CN111254331B - 一种Al-Zn-Mg合金及其制备方法 - Google Patents

一种Al-Zn-Mg合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Al‑Zn‑Mg合金，其成分按重量百分比包括：Si 0％‑0.2％，Fe 0％‑0.2％，Cu 0.1％‑0.3％，Mn 0％‑0.1％，Mg 0.7％‑1.5％，Zn 5.0％‑7.0％，Zr 0.1％‑0.25％，Ti 0.05％‑0.25％，其余为Al及不可避免的杂质。同时本发明还包括所述Al‑Zn‑Mg合金的制备方法及在制备保险杠型材中的应用。本发明所述的Al‑Zn‑Mg合金材料具有较小的再结晶组织、较高的强度、较好的耐腐蚀性能，同时具有较好的室温力学性能、良好的弯曲成型性能、焊接性能等，可以实现Al‑Zn‑Mg合金保险杠型材的工业化批量生产。

Description

一种Al-Zn-Mg合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及铝合金领域，尤其涉及一种Al-Zn-Mg合金及其制备方法。
背景技术
Al-Zn-Mg(7003/7108/7039/7005)铝合金铸棒由于具有较高的力学性能、焊接性能和耐腐蚀性能，广泛应用于高铁、汽车领域。这种铝合金型材的生产一般包括熔炼，铸造，均匀化退火，挤压，冷却，拉伸，自然停放，冲压弯曲加工，焊接，人工时效等。
现有的工艺技术在熔铸挤压以及后期停放和弯曲成型阶段：
1.Al-Zn-Mg(7003/7108)材料的化学成分设计不够合理；
2.均匀化的温度设计不够合理，多采用单级均匀化处理(炉子升温多无法实现梯度控制)；
3.挤压温度设计不甚合理；
4.挤压速度设计不够合理；
5.挤压比设计过大；
6.冷却速率设计不够合理；
7.型材出来后停放未做任何处理，自然时效强化加剧较快。
上述7个方面决定了Al-Zn-Mg型材挤压出来后再结晶所占的百分数会增加，使得材料在自然停放阶段强度增加幅度增大，延伸率呈现先增加后减小的趋势，直接决定了后期冲压弯曲模具设计回弹变形量的大小以及模具的使用寿命。
在Al-Zn-Mg铝合金保险杠、吸能盒和纵梁的生产过程中,如何控制材料的弯曲性能、焊接性能、疲劳性能、腐蚀性能成为关键，如何在弯曲加工前控制型材自然时效引起的强化效应，如何控制经过预处理后的型材，使得后期经过时效具备综合的性能是本领域内急需解决的问题。
发明内容
基于现有技术的缺陷，本发明提供一种Al-Zn-Mg合金及其制备方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种Al-Zn-Mg合金，其成分按重量百分比包括：Si 0％-0.2％，Fe 0％-0.2％，Cu0.1％-0.3％，Mn 0％-0.1％，Mg 0.7％-1.5％，Zn 5.0％-7.0％，Zr 0.1％-0.25％，Ti0.05％-0.25％，其余为Al及不可避免的杂质。
优选地，其成分按重量百分比包括：Si 0.1％-0.2％，Fe 0.1％-0.2％，Cu 0.2％-0.3％，Mn0.02％-0.1％，Mg 0.7％-1.0％，Zn 5.0％-6.0％，Zr 0.1％-0.2％，Ti 0.05％-0.2％，其余为Al及不可避免的杂质。
更优选地，其成分按重量百分比包括：Si 0.15％，Fe 0.15％，Cu 0.25％，Mn0.07％，Mg 0.8％，Zn 5.5％，Zr 0.15％，Ti 0.1％，其余为Al及不可避免的杂质。
本发明还包括上述Al-Zn-Mg合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.熔炼：熔化所述Al-Zn-Mg合金的材料，使用电磁搅拌，使得合金在熔体中扩散均匀；熔炼过程熔体的温度控制在不超过800℃，熔炼时间不超过5h；
S2.铸造：将上述溶液铸造成合金铸造体；铸造温度控制在710-730℃之间，模盘温度控制在690-710℃之间，冷却水压控制在0.02Mpa-0.2Mpa；
S3.均匀化退火：均匀化加热所述合金铸造体，并形成合金铸棒；
S4.挤压：对经过均匀化处理的Al-Zn-Mg铸棒进行挤压处理得到合金挤压体；
S5.冷却：对所述合金挤压体进行冷却处理；
S6.预处理：对冷却后的合金挤压体24h内进行预热处理；
S7.后续处理：静置并经其他处理后得到所述Al-Zn-Mg合金。
进一步地，步骤S3所述均匀化处理采用三级均匀化工艺，具体为：第一级温度控制在50℃/h升温到260-320℃之间，保温2-4h；第二级温度控制在不超过50℃/h升温到380-420℃之间，保温2-6h；第三级温度控制在不超过50℃/h升温到460-500℃之间，保温4-8h，然后出炉空冷。
均匀化退火的主要目的是为了减少铝合金铸锭在铸造过程中引起的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保温，然后进行缓慢冷却，以达到化学成分和组织均匀化的目的。Al-Zn-Mg型材在均匀化过程中，弥散相Al3Zr粒子的分布和大小直接决定了挤压过程的再结晶程度，Al3Zr粒子的尺寸越细小，约在10um以下，以及分布在晶粒边界附近，在挤压过程能够有效地抑制再结晶晶粒的长大。本发明采用三级均匀化地目的是为了使得Al3Zr粒子能够在基体内部析出较为细小的颗粒，有利于抑制晶粒的再结晶。
进一步地，步骤S4中挤压时采用高温高速挤压，采用直径为127-508mm的铝合金铸棒放入1000T-8000T的挤压筒中，进行挤压，挤压比为10-50之间；铸棒温度范围设置在头部温度460-520℃之间，尾部温度在440-500℃之间，挤压筒的温度范围设置在400-440℃，挤压速度设置为2.4mm/s-6.0mm/s，型材出料速度控制在5m/min-15m/min。
挤压就是将加热到一定温度的铸棒，放在挤压筒内，通过施加外力，使之从分流模具中流出，从而获得所需合金型材的一种塑性加工方法。本发明所述挤压温度的设计，目的是使得材料在挤出后保留足够的纤维晶组织和亚晶粒组织。
进一步地，步骤S5中冷却采用强风冷却或者水雾冷却，冷却速率大于等于25℃/s即可，冷却后温度不大于150℃。
因为挤压温度越高，固溶的程度会越高。如果挤压后采用超强风冷或者小比例的水雾冷却，使得材料达到一定程度的固溶度，材料再配合较大的冷却速率，会形成较大的固溶组织，在后期的自然时效阶段，会较快地形成较多的GPI区和GPII区，使得自然时效的速度加快，不利于后期的冲压弯曲加工。
进一步地，步骤S6所述预处理的设备为时效炉，温度控制在140-200℃之间，时间控制在0-4h，炉子需要预热到120℃-200℃之间，材料出炉需要采用空冷。
本发明的预处理工艺的目的是为了使得铝合金挤压型材提前达到预时效的状态，使得一部分的GP区回溶，或者析出了η＇和η相，材料的力学性能处于挤压之后24-48h之内的状态值；减缓了自然时效引起强化的作用。
进一步地，步骤S7包括人工时效处理，时效温度先控制在90-110℃，保温4-8h；然后在145-170℃下保温10-18h。
经过时效处理后，最终使得材料的抗拉强度在375-395Mpa之间，屈服强度在345-365Mpa之间，均匀延伸率在8％-12％之间，A50在12-18％之间。
本发还包括由上述方法制备得到的Al-Zn-Mg合金在制备保险杠型材中的应用。
本发明所述的Al-Zn-Mg合金在挤压过程中所产生的再结晶晶粒组织以及自然时效强化的动力，通过挤压工艺的调整以及挤压结束后进行一定温度的预处理，使得材料自然时效强化的动力得到抑制，提前析出了η＇和η相，铝合金型材材料达到了相对稳定的阶段，材料具有较低的力学性能以及极低的自然时效强化能力；经过调整后的挤压工艺，挤出型材的再结晶层的厚度不大于壁厚的3％。
本发明所述的Al-Zn-Mg合金材料具有较小的再结晶组织、较高的强度、较好的耐腐蚀性能，同时具有较好的室温力学性能、良好的弯曲成型性能、焊接性能等，可以实现Al-Zn-Mg合金保险杠型材的工业化批量生产。
具体实施方式
实施例1
一种Al-Zn-Mg合金，其成分按重量百分比包括：Si 0.1％，Fe 0.1％，Cu 0.1％，Mn0.01％，Mg 0.7％，Zn 5.00％，Zr 0.1％，Ti 0.05％，其余为Al及不可避免的杂质。
所述合金的制备方法，具体包括以下步骤：
1.熔炼：熔化实施例1-3中所述Al-Zn-Mg合金的原料，确保各成分充分均匀的扩散到溶液的各个部分。
在本实施例的熔炼部分，使用电磁搅拌，使得合金在熔体中扩散均匀；熔炼过程熔体的温度控制在不超过800℃，熔炼时间不超过5h。
2.铸造：S2.铸造：将上述溶液铸造成合金铸造体。
本实施例的铸造温度控制在710-730℃之间，模盘温度控制在680-700℃之间，冷却水压控制在0.02Mpa-0.03Mpa。
3.均匀化退火：均匀化加热所述合金铸造体，并形成合金铸棒。
本实施例所述均匀化处理采用三级均匀化工艺，具体为：第一级温度控制在50℃/h升温到260-320℃之间，保温2-4h；第二级温度控制在不超过50℃/h升温到380-420℃之间，保温2-6h；第三级温度控制在不超过50℃/h升温到460-500℃之间，保温4-8h，然后出炉空冷。
4.挤压：对经过均匀化处理的Al-Zn-Mg铸棒进行挤压处理得到合金挤压体。
本实施例挤压时采用高温高速挤压，采用直径为127-508mm的铝合金铸棒放入1000T-8000T的挤压筒中，进行挤压，挤压比为10-50之间；铸棒温度范围设置在头部温度460-520℃之间，尾部温度在440-500℃之间，挤压筒的温度范围设置在400-440℃，挤压速度设置为2.4mm/s-6.0mm/s，型材出料速度控制在5m/min-15m/min。
5.冷却：对所述合金挤压体进行冷却处理。
本实施例的冷却采用强风冷却或者水雾冷却，冷却速率大于等于25℃/s即可，冷却后温度不大于150℃。
6.预处理：对冷却后的合金挤压体24h内进行预热处理。
本实施例所述预处理的设备为时效炉，温度控制在140-200℃之间，时间控制在0-4h，炉子需要预热到120℃-200℃之间，材料出炉需要采用空冷。
7.后续处理：静置并经其他处理后得到所述Al-Zn-Mg合金。
本实施例的后续处理还包括人工时效处理，时效温度先控制在90-110℃，保温4-8h；然后在145-170℃下保温10-18h。
通过挤压工艺的调整以及挤压结束后进行一定温度的预处理，使得材料自然时效强化的动力得到抑制，提前析出了η＇和η相，铝合金型材材料达到了相对稳定的阶段，材料具有较低的力学性能以及极低的自然时效强化能力；经过调整后的挤压工艺，挤出型材的再结晶层的厚度不大于壁厚的3％，型材在无任何预处理地状态自然停放，抗拉强度由270Mpa逐步增加到350Mpa左右，屈服强度由160Mpa逐步增加到230Mpa左右，硬度由HW＝7逐步增加到HW16；而进行预处理后，型材的抗拉强度由270Mpa逐步增加到300Mpa左右后保持不变；屈服强度由160Mpa逐步增加190Mpa左右后保持不变；HW＝7逐步增加到HW＝12后保持不变；
最终材料在预处理后自然停放7-15天，性能变化较小，依然保持较好的冲压变形能力，且冲压后回弹变形极小，说明材料达到了稳定状态。
实施例2
一种Al-Zn-Mg合金，其成分按重量百分比包括：Si 0.2％，Fe 0.2％，Cu 0.3％，Mn0.1％，Mg 1.5％，Zn 7.0％，Zr 0.25％，Ti 0.25％，其余为Al及不可避免的杂质。其制备方法与实施例1相同。
实施例3
一种Al-Zn-Mg合金，其成分按重量百分比包括：Si 0.1％，Fe 0.1％，Cu 0.2％，Mn0.02％，Mg 0.7％，Zn 5.0％，Zr 0.1％，Ti 0.05％，其余为Al及不可避免的杂质。其制备方法与实施例1相同。
实施例4
一种Al-Zn-Mg合金，其成分按重量百分比包括：Si 0.2％，Fe 0.2％，Cu 0.3％，Mn0.1％，Mg 1.0％，Zn 6.0％，Zr 0.2％，Ti 0.2％，其余为Al及不可避免的杂质。其制备方法与实施例1相同。
实施例5
一种Al-Zn-Mg合金，其成分按重量百分比包括：Si 0.15％，Fe 0.15％，Cu0.25％，Mn 0.07％，Mg 0.8％，Zn 5.5％，Zr 0.15％，Ti 0.1％，其余为Al及不可避免的杂质。其制备方法与实施例1相同。
实施例6
一种Al-Zn-Mg合金保险杠型材，由实施例5所述型材制得。
本实施例在8h内对挤出的型材进行预时效处理，温度为150℃，时间为1h；然后分别停放0天、7天、15天、30天和90天，并对比不同时间的状态进行室温拉伸力学性能测试，测试结果如表1所示。对各停放时间进行最终时效处理状态进行室温拉伸力学性能测试，测试结果如表2所示。
表1合金经预时效后不同停放时间的室温拉伸力学性能
停放时间/天 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/％
0 272 165 7
7 288 179 9
15 296 182 11
30 298 188 12
90 303 193 12
表2合金不同停放时间最终时效处理后的室温拉伸力学性能
停放时间/天 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/％
0 392 365 13
7 387 360 15.5
15 373 355 16
30 371 350 16.5
90 376 349 17
由上表可知，本实施例所述的Al-Zn-Mg合金材料具有较小的再结晶组织、较高的强度、较好的耐腐蚀性能，同时具有较好的室温力学性能、良好的弯曲成型性能、焊接性能等，因此可以实现Al-Zn-Mg合金保险杠型材的工业化批量生产。
同理，对实施例1-4所述型材进行室温拉伸力学测试，结果同样表明，对应的合金型材同时具有较好的室温力学性能、良好的弯曲成型性能、焊接性能等，非常适合作为保险杠型材。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种Al-Zn-Mg合金，其特征在于，其成分按重量百分比包括：Si 0％-0.2％，Fe 0％-0.2％，Cu 0.1％-0.3％，Mn 0％-0.1％，Mg 0.7％-1.5％，Zn 5.0％-7.0％，Zr 0.1％-0.25％，Ti 0.05％-0.25％，其余为Al及不可避免的杂质；
上述Al-Zn-Mg合金的制备方法，包括以下步骤：
S1.熔炼：熔化所述Al-Zn-Mg合金的原料，使用电磁搅拌，使得合金在熔体中扩散均匀；熔炼过程熔体的温度控制在不超过800℃，熔炼时间不超过5h；
S2.铸造：将熔液铸造成合金铸造体；铸造温度控制在710-730℃之间，模盘温度控制在690-710℃之间，冷却水压控制在0.02MP a-0.2MP a；
S3.均匀化退火：均匀化加热所述合金铸造体，并形成合金铸棒；
S4.挤压：对经过均匀化处理的Al-Zn-Mg铸棒进行挤压处理得到合金挤压体；
S5.冷却：对所述合金挤压体进行冷却处理；
S6.预处理：对冷却后的合金挤压体24h内进行预热处理；
S7.后续处理：静置并经其他处理后得到所述Al-Zn-Mg合金；
其中，步骤S3所述均匀化处理采用三级均匀化工艺，具体为：第一级温度控制在50℃/h升温到260-320℃之间，保温2-4h；第二级温度控制在不超过50℃/h升温到380-420℃之间，保温2-6h；第三级温度控制在不超过50℃/h升温到460-500℃之间，保温4-8h，然后出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg合金，其特征在于，其成分按重量百分比包括：Si0.1％-0.2％，Fe 0.1％-0.2％，Cu 0.2％-0.3％，Mn 0.02％-0.1％，Mg 0.7％-1.0％，Zn5.0％-6.0％，Zr 0.1％-0.2％，Ti 0.05％-0.2％，其余为Al及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg合金，其特征在于，其成分按重量百分比包括：Si0.15％，Fe 0.15％，Cu 0.25％，Mn 0.07％，Mg 0.8％，Zn 5.5％，Zr 0.15％，Ti 0.1％，其余为Al及不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg合金，其特征在于，步骤S4中挤压时采用高温高速挤压，采用直径为127-508mm的铝合金铸棒放入1000T-8000T的挤压筒中，进行挤压，挤压比为10-50之间；铸棒温度范围设置在头部温度460-520℃之间，尾部温度在440-500℃之间，挤压筒的温度范围设置在400-440℃，挤压速度设置为2.4mm/s-6.0mm/s，型材出料速度控制在5m/min-15m/min。
5.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg合金，其特征在于，步骤S5中冷却采用强风冷却或者水雾冷却，冷却速率大于等于25℃/s，冷却后温度小于150℃。
6.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg合金，其特征在于，步骤S6所述预处理的设备为时效炉，温度控制在140-200℃之间，时间控制在4h，炉子需要预热到120℃-200℃之间，材料出炉需要采用空冷。
7.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg合金，其特征在于，步骤S7包括人工时效处理，时效温度先控制在90-110℃，保温4-8h；然后在145-170℃下保温10-18h。
8.权利要求1-7任一项所述的Al-Zn-Mg合金在制备保险杠型材中的应用。
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