一种高强、轻质ALMGZN合金.pdf

本发明公开了一种高强、轻质Al-Mg-Zn铝合金，其化学成分重量百分比为：Mg=6.0~10.0%；Zn=3.0~5.0%；Cu<2.0%；Mn<1.2%；Fe<0.3%；Si<0.3%；加入Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd中的至少一种元素，单种元素加入量小于0.5%。本发明中的Al-Mg-Zn合金密度小于2.7g/cm3，采用合适的均匀化制度，压力加工，固溶淬火时效处理后，在T6状态下抗拉强度大于530MPa，延伸率大于8%，硬度大于170HV。

权利要求书
1.  一种高强、轻质Al-Mg-Zn铝合金，其特征在于化学成分重量百分比为：Mg=6.0~10.0%；Zn=3.0~5.0%；Cu<2.0%；Mn<1.2%；Fe<0.3%；Si<0.3%；Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr和Nd中的至少一种元素，按下述要求加入：
当Mn=0~0.3%时，至少加入Cr、Ti中的一种；至少加入Zr、Sc、Hf中的一种；Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.5%；Cr、Ti复合加入量<0.6%；Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6%；
当0.3<Mn<0.6%时，至少加入Zr、Sc、Hf中的一种；至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种；Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5%；Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6%；La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.6%；
当Mn=0.6~1.2%时，至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种；La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5%，复合加入量<0.6%；余量为Al。

2.  根据权利要求1所述的Al-Mg-Zn铝合金，其特征在于其中Mg=7.0~9.0%；Zn=3.0~4.0%。

3.  根据权利要求2所述的Al-Mg-Zn铝合金，其特征在于Cu<1.5%；Fe<0.15%；Si<0.15%。

4.  根据权利要求1~3之一所述的Al-Mg-Zn铝合金，其特征在于当Mn=0~0.3%时，Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.3%；Cr、Ti复合加入量<0.4%；Zr、Sc、Hf复合加入量<0.4%；选择性加入La、Ce、Pr、Nd中的一种或两种以上元素，单种元素加入量小于0.08%。

5.  根据权利要求1~3之一所述的Al-Mg-Zn铝合金，其特征在于当Mn=0.3~0.6%时，Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.2%；Zr、Sc、Hf复合加入量<0.3%；La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.3%；选择性加入Cr、Ti中的一种或两种元素，单种元素加入量小于0.5%。

6.  根据权利要求1~3之一所述的Al-Mg-Zn铝合金，其特征在于当Mn=0.6~1.2%时，La、Ce、Pr、Nd单种加入或复合加入总量均小于0.2%；选择性加入Cr、Ti中的一种或两种元素，单种元素加入量小于0.3%；选择性加入Zr、Sc、Hf中的一种或两种以上元素，单种元素加入量小于0.5%。

7.  一种权利要求1~6之一所述Al-Mg-Zn铝合金的制备方法，其特征在于包括下述步骤：熔铸、二级均匀化、压力加工、固溶、淬火和时效处理。

8.  根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于二级均匀化制度：390~400℃/12h+460~470℃/12h。

9.  根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于固溶制度采用470~480℃/2h。

10.  根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于时效制度采用120~150℃/24~28h。

说明书一种高强、轻质Al-Mg-Zn合金
技术领域
本发明具体涉及一种高强、轻质Al-Mg-Zn合金，可用于航空件、模型板、 压力容器等材料，属金属材料领域。
背景技术
交通工具轻量化可大大降低交通工具的燃油消耗，提高运载能力，诸多构件 的轻量化也可方便构件的运输与使用，因此轻量化是目前交通工具及诸多构件 的发展趋势。
铝合金因具有轻质、高强、易成型等特征而广泛用作航空材料、船舶材料、 模型板、压力容器等。铝合金中2XXX(Al-Cu合金)、7XXX铝合金(Al-Zn-Mg-Cu 合金)铝合金具有较高的强度，抗拉强度大多在500MPa以上，但其密度相对较 大，在2.8g/cm3以上，部分合金密度甚至达到2.85g/cm3以上。5XXX铝合金 (Al-Mg合金)中因轻质Mg元素较多，且Zn、Cu等密度相对较高的元素含量 极少，因此5XXX铝合金密度一般在2.7g/cm3以下，但5XXX铝合金属不可热 处理强化合金，材料只具备中等强度，抗拉强度一般在250～400MPa之间。因 此，开发兼具高强度、低密度的新型Al-Mg-Zn或Al-Mg-Zn-Cu合金具有重要意 义。
申请号为201410577461.5的专利中涉及一种Al-Mg-Zn系合金及其合金板 材的制备方法，合金的化学成分百分比为：Mg＝4.0～5.7％、Zn＝2.5～4.0％、Cu ≤0.4、Mn＝0.4～1.2％、Cr≤0.1％、Ti≤0.15％、Zr＝0.05～0.25％、Fe≤0.4％、 Si≤0.4％其余为Al。但该专利中材料的抗拉强度不超过500MPa。
申请号为201310214138.7的专利中涉及一种Al-Mg-Zn-Cu合金及其制备方 法，合金的化学成分百分比为：Mg＝3.5～5.3％、Cu≤0.05～0.28、Zn＝0.5～2.0％、 Mn＝0.1～0.5％、Ti＝0.01～0.10％、Cr＝0.1％、Si≤0.2％、Fe≤0.3％，余量的Al 及不可避免的杂志。但专利主要应用与汽车板，具有良好的烘烤性能，但该专 利实施例中合金的抗拉强度低于320MPa，强度明显不足。
现有的一些Al-Mg-Zn或Al-Mg-Zn-Cu合金，Mg含量多小于7％，优选范围 甚至小于5％，合金的密度降低幅度势必不大，此外，如上述专利一样，其强度 也需要进一步提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种Al-Mg-Zn合金，通过对合金成分进行了优化调整， 并采用合理的制备工艺，使得合金具有高强、轻质的特征。
本发明的技术方案为：一种高强、轻质Al-Mg-Zn铝合金，化学成分重量百 分比为：Mg＝6.0～10.0％；Zn＝3.0～5.0％；Cu<2.0％；Mn<1.2％；Fe<0.3％；Si<0.3％； Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr和Nd中的至少一种元素，按下述要求加入：
当Mn＝0～0.3％时，至少加入Cr、Ti中的一种；至少加入Zr、Sc、Hf中的 一种；Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.5％；Cr、Ti复合加入量<0.6％； Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6％；
当0.3<Mn<0.6％时，至少加入Zr、Sc、Hf中的一种；至少加入La、Ce、 Pr、Nd中的一种；Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5％；Zr、 Sc、Hf复合加入量<0.6％；La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.6％；
当Mn＝0.6～1.2％时，至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种；La、Ce、Pr、 Nd单种元素加入量<0.5％，复合加入量<0.6％；余量为Al。
优选Mg＝7.0～9.0％；Zn＝3.0～4.0％，Cu<1.5％；Fe<0.15％；Si<0.15％。
优选当Mn＝0～0.3％时，Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.3％；Cr、 Ti复合加入量<0.4％；Zr、Sc、Hf复合加入量<0.4％；选择性加入La、Ce、Pr、 Nd中的一种或两种以上元素，单种元素加入量小于0.08％。
优选当Mn＝0.3～0.6％时，Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.2％； Zr、Sc、Hf复合加入量<0.3％；La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.3％；选择性加 入Cr、Ti中的一种或两种元素，单种元素加入量小于0.5％。
优选当Mn＝0.6～1.2％时，La、Ce、Pr、Nd单种加入或复合加入总量均小于 0.2％；选择性加入Cr、Ti中的一种或两种元素，单种元素加入量小于0.3％；选 择性加入Zr、Sc、Hf中的一种或两种以上元素，单种元素加入量小于0.5％。
上述Al-Mg-Zn铝合金的制备方法，包括下述步骤：熔铸、二级均匀化、压 力加工、固溶、淬火和时效处理。
所述二级均匀化制度：390～400℃/12h+460～470℃/12h。所述固溶制度采用 470～480℃/2h。所述时效制度采用120～150℃/24～28h。
考虑到Mg元素相对密度低于Al，为降低合金密度，本发明中Mg含量控制 的6～10％，优选的Mg含量为7～9％。Mg、Zn作为主要合金元素加入，一方面 在基体中产生明显的固溶强化，另一方面Mg、Zn与在基体中形成T相 (Al2Zn3Mg3)产生明显的时效强化，时效强化是5XXX铝合金不具备的特征。
Cu元素的加入通过析出物和位错交互作用影响变形行为，同时可改变电化 学特性，能够有效保证合金的抗应力腐蚀性能。
Mn元素强化效果明显，且具有细化晶粒的作用，但当Mn含量过高，会降 低合金的塑性，影响材料或部件的加工性能，因此本发明中Mn含量小于1.2％； Cr、Ti可细化合金晶粒；Zr、Sc、Hf可抑制合金热加工过程中及固溶时的再结 晶；La、Ce、Pr、Nd可在合金熔铸过程中净化熔体、细化晶粒。本发明中Mn 与Cr、Ti、Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd配合添加，当Mn＝0～0.3％时，至少 加入Cr、Ti中的一种，至少加入Zr、Sc、Hf中的一种；当Mn＝0.3～0.6％时， 至少加入Zr、Sc、Hf中的一种，至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种；当Mn＝0.6～1.2％ 时，至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种。当Mn含量较低时，加入Cr、Ti、Zr、 Sc、Hf等微量元素可进一步的确保合金强度，当Mn含量过高时，为确保合金 加工性能，需加入镧系(La、Ce、Pr、Nd)稀土进化熔体。此外，为提高铸锭 组织的质量，本发明中均匀化制度采用二级均匀化，使铸锭中第二相尽量回熔 或球化，为后续高品质材料的制备奠定基础。
Fe、Si为铝锭中的杂质元素，在熔铸过程中不做合金元素添加。
选择在本发明所指范围的合金成分，随成分配比和加工处理方法的不同，所 得材料(部件)的性能会有差异，但材料总体特征为：
(1)抗拉强度σb≥530Mpa、伸长率δ≥8％；
(2)硬度＞170HV；
(3)密度＜2.7g/cm3。
本发明中，元素种类较多，Mn含量范围较广，作为最佳的应用，本发明的 Al-Mg-Zn合金可以作为薄板、小型锻件等材料。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行详细的说明，但不限于实施例。
实施例1～30(表1、2)中合金化学成分重量百分比控制为：Mg＝6.0～10.0％； Zn＝3.0～5.0％；Cu<2.0％；Mn<1.2％；Fe<0.3％；Si<0.3％。
当Mn＝0～0.3％时，至少加入Cr、Ti中的一种；至少加入Zr、Sc、Hf中的 一种；Cr、Ti、Zr、Sc、Hf单种元素加入量<0.5％；Cr、Ti复合加入量<0.6％； Zr、Sc、Hf复合加入量<0.6％(如：添加Cr、Ti、Zr和Sc，其中Cr、Ti、Zr 或Sc<0.5％，Cr+Ti<0.6％，Zr+Sc<0.6％；又如：添加Cr、Ti、Zr、Sc和Hf， 其中Cr、Ti、Zr、Sc或Hf<0.5％，Zr+Sc+Hf<0.6％)。
当0.3<Mn<0.6％时，至少加入Zr、Sc、Hf中的一种；至少加入La、Ce、 Pr、Nd中的一种；Zr、Sc、Hf、La、Ce、Pr、Nd单种元素加入量<0.5％；Zr、 Sc、Hf复合加入量<0.6％；La、Ce、Pr、Nd复合加入量<0.6％。
当Mn＝0.6～1.2％时，至少加入La、Ce、Pr、Nd中的一种；La、Ce、Pr、 Nd单种元素加入量<0.5％，复合加入量<0.6％(如：添加La、Ce和Pr，其中 La、Ce或Pr<0.5％，La+Ce+Pr<0.6％)。
为体现本发明的优势特征，进一步的将实施例的成分范围控制在本发明所 述的优选范围内。
材料制备流程为：熔铸—均匀化—锯铣(车皮)—压力加工—固溶—淬火 —时效。本发明公开的Al-Mg-Zn合金可采用轧制、挤压、锻造等压力加工方式 制备成所需规格的材料，实施例中以轧制为例做具体说明：
选择本发明中优选范围内的合金成分，Al、Mg、Zn采用纯Al、纯Mg、纯 Zn的方式加入，其他元素均用中间合金方式加入；熔铸温度控制为730～750℃， 对熔体进行搅拌、除气、扒渣处理，在710～720℃温度范围下将熔体浇铸成板 材；对板材铸锭进行390～400℃/12h+460～470℃/12h均匀化处理；对均匀化处理 后的板材进行锯切、铣面；铣面后进行380～410℃/2h加热保温后热轧至成品厚 度；进行470℃～480℃/1～2h固溶后进行水淬火；水淬后进行120～150℃/24～28h 时效。
在合金性能测试中，室温拉伸实验按照国标GB/T228-2002制成标准拉伸试 样，拉伸实验在CSS-44100能材料力学拉伸机上进行，拉伸速度为2mm/min。。 密度测试采用对照国际铝合金标准成分中的密度，根据相对值测试，密度误差 控制在0.2％以内。
表1 实施例实测化学成分表(wt.％)
序号 Fe Si Mg Zn Cu Mn Cr Ti Zr Sc Hf La Ce Pr Nd Al 1 0.09 0.05 7.2 3.2 0.9 0.15 0.24 0 0.18 0.12 0 0 0 0 0 87.78 2 0.08 0.06 8.2 3.5 1.3 0.22 0.13 0.2 0.23 0 0.05 0 0 0 0 85.95 3 0.1 0.06 7.7 3.8 1.1 0.24 0.08 0.22 0.24 0.07 0 0.05 0 0 0 86.24 4 0.11 0.05 7.5 3.3 0.7 0.19 0.11 0.12 0 0.18 0.17 0 0 0 0 87.47 5 0.09 0.06 8.5 3 0.6 0.18 0.2 0.11 0.16 0.06 0.12 0 0 0 0 86.83 6 0.06 0.07 7.3 3.6 1.2 0.25 0 0.12 0.2 0 0.1 0 0.05 0 0 86.95 7 0.12 0.07 7.8 3.8 1.1 0.22 0.14 0.08 0.15 0.1 0.1 0 0 0 0 86.25 8 0.8 0.05 8 3.5 1 0.1 0.22 0 0.22 0 0 0 0 0 0 86.01 9 0.1 0.06 7.9 3.4 0.8 0.27 0.18 0.15 0.1 0.14 0 0 0 0 0.04 86.78 10 0.07 0.05 8.3 3.9 0.9 0.18 0.17 0.09 0.2 0.06 0.09 0 0 0 0 85.92 11 0.13 0.07 7.3 3.5 0.6 0.42 0 0 0.08 0.06 0.1 0.06 0 0 0.18 87.41 12 0.07 0.09 8 3.4 1.2 0.38 0.3 0 0.15 0 0 0.06 0.07 0.08 0.05 86.07 13 0.09 0.06 7.4 3.8 0.5 0.53 0 0 0.14 0.06 0.08 0 0.08 0 0 87.18 14 0.1 0.09 7.1 3.9 0.8 0.48 0 0 0.14 0.12 0 0.1 0 0.08 0.09 86.92 15 0.09 0.1 8.2 3.5 0.9 0.35 0 0.2 0.06 0.07 0.1 0.05 0.06 0 0.11 86.13 16 0.06 0.08 7.9 3.6 1 0.39 0 0 0.25 0 0 0.12 0 0.07 0.06 86.38 17 0.12 0.1 7.7 3.5 1.4 0.4 0 0 0.08 0.1 0.08 0 0.06 0 0.14 86.23 18 0.09 0.12 8.4 3.2 1.2 0.54 0.4 0 1 0.09 0.07 0.08 0.11 0 0 84.63 19 0.11 0.08 7.4 3.3 0.9 0.36 0 0 0.07 0.08 0.09 0 0.08 0.14 0.05 87.25 20 0.08 0.11 8.3 3.4 0.7 0.44 0.2 0.1 0.16 0.11 0 0.13 0.07 0 0 86.11 21 0.07 0.07 7.7 3.3 0.9 0.72 0 0 0 0 0 0.12 0 0.06 0 86.96 22 0.12 0.08 8.2 3.6 1.2 0.84 0 0 0 0 0 0.08 0.06 0 0.05 85.68 23 0.06 0.06 7.9 3.4 0.8 0.87 0.1 0 0 0 0 0 0.1 0.08 0 86.57
24 0.14 0.07 7.4 3.2 1.3 0.92 0 0 0 0.3 o 0.05 0.07 0 0.06 86.42 25 0.11 0.09 7.5 3.3 1.1 0.79 0 0 0 0 0 0 0.05 0.08 0.06 86.83 26 0.09 0.05 8.4 3.6 0.7 1.06 0 0 0.2 0 0 0.04 0.1 0.05 0 85.62 27 0.1 0.1 7.9 3.2 0.9 0.98 0 0 0 0 0 0 0 0.1 0.08 86.56 28 0.13 0.09 8.8 3.5 1 0.95 0.2 0 0.2 0 0 0.06 0.06 0 0.06 84.88 29 0.09 0.07 7.6 3.7 0.5 0.75 0 0 0 0 0 0.09 0 0.04 0.06 87.01 30 0.12 0.06 8 3.6 0.6 1.1 0.1 0.1 0 0 0 0.05 0.05 0.05 0.04 86.05
注：部分元素虽未做合金元素加入，但不可避免的在杂质中存在这些元素，当含量小于0.01％时，将其看成0。 表2 实施例实测性能表
序号 硬度(HV) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％) 密度(g/cm3) 1 176.1 546.7 10.4 2.677 2 172.3 550.6 9.9 2.677 3 180.0 542.3 10.6 2.686 4 174.8 534.9 11.6 2.672 5 172.9 536.1 11.2 2.652 6 174.2 540.4 10.9 2.689 7 178.1 552.4 9.5 2.684 8 176.8 548.5 10.2 2.683 9 177.4 544.2 10.4 2.670 10 175.5 558.8 9.2 2.674 11 172.6 535.8 10.6 2.680 12 175.2 543.1 9.6 2.682 13 179.4 540.5 10.2 2.681 14 172.9 536.0 10.5 2.693 15 178.1 552.0 8.9 2.672 16 171.3 531.7 10.8 2.679 17 175.5 544.1 9.5 2.688 18 174.2 556.3 8.6 2.691 19 173.9 539.1 10.4 2.680 20 175.8 545.2 9.5 2.668 21 174.2 540.6 10.8 2.676 22 176.8 548.7 10.2 2.682 23 173.2 537.4 11.2 2.677 24 175.2 543.9 10.6 2.692 25 173.9 539.2 10.9 2.685 26 179.7 557.6 9.2 2.677 27 177.1 549.0 10 2.676 28 178.2 552.3 9.6 2.676 29 175.5 544.0 10.4 2.678 30 177.4 550.6 8.6 2.681