一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金及生产工艺和型材加工方法
【专利摘要】本发明所述一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金及生产工艺和型材加工方法，其各种元素重量百分数为：Ce：0.15-0.22%，Mg：0.9-1.4%，Zn：2.5-3.0%，Cu：0.35-0.8%，Si：0.8-1.2%，Mn：0.15-0.30%，Zr：0.13-0.20%，Ti：0.08-0.12%，其中Ti+Zr≥0.25%，Fe≤0.5%，其余为Al，通过引入Ce稀土元素作用，使合金从铸造结晶组织优化，且与Cu生成CeCu的化合物使合金结晶过程过冷细化，以及晶界的强化作用，阻止了Cu在固溶体中使铝的焊接裂纹敏感性增大。由于含有Si、Cu元素及多种强化相优化组合，使合金达到400MPa以上的抗拉强度，由于采用低Cu、Mn含量，且不含Cr，使合金淬火敏感性低，从而保证挤压淬火后型材尺寸公差变形小。
【专利说明】一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金及生产工艺和型材加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铝合金材料【技术领域】，具体的说，涉及一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金及生产工艺和型材加工方法。
【背景技术】
[0002]目前，国内外用于结构元件，如卡车、挂车、货箱、矿车、骨架、横杆、角柱、侧柱及加强条的铝合金型材均要求具有高强度和较高的断裂韧性，并且可焊接。大多是7系列，Al-Mg-Zn合金和Al-Mg-Zn-Cu合金，以及6系列中的6066合金等为主要铝合金材料，前者代表为7005合金，它具有淬火敏感性低，变形抗力适中，在挤压系数范围内，易挤压，生产效率高等特点，但是由于MgZn2和Al2Mg3Zn3作为强化相的局限性，它的T6状态的抗拉强度^ 370MPa，延伸率S ^ 10%，无法作为达到汽车用含锰钢大梁抗拉强度兰450MPa的要求，Al-Mg-Zn-Cu合金的代表为7075合金，它是以MgZn2, Al2Mg3Zn3, Al2CuMg作为强化相，其抗拉强度3 568MPa，延伸率5 ^ 14%，虽然合金具有高强度、高延伸率和耐高温，但它的焊接裂纹敏感性大，焊缝的力学性能和抗拉应力腐蚀开裂性能差，所以它多以铆接方式广泛应用于航空工业和飞机结构件上。而且7075合金，对淬火要求特别高，其在经过固溶热处理后的淬火转移时间必须< 15秒，否则会导致饱和固溶体分解，所以必须用专门的淬火炉进行处理，导致生产效率 极低，使用范围受限制。而6066合金，由于其CiuMn含量接近1%，导致它淬火敏感性高，耐腐蚀和焊接性能差，不容易推广生产使用。
[0003]由于以上原因，现在国内外业内人士都在广泛探索一种具有抗拉强度会400MPa以上的抗蚀，可焊接，耐挤压的铝合金材料，以取代钢铁作为汽车大梁等多方面的结构件，从而达到节能、减排的效果，这是由于汽车每降低10%的重量，就能减少6%的燃油消耗。
[0004]而现有国内外已注册且易挤压成型的可焊接、抗拉强度接近400MPa的合金只有两类，一类:6系列的Al-Mg-Si合金中，以6066为代表,其成份为(重量百分数)S1:09-1.8 ；Mg:08-1.4，Cu:0.7-1.2 ；Mn:0.6-1.1，其T6状态，室温下的抗拉强度兰395MPa，断裂韧性8兰12%，由于它含Cu量高，合金的焊接和耐腐蚀性能差。为了改善性能，合金中还加入了大量的Mn元素作为晶粒细化和组织结构改善剂，但Mn的加入，极大的提高了合金的淬火敏感性，快速淬火冷却使得合金只能挤压截面简单、对称的型材，当挤压非对称形状的型材时，快速淬火使型材急速冷却变形，尺寸公差难以保证在所要求的范围内，造成生产效率不高，生产成本高，推广使用困难。
[0005]而第二类:A1-Mg-Zn合金，代表7005合金，其成份为(重量百分数)Si 0.35 ；Mg:1-1.5 ；Zn:4.0-5.0 ；Cr:0.06-0.2 ；T1:0.01-0.06 ；Zr:0.08-0.20，此合金易挤压成型，淬火敏感性也不高，但T6状态的抗拉强度3 370MPa，断裂韧性5 3 10%，达不到400Mpa以上的强度。
[0006]综上分析，本技术是要找出一种优化的铝合金组件。综合6066和7005，以及7075合金的特点，达到超高强度，即抗拉强度3 400MPa，又有良好的断裂韧性和抗腐蚀能力，以及焊接性能良好，最重要的是使合金能高效生产，推广使用，即降低淬火敏感性使合金的淬火冷却速率要求低于6066合金，从而保证非对称型材的几何尺寸精度。
【发明内容】
[0007]本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金及生产工艺和型材加工方法，既有抗拉强度3 400Pa的机械性能，断裂韧性8 >10%,耐腐蚀，可焊接的特点，同时又具有挤压型材过程中，变形抗力小，淬火敏感性低，可实现水雾和风冷方式的淬火方式，可高效挤压生产。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0009]一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金，各种元素的重量分数为:Ce:
0.15-0.22%, Mg:0.9-1.4%, Zn:2.5-3.0%, Cu:0.35-0.8%, S1:0.8-1.2%, Mn:0.15-0.30%,Zr:0.13-0.20%, T1:0.08-0.12%，其中 Ti+Zr ≥ 0.25%, Fe ( 0.5%，其余为 Al。
[0010]进一步，所述各种元素的重量百分数为Ce:0.2%，Mg:1%，Zn:2.8%，Cu:0.7%，Si:
1.0%, Mn:0.28%, Zr:0.17%, T1:0.1%，其余为 Al。
[0011]一种超超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的生产工艺，包括如下步骤:
[0012](I)准备原料:按照各种元素的重量百分数为:Ce:0.15-0.22%，Mg:0.9-1.4%,Zn:
2.5-3.0%, Cu:0.35-0.8%, S1:0.8-1.2%, Mn:0.15-0.30%, Zr:0.13-0.20%, T1:0.08-0.12%,其中Ti+Zr ^ 0.25%,Fe ( 0.5%，其余为Al，分别称取铝硅中间合金、工业一级铝锭、工业一级铜锭、工业一级镁锭、工业一级锌锭、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝锰中间合金、铝铈中间合金和铝钛硼丝作为原料；
[0013](2)溶炼:将称好的招徒、铜徒、锋徒、招错中间合金、招钦中间合金、招娃中间合金、铝锰中间合金和铝铈中间合金等一起投入熔炼炉内，当炉内完全熔化后，加入锌锭、镁锭，当锌锭和镁锭熔化后，然后以压力瓶中的氮气为动力向炉内喷入精炼剂，经第一次精炼除渣后，取样进行成分分析，调整达到要求后，静置且调整炉内液体温度；
[0014](3)铸造:将步骤(2)中得到的熔炼液通过流糟放入铸造盘中，将铝钛硼丝熔入熔炼液中，在铝合金液中形成TiAl3和TiB2初晶组织的异质结晶种进行炉外晶粒细化，铸造成晶粒细化的铝合金铸棒。
[0015]进一步，在步骤(2)中，喷入精炼剂的量为0.2kg/吨铝。
[0016]进一步，在步骤(3)中，铝钛硼丝为Ti5B1，且用量为15kg/吨铝。
[0017]进一步，在步骤(3)中，铸造设备为立式圆铸棒铸造机，铸造温度为720°C，铸棒直径为250毫米，铸造速度为100毫米每分钟，冷却水温<60°C。
[0018]一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的型材加工方法，对所得到的铝合金铸棒进行540°C退火处理，保温5小时强制风冷，挤压工艺:将该铝合金加热到490-520°C，模具温度为450°C，挤压机盛锭筒温度为410°C，挤压速度为20米/分，以水雾喷淋加强制风冷。
[0019]进一步，按照0.3-0.5%的拉伸量校正，锯切后进入人工时效，人工时效工艺为110°c保温8小时，180°C保温8小时二级时效。
[0020]进一步，利用30MN的挤压机，挤压制品的厚度为10臟，宽度为300臟，高80mm的槽形材。[0021 ] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0022]1、本合金吸取了 6066、7005和7075合金的组合，使合金中具有多种强化相，使合金具有了 400Mpa以上的超高强度。
[0023]2、由于Ce稀土的作用，克服了含Cu高的铝合金耐腐蚀性能和焊接性能差的缺陷。
[0024]3、由于本合金低Cu，低Mn，无Cr元素，克服了由于型材淬火敏感性高而必须用水浸方式而变形、无法达到尺寸精度的缺陷，本合金可提高生产型材截面的多样化而具有更多的使用空间。
[0025]4、降低Cu含量，使挤压变形抗力下降，高速挤压生产成为可能，便于推广使用。【具体实施方式】
[0026]以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]本发明所述的一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金，各种元素的重量百分数为:Ce:0.2%, Mg:1%, Zn:2.8%, Cu:0.7%, S1:1.1%，Mn:0.28%, Zr:0.17%, T1:0.1%，Fe ^ 0.5%，其余为 Al。
[0028]本组合相比7005合金，也是采用MgZn2和Al2Mg3Zn3作为强化相，Zn含量为2.8%，有过剩的Mg与Si形成SiMg2强化相，还有部分过剩Si作强化相，同时相比7075合金加入
0.7%的Cu与Al形成Al2CuMg等化合物作强化相。
[0029]本发明的技术 要点是加入了稀土元素Ce，本发明具有以下优点:
[0030]1、可以降低合金结晶时的表面张力，从而降低了形成临界尺寸所需的力，增加结晶核心，晶粒细化的效果是改善组织结构，提高合金的强度，Ce与Al生成弥散的Al3Ce,与Cu生成CeCu等稀土元素化合物，它们大都聚集在晶界与晶界之间，起着强化晶界的作用，而且还能抑制杂质化合物在晶界的有害行为，从而提高强度，本发明选用含Ce混合稀土，它是与镧的混合稀土，Ce ^ 60%，镧兰30%。
[0031]2、Ce是高熔点元素，凝固过程聚集在固液前沿的液相，使铝合金各成分结晶过程出现过冷细化致密，使挤压的合金型材在固溶淬火，时效热处理后，表现在良好的机械性倉泛。
[0032]3、稀土元素在熔炼过程中而氧化，这种稀土元素的氧化物可以取代Mn元素，提升合金再结晶温度，降低了合金淬火敏感性，防止合金因淬火不够快而可能产生的再结晶。
[0033]4、本合金中加入Cu元素，产生CuAl2化合物，对合金有着明显的提高时效热处理后的强化效果，但它对合金的耐腐蚀性和焊接性能有着负面效果，所以本发明将Cu含量控制在0.8%以下。
[0034]5,Zn的加入与合金中的Mg形成MgZn2和Al2Mg3Zn3强化相，它们的含量从Zn的含量0.5%开始明显上升，考虑挤压生产过程的变形抗力也会上升，为了提高挤压系数，则将Zn含量控制在3%以下。
[0035]6、为了降低淬火敏感性，防止水浸冷却造成型材几何尺寸变形，本合金组成采用了较低的Mn元素，其与稀土元素Ce —起阻止合金再结晶过程。
[0036]7、稀土 Ce的加入，除了可以细化晶粒外，还减少了二次晶间距，减少了合金中的气泡和夹杂，提高材料的质量，使得此合金材料使用领域变得更广阔。[0037]用Ce混合稀土取代7005合金中的Cr、Mn作为晶间组织细化剂，Ti和Zr作为晶粒组织的改良剂，而降低淬火敏感性，又比7005合金有更高的强度，同时Ce混合稀土的作用，改善和克服了因Cu元素的加入，增加了强度，但焊接性能和耐腐蚀性能差的缺陷，本发明虽然达不到7075合金那样超高强度，但可以达到400MPa以上的抗拉强度，同时也克服了7075合金型材挤压过程中的难度，不需专用淬火炉，多次多级人工时效，可以高效率的普及推广应用。
[0038]一种超超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的生产工艺，包括如下步骤:
[0039](I)准备原料:按照各种元素的重量百分数为:Ce:0.2%，Mg:1%，Zn:2.8%，Cu:
0.7%, S1:1.1%，Mn:0.28%, Zr:0.17%, T1:0.1%，Fe ( 0.5%，其余为 Al，分别称取铝硅中间合金、工业一级招锭、工业一级铜锭、工业一级镁锭、工业一级锌锭、招错中间合金、招钛中间合金、铝锰中间合金、铝铈中间合金和铝钛硼丝作为原料；
[0040](2)熔炼:将称好的铝锭、铜锭、锌锭、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝硅中间合金、铝锰中间合金和铝铈中间合金等一起投入熔炼炉内，当炉内完全熔化后，加入锌锭、镁锭，当锌锭和镁锭熔化后，然后以压力瓶中的氮气为动力向炉内喷入精炼剂，经第一次精炼除渣后，取样进行成分分析，调整达到要求后，静置且调整炉内液体温度，喷入精炼剂的量为0.2kg/吨招。
[0041]精炼的目的是除铝液中的夹杂物和气体，起到净化铝液的作用，另一目的是改变性能，优化和细化共晶硅的形态与分布，精炼温度为710-740°C，氮气压力为1.2-18Kg/cm2,精炼时间为25分钟。
[0042](3)铸造:将步骤(2)中得到的熔炼液通过流糟放入铸造盘中，将铝钛硼丝熔入熔炼液中，在铝合金液中形成TiAl3和TiB2初晶组织的异质结晶种进行炉外晶粒细化，铸造成晶粒细化的铝合金铸棒。铝钛硼丝为Ti5B1，且用量为15kg/吨铝。铸造设备为立式圆铸棒铸造机，铸造温度为720°C，铸棒直径为250毫米，铸造速度为100毫米每分钟，冷却水温〈60。。。
[0043]一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的型材加工方法，对在所得到的铝合金铸棒进行540°C退火处理，保温5小时，强制风冷，挤压工艺:将铝合金铸棒加热到490-5200C，模具温度为450°C，挤压机盛锭筒温度为410°C，挤压速度为20米/分，以水雾喷淋加强制风冷。
[0044]按照0.3-0.5%的拉伸量校正，锯切后进入人工时效，人工时效工艺为110°C保温8小时，180°C保温8小时二级时效。
[0045]利用3(MN的挤压机,挤压制品的厚度为IOmm,宽度为300mm,高80mm的槽形材。将此型材经长春科新生产的WDW3100型100MN万能拉力试验机检测，抗拉强度为415MPa，延伸率为10%。本合金挤压的铝制品经盐雾CASS试验达到9级。
[0046]最后应说明的是:以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种具有400MPa以上的超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金，其特征在于，各种元素的重量百分数为:Ce:0.15-0.22%, Mg:0.9-1.4%, Zn:2.5-3.0%, Cu:0.35-0.8%,Si:0.8-1.2%, Mn:0.15-0.30%, Zr:0.13-0.20%, T1:0.08-0.12%,其中 Ti+Zr ≥ 0.25%,Fe ^ 0.5%，其余为 Al。
2.根据权利要求1所述一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金，其特征在于，所述各种元素的重量百分数为 Ce:0.2%，Mg:1%，Zn:2.8%，Cu:0.7%，S1:1.1%，Mn:0.28%，Zr:0.17%, T1:0.1%，其余为 Al。
3.一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤: (1)准备原料:按照各种元素的重量百分数为:Ce:0.15-0.22%，Mg:0.9-1.4%, Zn:2.5-3.0%, Cu:0.35-0.8%, S1:0.8-1.2%, Mn:0.15-0.30%, Zr:0.13-0.20%, T1:0.08-0.12%,其中Ti+Zr ^ 0.25%,Fe ( 0.5%，其余为Al，分别称取铝硅中间合金、工业一级铝锭、工业一级铜锭、工业一级镁锭、工业一级锌锭、铝锆中间合金、铝钛中间合金、铝锰中间合金、铝铈中间合金和铝钛硼丝作为原料； (2)溶炼:将称好的招徒、铜徒、锋徒、招错中间合金、招钦中间合金、招娃中间合金、招锰中间合金和铝铈中间合金等一起投入熔炼炉内，当炉内完全熔化后，加入锌锭、镁锭，当锌锭和镁锭熔化后，然后以压力瓶中的氮气为动力向炉内喷入精炼剂，经第一次精炼除渣后，取样进行成分分析，调整达到要求后，静置且调整炉内液体温度； (3)铸造:将步骤(2)中得到的熔炼液通过流糟放入铸造盘中，将铝钛硼丝熔入熔炼液中，在铝合金液中形成TiAl3和TiB2初晶组织的异质结晶种进行炉外晶粒细化，铸造成晶粒细化的铝合金铸棒。
4.根据权利要求3所述一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的生产工艺，其特征在于，在步骤(2)中，喷入精炼剂的量为0.2kg/吨铝。
5.根据权利要求3所述一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的生产工艺，其特征在于，在步骤(3)中，铝钛硼丝为Ti5B1，且用量为15kg/吨铝。
6.根据权利要求3所述一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的生产工艺，其特征在于，在步骤(3)中，铸造设备为立式圆铸棒铸造机，铸造温度为720°C，铸棒直径为250毫米，铸造速度为100毫米每分钟，冷却水温<60°C。
7.根据权利要求1至3任一项所述一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的型材加工方法，其特征在于，均质退火温度540°C，保温5小时，强制风冷，挤压工艺:将该铝合金加热到490-520°C，模具温度为450°C，挤压机盛锭筒温度为410°C，挤压速度为20米/分，以水雾喷淋加强制风冷淬火。
8.根据权利要求7所述一种超高强度、淬火敏感性低、可焊接的铝合金的型材加工方法，其特征在于，按照0.3-0.5%的拉伸量校正，锯切后进入人工时效，人工时效工艺为110°C保温8小时，180°C保温8小时二级时效。
【文档编号】C22F1/053GK103667824SQ201310645740
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】周国斌 申请人:广东永利坚铝业有限公司