铝合金材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料科学技术领域，特别涉及一种铝合金材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 铝合金材料密度低，强度高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有 优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用。列车轻量化是高速列车发展的重要条 件，目前国内外实现车体轻量化的主要方式之一是采用铝合金材料。
[0003] 列车车辆结构连接形式主要有焊接、铆接和螺栓连接等形式，由于铝合金焊接中 存在焊接处母材强度降低、焊接缺陷、变形、残余应力等问题，因此铆钉或螺栓连接成为此 处结构联接的重要方式。我国目前载重量最大、自重最轻的新型铁路运输车辆C80型铝合 金运煤敞车的车体采用双浴盆式、铝合金铆接结构，浴盆、侧墙、端墙均采用铝合金板材和 铝合金挤压型材；浴盆、侧墙、端墙和底架之间的连接均采用铆接结构。所以急需开发研制 一种高强度铝合金材料，用于铆接结构。
【发明内容】
[0004] 基于此，有必要提供一种高强度的铝合金材料及其制备方法和应用。
[0005] 一种铝合金材料，以质量百分比计，包括6. 5~9.0%的Zn，l %~2. 5%的Mg， 1%~2. 5% 的 Cu，0. 08%~0· 4% 的 Zr，0. 01%~0· 6% 的 Ti，0. 05%~0· 4% 的稀土元素， 以及85%~91%的A1。
[0006] 上述铝合金材料熔点高、稳定性良好，铝合金材料的抗拉强度、屈服强度和剪切强 度等综合性能均大大提高。上述错合金材料在室温下的性能指标，抗拉强度达到680MPa，屈 服强度达到630MPa，延伸率达到12%，^剪切强度达到360MPa。
[0007] 在其中一个实施例中，质量分数为99. 9%的金属Zn、质量分数为99. 9%的金属 Mg、质量分数为99. 9 %的金属A1、质量分数为30 %~60 %的铜铝中间合金、质量分数为 1 %~10%的锆铝中间合金、质量分数为1 %~10%的钛铝中间合金和质量分数为1 %~ 30 %的稀土铝中间合金。
[0008] 在其中一个实施例中，所述稀土元素为Er、Y和Yb中的至少一种。
[0009] 在其中一个实施例中，以质量百分比计，包括7. 8%~8. 5%的Zn，1. 6%~2. 2% 的 Mg，L 2%~L 8% 的 Cu，0. 12%~0.2% 的 Zr，0. 12%~0.2% 的稀土元素，0.02%~ 0. 2%的 Ti，以及 85%~91 %的 Al。
[0010] 在其中一个实施例中，以质量百分比计，包括8.0%的Zn，2. 2%的Mg，1.8%的Cu， 0· 18%的 Zr，(λ 02%的 Ti，(λ 18%的稀土元素，以及 87. 6%的 Al。
[0011] 一种上述的铝合金材料的制备方法，所述铝合金材料包括以下原料：金属Zn、金 属Mg、金属A1、铜铝中间合金、锆铝中间合金、钛铝中间合金和稀土铝中间合金，所述的铝 合金材料的制备方法包括以下步骤：
[0012] 提供各原料；
[0013] 将金属Al熔化得到铝液，加入金属Zn和铜铝中间合金搅拌熔化，加入金属Mg得 到中间熔液；
[0014] 在所述中间熔液中加入锆铝中间合金和稀土铝中间合金，得到熔液；
[0015] 将所述熔液进行精炼；
[0016] 将所述熔液进行铸造得到铸锭；及
[0017] 将所述铸锭依次进行挤压，拉伸，退火，冷镦，固溶和时效处理，得到所述铝合金 材料，所述铝合金材料以质量百分比计，包括6. 5~9. 0 %的Zn，1 %~2. 5 %的Mg，1 %~ 2. 5% 的 Cu，0. 08%~0· 4% 的 Zr，0. 01%~0· 6% 的 Ti，0. 05%~0· 4% 的稀土元素，以及 85%~91%的 A1。
[0018] 在其中一个实施例中，在将所述铸锭进行挤压之前还包括步骤：对所述铸锭进行 预热处理，所述预热处理的条件为：在360°C~420°C保温30min~4小时。
[0019] 在其中一个实施例中，所述挤压的挤压比为20以上。
[0020] 在其中一个实施例中，所述退火的步骤具体为：以80°C -150°C /h速率升温到 400°C~460°C保温2h~4h后，以不超过30°C /h的速率降温到260°C保温6h后，空气中冷 却。
[0021] 上述的铝合金材料在紧固件中的应用。
【附图说明】
[0022] 图1为一较佳实施方式的铝合金材料的制备方法的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中 给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文 所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透 彻全面。
[0024] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的 技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具 体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语"及/或"包括一个或多个 相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0025] 一实施方式的铝合金材料，以质量百分比计，包括6.5%~9.0%的Zn(锌）元素， 1 %~2. 5%的Mg(镁）元素，1 %~2. 5%的Cu(铜）元素，0.08%~0.4%的Zr(锆）元 素，0· 01 %~0· 6%的Ti(钛）元素，0· 05%~0· 4%的稀土元素，以及85%~91 %的Al。
[0026] 上述铝合金材料，稀土元素与Al共格或半共格，在凝固过程中由于扩散速率较 大，合金受凝固时扩散动力学条件限制而大量聚集在固液界面，引起溶质再分配，使合金在 凝固过程中的成分过冷增大，分枝过程加剧，使枝晶网胞变细，从而细化了合金的晶粒，起 到了细晶强化的作用，得到的铝合金材料熔点高、稳定性良好，铝合金材料的抗拉强度、屈 服强度和剪切强度等综合性能均大大提高。铝合金在加工状态中有几种基本状态，其中退 火状态O和固溶处理后人工时效状态T6的性能一般用来作为性能指标。退火状态O的性 能是加工过程中的性能，固溶处理后人工时效状态T6的性能则可认为是室温下的性能指 标。特别地，上述铝合金材料在室温下的性能指标，Rm(抗拉强度）达到680MPa，Rpa2 (屈服 强度）达到630MPa，A (延伸率）达到12 %，τ b (剪切强度）达到360MPa。
[0027] 上述错合金材料包括以下原料：金属Zn、金属Mg、金属Al、铜错中间合金、错错中 间合金、钛铝中间合金和稀土铝中间合金。各原料的质量通过中间合金中各金属成分的含 量计算得到。
[0028] Zn和Mg元素分别由金属Zn、金属Mg提供。由于Cu、Zr、Ti金属恪点高，稀土元素 易氧化，因此Cu、Zr、Ti和稀土元素分别由与铝形成的铜铝中间合金、锆铝中间合金、钛铝 中间合金和稀土铝中间合金提供。如此一方面防止熔液过热，同时可缩短熔炼时间，降低金 属烧损和减少熔液的氧化夹渣和吸气，从而获得成分均匀的熔液。Al元素则由金属Al以及 铜铝中间合金、锆铝中间合金、钛铝中间合金和稀土铝中间合金提供。特别地，金属Al为铝 锭。其中，金属Zn、金属Mg和金属Al是指纯度多99. 9%的金属。
[0029] 为尽量减少铸锭合金元素偏析，铜铝中间合金含铜质量分数为30%~60%。优 选地，铜铝中间合金为含铜质量分数50%、余量为Al及不可避免的杂质的铝合金，记为 Al-50Cu〇
[0030] 锆铝中间合金含锆质量分数为1 %~10%。优选地，锆铝中间合金为含锆质量分 数4%、余量为Al及不可避免的杂质的铝合金，记为Al-4Zr。
[0031] 钛铝中间合金含钛质量分数为1 %~10%。优选地，钛铝中间合金为含钛质 量分数5%、含硼⑶质量分数0.02%、余量为Al及不可避免的杂质的铝合金，记为 Α1-5Τ?-0. 02B〇
[0032] 稀土铝中间合金含稀土元素质量分数为1 %~30%。
[0033] 优选地，提供Er元素的稀土铝中间合金为含铒质量分数6 %、余量为Al及不可避 免的杂质的错合金，记为Al-6Er。
[0034] 优选地，提供Y元素的稀土铝中间合金为含钇质量分数10%、余量为Al及不可避 免的杂质的错合金，记为Al -IOY。
[0035] 优选地，提供Yb元素的稀土铝中间合金为含镱质量分数10 %、余量为Al及不可避 免的杂质的铝合金，记为Al-10Yb。
[0036] 特别地，稀土元素为Er(铒）、Y(钇）和Yb(镱）中的至少一种。
[0037] 优选地，稀土元素为Er。微量的Er元素添加到铝合金中，元素 Er在铝合金中可形 成纳米级Al3Er强化相，并与Zr形成Al3 (ZrxEivx)复合相，Al3Er是面心立方结构，Al3Er强 化相不但能够起到强化作用，同时能钉扎位错和晶界的运动，起固溶强化作用，有效抑制再 结晶晶粒长大，可明显细化铝合金的组织、提高铝合金的再结晶温度、促进强化相的析出。
[0038] 优选地，上述铝合金材料，以质量百分比计，包括7. 8 %~8. 5 %的Zn，1. 6 %~ 2. 2 % 的 Mg，l. 2 % ~L 8 % 的 Cu，0. 12 % ~0· 2 % 的 Zr，0. 12 % ~0· 2 % 的稀土元素， 0.02%~0. 2%的Ti，以及85%~91 %的A1。更优选地，以