CN104313413A - 一种Al-Mg-Zn系合金及其合金板材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Al-Mg-Zn系合金及其合金板材的制备方法，属于有色金属领域。Al-Mg-Zn系合金的质量百分比含量为，4.0～5.7％Mg，2.5～4.0％Zn，0～0.4％Cu，0.4～1.2％Mn，0～0.1％Cr，0～0.15％Ti，0.05～0.25％Zr，0～0.4％Fe，0～0.4％Si，其余为Al。该合金充分利用Al-Zn-Mg-Cu系列合金的主要强化相η-MgZn2以及T-Mg2Al3Zn3及其过渡相的强化作用，采用本发明的制备工艺，使该合金在时效析出过程中具有优异的时效强化效果。由本发明所制备的合金T6态板材相对于传统的H131冷轧态板材具有更加优异的强度及延伸率。所制备的合金板材适用于装甲以及船舶等铝合金相关领域。
Description
技术领域
本发明属于有色金属及其制备领域，尤其涉及一种高强度可工业化应用的Al-Mg-Zn型合金，及由这种合金制得的板材产品。
发明背景
为了降低动力用燃料和提高大型运载工具的效益，降低结构重量已是一种必然的趋势。高Mg的5×××系铝合金具有良好的抗腐蚀性、成形性、可焊性以及中等强度，是装甲以及船舶减重用板材的最佳选择之一，如H321和H116状态的5×××系铝合金是大型船舶用板材的重要结构材料，H131和H136状态的5×××系铝合金则广泛应用于军用装甲车外板及坦克底板。目前国际上已有的AA5083、AA5383及AA5059等合金在这个领域都取得了相当成功的应用。其中美国铝业协会1999年登记注册的AA5059合金在AA5083合金的基础上大幅提高了合金中Mg、Zn和Cu的含量，在保持延伸率基本不变的前提下，显著提高了合金的屈服强度和抗拉强度，同时保持合金的抗腐蚀性不低于AA5083合金。该合金以其优异的综合性能正逐步占据装甲以及船舶材料领域的市场。
上述三种合金的组成范围分别为：AA5083：Mg含量为4.0至4.9，Mn含量为0.4至1.0，Cr含量为0.05至0.25，Zn含量最高为0.25，Cu含量最高为0.1，Ti含量最高为0.15，Fe含量最高为0.4，Si含量最高为0.4；AA5383：Mg含量为4.0至5.2，Mn含量为0.7至1.0，Cr含量最高为0.25，Zn含量最高为0.4，Cu含量最高为0.2，Ti含量最高为0.15，Fe含量最高为0.25，Si含量最高为0.25，Zr含量最高为0.2；AA5059：Mg含量为5.0至6.0，Mn含量为0.6至1.2，Cr含量最高为0.25，Zn含量为0.4至0.9，Cu含量最高为0.25，Ti含量最高为0.2，Fe含量最高为0.5，Si含量最高为0.45，Zr含量为0.05至0.25。其中AA5059合金也公开在US-6695935-B1、US-6238495-B1、CN-101233252-A和CN-101631882-A专利中。
我们目前已经申请的专利(申请号201410117124.8)在AA5059合金的基础上，进一步微量提高合金中Zn的含量，通过优化合金的加工工艺，进一步提高了合金H131状态的力学性能以及H321状态的力学性能和抗腐蚀性能。该合金不仅可应用于船舶材料领域，同时也可用做装甲板材料等。另一份专利(申请号201410381094.1)在此基础上继续添加Zn含量并且通过优化合金的加工工艺，增大合金的冷轧量，显著提高了合金的强度以及抗晶间腐蚀性能。
本发明基于Al-Zn-Mg(7xxx系)合金脱溶沉淀形成球状GP区→η'→η(MgZn2)，球状GP区→T'→T(Al2Mg3Zn3),固溶时效处理起析出强化作用的科学思想，提出了5xxx系合金设计的新概念。通过在5xxx系合金中引入大量Zn来降低Mg的相对固溶含量，大量消耗Al-Mg析出相，促使晶内生成大量含Zn复合相，起析出强化作用。调整合金的固溶成分，将不可热处理析出强化的5xxx系合金转化成可时效析出强化型合金，显著提高合金的力学性能。这是本方法与AA5059合金添加少量Zn的本质区别。这样就为研究开发高强度高延伸率的新合金提供了新思路，具有良好的研究和应用前景。
发明内容：
为了克服现有技术的不足，针对常规Al-Mg系合金时效析出不够理想的特点，开发出一种可以时效析出强化的新型Al-Mg-Zn系合金，显著提高5×××系铝合金的力学性能。
本发明通过相图成分设计和优化首先对Al-Mg-Zn合金的成分范围进行选择，然后通过熔炼铸造等加工工艺制备所设计的合金，并对其冷轧态以及时效析出态进行研究，最终确定具有冷轧态以及时效析出强化态Al-Mg-Zn合金的成分。
本发明的第一目的在于提供一种具有高强度的新型5×××系Al-Mg-Zn合金，其特征在于该合金的化学成分具有质量百分比含量为：4.0～5.7％Mg，2.5～4.0％Zn，0～0.4％Cu，0.4～1.2％Mn，0～0.1％Cr，0～0.15％Ti，0.05～0.25％Zr，0～0.4％Fe，0～0.4％Si，其余为Al。
优选的，所述铝合金的质量百分比含量为，4.3～5.5％Mg，2.5～3.5％Zn，0～0.2％Cu，0.6～1.0％Mn，0～0.1％Cr，0～0.15％Ti，0.05～0.25％Zr，0～0.2％Fe，0～0.2％Si，其余为Al。
本发明的第二目的在于提出一种上述新型5×××系Al-Mg-Zn合金的制备方法。所述合金时效析出强化态板材制备工艺如下：合金成分选择→合金的熔炼铸造→双级均匀化退火→热轧变形→中间退火→冷轧变形→固溶水淬处理→双级T6时效处理。
优选的，所述铝合金板材的双级均匀化退火工艺具体为：将熔炼铸造后的合金试样以20～40℃/h升温速率开始从室温升温至425～440℃保温3～8h，然后再以20～40℃/h升温速率继续升温至510～535℃保温5～15h，最后再以20～40℃/h降温速率随炉降温至室温。
优选的，所述铝合金板材的热轧变形工艺具体为：将试样加热到470～500℃保温2h，进行变形量为90％以上的热变形，终轧温度大于380℃。
优选的，所述铝合金板材的中间退火工艺具体为：将试样加热到350～450℃保温0.5～2h，然后空冷。
优选的，所述铝合金板材的冷轧变形工艺具体为：试样冷轧变形量为10～30％。
优选的，所述铝合金板材的固溶及水淬处理工艺具体为：将试样在500～535℃的盐浴炉中保温10～30min，然后直接进行水淬。
优选的，所述铝合金板材的双级T6时效处理工艺具体为：将试样在50～100℃的热处理炉中进行12～24h的第一级时效处理，然后再在110～160℃进行10～30h的第二级时效处理。
通过上述技术方案，本发明具有如下的优越性：本发明的新型5×××系Al-Mg-Zn合金，通过固溶时效处理调控，最终使合金基体内均匀弥散分布有大量强化相，使合金相对传统冷轧态的Al-Mg合金具有较大的强度提升。本发明合金非常适用于装甲及船舶用铝合金材料的进一步开发和生产等。
具体实施方式
现在参考下面的实施例来说明本发明。
在实验室范围内制备了9种合金，其中合金1、合金2、合金4、合金5、合金6以及合金8为参考合金，合金3、合金7和合金9为本发明的3个实施方案。
表1实施发明合金化学成分表(质量百分数，wt％)
合金的参考状态H131冷变形状态的制备方法如下：将实施发明合金经熔炼铸造后，以20～40℃/h升温速率开始从室温升温至425～440℃保温3～8h，然后再以20～40℃/h升温速率继续升温至500～535℃保温5～15h，最后再以20～40℃/h降温速率随炉降温至室温。将试样加热到470～500℃保温2h，进行变形量为90％以上的热变形，终轧温度大于380℃。将试样加热到350～450℃保温0.5～2h，取出空冷。然后将试样进行变形量为10～30％的冷轧变形。
本发明双级T6时效处理状态的制备方法如下：将实施发明合金经熔炼铸造后，以20～40℃/h升温速率开始从室温升温至425～440℃保温3～8h，然后再以20～40℃/h升温速率继续升温至500～535℃保温5～15h，最后再以20～40℃/h降温速率随炉降温至室温。将试样加热到470～500℃保温2h，进行变形量为90％以上的热变形，终轧温度大于380℃。将试样加热到350～450℃保温0.5～2h，取出空冷。然后将试样进行变形量为10～30％的冷轧变形。将试样在500～535℃的盐浴炉中保温10～30min，然后将试样直接进行水淬。将试样在50～100℃的热处理炉中进行12～36h的第一级时效处理，然后再在110～160℃进行10～40h的第二级时效处理。
所测得合金H131冷轧状态以及双级时效析出T6状态的力学性能如表2所示。
表2合金的力学性能
通过表2可知，参考合金1、合金2、合金4、合金5、合金6和合金8双级时效T6状态的抗拉强度和屈服强度均比相应合金H131状态低；但是由本发明所制备的合金3、合金7和合金9的双级时效T6状态的抗拉强度和屈服强度比相应合金H131状态高，而且其与现有参考合金相比具有更加优异的强度和延伸率。根据本发明的合金成分和制备工艺所获得的合金板材具有非常优异的时效析出强化效果。
Claims (9)
1.一种Al-Mg-Zn系合金，其特征在于，Al-Mg-Zn系合金质量百分比含量为，4.0～5.7％Mg，2.5～4.0％Zn，0～0.4％Cu，0.4～1.2％Mn，0～0.1％Cr，0～0.15％Ti，0.05～0.25％Zr，0～0.4％Fe，0～0.4％Si，其余为Al。
2.根据权利要求1所述的Al-Mg-Zn系合金，其特征在于，所述Al-Mg-Zn系合金质量为，4.3～5.5％Mg，2.5～3.5％Zn，0～0.2％Cu，0.6～1.0％Mn，0～0.1％Cr，0～0.15％Ti，0.05～0.25％Zr，0～0.2％Fe，0～0.2％Si，其余为Al。
3.采用权利要求1或2所述的Al-Mg-Zn系合金制备铝合金板材的方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：熔炼铸造；双级均匀化退火；热轧变形；中间退火；冷轧变形；固溶及水淬处理；双级时效处理。
4.根据权利要求3所述的制备铝合金板材的方法，其特征在于，所述铝合金板材的双级均匀化退火工艺具体为：将熔炼铸造后的合金试样以20～40℃/h的升温速率开始从室温升温至425～440℃保温3～8h，然后再以20～40℃/h的升温速率继续升温至500～535℃保温5～15h，最后再以20～40℃/h的降温速率随炉降温至室温。
5.根据权利要求3所述的制备铝合金板材的方法，其特征在于，所述铝合金板材的热轧变形工艺具体为：将试样加热到470～500℃保温2h，进行变形量为90％以上的热变形，终轧温度大于380℃。
6.根据权利要求3所述的制备铝合金板材的方法，其特征在于，所述铝合金板材的中间退火工艺具体为：将试样加热到350～450℃保温0.5～2h，然后空冷。
7.根据权利要求3所述的制备铝合金板材的方法，其特征在于，所述铝合金板材的冷轧变形工艺具体为：试样冷轧变形量为10～30％。
8.根据权利要求3所述的制备铝合金板材的方法，其特征在于，所述铝合金板材的固溶及水淬处理工艺具体为：将试样在500～535℃的盐浴炉中保温10～30min，然后将试样直接进行水淬。
9.根据权利要求3所述的制备铝合金板材的方法，其特征在于，所述铝合金板材的双级时效处理工艺具体为：将试样在50～100℃的热处理炉中进行12～36h的第一级时效处理，然后再在110～160℃进行10～40h的第二级时效处理。
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