CN110438377A - 一种高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金及其制备方法 - Google Patents

一种高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强耐应力腐蚀Al‑Zn‑Mg‑Cu合金及其制备方法，所含元素和质量百分含量为：Zn含量为3.5％～5.5％，Mg含量为1.5％～2.2％，Mn含量为0.4％～0.8％，Cu含量为0.1％～0.3％，且Zn/Mg为2.5～3.0。本发明采用重力铸造工艺，对铸态合金进行三级均匀化处理和形变处理，最后对合金进行双级固溶处理和三级时效处理。本发明的合金强度、延伸率和抗应力腐蚀性能均高于目前轨道交通所使用的Al‑Zn‑Mg‑Cu合金。本发明合金适用于轨道交通领域的工业应用，将极大提高轨道交通和运输用铝合金的服役寿命，并且成型和热处理工艺简单，适合大规模生产制造。

Description

一种高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金及其制备方法
技术领域
本发明属于有色金属技术领域，涉及一种轨道交通用高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金及制备方法。
背景技术
铝合金因其具有较低的密度、优良的耐腐蚀性能以及冷热加工性能而被广泛应用于交通运输、建筑材料以及航天航海等领域。通过添加不同的合金元素，通过不同的热处理方式，得到不同应用方向的铝合金。
物联网和交通运输的发展都要求运载体轻量化，环境友好形的材料作为加工载体。铝锌镁合金经过时效处理后，其晶内和晶界处存在高密度的GP区和η′强化相，从而有优良的力学性能和变形性能，在轨道交通和航空航天领域被广泛应用。尤其中高含量镁锌配比的铝合金，已经在高速列车车体、衍梁等车体重要组成部分上被成熟应用。但这些亚稳相电极电位比铝基体低，在应力和腐蚀介质的共同的作用下，易成为发生应力腐蚀源，严重影响合金的强度、塑性、抗疲劳性和寿命等。因此，如何在不降低合金抗应力腐蚀性能的情况下提高合金力学性能，一直是工程中难以解决的问题。
目前国内外7xxx铝合金的热处理工艺通常采用峰时效(T6)，过时效(T74)，及回归再时效(RRA)和非等温时效。峰时效(T6)热处理工艺一般可获得最高静强度铝锌镁(铜)合金，而过时效(T74)热处理工艺一般可获得中等强度、抗应力腐蚀性能较好的铝锌镁(铜)合金，新开发的回归再时效(RRA)和非等温时效虽然提高了合金的静强度，但是抗应力腐蚀性能不及T74热处理制度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种具有高强度和良好变形性，又具有较好的抗应力腐蚀性能特点的Al-Zn-Mg-Cu合金材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金，所含元素和质量百分含量为：Zn含量为3.5％～5.5％，Mg含量为1.5％～2.2％，Mn含量为0.4％～0.8％，Cu含量为0.1％～0.3％，且Zn/Mg为2.5～3.0。
进一步的，该合金还包含：Cr含量为0.1％～0.5％，Zr含量为0.2％～0.5％，Ti含量≤0.2％，Fe含量≤0.35％，其它杂质单个含量≤0.03％，总和≤0.1％，余量为铝。
本发明还提供一种所述高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，采用重力铸造工艺，对铸态合金进行三级均匀化处理和形变处理，最后对合金进行双级固溶处理和三级时效处理。
进一步的，所述三级均匀化处理包括依次进行220～250℃/5h，330～360℃/20h，450～475℃/12h的均匀化处理。
进一步的，所述形变处理是在均匀化处理后对合金进行挤压变形，挤压前对合金进行450～460℃的保温处理，挤压温度320℃～400℃，挤压比17％，应变速率3.00～5.00s-1。
进一步的，所述双级固溶处理包括依次进行400～430℃/0.5h和460～480℃/1.5h的双级固溶处理。
进一步的，固溶处理后，对合金进行淬火处理，淬火介质为水，淬火温度0～25℃。
进一步的，所述三级时效处理包括依次进行60～65℃/24h的低温预时效处理，95～100℃/24h和145～155℃/24h的三级时效处理。
研究发现，Zn/Mg比影响铝锌镁(铜)合金析出相数量和分布，应对其进行严格的控制。本发明通过***性的研究Zn/Mg比变化对合金抗应力腐蚀的影响，并在此基础上设计出了能符合轨道交通应用要求，强度和延伸率较高，并且具有一定应力腐蚀抗性的7xxx铝合金的热处理工艺。
轨道交通用大型铝合金型材首先要具有良好的变形性，并且应该具有一定的强度和抗应力腐蚀性能。由于高速列车多采用焊接连接车体各部件，因此对热裂不利的Mg元素和增大焊接润湿角的Cu、Mn、Ti等元素需严格控制，其次应考虑Zn/Mg配比对合金强度和抗应力腐蚀的影响。由于高速列车长期服役于复杂的天气和气候，因此应考虑其抗应力腐蚀性能的优劣。
研究发现，在Zn含量低于6％时，Mg元素超过2.2％，铝合金材料容易发生热裂，Mg含量低于1.5％时，合金的强度难以保证。经过多组实验对比，我们发现Mg含量应控制在1.5％-2.2％范围内，并且Cu含量为0.1％～0.3％，Zn/Mg介于2.5-3.0之间，合金具有较高的强度和较好的抗应力腐蚀性能。调整合金中的锰、铬和锆的元素含量使合金具有较好的变形性。
本发明的高强度、抗应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金材料，是在大量成分配比实验的基础上，并开发设计出一套适合轨道交通用Al-Zn-Mg-Cu合金均匀化和固溶时效的制度。
采用短时低温和长时高温处理的均匀化组合制度，可以最大程度消除主合金元素成分偏析，极大提高AlZr3弥散分布的均匀性，并且这样的均匀化处理组合能够很好抑制后续热处理过程中的粗大再结晶行为的发生，经过大量的实验对比，我们得出220～250℃/5h，330～360℃/20h，450～475℃/12h的均匀化处理是最适合本合金的均匀化制度。
采用双级固溶热处理工艺制度可以获得成分更加均匀的固溶体，并且极大的降低了再结晶行为的发生。经过大量的实验对比，我们得出400～430℃/0.5h和460～480℃/1.5h的双级固溶处理是是较适合本合金的固溶处理制度。
采用先低温再高温的三级时效制度，可以使合金在时效初期形成更多的GP区，为后续析出η′亚稳相做好充分的形核准备，这种时效组合制度可以极大提高合金的力学性能并且可以有效改善合金沿晶界的析出形态，提高了合金的电极电位，有效提高了合金的抗应力腐蚀性能。我们得出60～65℃/24h的低温预时效处理，95～100℃/24h和145～155℃/24h的三级时效处理可以获得高强度和抗应力腐蚀性能良好的合金材料。
本发明的Al-Zn-Mg-Cu合金材料，热处理处理完后板材中的晶粒尺寸均匀，其中Al3Zr弥散分布在晶内和晶界处，AlZr3析出相相比传统热处理工艺更加弥散均匀。η′相弥散分布在晶内，η′强化析出相密度更高，晶界析出相断续分布，晶界无析出带较窄，其析出相在<100>Al方向的明场相尺寸在2～10nm。使合金具有较高的静强度，同时在一些特定的腐蚀环境下具有优异的抗应力腐蚀性能。
本发明的合金强度、延伸率和抗应力腐蚀性能均高于目前轨道交通所使用的Al-Zn-Mg-Cu合金。所获材料常温拉伸状态下抗拉强度不低于390MPa，延伸率不小于15.8％。本合金材料具有良好的力学性能和抗应力腐蚀性能，与现有的轨道交通车体用的T74热处理制度相比，该工艺在3.5％NaCl溶液中有更好的抗应力腐蚀性能，并且在腐蚀液中的抗拉强度也高于T74热处理制度。
本发明合金适用于轨道交通领域的工业应用，将极大提高轨道交通和运输用铝合金的服役寿命，并且成型和热处理工艺简单，适合大规模生产制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例一经过475℃/1.5h固溶处理，100℃/8h和155℃/8h(T74)的双级时效处理后的透射电镜明场相。
图2是实施例一经过本发明热处理工艺后的透射电镜明场相。
图3是实施例一经过475℃/1.5h固溶处理，100℃/8h和155℃/8h的双级时效处理的恒速率慢应变拉伸断口扫描电镜图。
图4是实施例一经过本发明热处理工艺后的恒速率慢应变拉伸断口扫描电镜图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例一
某合金成分(质量百分数)如下：Zn含量为4.5％，Mg含量为1.5％，Mn含量为0.35％，Cu含量为0.12％，Cr含量为0.15％，Zr含量0.2％，Ti含量为0.05％，余量为铝,该合金的Zn/Mg比为3。该合金经过220℃/5h，330℃/20h，450℃/12h的均匀化处理后，对合金进行挤压变形，挤压前对合金进行450℃的保温处理，挤压温度340℃，挤压比为17％，应变速率3.00s-1，挤压变形后，对合金进行430℃/0.5h和475℃/1.5h的双级固溶处理。固溶处理后，对合金进行淬火处理，淬火介质为水，淬火温度15℃，然后迅速将合金转移到恒温时效炉依次进行60℃/24h的低温预时效处理，95℃/24h和150℃/24h的三级时效处理。经过处理后合金的抗拉强度为420.67MPa，延伸率为17.2％，电导率为39.7IACS.％，合金在3.5％NaCl溶液中的强度损失为5.01％(附表1)，慢应变拉伸速率为6.67×10-6S-1。热处理工艺后的透射电镜明场相如图2。热处理工艺后的恒速率慢应变拉伸断口扫描电镜图如图4。
作为对比，图1是按实施例一的合金成分配比并经过475℃/24h均匀化，475℃/1.5h固溶处理，100℃/8h和155℃/8h的双级时效处理后的透射电镜明场相。从图1和2的对比可以发现，合金经过本发明热处理工艺后，η′强化析出相在晶内的析出密度比传统工业热处理工艺的更高，晶界断续分布，晶界无析出带更窄，根据已有文献的研究结果，这种组织的合金抗应力腐蚀性能较好。
作为对比，图3是按实施例一的合金成分配比并经过475℃/24h均匀化，475℃/1.5h固溶处理，100℃/8h和155℃/8h的双级时效处理的恒速率慢应变拉伸断口扫描电镜图。从图3和4的断口扫描图对比可知，合金经本发明的热处理工艺后，应力腐蚀解理区面积分布更低。
实施例二
某合金成分(质量百分数)如下：Zn含量为5％，Mg含量为2％,Mn含量为0.25％，Cu含量为0.2％，Cr含量为0.12％，Zr含量0.18％，Ti含量为0.1％，余量为铝,该合金的Zn/Mg比为2.5。该合金经过250℃/5h，360℃/20h，475℃/12h的均匀化处理。均匀化处理后，对合金进行挤压变形，挤压前对合金进行460℃的保温处理，挤压温度350℃，挤压比17％，应变速率4.00s-1，挤压变形后，对合金进行430℃/0.5h和475℃/1.5h的双级固溶处理。固溶处理后，对合金进行淬火处理，淬火介质为水，淬火温度20℃，然后迅速将合金转移到恒温时效炉依次进行65℃/24h的低温预时效处理，100℃/24h和150℃/24h的三级时效处理。经过处理后合金的抗拉度为445.6MPa，延伸率为15.8％，电导率为38.26IACS.％，合金在3.5％NaCl溶液中的强度损失为6％(附表1)，慢应变拉伸速率为6.67×10-6S-1。
对比例一
某合金成分(质量百分数)如下：Zn含量为5.5％，Mg含量为1.5％，Mn含量为0.35％，Cu含量为0.12％，Cr含量为0.15％，Zr含量0.2％，Ti含量为0.05％，余量为铝,该合金的Zn/Mg比为3.67。该合金经过475℃/24h的均匀化处理。均匀化处理后，对合金进行挤压变形，挤压温度320℃，挤压比17％，应变速率3.00s-1，挤压变形后，对合金进行和475℃/1.5h的固溶处理。固溶处理后，对合金进行淬火处理，淬火介质为水，淬火温度25℃，然后迅速将合金转移到恒温时效炉依次进行100℃/8h和155℃/8h的双级时效处理。经过处理后合金的抗拉强度为400.92MPa，延伸率为16％，电导率为39.5IACS.％，合金在3.5％NaCl溶液中的强度损失为10.2％(附表1)，慢应变拉伸速率为6.67×10-6S-1。
对比例二
某合金成分(质量百分数)如下：Zn含量为4％，Mg含量为1.7％,Mn含量为0.25％，Cu含量为0.2％，Cr含量为0.11％，Zr含量0.19％，Ti含量为0.12％，余量为铝,该合金的Zn/Mg比为2.35。该合金经过250℃/5h，360℃/20h，475℃/12h的均匀化处理。均匀化处理后，对合金进行挤压变形，挤压前对合金进行460℃的保温处理，挤压温度350℃，挤压比17％，应变速率4.00s-1，挤压变形后，对合金进行430℃/0.5h和475℃/1.5h的双级固溶处理。固溶处理后，对合金进行淬火处理，淬火介质为水，淬火温度20℃，然后迅速将合金转移到恒温时效炉依次进行65℃/24h的低温预时效处理，100℃/24h和150℃/24h的三级时效处理。经过处理后合金的抗拉度为395.64MPa，延伸率为15.03％，电导率为35.73IACS.％，合金在3.5％NaCl溶液中的强度损失为10.55％(附表1)，慢应变拉伸速率为6.67×10-6S-1。
实施例中所制备的Al-Zn-Mg-Cu合金材料，对其进行室温拉伸试验(按照GBT-228.1-2010进行设计)、应力腐蚀(SSRT，按照GB/T-15970.7-2000及GBT-228.1-2010进行设计，按照GBT-15970.7-2000进行评定)测试。
本施例中所述合金性能参数见下表。对比例一为某国产轨道交通用Al-Zn-Mg-Cu合金型材。
抗应力腐蚀敏感性可通过材料在腐蚀介质中的力学性能与材料在惰性介质中的力学性能的比值进行评定，数值越小说明其对特定的腐蚀环境越敏感，本发明用Iscc＝σb(NaCl)/σb(空气)对其进行评价。σb表示合金在空气中的抗拉强度，σb(NaCl)表示合金在3.5％NaCl水溶液中的抗拉强度，慢应变速率为6.67x10-6S-1。
表1
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，所含元素和质量百分含量为：Zn含量为3.5％～5.5％，Mg含量为1.5％～2.2％，Mn含量为0.4％～0.8％，Cu含量为0.1％～0.3％，且Zn/Mg为2.5～3.0。
2.根据权利要求1所述的高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，还包含：Cr含量为0.1％～0.5％，Zr含量为0.2％～0.5％，Ti含量≤0.2％，Fe含量≤0.35％，其它杂质单个含量≤0.03％，总和≤0.1％，余量为铝。
3.一种权利要求1或2所述高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于，采用重力铸造工艺，对铸态合金进行三级均匀化处理和形变处理，最后对合金进行双级固溶处理和三级时效处理。
4.根据权利要求3所述的高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于，所述三级均匀化处理包括依次进行220～250℃/5h，330～360℃/20h，450～475℃/12h的均匀化处理。
5.根据权利要求3所述的高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于，所述形变处理是在均匀化处理后对合金进行挤压变形，挤压前对合金进行450～460℃的保温处理，挤压温度320℃～400℃，挤压比17％，应变速率3.00～5.00s-1。
6.根据权利要求3或4所述的高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于，所述双级固溶处理包括依次进行400～430℃/0.5h和460～480℃/1.5h的双级固溶处理。
7.根据权利要求6所述的高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于，固溶处理后，对合金进行淬火处理，淬火介质为水，淬火温度0～25℃。
8.根据权利要求6所述的高强耐应力腐蚀Al-Zn-Mg-Cu合金的制备方法，其特征在于，所述三级时效处理包括依次进行60～65℃/24h的低温预时效处理，95～100℃/24h和145～155℃/24h的三级时效处理。
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