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CN107201468B - 高强度高韧性铝合金棒材及其制备工艺 - Google Patents

高强度高韧性铝合金棒材及其制备工艺 Download PDF

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CN107201468B CN201710297141.8A CN201710297141A CN107201468B CN 107201468 B CN107201468 B CN 107201468B CN 201710297141 A CN201710297141 A CN 201710297141A CN 107201468 B CN107201468 B CN 107201468B
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Abstract

本发明提高提供一种高强度高韧性铝合金型材及其制备工艺，涉及金属材料冶炼技术领域，以铝合金型材的总量为基准，按重量百分比计，所述高强度高韧性铝合金棒材含有以下元素：Zn 3.15～5.21％，Mn 0.35～1.2％，Mg 0.56～1.28％，Sb 0.01～0.08％，Cu 0.08～0.15％，Zr 0.05～0.12％，V 0.06～0.16％，稀土元素0.003～0.012％，其余为Al和不可避免的杂质，本发明提供的高韧性铝合金型材通过铝与其它金属在体系中形成了铝化物弥散相，并产生协同作用，起到细化铸态晶粒，强化钉扎位错的作用，从而显著提高了铝合金型材的再结晶温度，降低了晶粒的再结晶，并克服了淬火敏感问题，改善了铝合金型材的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性。

Description

高强度高韧性铝合金棒材及其制备工艺
机技术领域
本发明涉及金属材料冶炼技术领域，具体涉及一种高强度高韧性铝合金棒材的制备工艺。
背景技术
我国已经是全球最大的铝挤压材生产、出口和消费大国。当前，我国铝挤压工业进入规模化和技术升级的新阶段，处于变革与转型的重要时期。现在铝合金行业已经朝着生产环保低能耗，合金性能优异的方向发展。
连续挤压是铝合金型材生产的一种重要工艺，连续挤压杆料无需进行预热处理，但对于坯料要求良好的韧性、塑形以及成形性能。采用连续挤压成形的铝合金主要有：1050、1060、1100、3003、6063、AA1050、AA6082、AA6063、AA3103、AA1200、AA3005和AA3004等1系、3系和6系铝合金。随着科技的发展，连续挤压技术不断的提高，通过对挤压工艺以及工模具的设计和优化，所能生产的产品截面日益复杂，各种型材层出不穷，然而，连续挤压始终针对的对象均是软铝合金。对于2xxx系、4xxx系、5xxx系以及7xxx系等硬铝合金，由于塑性变形抗力较大，成型性能较差，普遍被认为无法采用连续挤压技术加工成形。
现有技术中，想要获得高强度的合金材料，就要以牺牲韧性、耐蚀性以及成形性等为代价。然而随着现代工业与国防的发展，不仅对于铝合金的需求量越来越大，对于铝合金综合性能的要求也越来越高。特别是在航空航天以及汽车制造等领域，不仅对于降低结构件重量以降低能耗、节约资源的要求越来越高，而且对于主要结构件能够承受巨大冲击和振动亦即具备良好的韧性的要求也日益迫切，兼具高强度、高韧性以及优良的耐腐蚀性和成形性等优异综合性能的铝合金亟待出现。
上述提及的铝合金，或纯度较低，或韧性不高，或耐腐蚀性能较差，或成形性不佳，在综合性能方面均有所欠缺，人们所期待的综合性能优异的铝合金至今尚未出现。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种高强度高韧性铝合金棒材及其制备工艺，它具有高纯度、高强度、高韧性，在工业生产中具有广阔的应用前景。
一种高强度高韧性铝合金棒材，以铝合金型材的总量为基准，按重量百分比计，所述高强度高韧性铝合金棒材含有以下元素：Zn 3.15～5.21％，Mn 0.35～1.2％，Mg 0.56～1.28％，Sb 0.01～0.08％，Cu 0.08～0.15％，Zr 0.05～0.12％，V 0.06～0.16％，稀土元素0.003～0.012％，其余为Al和不可避免的杂质。
镁能不仅可以提高铝合金的抗腐蚀性，还能提高铝合金的强度；在铝中同时加入锌和镁，形成强化相Mg/Zn2，对合金产生明显的强化作用，明显增加铝合金的抗拉强度和屈服强度；锰能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显着细化再结晶晶粒，其中再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用，MnAl6的还能溶解杂质铁，形成(Fe、Mn)Al6，减小铁的有害影响；钒在铝合金中形成难熔化合物，在熔铸过程中起细化晶粒作用，钒也有细化再结晶组织、提高再结晶温度的作用；锑改善了热压与冷压工艺性能；锆和铝形成ZrAl3化合物，可阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒；钽可以显著提高铝合金的耐腐蚀性能。
影响铝合金性能的主要因素就是各物质的配比，为了提高铝合金的强度和耐腐蚀性，优选的，以铝合金型材的总量为基准，按重量百分比计，所述高强度高韧性铝合金棒材含有以下元素：Zn 3.45～4.81％，Mn 0.55～1.0％，Mg 0.66～1.18％，Sb 0.01～0.08％，Cu 0.08～0.15％，Zr 0.05～0.12％，V 0.06～0.16％，稀土元素0.003～0.012％，其余为Al和不可避免的杂质。
优选的，以铝合金型材的总量为基准，按重量百分比计，所述Zn、Mn、Mg的总量为4.2～7.2％。
根据本发明，稀土金属能与体系中的铝化物形成新的多元弥散相，这种新的多元弥散相能强烈钉扎位错和亚晶界，显著抑制基体的再结晶，保留了以小角度晶界为主的纤维状组织，从而改善了铝合金型材的腐蚀性能，所述稀土元素为本领域技术人员所常知的稀土金属，优选的，所述稀土元素为钪、钇、镧系元素中的至少一种。
优选的，所述高韧性耐蚀铝合金延伸率为8～15.3％，抗拉强度为682～850MPa。
一种高强度高韧性铝合金棒材的制备工艺，包括以下步骤：
(1)将纯铝锭加入中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为725～738℃，熔炼时间为20～30min，然后降温至650～680℃，保温15～30min，得到铝熔液，将铝熔液升温至880～900℃按比例加入锌锭、锰锭、镁锭、锑锭、铜锭、锆锭、钒锭和稀土金属，开启电路振动装置使合金液体充分混合，然后以5～10℃/min的速率冷却至650～670℃，在熔液中加入除渣剂，调节熔液成分；
(2)将步骤(1)的熔液在真空条件下铸造成型，得到铝锭，将铝锭在520～550℃下进行均匀化热处理，保温10～15h，空冷至430～450℃，将铝锭挤压成棒材，空冷至室温；
(3)对棒材进行固溶处理，然后进行连续挤压处理；
(4)将步骤(3)的铝合金棒材铸锭升温至520～530℃下保温1～2h，然后油冷至230～240℃，再空冷至室温，得到高强度高韧性铝合金棒材。
优选的，在步骤(1)中，所述除渣剂包括以下重量份的物质：NaCl 25～32份、Na3AlF6 25～32份、Na2SiF6 15～20份和Na2CO3 15～25份。
优选的，在步骤(3)中，所述挤压处理的挤压比为0.8～1。
优选的，在步骤(3)中，所述固溶工艺为在530～550℃保温60～90min，水冷至室温。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)铝通过与其它金属在体系中形成了铝化物弥散相，并产生协同作用，起到细化铸态晶粒，强化钉扎位错的作用，从而显著提高了铝合金型材的再结晶温度，降低了晶粒的再结晶，并克服了淬火敏感问题，改善了铝合金型材的强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性。
(2)在生产过程中，降低了铝合金铸锭的加热温度以及挤压速度，能够降低铝合金的动态回复程度，进而避免粗大晶粒以及深度粗晶环的形成，从而提高铝合金的强度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种高强度高韧性铝合金棒材，包括以下元素：Zn 3.65％，Mn 0.58％，Mg0.86％，Sb 0.03％，Cu 0.09％，Zr 0.06％，V 0.07％，钪系元素0.005％，其余为Al和不可避免的杂质，所述Zn、Mn、Mg的总量为5.09％。
所述的高强度高韧性铝合金棒材的生产工艺包括以下步骤：
(1)将纯铝锭加入中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为730℃，熔炼时间为20min，然后降温至660℃，保温20min，得到铝熔液，将铝熔液升温至890℃按比例加入锌锭、锰锭、镁锭、锑锭、铜锭、锆锭、钒锭和稀土金属，开启电路振动装置使合金液体充分混合，然后以6℃/min的速率冷却至660℃，在熔液中加入除渣剂，调节熔液成分，所述除渣剂包括以下重量份的物质：NaCl 26份、Na3AlF6 27份、Na2SiF6 15份和Na2CO3 20份；
(2)将步骤(1)的熔液在真空条件下铸造成型，得到铝锭，将铝锭在530℃下进行均匀化热处理，保温10h，空冷至440℃，将铝锭挤压成棒材，空冷至室温；
(3)对棒材进行固溶处理，所述固溶工艺为在540℃保温70min，水冷至室温，然后进行连续挤压处理，所述挤压处理的挤压比为0.8；
(4)将步骤(3)的铝合金棒材铸锭升温至520℃下保温1h，然后油冷至230℃，再空冷至室温，得到高强度高韧性铝合金棒材。
实施例2
一种高强度高韧性铝合金棒材，包括以下元素：Zn 3.92％，Mn 0.75％，Mg0.82％，Sb 0.05％，Cu 0.11％，Zr 0.08％，V 0.08％，钪系元素0.006％，其余为Al和不可避免的杂质，所述Zn、Mn、Mg的总量为5.49％。
所述的高强度高韧性铝合金棒材的生产工艺包括以下步骤：
(1)将纯铝锭加入中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为731℃，熔炼时间为20min，然后降温至660℃，保温20min，得到铝熔液，将铝熔液升温至890℃按比例加入锌锭、锰锭、镁锭、锑锭、铜锭、锆锭、钒锭和稀土金属，开启电路振动装置使合金液体充分混合，然后以6℃/min的速率冷却至660℃，在熔液中加入除渣剂，调节熔液成分，所述除渣剂包括以下重量份的物质：NaCl 27份、Na3AlF6 28份、Na2SiF6 18份和Na2CO3 19份；
(2)将步骤(1)的熔液在真空条件下铸造成型，得到铝锭，将铝锭在540℃下进行均匀化热处理，保温10h，空冷至440℃，将铝锭挤压成棒材，空冷至室温；
(3)对棒材进行固溶处理，所述固溶工艺为在540℃保温70min，水冷至室温，然后进行连续挤压处理，所述挤压处理的挤压比为0.9；
(4)将步骤(3)的铝合金棒材铸锭升温至520℃下保温1h，然后油冷至230℃，再空冷至室温，得到高强度高韧性铝合金棒材。
实施例3
一种高强度高韧性铝合金棒材，包括以下元素：Zn 4.22％，Mn 0.90％，Mg1.03％，Sb 0.02％，Cu 0.11％，Zr 0.08％，V 0.12％，钪系元素0.009％，其余为Al和不可避免的杂质，所述Zn、Mn、Mg的总量为6.15％。
所述的高强度高韧性铝合金棒材的制备工艺包括以下步骤：
(1)将纯铝锭加入中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为733℃，熔炼时间为30min，然后降温至670℃，保温20min，得到铝熔液，将铝熔液升温至890℃按比例加入锌锭、锰锭、镁锭、锑锭、铜锭、锆锭、钒锭和稀土金属，开启电路振动装置使合金液体充分混合，然后以7℃/min的速率冷却至660℃，在熔液中加入除渣剂，调节熔液成分，所述除渣剂包括以下重量份的物质：NaCl 30份、Na3AlF6 30份、Na2SiF6 16份和Na2CO3 16份；
(2)将步骤(1)的熔液在真空条件下铸造成型，得到铝锭，将铝锭在540℃下进行均匀化热处理，保温12h，空冷至440℃，将铝锭挤压成棒材，空冷至室温；
(3)对棒材进行固溶处理，所述固溶工艺为在540℃保温70min，水冷至室温，然后进行连续挤压处理，所述挤压处理的挤压比为1；
(4)将步骤(3)的铝合金棒材铸锭升温至520℃下保温2h，然后油冷至235℃，再空冷至室温，得到高强度高韧性铝合金棒材。
实施例4
一种高强度高韧性铝合金棒材，包括以下元素：Zn 3.15％，Mn 0.35％，Mg0.56％，Sb 0.01％，Cu 0.08％，Zr 0.05％，V 0.06％，钪系元素0.003％，其余为Al和不可避免的杂质，所述Zn、Mn、Mg的总量为4.06％。
所述的高强度高韧性铝合金棒材的制备工艺包括以下步骤：
(1)将纯铝锭加入中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为727℃，熔炼时间为20min，然后降温至680℃，保温15min，得到铝熔液，将铝熔液升温至880～900℃按比例加入锌锭、锰锭、镁锭、锑锭、铜锭、锆锭、钒锭和稀土金属，开启电路振动装置使合金液体充分混合，然后以5℃/min的速率冷却至670℃，在熔液中加入除渣剂，调节熔液成分，所述除渣剂包括以下重量份的物质：NaCl25份、Na3AlF6 25份、Na2SiF6 15份和Na2CO3 25份；
(2)将步骤(1)的熔液在真空条件下铸造成型，得到铝锭，将铝锭在520℃下进行均匀化热处理，保温10h，空冷至430℃，将铝锭挤压成棒材，空冷至室温；
(3)对棒材进行固溶处理，所述固溶工艺为在530℃保温60min，水冷至室温，然后进行连续挤压处理，所述挤压处理的挤压比为0.8；
(4)将步骤(3)的铝合金棒材铸锭升温至520℃下保温2h，然后油冷至230℃，再空冷至室温，得到高强度高韧性铝合金棒材。
实施例5
一种高强度高韧性铝合金棒材，包括以下元素：Zn 5.21％，Mn 1.2％，Mg1.28％，Sb 0.08％，Cu 0.15％，Zr 0.12％，V 0.16％，钇系元素0.012％，其余为Al和不可避免的杂质，所述Zn、Mn、Mg的总量为7.69％。
所述的高强度高韧性铝合金棒材的生产工艺包括以下步骤：
(1)将纯铝锭加入中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为738℃，熔炼时间为30min，然后降温至680℃，保温30min，得到铝熔液，将铝熔液升温至900℃按比例加入锌锭、锰锭、镁锭、锑锭、铜锭、锆锭、钒锭和稀土金属，开启电路振动装置使合金液体充分混合，然后以10℃/min的速率冷却至670℃，在熔液中加入除渣剂，调节熔液成分，所述除渣剂包括以下重量份的物质：NaCl 32份、Na3AlF6 32份、Na2SiF6 20份和Na2CO3 25份；
(2)将步骤(1)的熔液在真空条件下铸造成型，得到铝锭，将铝锭在550℃下进行均匀化热处理，保温15h，空冷至450℃，将铝锭挤压成棒材，空冷至室温；
(3)对棒材进行固溶处理，所述固溶工艺为在550℃保温90min，水冷至室温，然后进行连续挤压处理，所述挤压处理的挤压比为1；
(4)将步骤(3)的铝合金棒材铸锭升温至530℃下保温2h，然后油冷至240℃，再空冷至室温，得到高强度高韧性铝合金棒材。
对比例1
一种高强度高韧性铝合金棒材，包括以下元素：Zn 2.12％，Mn 0.11％，Mg0.24％，Sb 0.05％，Cu 0.08％，Zr 0.05％，V 0.06％，镧系元素0.007％，其余为Al和不可避免的杂质，所述Zn、Mn、Mg的总量为2.47％。
所述的高强度高韧性铝合金棒材的生产工艺包括以下步骤：
(1)将纯铝锭加入中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为730℃，熔炼时间为20min，然后降温至660℃，保温20min，得到铝熔液，将铝熔液升温至890℃按比例加入锌锭、锰锭、镁锭、锑锭、铜锭、锆锭、钒锭和稀土金属，开启电路振动装置使合金液体充分混合，然后以6℃/min的速率冷却至660℃，在熔液中加入除渣剂，调节熔液成分，所述除渣剂包括以下重量份的物质：NaCl 26份、Na3AlF6 27份、Na2SiF6 15份和Na2CO3 20份；
(2)将步骤(1)的熔液在真空条件下铸造成型，得到铝锭，将铝锭在530℃下进行均匀化热处理，保温10h，空冷至440℃，将铝锭挤压成棒材，空冷至室温；
(3)对棒材进行固溶处理，所述固溶工艺为在540℃保温70min，水冷至室温，然后进行连续挤压处理，所述挤压处理的挤压比为0.8；
(4)将步骤(3)的铝合金棒材铸锭升温至520℃下保温1h，然后油冷至230℃，再空冷至室温，得到高强度高韧性铝合金棒材。
对比例2
一种高强度高韧性铝合金棒材，包括以下元素：Zn 6.21％，Mn 1.6％，Mg0.26％，Sb 0.05％，Cu 0.11％，Zr 0.08％，V 0.08％，钪系元素0.006％，其余为Al和不可避免的杂质，所述Zn、Mn、Mg的总量为8.07％。
所述的高强度高韧性铝合金棒材的制备工艺包括以下步骤：
(1)将纯铝锭加入中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为731℃，熔炼时间为20min，然后降温至660℃，保温20min，得到铝熔液，将铝熔液升温至890℃按比例加入锌锭、锰锭、镁锭、锑锭、铜锭、锆锭、钒锭和稀土金属，开启电路振动装置使合金液体充分混合，然后以6℃/min的速率冷却至660℃，在熔液中加入除渣剂，调节熔液成分，所述除渣剂包括以下重量份的物质：NaCl 27份、Na3AlF6 28份、Na2SiF6 18份和Na2CO3 19份；
(2)将步骤(1)的熔液在真空条件下铸造成型，得到铝锭，将铝锭在540℃下进行均匀化热处理，保温10h，空冷至440℃，将铝锭挤压成棒材，空冷至室温；
(3)对棒材进行固溶处理，所述固溶工艺为在540℃保温70min，水冷至室温，然后进行连续挤压处理，所述挤压处理的挤压比为0.9；
(4)将步骤(3)的铝合金棒材铸锭升温至520℃下保温1h，然后油冷至230℃，再空冷至室温，得到高强度高韧性铝合金棒材。
表1实施例1-5、对比例1-2的铝合金棒材的相关性能
实施例 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/％
实施例1 412.3 765.5 14.9
实施例2 411.1 759.5 14.3
实施例3 409.2 756.1 14.5
实施例4 402.1 692.2 11.9
实施例5 401.9 692.9 11.7
对比例1 204.5 189.2 5.6
对比例2 206.5 196.2 6.5
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高强度高韧性铝合金棒材，其特征在于，以铝合金型材的总量为基准，按重量百分比计，所述高强度高韧性铝合金棒材由以下元素组成：Zn 3.45～4.81％，Mn 0.55～1.0％，Mg 0.66～1.18％，Sb 0.01～0.08％，Cu 0.08～0.15％，Zr 0.05～0.12％，V 0.06～0.16％，稀土元素0.003～0.012％，其余为Al和不可避免的杂质，所述Zn、Mn、Mg的总量为4.2～7.2％，所述稀土元素为钪、钇、镧系元素中的至少一种，所述高韧性耐蚀铝合金延伸率为8～15.3％，抗拉强度为682～850MPa。
2.一种根据权利要求1所述的高强度高韧性铝合金棒材的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纯铝锭加入中频感应炉中进行熔炼，熔炼温度为725～738℃，熔炼时间为20～30min，然后降温至650～680℃，保温15～30min，得到铝熔液，将铝熔液升温至880～900℃按比例加入锌锭、锰锭、镁锭、锑锭、铜锭、锆锭、钒锭和稀土金属，开启电路振动装置使合金液体充分混合，然后以5～10℃/min的速率冷却至650～670℃，在熔液中加入除渣剂，调节熔液成分；
(2)将步骤(1)的熔液在真空条件下铸造成型，得到铝锭，将铝锭在520～550℃下进行均匀化热处理，保温10～15h，空冷至430～450℃，将铝锭挤压成棒材，空冷至室温；
(3)对棒材进行固溶处理，然后进行连续挤压处理；
(4)将步骤(3)的铝合金棒材铸锭升温至520～530℃下保温1～2h，然后油冷至230～240℃，再空冷至室温，得到高强度高韧性铝合金棒材。
3.根据权利要求2所述的高强度高韧性铝合金棒材的制备工艺，其中，在步骤(1)中，所述除渣剂包括以下重量份的物质：NaCl 25～32份、Na3AlF6 25～32份、Na2SiF6 15～20份和Na2CO3 15～25份。
4.根据权利要求2所述的高强度高韧性铝合金棒材的制备工艺，其中，在步骤(3)中，所述挤压处理的挤压比为0.8～1。
5.根据权利要求2所述的高强度高韧性铝合金棒材的制备工艺，其中，在步骤(3)中，所述固溶工艺为在530～550℃保温60～90min，水冷至室温。
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