CN117684058A

CN117684058A - 流变挤压铸造用超高强铝合金

Info

Publication number: CN117684058A
Application number: CN202311680866.7A
Authority: CN
Inventors: 张志峰; 白月龙; 陈春生; 王亚宝; 郑玮; 高明伟
Original assignee: Youyan Metal Composite Technology Co ltd
Current assignee: Youyan Metal Composite Technology Co ltd
Priority date: 2023-12-08
Filing date: 2023-12-08
Publication date: 2024-03-12

Abstract

本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种流变挤压铸造用超高强铝合金。所述该合金中各组分的质量百分比为：Zn 10～12％，Mg 1.7～2.4％，Cu 0.5～1.2％，Zr 0.1～0.2％，Sc 0.1～0.2％，Fe和Si杂质元素总量≤0.1％，余量为Al。本发明的流变挤压铸造用铝合金具有强韧性好、热裂倾向小和耐蚀性能优异等综合性能。铸件经热处理后(本体取样)抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥550MPa，延伸率≥10％，其技术指标在现有铸造铝合金中具有领先性。

Description

流变挤压铸造用超高强铝合金

技术领域

本发明属于铝合金材料领域，具体涉及一种流变挤压铸造用超高强铝合金。

技术背景

流变挤压铸造是将熔体均匀化处理方法与传统挤压铸造工艺相结合的一种先进的金属熔体精密成形技术，其技术优势在于，采用均匀化处理可显著提高合金熔体成分和温度的均匀性，可以有效改善大型复杂铸件不均匀凝固，同时合金熔体在挤压压力作用下直接凝固成型，铸件的组织致密、成分均匀、力学性能优良以及成形精度高，因此具有工艺简单、成本低、近终成形的特点，在航空航天、国防军工、轨道交通、汽车等领域具有广阔的应用前景。近年来随着流变挤压铸造技术应用不断扩大，一些大型复杂铝合金铸件迫切需要更高性能来提高承载能力和实现轻量化，性能指标要求达到或接近7xxx系变形铝合金锻件的水平。

目前可用于流变挤压铸造的铝合金主要为Al-Si系、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn系等铸造铝合金，但是现有的铸造铝合金的流变挤压铸造成形件的力学性能还无法达到7xxx系变形铝合金变形件的性能水平。尽管Al-Cu系铸造铝合金在铸造铝合金中强度最高，铸件经T6热处理后的抗拉强度也不超过500MPa。为了提高挤压铸造件的性能，近年来国内外学者尝试采用Al-Zn-Mg-Cu变形铝合金开展流变挤压铸造成形技术研究，但是现有的7xxx系变形铝合金的铸造性能差，热裂敏感倾向大，铸造过程中不可避免地存在组织粗大、成分偏析、疏松、热裂等缺陷问题，由于没有经过变形加工强化环节，流变挤压铸造成形件的力学性能很难达到其塑性变形件的性能水平。

大量研究表明，现有的Al-Zn系铸造铝合金虽然力学性能较低，但是添加Mg和Cu元素具有明显提高合金力学性能的潜能，通过调控合金中的Zn、Mg和Cu元素的含量及其Zn/Mg与Cu/Mg比值，可充分发挥对合金强韧性影响非常大的MgZn₂相的固溶时效强化能力，可以显著提高合金的力学性能。同时Al-Zn系铸造铝合金铸造成形性较好，合金本身具有优良的抗热裂敏感性能，可以通过合金化和微合金化调控处理，进一步减小合金的固液温度区间，增加晶界共晶相含量，降低合金的热裂敏感性。因此有望获得兼顾良好铸造性能和优异力学性能的超高强铝合金材料。

发明内容

针对现有铸造铝合金存在的问题与不足，本发明提供了一种强度高、塑性好、热裂倾向小、耐腐蚀的流变挤压铸造用超高强铝合金。

为实现上述目的，本发明的流变挤压铸造用超高强铝合金由以下成分及质量百分比组成：Zn 10～12％，Mg 1.7～2.4％，Cu 0.5～1.2％，Zr 0.1～0.2％，Sc 0.1～0.2％，杂质总量≤0.1％，余量为Al。

本发明的流变挤压铸造用超高强铝合金，合金中Zn/Mg比值为5～6，Cu/Mg比值为0.3～0.5，Zr/Sc比值为1～1.5。

本发明的流变挤压铸造用超高强铝合金，最佳的成分及质量百分比为：Zn11.3％，Mg 1.9％，Cu 0.92％，Zr 0.14％，Sc 0.11％，Fe和Si杂质总量≤0.1％，余量为Al。

本发明的超高强铝合金的流变挤压铸造工艺如下；(1)合金熔炼：原材料为高纯铝锭、纯锌锭、纯镁锭、铝铜中间合金、铝锆中间合金和铝钪中间合金，熔炼温度为720～780℃；(2)熔体均匀化处理：搅拌电流为10～50A，搅拌频率为5～20Hz，浇注温度为650～680℃；(3)挤压铸造：挤压比压为50～150MPa；(4)热处理：固溶温度为450℃～470℃，固溶时间为3～9h，水淬后，时效温度为110℃～190℃，时效时间为12～24h，然后随炉冷却。

本发明的流变挤压铸造用超高强铝合金的成分及质量百分比的选择理由和依据如下：

Zn和Mg：Zn和Mg是铝合金中主要的添加元素，固溶程度高，固溶到铝基体中起到显著的固溶强化作用。Zn与Mg最重要的作用是可形成MgZn₂强化相来增强铝合金的强度，MgZn₂相是合金中最主要的强化相，Zn和Mg的含量和比例决定着MgZn₂相的数量。本发明的合金设计的目的是尽可能多的析出MgZn₂相，减少或不形成S相、T相和θ相，提高合金强度的同时，增加共晶液相体积分数，改善铝合金液的流动性，减小热裂倾向。因此，合金中Zn、Mg元素的含量为Zn10～12％，Mg 1.7～2.4％，Zn/Mg比值控制在5～6的范围内。

Cu：Cu在铝合金中的固溶度比较小。在高Zn含量的合金中，Cu能够促进GP区的形核，并且可以溶解进入GP区，提高其在较高时效温度下的稳定性，防止过快地长大粗化；同时还可以显著增大基体中沉淀相的弥散程度，改变沉淀相结构并细化晶界沉淀相，改善合金的微观组织。此外，在时效过程中，Cu可以在促进析出相形核的同时抑制中间相的动力学增长。少量Cu还可以抑制沿晶开裂的趋势，降低晶界与晶内的电位差，改善合金的抗应力腐蚀性能。Cu还能加速合金在100～200℃之间的人工时效过程，扩大GP区的温度范围，提高抗拉强度、塑性和疲劳强度。但Cu含量不宜过高，否则容易导致合金发生晶间腐蚀，且容易生成难溶的S相和θ相降低合金的力学性能。因此，合金中Cu含量应为Cu 0.5～1.2％，Cu/Mg比值控制在0.3～0.5的范围内。

Zr、Sc：添加Zr和Sc对改善合金的组织和性能均有重要影响。添加Zr、Sc可以和Al相互作用形成Al₃Zr、Al₃Sc、Al₃(Sc,Zr)等一次析出相，这些析出相凝固过程与铝基体有良好的共格关系，作为异质形核质点能够显著细化晶粒，不但可增加细晶强化效果，还有利于降低合金的热裂敏感性。均匀化过程中生成的Al₃Zr、Al₃Sc、Al₃(Sc,Zr)等二次析出相，可大大提高合金的再结晶温度，具有显著抑制再结晶和细化组织的作用，而Sc与Zr复合添加形成的Al₃(Sc,Zr)相热稳定性更高，对晶粒长大的抑制效果更加明显，但这些元素在合金中的含量不宜过多，否则会生成粗大的初生相，恶化合金的力学性能，因此，合金中Zr含量应为0.1～0.2％，Sc含量应为0.1～0.2％，Zr/Sc比值控制在1～1.5的范围内。

Fe、Si：Fe、Si元素在合金中属于杂质，会生成粗大的难溶杂质相，经过后续热处理和变形也无法消除，对合金的力学性能特别是塑性影响很大，需要严格控制其含量，合金配制时应尽量选择高纯金属材料。因此，合金中Fe、Si杂质总量应≤0.1％。

本发明的流变挤压铸造用超高强铝合金具有以下优点：

(1)强度高、塑性好。在流变挤压铸造比压不小于100MPa和固溶时效热处理条件下，大型铸件本体取样的抗拉强度大于600MPa，延伸率大于10％，适用于挤压铸造成形各种复杂受力结构件，可替代低碳钢及球铁等钢铁件来实现构件轻量化。

(2)热裂倾向小。本发明通过降低固液温度区间、增加晶界共晶液相含量、微合金化细化晶粒、降低杂质含量、强制均匀熔体温度和成分等措施，使铝合金熔体具有良好的流动性，增强了铝液的充型和补缩能力，从而减小高强铝合金的热裂倾向，可以避免挤压铸造零部件产生收缩裂纹和缩孔等缺陷。

(3)耐腐蚀性能好。本发明的流变挤压铸造用超高强铝合金中适量添加Cu元素，降低了晶界与晶内的电位差的同时避免发生晶间腐蚀，且经热处理后晶界处析出相断续分布，晶界无析出带窄，确保铝合金具有优异的耐腐蚀性能。

具体实施方式

以下采用附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

附图说明

附图1为本发明合金流变挤压铸造成形的轮形件。

附图2为本发明合金流变挤压铸造件的取样位置。

附图3为本发明合金流变挤压铸造件的微观组织。

附图4为本发明合金流变挤压铸造件的盐雾腐蚀性能。

实施例：

(1)原料配制：采用高纯铝(99.985％)、纯锌(99.85％)、纯镁(99.85％)、Al-50Cu中间合金、Al-2Sc中间合金、Al-5Zr中间合金作为原料，按合金成分的重量百分比：Zn11.3％，Mg 1.9％，Cu0.92％，Zr 0.14％，Sc 0.11％，杂质总量≤0.1％，余量为Al进行配料。

(2)合金熔炼：将高纯铝、Al-50Cu中间合金置于井式电阻炉中进行熔炼，熔炼温度为760℃，待完全熔化后加入预热好的纯镁块和纯锌块并置于溶液底部以隔绝空气，熔化完全后继续加入Al-2Sc以及Al-5Zr中间合金，熔化完全后再用底吹氩气进行精炼除气除渣处理，精炼时间为30min。

(3)熔体均匀化处理：精炼结束之后静置保温10min后倒入不锈钢坩埚进行电磁搅拌均匀化处理，搅拌电流为30A，搅拌频率为10Hz，处理温度控制在660℃，以获得温度和成分均匀的熔体；

(4)挤压铸造：将电磁搅拌均匀化处理好的合金熔体浇注到轮形件模具进行挤压铸造成型，轮形件尺寸为φ460mm×130mm，轮辋厚度为55mm，轮辐厚度为20mm，壁厚不均匀，熔体浇注温度为660℃，模具预热温度为200℃，挤压铸造比压为100MPa，挤压铸造速度为30mm/s，保压时间为30秒；

(5)热处理：铸件采用三级固溶处理制度，第一阶段固溶温度为450℃，第二阶段固溶温度为460℃，第三阶段固溶温度为470℃，每级固溶时间均为3小时，水淬后采用一级时效处理，时效温度为120℃，时效时间为24小时。

(6)成分、组织、性能检测：对本发明合金流变挤压铸造轮形件(如附图1)不同位置A、B、C进行取样(如附图2)，来分析其成分、组织、性能及其均匀性。检测结果如下：本发明的合金铸造成形性良好，铸件表面光滑，无疏松、裂纹等缺陷。采用直读光谱仪对铸件A、B、C位置的合金成分进行检测，结果如下表1所示，铸件不同位置的成分分布均匀，主元素成分偏析率小于3％。

表1

采用光学显微镜和扫描电镜对铸件A、B、C位置的微观组织进行分析表征，结果如附图3所示，铸件微观组织细小均匀，平均晶粒度为63μm，最大晶粒尺寸为75μm，经热处理后晶界处非平衡共晶相完全回溶到基体内部。依据GB/T16865-2013对经T6热处理后铸件进行室温拉伸性能测试，结果如下表2所示，铸件A、B、C位置的室温力学性能良好，平均抗拉强度为611MPa，平均断后伸长率为10.8％，达到甚至超过超高强变形铝合金锻件的性能。依据GB/T 2423.17进行合金铸件进行盐雾腐蚀性能测试，结果如附图4所示，合金在35℃条件下酸性盐溶液(3wt.％NaCl+1vol％HCl)中浸泡6h后，合金只发生了轻微的晶间腐蚀，经过测量合金的最大腐蚀深度为43μm，明显低于变形铝合金7075锻件的晶间腐蚀深度(腐蚀深度通常在60μm以上)。

表2

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种流变挤压铸造用超高强铝合金，其特征在于，合金成分质量百分比为：Zn 10～12％，Mg 1.7～2.4％，Cu 0.5～1.2％，Zr 0.1～0.2％，Sc 0.1～0.2％，Fe和Si杂质总量≤0.1％，余量为Al。

2.根据权利要求1所述的一种流变挤压铸造用超高强铝合金，其特征在于，合金中Zn/Mg比值为5～6，Cu/Mg比值为0.3～0.5，Zr/Sc比值为1～1.5。

3.根据权利要求1和2所述的流变挤压铸造用超高强铝合金，其特征在于，最优合金成分质量百分比为：Zn 11.3％，Mg 1.9％，Cu0.92％，Zr 0.14％，Sc 0.11％，Fe和Si杂质总量≤0.1％，余量为Al。