一种大规格高强高韧板及其制备方法

1.本发明属于合金加工技术领域。


背景技术：

2.铝合金在汽车、航空、航天及军事装备等领域均有应用，随着科技和经济的发展，各领域对铝合金的需求日益增加，也对铝合金的性能提出了越来越高的要求，对铝合金的研究也越发深入。
3.现有的al-cu-mg合金板材生产工艺大都存在强度与韧性相矛盾的问题，在满足高强度的同时往往不能满足韧性要求，从而导致合金板材强度高，但是韧性太差；或者是抗拉强度与屈服强度之间不能同时达到较高水平，因此仍需对板材成分及生产工艺进行研究和改进。


技术实现要素：

4.本发明要解决现有高强铝合金板材存在强度与韧性相矛盾的问题，进而提供一种大规格高强高韧板及其制备方法。
5.一种大规格高强高韧板，大规格高强高韧板按质量百分数由0.76％～1.3％的mg、2.28％～5.2％的cu、0.2％～0.57％的mn、0.02％～0.04％的fe、0.01％～0.03％的si和余量al组成，且cu与mg的质量比为(3～4):1。
6.一种大规格高强高韧板的制备方法，它是按以下步骤进行：
7.一、铸锭制备：
8.按质量百分数为0.76％～1.3％的mg、2.28％～5.2％的cu、0.2％～0.57％的mn、0.02％～0.04％的fe、0.01％～0.03％的si和余量al称取铝锭、镁锭、al-cu合金、al-mn合金、al-fe合金及al-si合金，然后称取铝钛硼晶粒细化剂，将称取的铝锭、镁锭、al-cu合金、al-mn合金、al-fe合金、al-si合金及铝钛硼晶粒细化剂依次进行熔炼、精炼、搅拌静置、除渣及铸造，得到al-cu-mg铝合金铸锭；
9.所述的cu与mg的质量比为(3～4):1；
10.二、均匀化：
11.在铸锭温度为490℃～500℃的条件下，将al-cu-mg铝合金铸锭进行均匀化处理20h～24h，然后出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；
12.三、轧制：
13.将均匀化铸锭进行加热处理，然后在金属温度为420℃～440℃、轧制总变形量为58％～64％、热轧5道次～10道次及每道次下压量为6％～12％的条件下进行轧制，得到合金板材；
14.四、固溶：
15.将合金板材进行切边处理，再加热至金属温度为500℃～510℃，在金属温度为500℃～510℃的条件下，保温1.5h～2h，最后出炉水淬，得到固溶合金板材；
16.五、预拉伸：
17.将固溶合金板材进行预拉伸处理，得到拉伸处理后的合金板材；
18.六、时效：
19.在金属温度为170℃～180℃的条件下，将拉伸处理后的合金板材时效处理11h～12h，得到大规格高强高韧板。
20.本发明的有益效果是：
21.一、本发明一种大规格高强高韧板材生产技术，厚度可达10mm～20mm，宽度可达800mm～2000mm，与普通2324铝合金相比，减少fe、si的含量从而起到细化晶粒、抑制再结晶及固溶强化等作用，在提高板材强度的同时，具备良好的拉伸性能。
22.二、本发明所制备的铝合金，其cu/mg值在3～4之间，有利于合金基体中s相的析出，从而提高了合金的室温力学性能。
23.三、通过热轧与预拉伸处理引入大量位错，为后续时效过程中析出相的提供形核位点。
24.四、本发明提供的一种大规格高强高韧板材生产技术，制得的al-cu-mg合金板材的抗拉强度为504mpa～517mpa，屈服强度为395mpa～409mpa，延伸率为13.9％～14.7％，在保证高强度的同时，韧性和塑性优于一般的铝合金板材。
附图说明
25.图1为实施例一步骤一制备的al-cu-mg铝合金铸锭的微观金相组织照片；
26.图2为实施例一步骤二制备的均匀化铸锭的微观组织照片；
27.图3为实施例一步骤四制备的固溶合金板材的sem组织照片；
28.图4为实施例一制备的大规格高强高韧板的拉伸曲线图；
29.图5为实施例一制备的大规格高强高韧板的tem照片。
具体实施方式
30.具体实施方式一：本实施方式一种大规格高强高韧板，大规格高强高韧板按质量百分数由0.76％～1.3％的mg、2.28％～5.2％的cu、0.2％～0.57％的mn、0.02％～0.04％的fe、0.01％～0.03％的si和余量al组成，且cu与mg的质量比为(3～4):1。
31.本实施方式的有益效果是：
32.一、本实施方式一种大规格高强高韧板材生产技术，厚度可达10mm～20mm，宽度可达800mm～2000mm，与普通2324铝合金相比，减少fe、si的含量从而起到细化晶粒、抑制再结晶及固溶强化等作用，在提高板材强度的同时，具备良好的拉伸性能。
33.二、本实施方式所制备的铝合金，其cu/mg值在3～4之间，有利于合金基体中s相的析出，从而提高了合金的室温力学性能。
34.三、通过热轧与预拉伸处理引入大量位错，为后续时效过程中析出相的提供形核位点。
35.四、本实施方式提供的一种大规格高强高韧板材生产技术，制得的al-cu-mg合金板材的抗拉强度为504mpa～517mpa，屈服强度为395mpa～409mpa，延伸率为13.9％～14.7％，在保证高强度的同时，韧性和塑性优于一般的铝合金板材。
36.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的大规格高强高韧板中杂质的总质量百分数＜0.05％。其它与具体实施方式一相同。
37.具体实施方式三：本实施方式一种大规格高强高韧板的制备方法，它是按以下步骤进行：
38.一、铸锭制备：
39.按质量百分数为0.76％～1.3％的mg、2.28％～5.2％的cu、0.2％～0.57％的mn、0.02％～0.04％的fe、0.01％～0.03％的si和余量al称取铝锭、镁锭、al-cu合金、al-mn合金、al-fe合金及al-si合金，然后称取铝钛硼晶粒细化剂，将称取的铝锭、镁锭、al-cu合金、al-mn合金、al-fe合金、al-si合金及铝钛硼晶粒细化剂依次进行熔炼、精炼、搅拌静置、除渣及铸造，得到al-cu-mg铝合金铸锭；
40.所述的cu与mg的质量比为(3～4):1；
41.二、均匀化：
42.在铸锭温度为490℃～500℃的条件下，将al-cu-mg铝合金铸锭进行均匀化处理20h～24h，然后出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；
43.三、轧制：
44.将均匀化铸锭进行加热处理，然后在金属温度为420℃～440℃、轧制总变形量为58％～64％、热轧5道次～10道次及每道次下压量为6％～12％的条件下进行轧制，得到合金板材；
45.四、固溶：
46.将合金板材进行切边处理，再加热至金属温度为500℃～510℃，在金属温度为500℃～510℃的条件下，保温1.5h～2h，最后出炉水淬，得到固溶合金板材；
47.五、预拉伸：
48.将固溶合金板材进行预拉伸处理，得到拉伸处理后的合金板材；
49.六、时效：
50.在金属温度为170℃～180℃的条件下，将拉伸处理后的合金板材时效处理11h～12h，得到大规格高强高韧板。
51.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤一中所述的铝锭及镁锭的纯度为99.999％；步骤一中所述的al-cu合金中cu的质量百分数为40％；步骤一中所述的al-mn合金中mn的质量百分数为10％；步骤一中所述的al-fe合金中fe的质量百分数为60％；步骤一中所述的al-si合金中si的质量百分数为10％；步骤一中所述的铝钛硼晶粒细化剂的质量与mg、cu、mn、fe、si和al的总质量比为(0.002～0.003):1。其它与具体实施方式三相同。
52.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四之一不同的是：步骤一中所述的熔炼、精炼、搅拌静置、除渣及铸造，具体是按以下步骤进行：将熔炼炉升温至750℃～800℃，然后将称取的铝锭、镁锭、al-cu合金、al-mn合金、al-fe合金、al-si合金及铝钛硼晶粒细化剂置于熔炼炉内，熔炼过程中当金属液温度升温至740℃～760℃时加入精炼剂，并精炼10min～20min，精炼后搅拌2min～3min，搅拌后静置10min～15min，然后重复搅拌及静置2次，再在金属液温度为700℃～720℃的条件下除渣，最后浇铸成型，得到al-cu-mg铝合金铸锭；所述的精炼剂占al-cu-mg铝合金铸锭的质量百分数为0.1％～0.2％。其它与具体
实施方式三或四相同。
53.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤二中所述的铣面具体是铣面至表面无明显缺陷为止。其它与具体实施方式三至五相同。
54.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：步骤三中所述的加热处理具体是在炉温为600℃～620℃的条件下，保温5h～8h。其它与具体实施方式三至六相同。
55.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是：步骤二中所述的均匀化铸锭的厚度为47mm～52mm。其它与具体实施方式三至七相同。
56.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：步骤三中所述的合金板材的厚度为18mm～21mm。其它与具体实施方式三至八相同。
57.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是：步骤五中预拉伸处理的预拉伸量为2％～3％。其它与具体实施方式三至九相同。
58.采用以下实施例验证本发明的有益效果：
59.实施例一：
60.一种大规格高强高韧板，大规格高强高韧板按质量百分数由1.1％的mg、3.9％的cu、0.5％的mn、0.02％的fe、0.03％的si和余量al组成；
61.所述的大规格高强高韧板中杂质的总质量百分数＜0.05％。
62.上述一种大规格高强高韧板的制备方法，它是按以下步骤进行：
63.一、铸锭制备：
64.按质量百分数为1.1％的mg、3.9％的cu、0.5％的mn、0.02％的fe、0.03％的si和余量al称取铝锭、镁锭、al-cu合金、al-mn合金、al-fe合金及al-si合金，然后称取铝钛硼晶粒细化剂，将称取的铝锭、镁锭、al-cu合金、al-mn合金、al-fe合金、al-si合金及铝钛硼晶粒细化剂依次进行熔炼、精炼、搅拌静置、除渣及铸造，得到al-cu-mg铝合金铸锭；
65.二、均匀化：
66.在铸锭温度为500℃的条件下，将al-cu-mg铝合金铸锭进行均匀化处理24h，然后出炉空冷至室温，最后铣面，得到均匀化铸锭；
67.三、轧制：
68.将均匀化铸锭进行加热处理，然后在金属温度为420℃～440℃、轧制总变形量为60％、热轧10道次及每道次下压量为6％的条件下进行轧制，得到合金板材；
69.四、固溶：
70.将合金板材进行切边处理，再加热至金属温度为510℃，在金属温度为510℃的条件下，保温2h，最后出炉水淬，得到固溶合金板材；
71.五、预拉伸：
72.将固溶合金板材进行预拉伸处理，得到拉伸处理后的合金板材；
73.六、时效：
74.在金属温度为180℃的条件下，将拉伸处理后的合金板材时效处理12h，得到大规格高强高韧板，厚度为20mm，宽度为1500mm。
75.步骤一中所述的铝锭及镁锭的纯度为99.999％；步骤一中所述的al-cu合金中cu的质量百分数为40％；步骤一中所述的al-mn合金中mn的质量百分数为10％；步骤一中所述
的al-fe合金中fe的质量百分数为60％；步骤一中所述的al-si合金中si的质量百分数为10％；步骤一中所述的铝钛硼晶粒细化剂的质量与mg、cu、mn、fe、si和al的总质量比为0.002:1；所述的铝钛硼晶粒细化剂具体为alti5b1。
76.步骤一中所述的熔炼、精炼、搅拌静置、除渣及铸造，具体是按以下步骤进行：将熔炼炉升温至750℃，然后将称取的铝锭、镁锭、al-cu合金、al-mn合金、al-fe合金、al-si合金及铝钛硼晶粒细化剂置于熔炼炉内，熔炼过程中当金属液温度升温至750℃时加入精炼剂，并精炼15min，精炼后搅拌3min，搅拌后静置15min，然后重复搅拌及静置2次，再在金属液温度为700℃～720℃的条件下除渣，最后浇铸成型，得到al-cu-mg铝合金铸锭；所述的精炼剂占al-cu-mg铝合金铸锭中的质量百分数为0.15％；所述的精炼剂为艾文斯公司所产的3rf精炼剂。
77.步骤二中所述的铣面具体是铣面至表面无明显缺陷为止。
78.步骤三中所述的加热处理具体是在炉温为600℃的条件下，保温5h。
79.步骤二中所述的均匀化铸锭的厚度为40mm。
80.步骤三中所述的合金板材的厚度为20mm。
81.步骤五中预拉伸处理的预拉伸量为2.5％。
82.对实施例一制备的大规格高强高韧板材进行室温拉伸实验测试，拉伸速度为5mm/min，金属试样尺寸为国标gbt 228.1-2010，拉伸直至拉断为止，检测其抗拉强度，屈服强度及延伸率。
83.测得实施例一制备的大规格高强高韧板的抗拉强度为508mpa，屈服强度为407mpa，延伸率为14.5％。
84.图1为实施例一步骤一制备的al-cu-mg铝合金铸锭的微观金相组织照片；合金的铸态组织中观察到在大块层片状共晶组织附近可见细小点、线状的组织，其与大块层片网状共晶组织不同。
85.图2为实施例一步骤二制备的均匀化铸锭的微观组织照片；可观察到合金组织中不均匀的偏析及晶界残余相已经消失。
86.图3为实施例一步骤四制备的固溶合金板材的sem组织照片；通过图可观察到合金组织中可回溶相几乎全部回溶至基体中。
87.图4为实施例一制备的大规格高强高韧板的拉伸曲线图；可以看出合金板材的抗拉强度为508mpa，屈服强度为407mpa，延伸率为14.9％。
88.图5为实施例一制备的大规格高强高韧板的tem照片，可观察到合金基体中存在较多的位错，并且各析出相倾向于在位错附近形成。