一種高強度鋁合金材料配方及其製備方法與流程
2024-02-17 06:36:15
本發明屬於新型材料技術領域，具體涉及一種高強度鋁合金材料配方及其製備方法。
背景技術：
鋁是一種銀白色的金屬，具有密度低，只有2.79/cm3，約為鋼、銅或黃銅的密度( 分別為7.839/cm3，8.939/cm3) 的1/3。導電性和導熱性好、塑性高、抗腐蝕性能好等特點，鋁的表面具有高度的反射性，輻射能、可見光、輻射熱和電波都能有效地被鋁反射，而陽極氧化和深色陽極氧化的表面可以是反射性的，也可以是吸收性的，拋光後的鋁在很寬波長範圍內具有優良的反射性，因而具有各種裝飾用途及具有反射功能性的用途。鋁的化學性質活潑，在空氣中易與氧結合，表面形成一層緻密堅固的氧化鋁薄膜，可保護內層金屬不再繼續氧化，故在大氣中有極好的穩定性。鋁在大自然中的蘊藏量非常豐富，鋁在地殼中的含量為7.45％，僅次於氧和矽，我國鋁土礦的儲量也居世界前列，探明儲量有6.3 億噸，而且它是一種具有很強再生性的金屬，它的「綠色生命力」可供持續發揮。
由於純鋁的硬度較小，所以難以作為結構性材料使用，為了充分利用鋁的其它優良性能，改善鋁的機械強度，通常是通過添加其他金屬成分，生成不同種類的鋁合金。在現代生活中，鋁及鋁合金已經廣泛地應用在各種行業中。
鋁合金具有以下優點：
(1) 密度小：密度小對於航天航空器、船舶、車輛等交通工具及建築物輕量化非常有益，在交通運輸中，能大大減少油耗，同時也可以節省搬運費和加工費，降低成本，在工業、建築業、民用業等領域的應用越來越廣泛；
(2) 良好的耐腐蝕性、耐候性：鋁及鋁合金在大氣中能夠形成一層硬而且緻密，具有良好抗腐蝕性能的氧化膜，通過陽極氧化、電泳塗漆、粉末噴塗等表面處理，可進一步提高鋁材的抗腐蝕性；
(3) 良好的機加工性和裝飾性：鋁合金具有良好的可塑性，可加工成各種規格、形狀的產品，通過表面處理可生成不同性質、不同顏色的膜層，具有良好的裝飾性；
(4) 良好的導熱性：鋁合金的導熱率大約是銅的50.6％，這對製造熱交換器、蒸發器、加熱電器、炊事用具，以及汽車的缸蓋與散熱器非常有利；
(5) 良好的可鍛性：鋁合金可以鍛造成強度高、形狀與品種繁多的鍛件，它們的最終部件鍛造設計標準的選擇範圍非常寬泛；
(6) 良好的可焊性：鋁合金可用各式各樣的方法連接，包括熔焊、電阻焊、硬焊、軟焊、粘結以及諸如鉚接和栓接之類的機械方法；
(7) 極高的回收性：再生鋁合金的特性與原生鋁合金幾乎沒有差別，這點使鋁合金成為環保人士的寵兒，環保性相當好；
(8) 鋁合金有高的比強度、比剛度、斷裂韌性和疲勞強度，用其代替鋼鐵材料可大大減輕零構件的重量，增加結構的穩定性。作為一種工程結構材料，在液體飛彈、運載火箭和飛機中得到廣泛應用，在其它行業應用也十分廣泛；
(9) 特定鋁合金具有高電阻率，這些合金可用於如高轉矩的電動機中；
鋁合金按加工方法可以分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。
變形鋁合金的分類方法很多，目前，世界上絕大部分國家通常按以下三種方法進行分類：
(1) 按合金狀態圖及熱處理特點分為可熱處理強化鋁合金和不可熱處理強化鋁合金兩大類。可熱處理強化型鋁合金可以通過淬火和時效等熱處理手段來提高機械性能，它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金等；鋁合金可以採用熱處理獲得良好的機械性能、物理性能和抗腐蝕性能。可熱處理強化鋁合金如：純鋁、Al-Mn、Al-Mg、Al-Si 系合金。不可熱處理強化型不能通過熱處理來提高機械性能，只能通過冷加工變形來實現強化，它主要包括高純鋁、工業高純鋁、工業純鋁以及防鏽鋁等。不可熱處理強化鋁合金如：Al-Mg、Si、Al-Cu、Al-Zn-Mg 系合金；
(2) 按合金性能和用途可分為：工業純鋁、光輝鋁合金、切削鋁合金、耐熱鋁合金、低強度鋁合金、中強度鋁合金、高強度鋁合金( 硬鋁)、超高強度鋁合金( 超硬鋁)、鍛造鋁合金及特殊鋁合金等；
(3) 按合金中所含主要合金元素成分可分為：工業純鋁，Al-Cu 合金，Al-Mn 合金，Al-Si 合金，Al-Mg 合金，Al-Mg-Si 合金，Al-Zn 合金，AL- 其它元素合金元素。
Al-Zn-Mg-Cu 合金屬於超高強鋁合金，是可熱處理強化合金，具有較高的比強度，但是由於峰值時效狀態下，抗應力腐蝕能力和斷裂韌性都比較差，限制了其廣泛應用。因此，優化合金成分和熱處理工藝獲得綜合性能良好的合金一直是廣大材料研究工作者共同追求的目標。
技術實現要素：
為了克服現有的高強鋁合金材料的技術不足和缺陷，本發明提供一種高強度鋁合金材料配方及其製備方法。所述鋁合金配方的各合金元素組分配比合理，所述製備方法生產工藝簡單、可有效提高鋁合金的總體強度和穩定性。
為實現上述目標，本發明採用以下技術方案：
一種高強度鋁合金材料配方，其特徵在於，合金元素為Al、Zn、Mg、Cu、Zr ，各合金元素的原料要求是純度為99% 以上的純元素粉末，並且按重量百分比為：Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.2%，Cu 1.7~2.0%，Zr 0.18~0.25%，餘量為Al，各組分之和為100% 。合金配料為10μm 銅粉、2μm 鋁粉、20μm 鎂粉、6~9μm 鋅粉和2~3μm 鋯粉。
一種高強度鋁合金材料的製備方法，包括如下步驟：
1）配料：按照如下組分配置合金原料，Zn 5.0~6.5%，Mg 1.7~2.2%，Cu 1.7~2.0%，Zr 0.18~0.25%，餘量為Al，各組分之和為100% ；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr 為純度99% 以上的純元素粉末，合金配料為10μm 銅粉、2μm 鋁粉、20μm 鎂粉、6~9μm 鋅粉和2~3μm 鋯粉；
2）研磨：元素粉末在輕型球磨機上以180 轉/分鐘的速度球磨24h；
3）燒結：複合料體在真空熱壓燒結爐中進行低溫高壓真空熱壓燒結，真空度≤ 0.01Pa，燒結溫度為560℃，燒結時間為5h，燒結壓力為100MPa；
4）熱處理：對採用低溫高壓真空熱壓燒結的燒結體進行高溫固溶熱處理，溫度為650℃，真空度≤ 0.01Pa，燒結時間15h；
5）擠壓：燒結後的試樣經過熱擠壓，擠壓前模具預熱溫度為485℃，擠壓比為4 ：1~15 ：1，擠壓速率為1.5m/min；
6）固溶：擠壓件在470℃進行一級固溶2h，之後升溫至485℃二級固溶3h；
7）時效：擠壓件在完成二級固溶後，淬入室溫水中，然後在120℃進行一級時效24h，升溫至180℃二級時效2h，降溫至120℃三級時效24h。
本發明的優點和有益效果為：與現有技術相比，本發明通過大量實驗選擇了合理配比，尤其是本發明的原料均採用純元素粉末的方法進行混料，通過球磨混料，使幾種元素粉末充分混合，然後通過大量實驗，選擇合適的低溫高壓真空熱壓燒結和高溫固溶熱處理方法和參數，使鋅、鎂、銅、鋯等元素在鋁基體中固溶超過其理論固溶度，並使粉末反應充分進行，以獲得緻密度高、孔隙率少、金屬間化合物相細小彌散分布的燒結態樣品，再進行熱處理獲得納米尺寸分布的時效析出強化相，最終使得合金的組織處於多相細小彌散分布狀態，從而使其具有良好的綜合機械性能，同時，由於沒有Fe、Si 等雜質元素的影響，其性能進一步加強。本發明使用的粉末純度較高、粒徑細小，儘量避免有害雜質的加入，使得合金的性能得到了加強。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明。
實施例
一種高強度鋁合金材料配方，其特徵在於，合金元素為Al、Zn、Mg、Cu、Zr ，各合金元素的原料是純度為99% 以上的純元素粉末，按重量百分比為：Zn 5.5%，Mg 1.9%，Cu 1.8%，Zr 0.20%，餘量為Al，各組分之和為100% 。合金配料為10μm 銅粉、2μm 鋁粉、20μm 鎂粉、8μm 鋅粉和2μm 鋯粉。
一種高強度鋁合金材料的製備方法，包括如下步驟：
1）配料：按照如下組分配置合金原料，Zn 5.5%，Mg 1.9%，Cu 1.8%，Zr 0.20%，餘量為Al，各組分之和為100% ；其中，Al、Zn、Mg、Cu、Zr 為純度99% 以上的純元素粉末，合金配料為10μm 銅粉、2μm 鋁粉、20μm 鎂粉、8μm 鋅粉和2μm 鋯粉；
2）研磨：元素粉末在輕型球磨機上以180 轉/分鐘的速度球磨24h；
3）燒結：複合料體在真空熱壓燒結爐中進行低溫高壓真空熱壓燒結，真空度≤ 0.01Pa，燒結溫度為560℃，燒結時間為5h，燒結壓力為100MPa；
4）熱處理：對採用低溫高壓真空熱壓燒結的燒結體進行高溫固溶熱處理，溫度為650℃，真空度≤ 0.01Pa，燒結時間15h；
5）擠壓：燒結後的試樣經過熱擠壓，擠壓前模具預熱溫度為485℃，擠壓比為4 ：1~15 ：1，擠壓速率為1.5m/min；
6）固溶：擠壓件在470℃進行一級固溶2h，之後升溫至485℃二級固溶3h；
7）時效：擠壓件在完成二級固溶後，淬入室溫水中，然後在120℃進行一級時效24h，升溫至180℃二級時效2h，降溫至120℃三級時效24h。
最後應說明的是：顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。