫陶瓷过滤板对熔体过滤。
过滤后,采用Al-5Ti-1B丝对得到的熔体进行晶粒细化,用量为1.8kg/t。
晶粒细化完成后,开始铸造,用Al99.70铝锭铺底,铺底温度为745℃,厚度为70mm,铸造速度为18mm/min,流盘末端铝液温度为702℃,冷却水温度为23℃,冷却水流量为11m3/h/根。
对铸造的铝合金进行均热处理,铸锭均匀化退火的升温速度50℃/h,升温时间10h,升温温度为500℃,保温温度460~470℃,保温时间20h;然后再锯切成毛料(铸锭)交货。
铸锭检测结果如下:
(1)铸锭低倍结果:晶粒度2级,疏松1级;检测方法为GB/T3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》;
(2)化学成分(wt%):Si0.04%,Fe0.18%,Cu1.48%,Mn 0.02%,Mg 2.26%,Cr0.21%,Zn 5.90%,Ti0.02%,Be 9ppm,Na 2ppm,Zn/Mg 2.61;检测方法为GB/T 20975《铝合金分析方法》和GB/T 7999《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》;
(3)液态氢含量:0.13mL/100g Al;检测方法为YS/T600《铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》;
将上述铸锭经过均匀化退火、挤压、拉伸矫直、固溶淬火、时效处理,得到Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材。
棒材检测结果如下:
力学性能结果:抗拉强度550MPa,屈服强度450MPa,延伸率11%;检测方法为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》。
实施例4
铸锭规格Φ482mm,棒材规格Φ155mm。
将原料Al99.70品位铝锭、废料、中间合金和纯金属配料按照一定比例按相应顺序加入熔炼炉中,在最高1150℃炉气温度下,使原料熔化,在熔化过程中进行人工、机械或电磁搅拌;熔化完成后,得到熔体。
对熔体取样,分析各组分含量,进行组分含量调整至目标值,使其满足上述配方。炉内采用氩气和氯气混合气体进行炉内净化;炉内净化完成后,采用氩气或氩氯混合气体在线净化,在线净化后熔体的液态氢含量为0.12mL/100g Al;在线净化后,用30+50ppi的泡沫陶瓷过滤板对熔体过滤。
过滤后,采用Al-5Ti-1B丝对得到的熔体进行晶粒细化,用量为1.6kg/t。
晶粒细化完成后,开始铸造,用Al99.70铝锭铺底,铺底温度为745℃,厚度为50mm,铸造速度为27mm/min,流盘末端铝液温度为702℃,冷却水温度为25℃,冷却水流量为7m3/h/根。
对铸造的铝合金进行均热处理,铸锭均匀化退火的升温速度50℃/h,升温时间10h,升温温度为500℃,保温温度460~470℃,保温时间18h;然后再锯切成毛料(铸锭)交货。
铸锭检测结果如下:
(1)铸锭低倍结果:晶粒度1.5级,疏松1级;检测方法为GB/T3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》;
(2)化学成分(wt%):Si0.05%,Fe0.16%,Cu1.50%,Mn 0.03%,Mg 2.28%,Cr0.21%,Zn 6.03%,Ti0.03%,Be 10ppm,Na 2ppm,Zn/Mg 2.64;检测方法为GB/T 20975《铝合金分析方法》和GB/T 7999《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》;
(3)液态氢含量:0.13mL/100g Al;检测方法为YS/T600《铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》;
将上述铸锭经过均匀化退火、挤压、拉伸矫直、固溶淬火、时效处理,得到Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材。
棒材检测结果如下:
力学性能结果:抗拉强度591MPa,屈服强度510MPa,延伸率11%;检测方法为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》。
上述实施例1~4制备得到的Al-Zn-Mg-Cu铝合金棒材的力学性能均符合使用需求。
对比例1
铸锭规格Φ482mm,棒材规格Φ145mm。
将原料Al99.70品位铝锭、废料、中间合金和纯金属配料按照一定比例按相应顺序加入熔炼炉中,在最高1150℃炉气温度下,使原料熔化,在熔化过程中进行人工、机械或电磁搅拌;熔化完成后,得到熔体。
对熔体取样,分析各组分含量,进行组分含量调整至目标值,使其满足上述配方。炉内采用氩气和氯气混合气体进行炉内净化;炉内净化完成后,采用氩气或氩氯混合气体在线净化,在线净化后熔体的液态氢含量为0.15mL/100g Al;在线净化后,用30+50ppi的泡沫陶瓷过滤板对熔体过滤。
过滤后,采用Al-5Ti-1B丝对得到的熔体进行晶粒细化,用量为1.6kg/t。
晶粒细化完成后,开始铸造,用Al99.70铝锭铺底,铺底温度为745℃,厚度为50mm,铸造速度为26mm/min,流盘末端铝液温度为700℃,冷却水温度为25℃,冷却水流量为7m3/h/根。
对铸造的铝合金进行均热处理,铸锭均匀化退火的升温速度50℃/h,升温时间10h,升温温度为500℃,保温温度460~470℃,保温时间18h;然后再锯切成毛料(铸锭)交货。
铸锭检测结果如下:
(1)铸锭低倍结果:晶粒度1.5级,疏松1级;检测方法为GB/T3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》;
(2)化学成分(wt%):Si0.05%,Fe0.17%,Cu1.82%,Mn 0.28%,Mg 2.50%,Cr0.24%,Zn 5.91%,Ti0.03%,Be 10ppm,Na 2ppm,Zn/Mg 2.36;检测方法为GB/T 20975《铝合金分析方法》和GB/T 7999《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》;
(3)液态氢含量:0.13mL/100g Al;检测方法为YS/T600《铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》;
将上述铸锭经过均匀化退火、挤压、拉伸矫直、固溶淬火、时效处理,得到Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材。
棒材检测结果如下:
力学性能结果:抗拉强度539MPa(富余量小),屈服强度437MPa,延伸率7.5%;检测方法为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》。结果表明,对比例1制备得到的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材不符合使用需求。
对比例2
铸锭规格Φ660mm,棒材规格Φ205mm。
将原料Al99.70品位铝锭、废料、中间合金和纯金属配料按照一定比例按相应顺序加入熔炼炉中,在最高1150℃炉气温度下,使原料熔化,在熔化过程中进行人工、机械或电磁搅拌;熔化完成后,得到熔体。
对熔体取样,分析各组分含量,进行组分含量调整至目标值,使其满足上述配方。炉内采用氩气和氯气混合气体进行炉内净化;炉内净化完成后,采用氩气或氩氯混合气体在线净化,在线净化后熔体的液态氢含量为0.15mL/100g Al;在线净化后,用30+50ppi的泡沫陶瓷过滤板对熔体过滤。
过滤后,采用Al-5Ti-1B丝对得到的熔体进行晶粒细化,用量为1.6kg/t。
晶粒细化完成后,开始铸造,用Al99.70铝锭铺底,铺底温度为745℃,厚度为50mm,铸造速度为26mm/min,流盘末端铝液温度为700℃,冷却水温度为25℃,冷却水流量为7m3/h/根。
对铸造的铝合金进行均热处理,铸锭均匀化退火的升温速度50℃/h,升温时间10h,升温温度为500℃,保温温度460~470℃,保温时间18h;然后再锯切成毛料(铸锭)交货。
铸锭检测结果如下:
(1)铸锭低倍结果:晶粒度1.5级,疏松1级;检测方法为GB/T3246.2《变形铝及铝合金制品组织检验方法-第2部分低倍组织检验方法》;
(2)化学成分(wt%):Si0.05%,Fe0.14%,Cu1.62%,Mn 0.19%,Mg 2.36%,Cr0.19%,Zn 5.48%,Ti0.03%,Be 9ppm,Na 2ppm,Zn/Mg 2.32;检测方法为GB/T 20975《铝合金分析方法》和GB/T 7999《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》;
(3)液态氢含量:0.13mL/100g Al;检测方法为YS/T600《铝及铝合金液态测氢方法闭路循环法》;
将上述铸锭经过均匀化退火、挤压、拉伸矫直、固溶淬火、时效处理,得到Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材。
棒材检测结果如下:
(1)力学性能结果:抗拉强度484MPa(富余量小),屈服强度350MPa,延伸率7.5%;检测方法为GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》。结果表明,对比例2制备得到的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材不符合使用需求。
综上可知,当Zn/Mg<2.6,Cu的含量大于1.5wt%,Mn的含量大于0.10wt%时,对Al-Zn-Cu-Mg铝合金的力学性能有很大影响,导致Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材不符合使用需求。因此,本发明提供调控Al-Zn-Cu-Mg铝合金中各成分含量和主要强化元素Zn、Mg的比值,改善Al-Zn-Cu-Mg铝合金的力学性能,使得100~250mm的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材满足用户使用需要。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,其特征在于,以质量百分含量计,包括:
Si≤0.10%;
Fe≤0.25%;
Cu:0.8%~1.5%;
Mn≤0.10%;
Mg:1.6%~2.5%;
Cr:0.10%~0.25%;
Zn:5.7%~7.5%;
Ti≤0.05%;
Na≤0.0005%;
Be:0.0005%~0.002%;
余量为Al;
其中Zn/Mg为2.6~4.67。
2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,其特征在于,以质量百分含量计,包括:
Si≤0.08%;
Fe≤0.25%;
Cu:0.8%~1.5%;
Mn≤0.08%;
Mg:1.6%~2.5%;
Cr:0.15%~0.25%;
Zn:5.7%~7.5%;
Ti:0.01%~0.03%;
Na≤0.0005%;
Be:0.0005%~0.0015%;
余量为Al;
其中Zn/Mg为2.6~4.67。
3.根据权利要求1所述的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,其特征在于,以质量百分含量计,包括:
Si:0.05%;
Fe:0.20%;
Cu:1.40%;
Mn:0.04%;
Mg:2.30%;
Cr:0.20%;
Zn:6.02%;
Ti:0.02%;
Be:12ppm;
Na:2ppm;
余量为Al;
其中,Zn/Mg为2.62。
4.根据权利要求1所述的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,其特征在于,以质量百分含量计,包括:
Si:0.06%;
Fe:0.19%;
Cu:1.43%;
Mn:0.05%;
Mg:2.20%;
Cr:0.21%;
Zn:6.04%;
Ti:0.02%;
Be:10ppm;
Na:2ppm;
余量为Al;
其中,Zn/Mg为2.75。
5.根据权利要求1所述的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,其特征在于,以质量百分含量计,包括:
Si:0.04%;
Fe:0.18%;
Cu:1.48%;
Mn:0.02%;
Mg:2.26%;
Cr:0.21%;
Zn:5.90%;
Ti:0.02%;
Be:9ppm;
Na:2ppm;
余量为Al;
其中,Zn/Mg为2.61。
6.根据权利要求1所述的Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材,其特征在于,以质量百分含量计,包括:
Si:0.05%;
Fe:0.16%;
Cu:1.50%;
Mn:0.03%;
Mg:2.28%;
Cr:0.21%;
Zn:6.03%;
Ti:0.03%;
Be:10ppm;
Na:2ppm;
余量为Al;
其中,Zn/Mg为2.64。
7.一种Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
将合金原料进行熔炼、熔体净化、晶粒细化、铸造、均匀化退火、挤压、拉伸矫直、固溶淬火、时效处理,得到Al-Zn-Cu-Mg铝合金棒材。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述熔炼的温度为730℃~770℃;
所述熔体净化包括炉内净化、在线净化和在线过滤。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述炉内净化采用喷粉净化、氩气净化、氩氯混合气净化中的一种或多种方式进行;
所述喷粉净化采用的是颗粒精炼剂;
所述在线净化采用氩气或氩氯混合气体进行,结束后将熔体氢含量控制为≤0.15mL/100g Al,Na含量控制为≤0.0005%;
所述在线过滤选自板式或深床过滤。
10.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述晶粒细化的细化剂选自Al-5Ti-1B丝;
所述Al-5Ti-1B丝的用量为1.4~2.2kg/t;
所述铸造采用铺底工艺和刮水器工艺联合处理的方式进行。
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