CN110983131B

CN110983131B - 一种7系铝合金型材及其制造方法

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Publication number: CN110983131B
Application number: CN201911372829.3A
Authority: CN
Inventors: 祝哮; 李洪林; 贾占涛
Original assignee: China Zhongwang Holdings Ltd
Current assignee: China Zhongwang Holdings Ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: CN110983131A

Abstract

本发明属于铝合金生产制造技术领域，涉及一种7系铝合金型材及其制造方法，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si≤0.5％，Fe≤0.5％，Cu：1.0～3.0％，Mn≤0.3％，Mg：1.5～4.5％，Cr≤0.3％，Zn：7.0～12.0％，Zr：0.05～0.3％，Ti：0.005～0.5％，其余单个杂质含量≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，其制备方法可不经过离线固溶过程直接进行人工时效，产品性能同样能够满足需求，可以生产出具有优异强度及延展的7系铝合金结构型材材，既提高效率又降低生产成本。

Description

一种7系铝合金型材及其制造方法

技术领域

本发明属于铝合金生产制造技术领域，涉及一种7系铝合金型材及其制造方法，具体涉及一种Al-Zn-Mg-Cu铝合金型材及其制造方法。

背景技术

铝合金比重低于钢铁材料，且7系铝合金具有强度高、耐热性能好的特性，一直广泛用作飞机、航天器和车辆的结构材料。随着双通道飞机的广泛采用，对飞机整体加工性能的要求越来越高，航空结构件逐渐向厚型材甚至超厚型材的方向发展。7系(Al-Zn-Mg-Cu系)铝合金因高强度而广泛应用于航空结构件中，其厚型材产品对断裂韧性、疲劳性能、耐腐蚀性能等性能，尤其是型材材厚度方向性能均匀性提出较高的要求。

然而，为了满足增加7系铝合金强度的需求，使用常规的生产方法来增加强度会产生延展性降低的问题。低延展性作为结构材料是不利的，但是如果延展性得到改善，则强度通常会降低。因此，采用传统的生产方法，难以生产同时具有高强度和高延展性的7系铝合金型材。

鉴于上述情况，本发明提供一种Al-Zn-Mg-Cu构铝合金型材及其制造方法，该铝合金型材具有优异的强度和优异的延展性以及更小的面内各向异性。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有7系铝合金型材高强度和高延展性不能兼得，影响其应用范围的问题，提供一种7系铝合金型材及其制造方法。

为达到上述目的，本发明提供一种7系铝合金型材，由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si≤0.5％，Fe≤0.5％，Cu：1.0～3.0％，Mn≤0.3％，Mg：1.5～4.5％，Cr≤0.3％，Zn：7.0～12.0％，Zr：0.05～0.3％，Ti：0.005～0.5％，其余单个杂质含量≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al。

进一步，7系铝合金型材原料由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si≤0.4％，Fe≤0.35％，Cu：1.0～2.5％，Mn≤0.2％，Mg：1.5～3.5％，Cr≤0.2％，Zn：8.0～11.0％，Zr：0.05～0.2％，Ti：0.005～0.35％，其余单个杂质含量≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al。

一种7系铝合金型材的制造方法，包括以下步骤：

A、计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，铝合金铸锭的直径范围为358～436mm；

B、将步骤A制得的铝合金铸锭进行固溶处理，固溶处理的温度为400～480℃，固溶保温时间为1～10h；

C、将步骤B固溶处理后的铝合金铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒温控制温度为450～500℃，挤压模具温度为500～520℃，铝合金铸锭加热温度为380～420℃，铝合金铸锭挤压速度控制在1.5～2.5m/min，得到所需要的铝合金型材；

D、将步骤C挤压后的铝合金型材1min内以极冷的方式水淬冷却至90℃以下，其中铝合金型材的冷却速度为500～550℃/min，使得镁硅原子充分溶解；

E、将步骤D冷却后的铝合金型材进行人工时效热处理，时效温度为80～180℃，时效时间为5～30h，得到综合性能优异的铝合金型材。

进一步，步骤B中固溶处理的温度为420～480℃，固溶保温时间为1.5～8h。

进一步，步骤D将挤压后的铝合金型材50s内以极冷的方式冷却至80℃以下。

进一步，步骤E人工时效温度为100～180℃，时效时间为8～28h。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所公开的7系铝合金型材，Zn起到增加铝合金强度的作用。当铝合金中的Zn含量小于7.0％时，不能获得提高铝合金强度的效果。而且，当Zn含量超过12.0％时，形成Zn-Mg基结晶产物和沉淀物，导致铝合金的延展性降低。因此，在本实施方案的结构铝合金型材中，Zn含量为7.0％-12.0％。另外，Zn含量优选为8.0％-11.0％。

Mg起到增加铝合金强度的作用。当铝合金中的Mg含量小于1.5％时，不能获得提高铝合金强度的效果。此外，当Mg含量超过4.5％时，形成Zn-Mg基和Al-Mg-Cu基结晶产物和沉淀物，导致铝合金的延展性降低。因此，在本实施方案的结构铝合金型材中，Mg含量为1.5％至4.5％。另外，Mg含量优选为1.5％-3.5％。

Cu起到增加铝合金强度的作用。当铝合金中的Cu含量小于1.0％时，不能获得提高铝合金强度的效果。而且，当Cu含量超过3.0％时，形成Al-Cu基和Al-Mg-Cu基结晶产物和沉淀物，导致铝合金的延展性降低。因此，在本实施方案的结构铝合金型材中，Cu含量为1.0-3.0％。另外，Cu含量优选为1.0％-2.5％。

Zr在固溶处理期间起到抑制铝合金中的再结晶并增加铝合金的强度的作用。当铝合金中的Zr含量小于0.05％时，不能抑制铝合金中的再结晶，因此，不能获得提高铝合金强度的效果。而且，当Zr含量超过0.30％时，形成Al-Zr基结晶产物和沉淀物，导致铝合金的延展性降低。因此，在本实施方案的结构铝合金型材中，Zr含量为0.05％-0.30％。另外，Zr含量优选为0.05％-0.20％。

Ti是精炼剂中含有的成分，为了精炼铸锭的晶粒而添加。当铝合金中的Ti含量超过0.5％时，形成Al-Ti基结晶产物和沉淀物，导致铝合金的延展性降低。而且，当Ti含量小于0.005％时，不能获得足够的晶锭晶粒细化效果。因此，在本实施方案的结构铝合金型材中，Ti含量为0.005％至0.5％。另外，Ti含量优选为0.35％以下。

Si降低了铝合金的延展性。当铝合金中的Si含量超过0.5％时，形成Al-Fe-Si基和Si基结晶产物和沉淀物，导致铝合金的延展性降低。因此，在本实施方案的结构铝合金型材中，Si含量限制为0.5％或更低。另外，Si含量优选为0.4％以下。

Fe降低了铝合金的延展性。当铝合金中的Fe含量超过0.5％时，形成Al-Fe-Si基和Al-Fe基结晶产物和沉淀物，导致铝合金的延展性降低。因此，在本实施方案的结构铝合金型材中，Fe含量限制为0.5％或更低。另外，Fe含量优选为0.35％以下。

Mn降低了铝合金的延展性。当铝合金中的Mn含量超过0.3％时，形成Al-Mn基和Al-Fe-Si-Mn基结晶产物和沉淀物，导致铝合金的延展性降低。因此，在本实施方案的结构铝合金型材中，Mn含量限制为0.3％或更低。另外，Mn含量优选为0.2％以下。

Cr降低铝合金的延展性。当铝合金中的Cr含量超过0.3％时，形成Al-Cr基结晶产物和沉淀物，导致铝合金的延展性降低。因此，在本实施方案的结构铝合金型材中，Cr含量限制为0.3％或更低。另外，Cr含量优选为0.2％以下。

2、本发明所公开的7系铝合金型材的制造方法，固溶处理的温度低于400℃，则材料不能充分溶解，因此不能充分地获得铝合金的强度和延展性；如果温度超过480℃，这意味着温度超过材料的固相线温度，则发生部分熔化。因此，在本实施方式的制造方法中，固溶处理的温度规定在400℃至480℃的范围内。为了进一步提高所得结构铝合金型材的强度和延展性，固溶处理的温度优选规定在420℃至480℃的范围内。

在固溶处理中，如果处理时间小于1小时，则材料不能充分溶解，因此不能充分地获得铝合金的强度和延展性。此外，在固溶处理中，如果处理时间超过10小时，则在材料的金属组织中发生再结晶。使铝合金的面内各向异性大，因此无法获得所需的铝合金强度。因此，在本实施方案的制备方法中，固溶处理时间规定在1小时至10小时的范围内。为了进一步提高所得结构铝合金型材的强度和延展性，固溶处理时间优选为1.5小时至8小时。

挤压后的铝合金型材放入水中来进行快速冷却。在淬火中，除非铝合金型材在一分钟内冷却至具有90℃或更低的温度，否则在淬火期间发生沉淀。在这种情况下，不能充分地实现溶解，并且不能获得铝合金的必要强度和延展性。其主要原因是：7系铝合金淬火速率低会发生沉淀，导致间隙固溶体中的溶质原子率先析出，固溶强化效果降低，导致后续性能提升较少。此外与经过时效析出的纳米级第二相相比，率先析出的第二相为微米级相，这会导致合金元素的弥散强化效果降低。7系铝合金时效沉淀析出相的顺序：过饱和固溶体-GP区-η′(MgZn2)-η(MgZn2)。采用峰值时效处理后，晶内析出大量细小共格/半共格的GP区和η′相，合金的强度最高。

为了进一步提高所得结构铝合金型材的强度和延展性，更优选在50秒内将材料冷却至80℃或更低的温度。

人工时效处理的温度低于80℃，则不会发生沉淀，因此，不能获得通过增强的沉淀来提高铝合金的强度的效果。此外，如果人工时效处理的温度超过180℃，则形成粗大的析出物，因此，不能获得通过增强的沉淀来提高铝合金的强度的效果。因此，在本实施方式的制造方法中，人工时效处理的温度规定在80℃至180℃的范围内。此外，为了进一步提高所得结构铝合金型材的强度，优选地，人工时效处理的温度在100℃至180℃的范围内。

人工时效处理时间小于5小时，则不能充分发生沉淀，因此，不能获得通过增强沉淀来提高铝合金强度的效果。此外，如果人工时效处理时间超过30小时，则会产生粗大的析出物，因此无法获得提高铝合金强度的效果。因此，在本实施方案的制备方法中，人工时效处理时间规定在5-30小时的范围内。另外，为了进一步提高所得到的结构铝合金型材的强度，优选人工时效处理时间为8-28小时。

3、本发明所公开的7系铝合金型材的制造方法，可以生产出具有优异强度及延展的7系铝合金结构型材材，并且可不经过离线固溶过程直接进行人工时效，产品性能同样能够满足需求，既提高效率又降低生产成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

一种7系铝合金型材的制造方法，包括以下步骤：

A、计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，7系铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Zr	Ti	杂质	Al
												含量	0.5	0.5	2.0	0.3	4.0	0.3	8.0	0.2	0.03	0.05	余量

将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，其中铝合金熔炼过程为熔融、搅拌、扒渣、除气除杂、过滤、铸造的半连续铸造方法，铝合金铸锭的直径为400mm；

B、将步骤A制得的铝合金铸锭进行固溶处理，固溶处理的温度为450℃，固溶保温时间为6h；

D、将步骤C挤压后的铝合金型材50s内以极冷的方式水淬冷却至80℃以下，其中铝合金型材的冷却速度为540℃/min，使得镁硅原子充分溶解；

E、将步骤D冷却后的铝合金型材进行人工时效热处理，时效温度为120℃，时效时间为24h，得到综合性能优异的铝合金型材。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，步骤A中7系铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Zr	Ti	杂质	Al
												含量	0.4	0.35	2.0	0.2	3.0	0.2	8.0	0.1	0.03	0.05	余量

实施例3

实施例3与实施例2的区别在于，步骤B固溶处理的温度为430℃，固溶保温时间为6h。

实施例4

实施例4与实施例2的区别在于，步骤D将挤压后的铝合金型材50s内以极冷的方式冷却至50℃以下。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于，步骤A中7系铝合金原料各元素质量百分数配比如下：

元素	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Zr	Ti	杂质	Al
												含量	0.55	0.35	1.5	0.25	4.0	0.3	8.0	0.15	0.03	0.05	余量

对比例2

对比例2与对比例1的区别在于，步骤B固溶处理温度为320℃，固溶保温时间为20h。

对比例3

对比例3与对比例1的区别在于，步骤B固溶处理温度为500℃，固溶保温时间为4h。

对比例4

对比例4与对比例1的区别在于，步骤D中挤压后的铝合金型材水淬冷却至80℃以下，铝合金型材的冷却速度为100℃/min。

对比例5

对比例5与对比例1的区别在于，步骤E时效温度为60℃，时效时间为32h。

对比例6

对比例6与对比例1的区别在于，步骤E时效温度为200℃，时效时间为4h。

实施例1～4与对比例1～6得到的7系铝合金型材进行力学性能测试，分别对挤压后、挤压停放24h后以及人工时效后铝合金型材的力学性能进行测试，测试结果见表一：

表一：

由上表可以看出，对比例采用常规方法挤压出的型材通过存放24h后，其屈服强度和抗拉强度基本减少了10～20MPa，而通过本发明的7系铝合金型材制备方法制备的7系铝合金型材增加了急速水淬和人工时效过程，通过存放24h后，屈服强度和抗拉强度变化较小，通过人工时效后的屈服强度、抗拉强度以及延伸率有了很大的提高，完全满足客户的生产要求。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种7系铝合金型材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、计算各铝合金原料用量并按配比准备铝合金原料，将配制好的铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，铝合金铸锭的直径范围为358~ 436mm，其中铝合金原料中各元素组分按照重量百分比配制而成：Si≤0.5%，Fe≤0.5%，Cu：1.0~3.0％，Mn≤0.3%，Mg：1.5~4.5％，Cr≤0.3%，Zn：7.0~12.0％，Zr：0.05~0.3％，Ti：0.005~0.5％，其余单个杂质含量≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al；

B、将步骤A制得的铝合金铸锭进行固溶处理，固溶处理的温度为400~480℃，固溶保温时间为1~10h；

C、将步骤B固溶处理后的铝合金铸锭置于挤压机中进行挤压，挤压筒温控制温度为450~500℃，挤压模具温度为500~520℃，铝合金铸锭加热温度为380~420℃，铝合金铸锭挤压速度控制在1.5~2.5m/min，得到所需要的铝合金型材；

D、将步骤C挤压后的铝合金型材1min内以急冷的方式水淬冷却至90℃以下，其中铝合金型材的冷却速度为500~550℃/min，使得镁硅原子充分溶解；

E、将步骤D冷却后的铝合金型材进行人工时效热处理，时效温度为80~180℃，时效时间为5~30h，得到综合性能优异的铝合金型材。

2.如权利要求1所述7系铝合金型材的制造方法，其特征在于，步骤A中铝合金原料由以下元素组分按照重量百分比配制而成：Si≤0.4%，Fe≤0.35%，Cu：1.0~2.5％，Mn≤0.2%，Mg：1.5~3.5％，Cr≤0.2%，Zn：8.0~11.0％，Zr：0.05~0.2％，Ti：0.005~0.35％，其余单个杂质含量≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为Al。

3.如权利要求1所述7系铝合金型材的制造方法，其特征在于，步骤B中固溶处理的温度为420~480℃，固溶保温时间为1.5~8h。

4.如权利要求1所述7系铝合金型材的制造方法，其特征在于，步骤D将挤压后的铝合金型材50s内以急冷的方式冷却至80℃以下。

5.如权利要求1所述7系铝合金型材的制造方法，其特征在于，步骤E人工时效温度为100~180℃，时效时间为8~28h。