高強度高韌性鋁合金棒材及其製備工藝的製作方法

2023-05-15 12:48:36 2

機
技術領域：
本發明涉及金屬材料冶煉
技術領域：
，具體涉及一種高強度高韌性鋁合金棒材的製備工藝。
背景技術：
：我國已經是全球最大的鋁擠壓材生產、出口和消費大國。當前，我國鋁擠壓工業進入規模化和技術升級的新階段，處於變革與轉型的重要時期。現在鋁合金行業已經朝著生產環保低能耗，合金性能優異的方向發展。連續擠壓是鋁合金型材生產的一種重要工藝，連續擠壓杆料無需進行預熱處理，但對於坯料要求良好的韌性、塑形以及成形性能。採用連續擠壓成形的鋁合金主要有：1050、1060、1100、3003、6063、aa1050、aa6082、aa6063、aa3103、aa1200、aa3005和aa3004等1系、3系和6系鋁合金。隨著科技的發展，連續擠壓技術不斷的提高，通過對擠壓工藝以及工模具的設計和優化，所能生產的產品截面日益複雜，各種型材層出不窮，然而，連續擠壓始終針對的對象均是軟鋁合金。對於2xxx系、4xxx系、5xxx系以及7xxx系等硬鋁合金，由於塑性變形抗力較大，成型性能較差，普遍被認為無法採用連續擠壓技術加工成形。現有技術中，想要獲得高強度的合金材料，就要以犧牲韌性、耐蝕性以及成形性等為代價。然而隨著現代工業與國防的發展，不僅對於鋁合金的需求量越來越大，對於鋁合金綜合性能的要求也越來越高。特別是在航空航天以及汽車製造等領域，不僅對於降低結構件重量以降低能耗、節約資源的要求越來越高，而且對於主要結構件能夠承受巨大衝擊和振動亦即具備良好的韌性的要求也日益迫切，兼具高強度、高韌性以及優良的耐腐蝕性和成形性等優異綜合性能的鋁合金亟待出現。上述提及的鋁合金，或純度較低，或韌性不高，或耐腐蝕性能較差，或成形性不佳，在綜合性能方面均有所欠缺，人們所期待的綜合性能優異的鋁合金至今尚未出現。技術實現要素：針對現有技術的不足，本發明目的在於提供一種高強度高韌性鋁合金棒材及其製備工藝，它具有高純度、高強度、高韌性，在工業生產中具有廣闊的應用前景。一種高強度高韌性鋁合金棒材，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高強度高韌性鋁合金棒材含有以下元素：zn3.15～5.21％，mn0.35～1.2％，mg0.56～1.28％，sb0.01～0.08％，cu0.08～0.15％，zr0.05～0.12％，v0.06～0.16％，稀土元素0.003～0.012％，其餘為al和不可避免的雜質。鎂能不僅可以提高鋁合金的抗腐蝕性，還能提高鋁合金的強度；在鋁中同時加入鋅和鎂，形成強化相mg/zn2，對合金產生明顯的強化作用，明顯增加鋁合金的抗拉強度和屈服強度；錳能阻止鋁合金的再結晶過程，提高再結晶溫度，並能顯著細化再結晶晶粒，其中再結晶晶粒的細化主要是通過mnal6化合物彌散質點對再結晶晶粒長大起阻礙作用，mnal6的還能溶解雜質鐵，形成(fe、mn)al6，減小鐵的有害影響；釩在鋁合金中形成難熔化合物，在熔鑄過程中起細化晶粒作用，釩也有細化再結晶組織、提高再結晶溫度的作用；銻改善了熱壓與冷壓工藝性能；鋯和鋁形成zral3化合物，可阻礙再結晶過程，細化再結晶晶粒；鉭可以顯著提高鋁合金的耐腐蝕性能。影響鋁合金性能的主要因素就是各物質的配比，為了提高鋁合金的強度和耐腐蝕性，優選的，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述高強度高韌性鋁合金棒材含有以下元素：zn3.45～4.81％，mn0.55～1.0％，mg0.66～1.18％，sb0.01～0.08％，cu0.08～0.15％，zr0.05～0.12％，v0.06～0.16％，稀土元素0.003～0.012％，其餘為al和不可避免的雜質。優選的，以鋁合金型材的總量為基準，按重量百分比計，所述zn、mn、mg的總量為4.2～7.2％。根據本發明，稀土金屬能與體系中的鋁化物形成新的多元彌散相，這種新的多元彌散相能強烈釘扎位錯和亞晶界，顯著抑制基體的再結晶，保留了以小角度晶界為主的纖維狀組織，從而改善了鋁合金型材的腐蝕性能，所述稀土元素為本領域技術人員所常知的稀土金屬，優選的，所述稀土元素為鈧、釔、鈮、鑭系元素中的至少一種。優選的，所述高韌性耐蝕鋁合金延伸率為8～15.3％，屈服強度為682～850mpa。一種高強度高韌性鋁合金棒材的製備工藝，包括以下步驟：(1)將純鋁錠加入中頻感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為725～738℃，熔煉時間為20～30min，然後降溫至650～680℃，保溫15～30min，得到鋁熔液，將鋁熔液升溫至880～900℃按比例加入鋅錠、錳錠、鎂錠、銻錠、銅錠、鋯錠、釩錠和稀土金屬，開啟電路振動裝置使合金液體充分混合，然後以5～10℃/min的速率冷卻至650～670℃，在熔液中加入除渣劑，調節熔液成分；(2)將步驟(1)的熔液在真空條件下鑄造成型，得到鋁錠，將鋁錠在520～550℃下進行均勻化熱處理，保溫10～15h，空冷至430～450℃，將鋁錠擠壓成棒材，空冷至室溫；(3)對棒材進行固溶處理，然後進行連續擠壓處理；(4)將步驟(3)的鋁合金棒材鑄錠升溫至520～530℃下保溫1～2h，，然後油冷至230～240℃，再空冷至室溫，得到高強度高韌性鋁合金棒材。優選的，在步驟(1)中，所述除渣劑包括以下重量份的物質：nacl25～32份、na3alf625～32份、na2sif615～20份和na2co315～25份。優選的，在步驟(3)中，所述擠壓處理的擠壓比為0.8～1。優選的，在步驟(3)中，所述固溶工藝為在530～550℃保溫60～90min，水冷至室溫。與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：(1)鋁通過與其它金屬在體系中形成了鋁化物彌散相，並產生協同作用，起到細化鑄態晶粒，強化釘扎位錯的作用，從而顯著提高了鋁合金型材的再結晶溫度，降低了晶粒的再結晶，並克服了淬火敏感問題，改善了鋁合金型材的強度、斷裂韌性和抗應力腐蝕性。(2)在生產過程中，降低了鋁合金鑄錠的加熱溫度以及擠壓速度，能夠降低鋁合金的動態回復程度，進而避免粗大晶粒以及深度粗晶環的形成，從而提高鋁合金的強度。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。實施例1一種高強度高韌性鋁合金棒材，包括以下元素：zn3.65％，mn0.58％，mg0.86％，sb0.03％，cu0.09％，zr0.06％，v0.07％，鈧系元素0.005％，其餘為al和不可避免的雜質，所述zn、mn、mg的總量為5.09％。所述的高強度高韌性鋁合金棒材的生產工藝包括以下步驟：(1)將純鋁錠加入中頻感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為730℃，熔煉時間為20min，然後降溫至660℃，保溫20min，得到鋁熔液，將鋁熔液升溫至890℃按比例加入鋅錠、錳錠、鎂錠、銻錠、銅錠、鋯錠、釩錠和稀土金屬，開啟電路振動裝置使合金液體充分混合，然後以6℃/min的速率冷卻至660℃，在熔液中加入除渣劑，調節熔液成分，所述除渣劑包括以下重量份的物質：nacl26份、na3alf627份、na2sif615份和na2co320份；(2)將步驟(1)的熔液在真空條件下鑄造成型，得到鋁錠，將鋁錠在530℃下進行均勻化熱處理，保溫10h，空冷至440℃，將鋁錠擠壓成棒材，空冷至室溫；(3)對棒材進行固溶處理，所述固溶工藝為在540℃保溫70min，水冷至室溫，然後進行連續擠壓處理，所述擠壓處理的擠壓比為0.8；(4)將步驟(3)的鋁合金棒材鑄錠升溫至520℃下保溫1h，，然後油冷至230℃，再空冷至室溫，得到高強度高韌性鋁合金棒材。實施例2一種高強度高韌性鋁合金棒材，包括以下元素：zn3.92％，mn0.75％，mg0.82％，sb0.05％，cu0.11％，zr0.08％，v0.08％，鈧系元素0.006％，其餘為al和不可避免的雜質，所述zn、mn、mg的總量為5.49％。所述的高強度高韌性鋁合金棒材的生產工藝包括以下步驟：(1)將純鋁錠加入中頻感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為731℃，熔煉時間為20min，然後降溫至660℃，保溫20min，得到鋁熔液，將鋁熔液升溫至890℃按比例加入鋅錠、錳錠、鎂錠、銻錠、銅錠、鋯錠、釩錠和稀土金屬，開啟電路振動裝置使合金液體充分混合，然後以6℃/min的速率冷卻至660℃，在熔液中加入除渣劑，調節熔液成分，所述除渣劑包括以下重量份的物質：nacl27份、na3alf628份、na2sif618份和na2co319份；(2)將步驟(1)的熔液在真空條件下鑄造成型，得到鋁錠，將鋁錠在540℃下進行均勻化熱處理，保溫10h，空冷至440℃，將鋁錠擠壓成棒材，空冷至室溫；(3)對棒材進行固溶處理，所述固溶工藝為在540℃保溫70min，水冷至室溫，然後進行連續擠壓處理，所述擠壓處理的擠壓比為0.9；(4)將步驟(3)的鋁合金棒材鑄錠升溫至520℃下保溫1h，，然後油冷至230℃，再空冷至室溫，得到高強度高韌性鋁合金棒材。實施例3一種高強度高韌性鋁合金棒材，包括以下元素：zn4.22％，mn0.90％，mg1.03％，sb0.02％，cu0.11％，zr0.08％，v0.12％，鈧系元素0.009％，其餘為al和不可避免的雜質，所述zn、mn、mg的總量為6.15％。所述的高強度高韌性鋁合金棒材的製備工藝包括以下步驟：(1)將純鋁錠加入中頻感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為733℃，熔煉時間為30min，然後降溫至670℃，保溫20min，得到鋁熔液，將鋁熔液升溫至890℃按比例加入鋅錠、錳錠、鎂錠、銻錠、銅錠、鋯錠、釩錠和稀土金屬，開啟電路振動裝置使合金液體充分混合，然後以7℃/min的速率冷卻至660℃，在熔液中加入除渣劑，調節熔液成分，所述除渣劑包括以下重量份的物質：nacl30份、na3alf630份、na2sif616份和na2co316份；(2)將步驟(1)的熔液在真空條件下鑄造成型，得到鋁錠，將鋁錠在540℃下進行均勻化熱處理，保溫12h，空冷至440℃，將鋁錠擠壓成棒材，空冷至室溫；(3)對棒材進行固溶處理，所述固溶工藝為在540℃保溫70min，水冷至室溫，然後進行連續擠壓處理，所述擠壓處理的擠壓比為1；(4)將步驟(3)的鋁合金棒材鑄錠升溫至520℃下保溫2h，，然後油冷至235℃，再空冷至室溫，得到高強度高韌性鋁合金棒材。實施例4一種高強度高韌性鋁合金棒材，包括以下元素：zn3.15％，mn0.35％，mg0.56％，sb0.01％，cu0.08％，zr0.05％，v0.06％，鈧系元素0.003％，其餘為al和不可避免的雜質，所述zn、mn、mg的總量為4.06％。所述的高強度高韌性鋁合金棒材的製備工藝包括以下步驟：(1)將純鋁錠加入中頻感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為727℃，熔煉時間為20min，然後降溫至680℃，保溫15min，得到鋁熔液，將鋁熔液升溫至880～900℃按比例加入鋅錠、錳錠、鎂錠、銻錠、銅錠、鋯錠、釩錠和稀土金屬，開啟電路振動裝置使合金液體充分混合，然後以5℃/min的速率冷卻至670℃，在熔液中加入除渣劑，調節熔液成分，所述除渣劑包括以下重量份的物質：nacl25份、na3alf625份、na2sif615份和na2co325份；(2)將步驟(1)的熔液在真空條件下鑄造成型，得到鋁錠，將鋁錠在520℃下進行均勻化熱處理，保溫10h，空冷至430℃，將鋁錠擠壓成棒材，空冷至室溫；(3)對棒材進行固溶處理，所述固溶工藝為在530℃保溫60min，水冷至室溫，然後進行連續擠壓處理，所述擠壓處理的擠壓比為0.8；(4)將步驟(3)的鋁合金棒材鑄錠升溫至520℃下保溫2h，，然後油冷至230℃，再空冷至室溫，得到高強度高韌性鋁合金棒材。實施例5一種高強度高韌性鋁合金棒材，包括以下元素：zn5.21％，mn1.2％，mg1.28％，sb0.08％，cu0.15％，zr0.12％，v0.16％，釔系元素0.012％，其餘為al和不可避免的雜質，所述zn、mn、mg的總量為7.69％。所述的高強度高韌性鋁合金棒材的生產工藝包括以下步驟：(1)將純鋁錠加入中頻感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為738℃，熔煉時間為30min，然後降溫至680℃，保溫30min，得到鋁熔液，將鋁熔液升溫至900℃按比例加入鋅錠、錳錠、鎂錠、銻錠、銅錠、鋯錠、釩錠和稀土金屬，開啟電路振動裝置使合金液體充分混合，然後以10℃/min的速率冷卻至670℃，在熔液中加入除渣劑，調節熔液成分，所述除渣劑包括以下重量份的物質：nacl32份、na3alf632份、na2sif620份和na2co325份；(2)將步驟(1)的熔液在真空條件下鑄造成型，得到鋁錠，將鋁錠在550℃下進行均勻化熱處理，保溫15h，空冷至450℃，將鋁錠擠壓成棒材，空冷至室溫；(3)對棒材進行固溶處理，所述固溶工藝為在550℃保溫90min，水冷至室溫，然後進行連續擠壓處理，所述擠壓處理的擠壓比為1；(4)將步驟(3)的鋁合金棒材鑄錠升溫至530℃下保溫2h，，然後油冷至240℃，再空冷至室溫，得到高強度高韌性鋁合金棒材。對比例1一種高強度高韌性鋁合金棒材，包括以下元素：zn2.12％，mn0.11％，mg0.24％，sb0.05％，cu0.08％，zr0.05％，v0.06％，鑭系元素0.007％，其餘為al和不可避免的雜質，所述zn、mn、mg的總量為2.47％。所述的高強度高韌性鋁合金棒材的生產工藝包括以下步驟：(1)將純鋁錠加入中頻感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為730℃，熔煉時間為20min，然後降溫至660℃，保溫20min，得到鋁熔液，將鋁熔液升溫至890℃按比例加入鋅錠、錳錠、鎂錠、銻錠、銅錠、鋯錠、釩錠和稀土金屬，開啟電路振動裝置使合金液體充分混合，然後以6℃/min的速率冷卻至660℃，在熔液中加入除渣劑，調節熔液成分，所述除渣劑包括以下重量份的物質：nacl26份、na3alf627份、na2sif615份和na2co320份；(2)將步驟(1)的熔液在真空條件下鑄造成型，得到鋁錠，將鋁錠在530℃下進行均勻化熱處理，保溫10h，空冷至440℃，將鋁錠擠壓成棒材，空冷至室溫；(3)對棒材進行固溶處理，所述固溶工藝為在540℃保溫70min，水冷至室溫，然後進行連續擠壓處理，所述擠壓處理的擠壓比為0.8；(4)將步驟(3)的鋁合金棒材鑄錠升溫至520℃下保溫1h，，然後油冷至230℃，再空冷至室溫，得到高強度高韌性鋁合金棒材。對比例2一種高強度高韌性鋁合金棒材，包括以下元素：zn6.21％，mn1.6％，mg0.26％，sb0.05％，cu0.11％，zr0.08％，v0.08％，鈧系元素0.006％，其餘為al和不可避免的雜質，所述zn、mn、mg的總量為8.07％。所述的高強度高韌性鋁合金棒材的製備工藝包括以下步驟：(1)將純鋁錠加入中頻感應爐中進行熔煉，熔煉溫度為731℃，熔煉時間為20min，然後降溫至660℃，保溫20min，得到鋁熔液，將鋁熔液升溫至890℃按比例加入鋅錠、錳錠、鎂錠、銻錠、銅錠、鋯錠、釩錠和稀土金屬，開啟電路振動裝置使合金液體充分混合，然後以6℃/min的速率冷卻至660℃，在熔液中加入除渣劑，調節熔液成分，所述除渣劑包括以下重量份的物質：nacl27份、na3alf628份、na2sif618份和na2co319份；(2)將步驟(1)的熔液在真空條件下鑄造成型，得到鋁錠，將鋁錠在540℃下進行均勻化熱處理，保溫10h，空冷至440℃，將鋁錠擠壓成棒材，空冷至室溫；(3)對棒材進行固溶處理，所述固溶工藝為在540℃保溫70min，水冷至室溫，然後進行連續擠壓處理，所述擠壓處理的擠壓比為0.9；(4)將步驟(3)的鋁合金棒材鑄錠升溫至520℃下保溫1h，，然後油冷至230℃，再空冷至室溫，得到高強度高韌性鋁合金棒材。表1實施例1-5、對比例1-2的鋁合金棒材的相關性能實施例抗拉強度/mpa屈服強度/mpa延伸率/％實施例1412.3765.514.9實施例2411.1759.514.3實施例3409.2756.114.5實施例4402.1692.211.9實施例5401.9692.911.7對比例1204.5189.25.6對比例2206.5196.26.5以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁12