一种高强Al-Zn-Mg-Sn-Mn系铝合金及加工方法与流程

一种高强al-zn-mg-sn-mn系铝合金及加工方法
技术领域
1.本发明涉及铝合金领域，具体是一种高强al-zn-mg-sn-mn系铝合金及加工方法。


背景技术：

2.随着国内外造船业迅速发展，船舶的轻量化越来越被重视，铝合金的密度小，弹性模量约为钢的1/3，铝合金的比强度比钢的高，用在船舶上代替钢材可降低构件重量50％以上。铝合金用于船舶制造中有如下优点:减轻重量，提高船速，节约燃料；改善船的长宽比，增加稳定性，使船易于操作；易焊接；吸收冲击能力较强。因此，在造船业中铝合金具有很多的应用和发展空间。航母的制造一般体现了一个国家的最高建船水平，铝合金在现役的航母上获得大量的应用，例如，美国“独立”号(cva62)航母用了1019t铝合金，“企业”号核动力航母(cva65)用了450t铝合金，法国“福熙”号(r99)及“克里蒙梭”号(r98)航母上使用的铝合金超过1000t。
3.此外，由于铝合金具有质量轻、耐蚀性好、易加工成形等特点，使它在海洋工程装备产业高端金属材料中占有重要的地位。船舶用耐蚀铝合金主要在al-zn-mg系和al-mg-si系中选择，主要产品类型al-zn-mg系板材和型材、al-mg-si系型材。船用铝合金按用途可分为船体结构用铝合金、上层舾装用铝合金。船体结构包括:船侧、船底外板、龙骨、肋板、隔壁等，舾装包括:操舵室、舷墙、烟筒、舷窗、桅杆等。很多国家都采用al-zn-mg系合金作为船体结构材料。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高强al-zn-mg-sn-mn系铝合金及加工方法，该铝合金在铸态和挤压态条件下可获得高的强度和优良的塑性，不含贵重金属元素，具有良好的挤压性能和成型性能。
5.本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
6.一种高强al-zn-mg-sn-mn系铝合金，其组分按质量百分比计为：zn：5.0-7.0％；mg：2.0-3.0％；sn：0.5-1.0％；mn：0.3-0.6％；zr：0.2-0.4％；sb：0.1-0.2％；be：0.1-0.2％和cr：0.1-0.2％；其余为铝和不可避免的杂质。
7.通过以下加工方法获得：
8.步骤1，合金熔炼与浇铸：先将纯al、纯zn、纯mg、al-10wt％mn中间合金在150～200℃下预热20～30分钟，将纯sn在100～150℃下预热20～30分钟；在电阻炉中加热纯铝，在700～720℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯zn、纯sn、纯al和al-10wt％mn中间合金，升温至730～750℃后保温20～30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20min后降温到690～710℃，浇铸成锭；
9.步骤2，合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在310～350℃下固溶2～12h，再升温至560～590℃固溶2～8h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温；
10.步骤3，挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺(t5)，首先在60～80℃下时效4～
24h，然后在160～180℃下时效1～8h，空冷至室温。
11.进一步的，加工方法细化为：
12.步骤1，合金熔炼与浇铸：先将纯al、纯mg、纯zn、al-10wt％mn中间合金在160℃下预热25分钟，将纯sn在120℃下预热25分钟；在电阻炉中加热纯铝，在720℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯zn、纯sn、纯mg和al-10wt％mn中间合金，升温至740℃后保温25分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20分钟后降温到700℃，浇铸成锭；
13.步骤2，合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在400℃下固溶10h，再升温至560℃固溶6h，最后在挤压机上挤压成型，挤压速度1.2mm
·
s-1
，挤压比10，空冷至室温；
14.步骤3，挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺，首先在70℃下时效16h，然后在180℃下时效6h，空冷至室温。
15.上述al-zn-mg-sn-mn系铝合金的加工方法，作为本发明的另一个方面。
16.对比现有技术，本发明的有益效果在于：
17.(1)采用zn作为第一合金化元素，保证了固溶强化和时效强化效果，al元素的加入改善了mg-zn二元合金的铸造性能，并且通过控制zn和al元素的添加比例，可以引入mg
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(al,zn)
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高温强化相；sn元素的加入提高了合金的塑性变形能力，同时mg2sn相的形成可以改善合金高温性能，加入少量mn元素可以在尽量不降低塑性的同时改善挤压合金的组织形貌，提高合金力学性能。
18.(2)本发明铝合金材料不含贵金属，成本低，通过挤压变形可以获得传统高强铝合金的强度，同时伸长率大大提高，并且可以通过后续热处理进一步提高材料力学性能。
19.(3)本发明挤压态合金室温抗拉强度可以达到610mpa以上，屈服强度达到490mpa以上，伸长率达到8％以上，经时效处理后，屈服强度可以达到530mpa以上，延伸率仍可达到11％以上。
20.(4)本发明合金可以实现在250℃挤压成型，具有良好地低温成型能力。
附图说明
21.图1为本发明铝合金(实施例1)的挤压态金相组织照片。
22.图2为本发明铝合金(实施例2)的挤压态金相组织照片。
23.图3为本发明铝合金(实施例3)的挤压态金相组织照片。
24.图4为本发明铝合金(实施例4)的挤压态金相组织照片。
25.图5为本技术各实施例中铝合金的性能检测报告。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所限定的范围。
27.下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。
28.例zn(％)mg(％)sn(％)mn(％)杂质(％)铝(％)实施例15.02.00.50.3≤0.01余量实施例25.52.40.70.4≤0.01余量实施例36.52.50.80.4≤0.01余量实施例47.02.80.80.5≤0.01余量
29.实施例1：
30.按上述表格中对应的实施例1的成分配比，用如下方法得到本发明铝合金材料：
31.按上述实施例的成分配比，用如下方法得到本发明铝合金材料：
32.(1)合金熔炼与浇铸：先将纯al、纯zn、纯mg、al-10wt％mn中间合金在150℃下预热25分钟，将纯sn在100℃下预热30分钟；在电阻炉中加热纯铝，在700℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯zn、纯sn、纯al和al-10wt％mn中间合金，升温至730℃后保温30分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20min后降温到690℃，浇铸成锭；
33.(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在310℃下固溶12h，再升温至590℃固溶8h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
34.(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺(t5)，首先在60℃下时效24h，然后在160℃下时效8h，空冷至室温。
35.实施例2：
36.按上述表格中对应的实施例2的成分配比，用如下方法得到本发明铝合金材料：
37.按上述实施例的成分配比，用如下方法得到本发明铝合金材料：
38.(1)合金熔炼与浇铸：先将纯al、纯zn、纯mg、al-10wt％mn中间合金在160℃下预热25分钟，将纯sn在120℃下预热25分钟；在电阻炉中加热纯铝，在720℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯zn、纯sn、纯al和al-10wt％mn中间合金，升温至740℃后保温25分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20min后降温到700℃，浇铸成锭；
39.(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在320℃下固溶10h，再升温至560℃固溶6h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
40.(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺(t5)，首先在70℃下时效16h，然后在180℃下时效6h，空冷至室温。
41.实施例3：
42.按上述表格中对应的实施例3的成分配比，用如下方法得到本发明铝合金材料：
43.按上述实施例的成分配比，用如下方法得到本发明铝合金材料：
44.(1)合金熔炼与浇铸：先将纯al、纯zn、纯mg、al-10wt％mn中间合金在190℃下预热20分钟，将纯sn在130℃下预热20分钟；在电阻炉中加热纯铝，在710℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯zn、纯sn、纯al和al-10wt％mn中间合金，升温至750℃后保温20分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20min后降温到710℃，浇铸成锭；
45.(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在350℃下固溶10h，再升温至570℃固溶4h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
46.(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺(t5)，首先在80℃下时效8h，然后在170℃下时效4h，空冷至室温。
47.实施例4：
48.按上述表格中对应的实施例4的成分配比，用如下方法得到本发明铝合金材料：
49.(1)合金熔炼与浇铸：先将纯al、纯zn、纯mg、al-10wt％mn中间合金在200℃下预热22分钟，将纯sn在150℃下预热22分钟；在电阻炉中加热纯铝，在715℃保温使母料全部熔化，然后加入预热过的纯zn、纯sn、纯al和al-10wt％mn中间合金，升温至735℃后保温22分钟，待合金化元素完全熔解，搅拌均匀，静置保温20min后降温到695℃，浇铸成锭；
50.(2)合金的挤压加工：将上述铸锭进行机加工至合适尺寸，然后在340℃下固溶2h，再升温至580℃固溶2h，最后在挤压机上挤压成型，空冷至室温。
51.(3)挤压材的热处理工艺：采用双级时效工艺(t5)，首先在75℃下时效4h，然后在170℃下时效1h，空冷至室温。
52.本发明实施例1～4挤压态和热处理态下的室温力学性能如表1所示。
53.合金实施例1实施例2实施例3实施例4抗拉强度648650655635屈服强度551555578554延伸率9.19.29.810.4
54.如图1～图4所示，从实施例1至实施例4的挤压态金相组织照片可以看出，合金均发生了完全的动态再结晶，形成了均匀的等轴晶粒。
55.实施例结果表明，本发明铝合金在铸态和挤压态条件下可获得高的强度和优良的塑性，不含贵重金属元素，具有良好的挤压性能和成型性能。