CN107964615A - 一种挤压型材用高强7xxx系铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种挤压型材用高强7xxx系铝合金及其制备方法。该合金按重量百分比计,包括如下组分:Zn 7%‑8%,Mg 1%‑2%,Cu 0.15%‑0.25%,Zr 0.15%‑0.25%,Fe和Si总量小于0.2%,杂质含量小于0.2%,余量为Al。本发明的7xxx系铝合金具有较高的Zn/Mg比例,能有效地提高合金强度;具有较低的Cu含量,能提高材料的断裂韧性;同时添加了Zr,在凝固过程中能细化晶粒,均匀化后形成弥散Al3Zr相,能在热变形过程中抑制再结晶晶粒长大,提高材料强度;本发明的7xxx系铝合金制备的挤压型材具有较高的强度和塑性。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金材料领域,具体涉及一种挤压型材用高强7xxx系铝合金及其制备方法。
背景技术
7xxx系铝合金是以Zn为主要合金元素的变形铝合金,具体包括Al-Zn、Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu等系列合金。Al-Zn-Mg-Cu系合金具有高的比强度、比刚度、优良的断裂韧性和抗应力腐蚀性能,广泛用于航空航天、交通运输、军工装备、建筑、桥梁等领域。在飞机、汽车、高速列车等对结构轻量化非常重视的领域,Al-Zn-Mg-Cu系合金的应用是实现减重的重要手段之一。
6xxx系和7xxx系铝合金是常用的挤压型材材料。6xxx系铝合金的挤压成形性能优良,但强度较低;7xxx系铝合金具有高强度的特点,但由于含较多的合金元素,其挤压成形时塑性变形能力较差,影响到型材的生产效率。在采用挤压工艺生产汽车车身用铝合金型材时,6xxx系铝合金主要用于中等强度型材,7xxx系铝合金用于高强型材,包括防撞梁、碰撞环、支撑梁柱等。比如,专利CN103290278A提供了一种汽车车身用铝合金,其重量百分比组成是:0.56%-0.64%Mg,0.42%-0.50%Si,0.17%-0.19%Cu,0.20%-0.22%Fe,0.028%-0.032%Mn,0.028%-0.032%Cr,0.028%-0.032%Zn,0.29%-0.31%Ti以及0.29%-0.31%Zr,其余为Al。其铸锭在560℃均匀化处理9h,快速水冷,加热,挤压成形,采用水或雾淬,再在180℃下人工时效。以此得到的合金型材抗拉强度为302MPa,挤压成形性能优良,但强度较低。又如专利CN104018038A提供了一种7003汽车防撞梁用铝合金,6.50%-6.80%Zn,0.90%-1.10%Mg,0.20%-0.30%Cu,0.15%-0.20Zr,0.10%-0.15Mn,0.01%-0.02%Ti,Cr≤0.05%,Fe≤0.25%,Si≤0.20%,其余为Al。其所得的汽车防撞梁的抗拉强度为420MPa以上,屈服强度在390MPa~420MPa之间,但含较多的合金元素,其挤压成形时塑性变形能力较差,影响到型材的生产效率。
因此,研究开发出一种成形能力较好、型材力学性能优良的7xxx系铝合金,具有显著必要性,有利于扩展7xxx系铝合金的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供了一种挤压型材用高强7xxx系铝合金。本发明通过合金成分优化,控制主合金元素的Zn/Mg比例,降低强化元素Cu的含量,加入Zr细化晶粒,严格限制其他合金元素和杂质元素的含量,在保持合金材料高强度的同时,提高合金材料的塑性和成形性能。
本发明的目的还在于提供所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种挤压型材用高强7xxx系铝合金,按重量百分比,包括如下组分:
Zn 7%-8%,Mg 1%-2%,Cu 0.15%-0.25%,Zr 0.15%-0.25%,Fe和Si总量小于0.2%,杂质含量小于0.2%,余量为Al。
进一步优选的,所述挤压型材用高强7xxx系铝合金,按重量百分比,包括如下组分:
Zn 7.2%-7.8%,Mg 1.2%-1.8%,Cu 0.17%-0.23%,Zr 0.13%-0.23%,Fe和Si总量小于0.2%,杂质含量小于0.2%,余量为Al。
制备所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的方法,包括如下步骤:
按所述重量百分比,将工业纯铝和Cu源加入坩埚电阻炉中加热熔化完全后,依次加入Zn源、Zr源和Mg源,直至全部完全熔化;然后进行除气精炼、扒渣,静置后加入细化剂并浇注,得到铸态铝合金,再经均匀化热处理,得到所述挤压型材用高强7xxx系铝合金。
进一步地,所述工业纯铝的纯度≥99.85%。
进一步地,所述Cu源为Al-50Cu中间合金。
进一步地,所述Zn源为工业纯锌,纯度≥99.5%。
进一步地,所述Zr源为Al-10Zr中间合金。
进一步地,所述Mg源为Al-50Mg中间合金。
进一步地,Zn源、Zr源和Mg源的加入温度均为710℃-720℃,且上一种原料直至完全熔化后静置5-10min ,再加入下一种原料。
在纯铝以及Cu源Zn源、Zr源和Mg源的中间合金的加入过程中,会引入Fe和Si。
进一步地,所述除气精炼的温度为720℃-730℃,时间为5-10min,处理剂为氩气或精炼剂。
更进一步地,所述精炼剂包括C2Cl6。
进一步地,所述静置是在710℃-720℃静置3-5min。
进一步地,所述细化剂为Al-5Ti-B中间合金。
进一步地,所述浇注的温度为710℃-720℃。
进一步地,所述铸态铝合金的铸态显微组织主要由α(Al)基体和α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)的共晶相组成,α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)的共晶相以网状形式分布在晶界处,其中Cu和Zr分别固溶在α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)的共晶相和α(Al)基体中。
进一步地,所述均匀化热处理的温度为470℃,时间为24h,冷却方式为空冷至室温。
所述铝合金经均匀化热处理后,合金中的铸态显微组织中α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)的共晶相消失。
本发明的挤压型材用高强7xxx系铝合金还能够采用低成本的传统铸造工艺制备,包括重力铸造、挤压铸造或连续铸造。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和有益效果:
(1)本发明的挤压型材用高强7xxx系铝合金具有较高的Zn/Mg比例,能有效地提高合金强度;具有较低的Cu含量,能提高材料的断裂韧性;同时添加了Zr,在凝固过程中能细化晶粒,均匀化后形成弥散Al3Zr相,能在热变形过程中抑制再结晶晶粒长大,提高材料强度;
(2)本发明的挤压型材用高强7xxx系铝合金塑性成形性能较好,以其制备的挤压型材具有较高的强度和塑性。
附图说明
图1为实施例1中制备的铸态合金的铸态金相组织图;
图2为实施例1中制备的铸态合金经470℃、24h的均匀化处理后的金相组织图;
图3为实施例2中制备的挤压型材T6态的拉伸曲线图;
图4为实施例2中制备的挤压型材T6态的拉伸断口形貌图。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步详细描述,但本发明的保护范围不限于此。
实施例1
挤压型材用高强7xxx系铝合金,按重量百分比计,具体包括如下组分:
Zn 7.65%,Mg 1.57%,Cu 0.16%,Zr 0.17%,Fe和Si 总量为0.08%,Ti 0.013%,余量为Al。
制备上述的挤压型材用高强7xxx系铝合金,具体包括如下步骤:
(1)将工业纯铝(纯度≥99.85%)和Al-50Cu中间合金加入坩埚电阻炉中加热熔化;
(2)待工业纯铝和Al-50Cu中间合金完全熔化后,在715℃下依次加入工业纯锌(纯度≥99.5%)、Al-10Zr中间合金、Al-50Mg中间合金;添加过程中直至上一种原料完全熔化后静置6min,再加入下一种原料,直至所有原料完全熔化;
(3)然后在725℃下,进行除气精炼,精炼时间为5min,处理剂为C2Cl6;扒渣、在715℃下静置5min后加入细化剂Al-5Ti-B中间合金并浇注,浇注温度为715℃,得到铸态铝合金;
制备的铸态合金的铸态金相组织图如图1所示,由图1可知,铸态合金为两相(α(Al)基体和α(Al)+T(Al2Mg3Zn3) 的共晶相)组织,第二相(α(Al)+T(Al2Mg3Zn3) 的共晶相)以网状分布在晶界处。
(4)将铸态合金在470℃保温24h进行均匀化热处理后,空冷至室温,得到所述挤压型材用高强7xxx系铝合金。
铸态合金经470℃、24h的均匀化处理后的金相组织图如图2所示,晶粒长大,网状的第二相(α(Al)+T(Al2Mg3Zn3) 的共晶相)消失。
实施例2
利用实施例1制备的7xxx系铝合金,采用热正挤压的方法,得到直径为12mm的实心棒状型材,具体制备方法如下:
(1)首先将实施例1制备的7xxx铝合金机加工成φ50x45的挤压坯料,将加工好的挤压坯料放入箱式电阻炉中进行加热保温,加热温度为430℃,保温时间为1h;
(2)保温完成后进行挤压,挤压比为17.4,模具温度为450℃,挤压筒温度为400℃,冷却方式为空冷;然后对型材采用480℃、1h和120℃、24h的固溶时效处理,得到实心棒状型材。
制备的实心棒状型材表面光滑平整、无开裂;对制备的型材依据GB/T228-2000进行力学性能测试,测试结果如下:抗拉强度为740MPa,伸长率为7.8%。可见,获得的挤压型材力学性能良好。
制备的实心棒状型材T6态的拉伸曲线图如图3所示,由图3可知,其抗拉强度为740MPa;
T6态的拉伸断口形貌图如图4所示,由图4可知,断口较为平坦,存在少量韧窝。
实施例3
利用实施例1制备的7xxx系铝合金,采用热正挤压的方法,得到直径为10mm的实心棒状型材,具体制备方法如下:
(1)首先将实施例1提供的铝合金机加工成φ50x45的挤压坯料,将加工好的挤压坯料放入箱式电阻炉中进行加热保温,加热温度为430℃,保温时间为1h;
(2)保温完成后进行挤压,挤压比为25,模具温度为450℃,挤压筒温度为400℃,冷却方式为空冷;然后对型材采用480℃、1h和120℃、24h的固溶时效处理。
制备的实心棒状型材表面光滑平整、无开裂;对制备的型材依据GB/T228-2000进行力学性能测试,测试结果如下:抗拉强度为732MPa,伸长率为8.3%。可见,获得的挤压型材力学性能良好。
实施例4
利用实施例1制备的7xxx系铝合金,采用热正挤压的方法,得到直径为8mm的实心棒状型材,具体制备方法如下:
(1)首先将实施例1提供的铝合金机加工成φ50x45的挤压坯料,将加工好的挤压坯料放入箱式电阻炉中进行加热保温,加热温度为430℃,保温时间为1h;
(2)保温完成后进行挤压,挤压比为39.1,模具温度为450℃,挤压筒温度为400℃,冷却方式为空冷;然后对型材采用480℃、1h和120℃、24h的固溶时效处理。
制备的实心棒状型材表面光滑平整、无开裂;对制备的型材依据GB/T228-2000进行力学性能测试,测试结果如下:抗拉强度为762MPa,伸长率为9.6%。可见,获得的挤压型材力学性能良好。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式,仅用于解释本发明,而非限制本发明,本领域技术人员在未脱离本发明精神实质与原理下所作的任何改变、替换、组合、简化、修饰等,均应为等效的置换方式,均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种挤压型材用高强7xxx系铝合金,其特征在于,按重量百分比,包括如下组分:
Zn 7%-8%,Mg 1%-2%,Cu 0.15%-0.25%,Zr 0.15%-0.25%,Fe和Si总量小于0.2%,杂质含量小于0.2%,余量为Al。
2.根据权利要求1所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金,其特征在于,按重量百分比计,包括如下组分:
Zn 7.2%-7.8%,Mg 1.2%-1.8%,Cu 0.17%-0.23%,Zr 0.13%-0.23%,Fe和Si总量小于0.2%,杂质含量小于0.2%,余量为Al。
3.制备权利要求1-2任一项所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的方法,其特征在于,包括如下步骤:
按所述重量百分比,将工业纯铝和Cu源加入坩埚电阻炉中加热熔化完全后,依次加入Zn源、Zr源和Mg源,直至全部完全熔化;然后进行除气精炼、扒渣,静置后加入细化剂并浇注,得到铸态铝合金,再经均匀化热处理,得到所述挤压型材用高强7xxx系铝合金。
4.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法,其特征在于,所述工业纯铝的纯度≥99.85%;所述Cu源为Al-50Cu中间合金;所述Zn源为工业纯锌,纯度≥99.5%;所述Zr源为Al-10Zr中间合金;所述Mg源为Al-50Mg中间合金。
5.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法,其特征在于,所述Zn源、Zr源和Mg源的加入温度均为710℃-720℃,且上一种原料直至完全熔化后静置5-10min ,再加入下一种原料。
6.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法,其特征在于,所述除气精炼的温度为720℃-730℃,时间为5-10min,处理剂为氩气或精炼剂;所述精炼剂包括C2Cl6;所述静置是在710℃-720℃静置3-5min。
7.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法,其特征在于,所述细化剂为Al-5Ti-B中间合金。
8.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法,其特征在于,所述浇注的温度为710℃-720℃。
9.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法,其特征在于,所述铸态铝合金的铸态显微组织主要由α(Al)基体和α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)的共晶相组成,α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)的共晶相以网状形式分布在晶界处,其中Cu和Zr分别固溶在α(Al)+T(Al2Mg3Zn3)的共晶相和α(Al)基体中。
10.根据权利要求3所述的一种挤压型材用高强7xxx系铝合金的制备方法,其特征在于,所述均匀化热处理的温度为470℃,时间为24h,冷却方式为空冷至室温。
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