專利名稱：一種超高強(qiáng)高延伸率Al-Zn-Mg-Cu合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型合金材料領(lǐng)域,具體涉及一種超高強(qiáng)高延伸率Al-Zn-Mg-Cu合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
鋁合金合金具有比強(qiáng)度高、成形和加工性能好、耐腐蝕性能好等特點(diǎn)，使其成為非常重要的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，在大飛機(jī)結(jié)構(gòu)中占有很大的使用比例。世界汽車保有量與日俱增，隨之而來的能源短缺、環(huán)境污染等一系列問題也日益突出，高強(qiáng)度鋁合金在保證汽車安全性能的同時(shí)減輕汽車重量，進(jìn)而降低能源消耗和減輕環(huán)境污染。鋁合金在汽車工業(yè)和航空工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是超高強(qiáng)度鋁合金更是憑借其優(yōu)異的比強(qiáng)度在汽車工業(yè)和航空工業(yè)的發(fā)展中占有舉足輕重的作用。Al-Zn-Mg-Cu高強(qiáng)鋁合金的研究經(jīng)歷了高強(qiáng)低韌一高強(qiáng)耐蝕一高強(qiáng)高韌耐蝕一超強(qiáng)高韌耐蝕4個(gè)發(fā)展階段，而熱處理的研究和合金化的探索對Al-Zn-Mg-Cu合金的發(fā)展起了關(guān)鍵性作用。目前國內(nèi)外所公布的超高強(qiáng)合金中，都出現(xiàn)了強(qiáng)度達(dá)到700MPa以上，延伸率低于10%的現(xiàn)象。很久以來，研究人員試圖通過改善合金制備工藝和熱處理工藝的方法來改善合金的綜合性能，但是通過工藝手段改變由合金成分本身所決定的特性是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，本發(fā)明在利用傳統(tǒng)制備工藝和熱處理方法的基礎(chǔ)上，通過改善合金成分得到了一種綜合性能優(yōu)異的Al-Zn-Mg-Cu合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超高強(qiáng)高延伸率的Al-Zn-Mg-Cu合金。

本發(fā)明提供一種Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，合金中各組分及其重量百分比為:Zn含量為9.7%-10.3%, Mg含量為1.7%-2.3%, Cu含量為1%_1.3%, Zr含量為
0.11%-0.14%，F(xiàn)e、Si雜質(zhì)元素含量不超過0.1%，余量為Al，且其中Mg、Cu和Zn的重量百分比滿足以下條件:4.5 ( (Zn+0.8Cu) /Mg 彡 6.5，0.4 彡 Cu/Mg 彡 0.6，8.5 彡{ (Zn+0.8Cu)/Mg}/{Cu/Mg}彡 10.5。所述的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:I)熔煉:將配比后的Al-Zn-Mg-Cu合金原料置于石墨混粘土坩堝中升溫熔煉得到合金鑄錠，熔煉溫度為780V ；2)退火:將合金鑄錠置于電阻爐中進(jìn)行雙級均勻化退火，第一級退火溫度為400°C保溫4h，隨后升溫至467°C進(jìn)行第二級退火，保溫30h ；3 )擠壓:對退火后的合金鑄錠進(jìn)行熱擠壓變形，擠壓成合金板材，擠壓工藝參數(shù)為擠壓溫度400-430°C，擠壓比17.4，擠壓速度7-10mm/s ；4)固溶淬火:將擠壓變形后的合金板材置于電阻爐中固溶處理，固溶溫度為472°C 保溫 3h ；
5)人工時(shí)效:將固溶淬火處理后的合金板材置于電阻爐中進(jìn)行人工時(shí)效，時(shí)效溫度為120°C保溫21h。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:原材料成本低，生產(chǎn)成本低，合金制備過程和熱處理方式簡單。由于本合金在優(yōu)化合金成分的基礎(chǔ)上，獲得了高強(qiáng)度高延伸率的Al-Zn-Mg-Cu合金，因而，本發(fā)明可以通過傳統(tǒng)制備工藝和簡單的熱處理方式實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其工業(yè)應(yīng)用前景廣闊。本發(fā)明采用熔煉，均勻化退火，擠壓，固溶淬火，人工時(shí)效的方法制備Al-Zn-Mg-Cu合金材料。具體步驟如下:1)熔煉。將配比后的原料置于石墨混粘土坩堝中，熔煉過程中的加料順序?yàn)榧冧X，鋁銅中間合金，鋁鋯中間合金，純鋅，純鎂；各元素熔煉溫度為780°C。2)退火。采用雙級均勻化退火工藝400°C /4h+467°C /30h,將冷卻到室溫的鑄錠放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至一級退火溫度400°C并保溫4h，再按10°C /min的升溫速率加熱至二級退火溫度467°C并保溫30h。3)擠壓。將Φ90πιπι的圓形鑄錠擠壓成6mm厚X60mm寬的板材，其工藝參數(shù)為:擠壓溫度400-430°C，擠壓比17.4，擠壓速度7-10mm/s。4)固溶淬火。采用472°C /3h固溶工藝，將板材放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至472°C并保溫3h，然后將板材快速放入水中淬火。5)人工時(shí)效。采用120°C/21h的T6態(tài)人工時(shí)效處理，將板材放入電阻爐中，按2V /min的升溫速率加熱 至120°C并保溫21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。


圖1、圖2、圖3、圖4:時(shí)效態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金拉伸應(yīng)力延伸率曲線。以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明，一種Al-Zn-Mg-Cu合金其特征在于:該合金各組分及其重量百分比為=Zn含量為9.7%-10.3%，Mg含量為1.7%_2.3%，Cu含量為1%-1.3%，Zr含量為0.11%-0.14%，F(xiàn)e、Si雜質(zhì)元素含量不超過0.1%，余量為Al，且其中Mg、Cu和Zn的重量百分比滿足以下條件:4.5 ( (Zn+0.8Cu) /Mg彡6.5，0.4彡Cu/Mg 彡 0.6，8.5 彡{ (Zn+0.8Cu) /Mg}/{Cu/Mg}彡 10.5。其中Zn元素選用工業(yè)純鋅，Mg元素選用工業(yè)純鎂。實(shí)施例1I)按名義成分Al-10Zn-2.0Mg-1.2Cu_0.12Zr (重量百分比，%)配制合金，其中銅元素，鋯元素分別以鋁銅，鋁鋯中間合金的形式加入。2)將配好的原材料用酒精洗凈，吹干。將純鋁放入溫度為780°C的電阻爐中，鋁熔化后保溫30min ;加入鋁銅中間合金和鋁鋯中間合金，保溫IOmin ;加入純鋅，保溫15min ；用CCl6除氣，保溫5min ;加入純鎂，保溫5min ;用CCl6除氣，保溫5min ;斷電扒洛，當(dāng)熔體溫度降至720°C時(shí)，以lkg/min的速度將熔體澆入Φ IOOmm的圓柱形鐵模中，由此得到Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠。
3)將冷卻到室溫的鑄錠放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至一級退火溫度400°C并保溫4h，再按10°C /min的升溫速率加熱至二級退火溫度467°C并保溫30h。4)將Φ IOOmm鑄錠車削成Φ90πιπι的圓形鑄錠，然后擠壓成6mm厚X 60mm寬的板材，擠壓工藝參數(shù)為:擠壓溫度430°C，擠壓比17.4，擠壓速度7-10mm/s。5)將板材放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至472°C并保溫3h，然后將板材快速放入水中。6)將板材放入電阻爐中，按2°C /min的升溫速率加熱至120°C并保溫21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。制備的Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸應(yīng)力延伸率曲線，如圖1所示，該合金抗拉強(qiáng)度σ b=755MPa，屈服強(qiáng)度 σ 0 2=713MPa,延伸率 δ =13.5%。實(shí)施例2I)按名義成分Al-1OZn-L 9Mg_L ICu-0.14Zr (重量百分比，%)配制合金，其中銅元素，鋯元素分別以鋁銅，鋁鋯中間合金的形式加入。2)將配好的原材料用酒精洗凈，吹干，將高純鋁放入溫度780°C的電阻爐中，鋁熔化后保溫30min ;加入鋁銅中間合金和鋁鋯中間合金，保溫IOmin ;加入純鋅，保溫15min ；用CCl6除氣，保溫5min ;加入純鎂，保溫5min ;用CCl6除氣，保溫5min ;斷電扒洛，當(dāng)熔體溫度降至720°C時(shí)，以lkg/min的速度將熔體澆入Φ IOOmm的圓柱形鐵模中，由此得到Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠。3)將冷卻到室溫的鑄錠放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至一級退火溫度400°C并保溫4h，再按10°C /min的升溫速率加熱至二級退火溫度467°C并保溫30h。

4)將Φ IOOmm鑄錠車削成Φ90πιπι的圓形鑄錠，然后擠壓成6mm厚X 60mm寬的板材，擠壓工藝參數(shù)為:擠壓溫度430°C，擠壓比17.4，擠壓速度7-10mm/s。5)將板材放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至472°C并保溫3h，然后將板材快速放入水中。6)將板材放入電阻爐中，按2°C /min的升溫速率加熱至120°C并保溫21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。制備的Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸應(yīng)力延伸率曲線，如圖2所示，該合金抗拉強(qiáng)度ob=746MPa，屈服強(qiáng)度 σ。2=700MPa，延伸率 δ=11.5%。實(shí)施例3I)按名義成分Al-10Zn-2.IMg-L 2Cu_0.12Zr (重量百分比，%)配制合金，其中銅元素，鋯元素分別以鋁銅，鋁鋯中間合金的形式加入。2)將配好的原材料用酒精洗凈，吹干，將高純鋁放入溫度780°C的電阻爐中，鋁熔化后保溫30min ;加入鋁銅中間合金和鋁鋯中間合金，保溫IOmin ;加入純鋅，保溫15min ；用CCl6除氣，保溫5min ;加入純鎂，保溫5min ;用CCl6除氣，保溫5min ;斷電扒洛，當(dāng)熔體溫度降至720°C時(shí)，以lkg/min的速度將熔體澆入Φ IOOmm的圓柱形鐵模中，由此得到Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠。3)將冷卻到室溫的鑄錠放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至一級退火溫度400°C并保溫4h，再按10°C /min的升溫速率加熱至二級退火溫度467°C并保溫30h。4)將Φ IOOmm鑄錠車削成Φ90πιπι的圓形鑄錠，然后擠壓成6mm厚X 60mm寬的板材，擠壓工藝參數(shù)為:擠壓溫度430°C，擠壓比17.4，擠壓速度7-10mm/s。5)將板材放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至472°C并保溫3h，然后將板材快速放入水中。6)將板材放入電阻爐中，按2°C /min的升溫速率加熱至120°C并保溫21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。制備的Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸應(yīng)力延伸率曲線，如圖3所示，該合金抗拉強(qiáng)度σ b=728MPa，屈服強(qiáng)度 σ 0 2=683MPa,延伸率 δ =12.5%。實(shí)施例4I)按名義成分Al-10Zn-2Mg-L ICu-0.13Zr (重量百分比，%)配制合金，其中銅元素，鋯元素分別以鋁銅，鋁鋯中間合金的形式加入。2)將配好的原材料用酒精洗凈，吹干，將高純鋁放入溫度780°C的電阻爐中，鋁熔化后保溫30min ;加入鋁銅中間合金和鋁銅中間合金，保溫IOmin ;加入純鋅，保溫15min ；用CCl6除氣，保溫5min ;加入純鎂，保溫5min ;用CCl6除氣，保溫5min ;斷電扒洛，當(dāng)熔體溫度降至720°C時(shí)，以lkg/min的速度將熔體澆入Φ IOOmm的圓柱形鐵模中，由此得到Al-Zn-Mg-Cu合金鑄錠。3)將冷卻到室溫的鑄錠放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至一級退火溫度400°C并保溫4h，再按10°C /min的升溫速率加熱至二級退火溫度467°C并保溫30h。4)將Φ IOOmm鑄錠車削成Φ90πιπι的圓形鑄錠，然后擠壓成6mm厚X 60mm寬的板材，擠壓工藝參數(shù)為:擠壓溫度430°C，擠壓比17.4，擠壓速度7-10mm/s。
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5)將板材放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至472°C并保溫3h，然后將板材快速放入水中。6)將板材放入電阻爐中，按10°C /min的升溫速率加熱至120°C并保溫21h，然后取出板材空冷，得到Al-Zn-Mg-Cu合金。制備的Al-Zn-Mg-Cu合金的拉伸應(yīng)力延伸率曲線，如圖4所示，該合金抗拉強(qiáng)度ob=724MPa，屈服強(qiáng)度 σ Q 2=676MPa，延伸率 δ =12%。
權(quán)利要求
1.一種Al-Zn-Mg-Cu合金，其特征在于，合金中各組分及其重量百分比為:Zn含量為9.7%-10.3%,Mg 含量為 1.7%-2.3%, Cu 含量為 1%_1.3%, Zr 含量為 0.11%_0.14%，F(xiàn)e、Si 雜質(zhì)元素含量不超過0.1%,余量為Al,且其中Mg、Cu和Zn的重量百分比滿足以下條件:4.5 ((Zn+0.8Cu) /Mg 彡 6.5，0.4 彡 Cu/Mg 彡 0.6，8.5 彡{ (Zn+0.8Cu) /Mg} / {Cu/Mg}彡 10.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種Al-Zn-Mg-Cu合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)熔煉:將配比后的Al-Zn-Mg-Cu合金原料置于石墨混粘土坩堝中升溫熔煉得到合金鑄錠，熔煉溫度為78 0V ； 2)退火:將合金鑄錠置于電阻爐中進(jìn)行雙級均勻化退火，第一級退火溫度為400°C保溫4h，隨后升溫至467°C進(jìn)行第二級退火，保溫30h ； 3)擠壓:對退火后的合金鑄錠進(jìn)行熱擠壓變形，擠壓成合金板材，擠壓工藝參數(shù)為擠壓溫度400-430°C，擠壓比17.4，擠壓速度7-10mm/s ； 4)固溶淬火:將擠壓變形后的合金板材置于電阻爐中固溶處理，固溶溫度為472°C保溫3h ； 5)人工時(shí)效:將固溶淬火處理后的合金板材置于電阻爐中進(jìn)行人工時(shí)效，時(shí)效溫度為120°C保溫 21h。
全文摘要
一種超高強(qiáng)高延伸率Al-Zn-Mg-Cu合金及其制備方法，屬于金屬合金技術(shù)領(lǐng)域。該合金主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))9.7%-10.3%Zn、1.7%-2.3%Mg、1%-1.3%Cu、0.11%-0.14%Zr；合金中其他雜質(zhì)元素含量均不超過0.1%；合金中Zn、Mg和Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例關(guān)系為4.5≤(Zn+0.8Cu)/Mg≤6.5，0.4≤Cu/Mg≤0.6,8.5≤{(Zn+0.8Cu)/Mg}/{Cu/Mg}≤10.5。本發(fā)明合金抗拉強(qiáng)度σb≥720Mpa，屈服強(qiáng)度σ0.2≥670Mpa，延伸率δ≥11%。該合金采用傳統(tǒng)熔鑄方式，經(jīng)過均勻化退火、擠壓、固溶淬火和T6人工時(shí)效處理制得；過程簡單，成本低廉，綜合性能優(yōu)越，滿足現(xiàn)代航空工業(yè)和汽車工業(yè)材料的使用要求。
文檔編號C22C21/10GK103205616SQ20131008417
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者陳子勇, 張孝雷, 徐萬峰, 聶祚仁 申請人:北京工業(yè)大學(xué)