一种低Zr低变形抗力高强度的AlZnMgCu合金的制作方法

一种低zr低变形抗力高强度的alznmgcu合金
技术领域
1.本发明涉及7系铝合金，尤其涉及一种低zr低变形抗力高强度的alznmgcu合金，涵括合金成分、热处理生产工艺、挤压工艺。


背景技术：

2.铝合金，因其具备重量轻（钢铁的1/3）、不生锈不易腐蚀、易回收使用的特点，同时可以通过加工硬化或者热处理提高强度，从而实现高的强度-重量比。铝合金加工性能好，适合于铸造、挤压、冲压、锻造和机械加工等不同的生产工艺；铝合金也可以添加不同合金元素及通过热处理工艺，获得不同程度的强化；铝合金表面易于形成致密的氧化膜而耐蚀性能良好；铝合金还具有良好的导电性和导热性，且无磁性等特点；另外，铝合金具有非常优秀的可回收再生性。所以铝合金材料在船舶与交通轻量化的制造应用中开始逐步壮大发展。
3.对于铝合金的应用而言，很多时候都希望通过材料强度的提升来促进使用产品的轻量化，如应用在汽车、轨道交通、航空航天等方面。但是如果需要提升材料强度，往往是需要提高材料的合金化程度，从而提升其固溶程度或时效析出相密度来提升材料强度。但是随着合金化程度的提高，材料在挤压过程中固溶的元素含量增加，会导致材料的变形抗力增大，反而难以生产壁薄的型材，导致出现强度高的材料难以轻量化的情况，不利于轻量化的发展。
4.特别是针对7系铝合金，因为其zn、mg元素固溶含量高，时效后析出相数量多密度高，所以时效后材料强度很高。但是，同样因为固溶元素多，造成挤压过程的变形抗力很大，对强度高的7系合金要挤压复杂截面形状的型材难度极大，无法满足部分工业用材的需求。而且材料析出相密度太大，易在晶界形成连续腐蚀通道，造成耐腐蚀性的快速下降。
5.因此通过成份及热处理工艺开发优化，开发强度高但是又能降低挤压变形抗力7系的铝合金十分重要。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种挤压变形抗力小、成品强度高、适合复杂薄壁型材生产用的alznmgcu铝合金。
7.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
8.一种低zr低变形抗力高强度的alznmgcu铝合金，其特征在于，按照如下重量百分比配置：si 0.5%~0.8%，mg 1.8%～2.0%，fe ≤0.17%，cu 0.1%~0.2%，mn 0.10%~0.20%，cr ≤0.05%，zn 6.5%~7.0%，ti ≤0.05%，zr 0.05%~0.10%；单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为al。
9.更为优选的是，在熔炼铸造铝合金铸锭时，使用电磁搅拌设备搅拌均匀后过滤杂质静置除气。
10.更为优选的是，静置时间在10-20分钟范围内。
11.更为优选的是，在将铝合金铸锭挤压成型材前，先将铝合金铸锭置于均质炉内进行双级均质：一级均质温度450℃-500℃，保温时间10-20小时；二级均质温度540℃-560℃，保温时间2-6小时。
12.更为优选的是，在均质后转移至冷却室进行冷却，冷却速度在50~150℃/小时的范围内。
13.更为优选的是，在将均质好后的铝棒进行挤压生产时，使用工频炉或永磁炉进行快速加热，铝棒加热速度大于50℃/分钟；铝棒温度控制在500℃以内，型材出料口温度高于530℃。
14.更为优选的是，挤压得到的铝合金型材进行三级时效处理，首先使用110℃~120℃保温15~25h的工艺进行一级时效；一级时效完成后使用5~20℃/min的速度将型材快速升温至190
±
5℃保温40~60min进行二级回归时效；二级时效完成后将型材通过5~20℃/min的速度降温至110℃~120℃并保温15~25h进行三级时效。
15.本发明的有益效果是：1）在传统的zn、mg、cu强化7系铝合金中添加一定的si元素，si元素在均质冷却过程中可以形成需要较高温度回溶的mg2si，从而必须在模具内通过最终变形阶段达到固溶温度而降低铝棒在挤压机盛锭筒内和模具前部的变形抗力，从而达到减小局部温升、提升挤压速度的目的。同时，因为部分未完全溶解mg2si相的存在，可以切断晶界连续腐蚀通道，减小晶界腐蚀速度，提升材料耐腐蚀性能。
16.2）通过使用回归处理的时效方式，利用mg、si形成一定的β”强化相，更进一步地提升材料性能。而且，通过对si含量的严格控制，既避免固溶的mgsi元素过多，无法在挤压过程固溶完全；又避免mgsi元素快速回溶，确保材料变形抗力的有效降低。
附图说明
17.图1所示为对比型号1的型材断面图。
18.图2所示为对比型号2的型材断面图。
19.图3所示为对比型号3的型材断面图。
具体实施方式
20.下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
21.本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
22.一种低zr低变形抗力高强度的alznmgcu铝合金，其按照如下重量百分比配置：si 0.5%~0.8%，mg 1.8%～2.0%，fe ≤0.17%，cu 0.1%~0.2%，mn 0.10%~0.20%，cr ≤0.05%，zn 6.5%~7.0%，ti ≤0.05%，zr 0.05%~0.10%；单个杂质≤0.05%，杂质合计≤0.15%，余量为al。
23.上述alznmgcu铝合金的主要创新点在于，在传统的zn、mg、cu强化7系铝合金中添加一定的si元素，并且，此时si元素在均质冷却过程中形成需要较高温度回溶的mg2si，从而必须在模具内通过最终变形阶段达到固溶温度而降低铝棒在挤压机盛锭筒内和模具前部的变形抗力，从而达到减小局部温升、提升挤压速度的效果。同时，因为部分未完全溶解
mg2si相的存在，可以切断晶界连续腐蚀通道，减小晶界腐蚀速度，提升材料耐腐蚀性能。另外，通过使用回归处理的时效方式，利用mg、si形成一定的β”强化相，更进一步地提升材料性能。而且si含量不能添加过多，否则会造成固溶的mgsi元素过多，无法在挤压过程固溶完全，从而大幅降低材料性能；同时si元素也不能添加太少，否则会造成快速回溶而无法有效降低材料变形抗力。
24.第二个创新点在于降低了zr元素的含量，因为zr元素本身添加成本高，降低含量可以有效降低生产成本。同时原来需要依靠zr元素提供的晶粒细化效果，而本发明因为引入了si元素，可以额外形成一定的形核相替代zr元素的效果，而且较低的zr元素可以很大程度上避免与tib化合物反应形成的“中毒”现象。
25.本发明中，注意的管控点是cu元素含量必须进行严格控制，因为虽然cu元素的添加可以提升材料力学性能，但是会大幅降低材料的耐腐蚀性能并且增大变形抗力。
26.本发明中，在熔炼铝合金型材铸锭时，因为合金内添加了一定量的zn元素，而zn元素本身在铝液内容易出现沉底的情况导致元素含量分布不均匀，所以本合金必须要使用电磁搅拌设备，且必须控制精炼后的静置时间需要控制在10-20分钟范围内，既保证基础的静置净化效果，也避免静置过程中zn元素沉淀导致元素分布不均匀的情况。
27.本发明中，挤压上述铝合金型材前，先将铸造后的铝合金铸锭置于均质炉内，因为本合金的目的是需要通过形成mg2si析出相来减小变形抗力，所以均质工艺非常重要。首先需要保证mg、si元素尽量固溶完全，但因为本身7系铝合金过烧温度较低，所以需要通过双级均质的工艺先确保共晶相回溶，所以需要进行双级均质，设定的均质工艺为：一级均质温度450℃-500℃，保温时间10-20小时；二级均质温度540℃-560℃，保温时间2-6小时。同时在均质后转移至冷却室进行冷却，冷却需要使用强风冷的方式，控制冷却速度在50~150℃/小时的范围内。这样，可以控制析出的mg2si相粗化程度正好可以达到不会在铝棒加热过程回溶但又能在挤压过程回溶的尺寸。
28.本发明中，在将均质好后的铝棒进行挤压生产时，必须要使用工频炉或永磁炉的快速加热方式，不能使用燃气炉的慢速加热，铝棒加热速度要大于50℃/分钟，确保mg2si相不在铝棒加热过程中大量回溶从而提升变形抗力。铝棒温度控制在500℃以内，同时保证型材出料口温度高于530℃，同时型材出料后进行快速淬火，淬火冷却速度需要大于200℃/min，确保mg、zn、si、cu元素都在线固溶完全。
29.本发明中，挤压得到的铝合金型材特别需要注意合金的时效方式，这也是一个结合成份的创新点，因为材料内含一定si元素，可以通过znmg和mgsi的结合强化同时提高性能，针对两种强化相的析出温度不一致的问题，首先使用110℃~120℃保温15~25h的工艺进行一级时效，确保足量的znmg强化相析出，同时低温促进pre-β”相的形成。
30.一级时效完成后使用5~20℃/min的速度将型材快速升温至190℃保温40~60min进行二级回归时效，其目的一方面促进晶界znmg相的粗化提升耐腐蚀性能，并且回溶晶内部分mg、zn元素，同时还可以促进pre-β”相快速向β”相转化，利用mgsi析出相提升材料性能。
31.二级时效完成后将型材通过5~20℃/min的速度降温至110℃~120℃并保温15~25h进行三级时效，确保回溶的mg、zn元素重新析出提升材料强度。此时效工艺同时充分利用了zn、mg、si元素形成多重强化相，同时还通过回归处理提升了材料的耐腐蚀性能，一举多得。
32.下面以具有不同合金成份的三个实施例与现有的7075铝合金进行性能对比。
33.实施例1。
34.一种低zr低变形抗力高强度的alznmgcu铝合金，其通过以下步骤制得。
35.1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：si 0.55%，mg 1.82%，fe 0.14%，cu 0.12%，mn 0.12%， zn 6.58%， ti 0.02%，zr 0.062%，余量为al。
36.2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料熔解为铝液，并用电磁搅拌设备搅拌均匀、精炼除气后静置10分钟，随后除去铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭1。
37.利用上述铝合金铸锭挤压型材时，1）均质化处理，采用双级均质工艺；一级均质温度450℃，保温时间20小时；二级均质温度540℃，保温时间6小时。在均质后转移至冷却室进行冷却，冷却需要使用强风冷的方式，控制冷却速度在50℃/小时。
38.2）挤压成型；将均质后的铝合金铸锭进行挤压成型，使用工频炉的快速加热，铝棒加热速度大于50℃/分钟，挤压铝棒温度控制在500℃以内，同时保证型材出料口温度高于530℃。型材出料后进行快速淬火，淬火冷却速度需大于200℃/min，确保mg、zn、si、cu元素都在线固溶完全。
39.3）时效处理，首先使用110℃保温25h的工艺进行一级时效；一级时效完成后使用5℃/min的速度将型材快速升温至190℃保温60min进行二级回归时效；二级时效完成后将型材通过5℃/min的速度降温至110℃并保温25h进行三级时效。
40.实施例2。
41.一种低zr低变形抗力高强度的alznmgcu铝合金，其通过以下步骤制得。
42.1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：si 0.65%，mg 1.9%，fe 0.14%，cu 0.16%，mn 0.15%，zn 6.74%，ti 0.02%，zr 0.078%，余量为al。
43.2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料熔解为铝液，并用电磁搅拌设备搅拌均匀、精炼除气后静置20分钟，随后除去铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭2。
44.利用上述铝合金铸锭2挤压型材时，1）均质化处理，采用双级均质工艺；一级均质温度500℃，保温时间10小时；二级均质温度560℃，保温时间2小时。在均质后转移至冷却室进行冷却，冷却需要使用强风冷的方式，控制冷却速度在100℃/小时。
45.2）挤压成型；将均质后的铝合金铸锭进行挤压成型，使用工频炉的快速加热，铝棒加热速度大于50℃/分钟，挤压铝棒温度控制在500℃以内，同时保证型材出料口温度高于530℃。型材出料后进行快速淬火，淬火冷却速度需大于200℃/min，确保mg、zn、si、cu元素都在线固溶完全。
46.3）时效处理，首先使用120℃保温15h的工艺进行一级时效；一级时效完成后使用20℃/min的速度将型材快速升温至190℃保温40min进行二级回归时效；二级时效完成后将型材通过20℃/min的速度降温至120℃并保温15h进行三级时效。
47.实施例3。
48.一种低zr低变形抗力高强度的alznmgcu铝合金，其通过以下步骤制得。
49.1）调整合金成份，按照如下重量百分比配制铝合金原料：si 0.75%，mg 1.95%，fe 0.15%，cu 0.18%，mn 0.18%，zn 6.93%， ti 0.02%，zr 0.095%，余量为al。
50.2）铸造铝合金铸锭，将配制好的铝合金原料熔解为铝液，并用电磁搅拌设备搅拌均匀、精炼除气后静置15分钟，随后除去铝液中杂质，再将铝液铸造为铝合金铸锭3。
51.利用上述铝合金铸锭3挤压型材时，1）均质化处理，采用双级均质工艺；一级均质
温度480℃，保温时间15小时；二级均质温度550℃，保温时间4小时。在均质后转移至冷却室进行冷却，冷却需要使用强风冷的方式，控制冷却速度在150℃/小时。
52.2）挤压成型；将均质后的铝合金铸锭进行挤压成型，使用工频炉的快速加热，铝棒加热速度大于50℃/分钟，挤压铝棒温度控制在500℃以内，同时保证型材出料口温度高于530℃。型材出料后进行快速淬火，淬火冷却速度需大于200℃/min，确保mg、zn、si、cu元素都在线固溶完全。
53.3）时效处理，首先使用110℃保温20h的工艺进行一级时效；一级时效完成后使用10℃/min的速度将型材快速升温至190℃保温50min进行二级回归时效；二级时效完成后将型材通过10℃/min的速度降温至120℃并保温20h进行三级时效。
54.表1、时效后性能对比表。
55.表2、挤压主缸移动速度对比表。
56.表3、耐腐蚀性测试对比表。测试标准为《铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法(gb/t 22639-2008)》。
57.表2和表3中，对比型号1、对比型号2、对比型号3的产品性质分别如图1、图2和图3所示，各附图中尺寸单位均为mm。
58.通过以上通过对比可以看出：与传统7075合金比较，本发明可以挤压更复杂的截面型材，挤压效率也可以提升接近一倍，并且不需要离线淬火，可以做到直接在线淬火的工艺。同时通过特殊的时效处理工艺，耐腐蚀性远远优于7075合金。同时因为添加的zr、cu等元素含量更少，原材料成本也更低，且在铸造过程中不容易发生裂心。
59.通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。