CN110066931A - 一种适于冷成形的铝合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于冷成形的铝合金及其制备方法；所述合金各组分的质量百分比为：2～6wt.％的Zn，0.2～6wt.％的Mg，0.2～3wt.％的Mn，0.2～3wt.％的Cu，0.1～2wt.％的Sc，0.1～2wt.％的Yb，0.1～1wt.％的Tb，0.2～2wt.％的Zr，余量为Al。所述铝合金的制备方法包括熔炼、均匀化处理、冷成形、时效处理四个步骤。本发明通过向铝合金中加入Zn、Mg、Mn、Cu、Yb和Tb元素，在铝合金组织中引入ZnYb强化相、ZnTb强化相、MgZn强化相，并用Sc和Zr元素进行晶粒细化，再经后续均匀化处理，实现均匀化态合金60％以上变形量不开裂，最后对均匀化态合金进行冷塑性变形和时效处理，从而制备出适于冷成形的高性能铝合金。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，涉及一种铝合金及其制备方法，尤其涉及一种适于冷成形的铝合金及其制备方法。
背景技术
铝是目前世界上产量最大、应用范围最广的有色金属材料，其用量仅次于钢铁，在机械、交通、化工、电力、电子、建筑等领域都有广泛的应用。随着科学技术的发展，各领域对铝合金的组织和性能提出了更高的要求。
对于传统Al-Zn-Mg-Cu系合金(如7系铝合金)，该合金具有强度高、比重小、可加工性能好以及具有良好的热处理效果，被广泛的应用于航空航天工业及各种民用产品中。随着该合金被越来越多的运用于不同的环境之中，工作环境的复杂变化对该合金综合性能的要求也越发苛刻，特别需要弥补该合金在室温条件下大塑性变形方面的不足。利用现有的Al-Zn-Mg-Cu系合金及变形工艺(如冷顶锻)生产变形量较大的产品时，零件易发生裂纹甚至开裂，降低了产品成品率。因此，在室温条件下实现大变形量的冷顶锻等塑性变形是铝合金的重要发展方向之一。如何能够保持Al-Zn-Mg-Cu系铝合金原有强度的情况下，有效改善该合金的塑性及成形性，对于该合金的广泛使用具有重要意义。
发明内容
针对现有铝合金存在的不足，本发明提供一种适于冷成形的铝合金及其制备方法，为了在保持铝合金强度的情况下，有效改善该合金的塑性及成形性，需要进行多种元素混合并优化热处理工艺。本发明通过向铝合金中加入Zn、Mg、Mn、Cu、Yb和Tb元素，在铝合金组织中引入ZnYb强化相、ZnTb强化相、MgZn强化相，并用Sc和Zr元素进行晶粒细化，再经后续均匀化处理，实现均匀化态合金60％以上变形量不开裂，最后对均匀化态合金进行冷塑性变形和时效处理，从而制备出适于冷成形的高性能铝合金。
本发明是通过以下技术方案实现其目的的：
本发明提供了一种适于冷成形的高性能铝合金，所述合金各组分的质量百分比为：2～6wt.％的Zn，0.2～6wt.％的Mg，0.2～3wt.％的Mn，0.2～3wt.％的Cu，0.1～2wt.％的Sc，0.1～2wt.％的Yb，0.1～1wt.％的Tb，0.2～2wt.％的Zr，余量为Al。
本发明通过在本发明的合金体系中同时添加特定的稀土元素Yb和Tb，起到了固溶强化作用和细晶强化作用，引入了ZnYb和ZnTb强化相，同时提高了铝合金的时效强化能力，再结合Sc和Zr元素的细化晶粒左右，改善了合金的塑性，进而实现均匀化态合金60％以上变形量不开裂，有利于后续的冷变形成形，大幅度提高产品成品率。
本发明还提供了一种适于冷成形的高性能铝合金的制备方法；所述制备方法包括熔炼阶段、均匀化处理阶段、冷成形阶段、时效处理阶段。
优选地，所述熔炼阶段包括以下步骤：
①烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间
合金在160℃～240℃烘箱中预热烘干2～3h；
②熔Al：将上述预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化；
③加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至700～740℃之间，加入Zn、Mg、Cu，保温10～20min；
④加Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb：待步骤③完成后，温度升至740～800℃之间，加入Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌4～10min，然后保温10～20min；
⑤加Al-Zr：待步骤④完成后，温度升至760～800℃之间，加入Al-Zr中间合金，然后在730～760℃之间保温5～15min；
⑥精炼：待步骤⑤完成后，对铝合金熔体进行吹氩气处理5～20min，然后在720～760℃之间保温10～30min；
⑦浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为160℃～240℃的模具中，获得铝合金铸锭。
优选地，所述均匀化处理阶段采用以下步骤：对铝合金铸锭进行双级均匀化处理，先在350～460℃均匀化处理4～36h，然后在470～510℃均匀化处理1h～20h；两次均匀化处理后分别进行水淬处理。
优选地，所述冷成形阶段采用以下步骤：将所述均匀化处理工艺得到的所述铝合金在室温条件下进行挤压、轧制或锻造等塑性变形加工。
优选地，所述时效处理阶段采用以下步骤：对冷成形处理后的铝合金进行双级时效处理，先在70～120℃时效处理4～36h，然后在130～210℃时效处理1h～36h；两次时效处理后分别进行空冷处理。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
①本发明引入Yb和Tb元素，在铝合金组织中引入ZnYb强化相、ZnTb强化相，并用Sc和Zr元素进行晶粒细化，可显著改善合金的力学性能和成形性；
②本发明通过对一种适于冷成形的高性能铝合金首先进行特定的双级均匀化处理，大幅度提高合金塑性，以利于后续冷变形不开裂，然后再对冷变形后的合金进行特定的双级时效处理，显著改善合金的强度等力学性能，并大幅度提高产品成品率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下通过具体的实施例对本发明的技术方案做详细描述，应理解的是，这些实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，而不是以任何形式对本发明进行限制。应当指出的是，在本发明的构思前提下对本发明做简单的改进，都属于本发明要求保护的范围。
实施例1
一种适于冷成形的高性能铝合金，其各组分质量百分比为：2wt.％的Zn，6wt.％的Mg，3wt.％的Mn，0.2wt.％的Cu，2wt.％的Sc，2wt.％的Yb，1wt.％的Tb，0.2wt.％的Zr，余量为Al。
首先进行合金熔炼，包括以下步骤：
①烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间合金在240℃烘箱中预热烘干2h。
②熔Al：将上述预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化。
③加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至740℃左右，加入Zn、Mg、Cu，保温10min；
④加Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb：待步骤③完成后，温度升至800℃左右，加入Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌4min，然后保温20min；
⑤加Al-Zr：待步骤④完成后，温度升至800℃左右，加入Al-Zr中间合金，然后在760℃左右保温5min；
⑥精炼：待步骤⑤完成后，对铝合金熔体进行吹氩气处理5min，然后在760℃左右保温10min；
⑦浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为240℃的模具中，获得铝合金铸锭。
对铝合金铸锭进行均匀化处理，步骤如下：对铝合金铸锭进行双级均匀化处理，先在460℃均匀化处理4h，然后在510℃均匀化处理1h；两次均匀化处理后分别进行水淬处理。
然后对上述合金在室温条件下进行轧制处理，并对挤压棒进行双级时效处理，先在120℃时效处理4h，然后在210℃时效处理1h；两次时效处理后分别进行空冷处理。
该高性能铝合金的室温拉伸性能为：
屈服强度为360MPa，抗拉强度为480MPa，延伸率为11％。
且该双级均匀化态铝合金在70％变形量的压缩时没有裂纹。
实施例2
一种适于冷成形的高性能铝合金，其各组分质量百分比为：6wt.％的Zn，0.2wt.％的Mg，0.2wt.％的Mn，3wt.％的Cu，0.1wt.％的Sc，0.1wt.％的Yb，0.1wt.％的Tb，2wt.％的Zr，余量为Al。
首先进行合金熔炼，包括以下步骤：
①烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间合金在160℃烘箱中预热烘干3h。
②熔Al：将上述预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化。
③加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至700℃左右，加入Zn、Mg、Cu，保温20min；
④加Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb：待步骤③完成后，温度升至740℃左右，加入Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌10min，然后保温10min；
⑤加Al-Zr：待步骤④完成后，温度升至760℃左右，加入Al-Zr中间合金，然后在730℃左右保温15min；
⑥精炼：待步骤⑤完成后，对铝合金熔体进行吹氩气处理20min，然后在720℃左右保温30min；
⑦浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为160℃的模具中，获得铝合金铸锭。
对铝合金铸锭进行均匀化处理，步骤如下：对铝合金铸锭进行双级均匀化处理，先在350℃均匀化处理36h，然后在470℃均匀化处理20h；两次均匀化处理后分别进行水淬处理。
然后对上述合金在室温条件下进行轧制处理，并对轧制板进行双级时效处理，先在70℃时效处理36h，然后在130℃时效处理36h；两次时效处理后分别进行空冷处理。
该高性能铝合金的室温拉伸性能为：
屈服强度为350MPa，抗拉强度为460MPa，延伸率为18％。
且该双级均匀化态铝合金在80％变形量的压缩时没有裂纹。
实施例3
一种适于冷成形的高性能铝合金，其各组分质量百分比为：4wt.％的Zn，3wt.％的Mg，1.5wt.％的Mn，1.5wt.％的Cu，1wt.％的Sc，1wt.％的Yb，0.5wt.％的Tb，1wt.％的Zr，余量为Al。
首先进行合金熔炼，包括以下步骤：
①烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间合金在200℃烘箱中预热烘干2.5h。
②熔Al：将上述预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化。
③加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至720℃左右，加入Zn、Mg、Cu，保温15min；
④加Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb：待步骤③完成后，温度升至770℃左右，加入Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌7min，然后保温15min；
⑤加Al-Zr：待步骤④完成后，温度升至780℃左右，加入Al-Zr中间合金，然后在745℃左右保温10min；
⑥精炼：待步骤⑤完成后，对铝合金熔体进行吹氩气处理12min，然后在740℃左右保温20min；
⑦浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为200℃的模具中，获得铝合金铸锭。
对铝合金铸锭进行均匀化处理，步骤如下：对铝合金铸锭进行双级均匀化处理，先在405℃均匀化处理20h，然后在490℃均匀化处理10h；两次均匀化处理后分别进行水淬处理。
然后对上述合金在室温条件下进行锻造处理，并对锻造后的合金进行双级时效处理，先在95℃时效处理20h，然后在170℃时效处理18h；两次时效处理后分别进行空冷处理。
该高性能铝合金的室温拉伸性能为：
屈服强度为390MPa，抗拉强度为520MPa，延伸率为22％。
且该双级均匀化态铝合金在80％变形量的压缩时没有裂纹。
对比例1
本对比例1涉及一种适于冷成形的高性能铝合金，其组成及制备基本同实施例1，所不同之处在于：
对铝合金铸锭进行均匀化处理，步骤如下：对铝合金铸锭进行双级均匀化处理，先在460℃均匀化处理60h，然后在510℃均匀化处理1h；两次均匀化处理后分别进行水淬处理。
本对比例铝合金的室温拉伸性能为：
屈服强度为340MPa，抗拉强度为450MPa，延伸率为10％。
且该双级均匀化态铝合金在70％变形量的压缩时开裂。
对比例2
本对比例2涉及一种适于冷成形的高性能铝合金，其组成及制备基本同实施例1，所不同之处在于：
对挤压棒进行双级时效处理时，先在230℃时效处理4h，然后在170℃时效处理1h；两次时效处理后分别进行空冷处理。
本对比例铝合金的室温拉伸性能为：
屈服强度为335MPa，抗拉强度为440MPa，延伸率为9.6％。
且该双级均匀化态铝合金在70％变形量的压缩时开裂。
对比例3
本对比例3涉及一种适于冷成形的高性能铝合金，其组成及制备基本同实施例1，所不同之处在于：
对铝合金铸锭进行均匀化处理后，对上述合金在室温条件下进行挤压处理。
本对比例铝合金的室温拉伸性能为：
屈服强度为340MPa，抗拉强度为430MPa，延伸率为8.5％。
且该双级均匀化态铝合金在70％变形量的压缩时开裂。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种适于冷成形的铝合金，其特征在于，所述铝合金各组分的质量百分比为：2～6wt.％的Zn，0.2～6wt.％的Mg，0.2～3wt.％的Mn，0.2～3wt.％的Cu，0.1～2wt.％的Sc，0.1～2wt.％的Yb，0.1～1wt.％的Tb，0.2～2wt.％的Zr，余量为Al。
2.一种如权利要求1所述的适于冷成形的铝合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括熔炼阶段、均匀化处理阶段、冷成形阶段、时效处理阶段。
3.如权利要求2所述的适于冷成形的铝合金的制备方法，其特征在于，所述熔炼阶段具体采用以下方法：
①烘料：分别取纯Al、Zn、Mg、Cu、Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb和Al-Zr中间合金在160℃～240℃烘箱中预热烘干2～3h；
②熔Al：将预热之后的Al放进坩埚中，进行熔化；
③加Zn、Mg、Cu：待Al完全熔化，温度升至700～740℃之间，加入Zn、Mg、Cu，保温10～20min；
④加Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb：待步骤③完成后，温度升至740～800℃之间，加入Al-Mn、Al-Sc、Al-Yb、Al-Tb中间合金，搅拌4～10min，然后保温10～20min；
⑤加Al-Zr：待步骤④完成后，温度升至760～800℃之间，加入Al-Zr中间合金，然后在730～760℃之间保温5～15min；
⑥精炼：待步骤⑤完成后，对铝合金熔体进行吹氩气处理5～20min，然后在720～760℃之间保温10～30min；
⑦浇注：待静置保温结束后，将熔体浇注到预热温度为160℃～240℃的模具中，获得铝合金铸锭。
4.如权利要求2所述的适于冷成形的铝合金的制备方法，其特征在于，所述均匀化处理阶段具体采用以下方法：
对铝合金铸锭进行双级均匀化处理：先在350～460℃均匀化处理4～36h，然后在470～510℃均匀化处理1h～20h；两次均匀化处理后分别进行水淬处理。
5.如权利要求2所述的适于冷成形的铝合金的制备方法，其特征在于，所述冷成形阶段具体采用以下方法：
将均匀化处理得到的铝合金在室温条件下进行挤压、轧制或锻造等塑性变形加工。
6.如权利要求2所述的适于冷成形的铝合金的制备方法，其特征在于，所述时效处理阶段具体采用以下方法：
对冷成形处理后的铝合金进行双级时效处理：先在70～120℃时效处理4～36h，然后在130～210℃时效处理1h～36h；两次时效处理后分别进行空冷处理。
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