一种高强韧耐疲劳变形铝合金及其制备方法技术

本发明专利技术属于铝合金制备技术领域，具体公开了一种高强韧耐疲劳形变铝合金及其制备方法，本发明专利技术的铝合金中各成分按质量百分数计为：Si 1.10‑1.20％，Mg 0.90‑1.00％，Mn 0.50‑0.60％，Cu 0.05‑0.10％，Zr 0.05‑0.10％，Ti 0.05‑0.10％，B 0.01‑0.03％，Cr 0.01‑0.05％，Li 0.001‑0.003％，Be 0.001‑0.002％，Ce 0.001‑0.002％，Fe 0.001‑0.2％，Zn 0.001‑0.20％，余量为Al。本发明专利技术所述铝合金的强度、韧性、硬度和耐疲劳寿命都显著提高，满足了高强韧长寿命铝合金型材的应用需求。且本发明专利技术的制备方法采用熔铸‑均质化处理、固溶处理‑变形加工、固溶时效的处理方法，便于实施和节约成本。

A High Strength, Toughness and Fatigue Resistance Deformed Aluminum Alloy and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种高强韧耐疲劳变形铝合金及其制备方法
本专利技术属于高性能铝合金制备
，具体涉及一种高强韧耐疲劳变形铝合金及其制备方法。
技术介绍
铝及其合金是目前主要的金属材料，在民用、军事、核电、交通、航空航天领域都有广阔的应用，随着铝合金化技术的发展，铝合金的性能有显著提高，给更高端的应用提供了发挥空间；在变形铝合金中，Mg、Si、Cu、Zn、Zr、Ti等元素常常作为合金元素加入，提高铝合金的强度、硬度等性能指标，比如目前以Mg、Si为主要合金相的Al-Mg-Si系合金(6000系列)和Al-Zn-Mg-Cu系合金(7000系列)等变形铝合金具有优异的综合性能，逐渐成为主要的工程结构材料，应用于民用和航空航天领域。但随着科学技术的发展，材料的性能需要不断提高，比如高铁用材料，随着高铁速度的提高，材料的强硬度和耐疲劳性能都需要大幅提升，才能满足性能需求；对于目前的Al-Mg-Si系合金，在强度、韧性、硬度和耐疲劳方面都需要提高才能满足高速铁路器部件的需求，而对于Al-Zn-Mg-Cu系合金，其强度和硬度虽明显高于Al-Mg-Si系，但其韧性偏低，特别是耐疲劳寿命也有待进一步提升才能满足高速交通领域用铝合金的要求。提高铝合金性能的现有技术主要集中在：合金强化和热处理强化两种手段，确实也起到了显著的效果，但是，由于可溶于铝的合金元素众多，合金元素的种类、含量及其对性能的影响复杂，而且必须采用细致的热处理手段才能达到满意的效果；目前，在高速交通领域，迫切需要一种具备高的强度、韧性、硬度和耐疲劳的优良可变形加工铝合金。
技术实现思路
针对现有技术中存在不足，本专利技术提供一种高强韧耐疲劳变形铝合金及其制备方法，在提高合金强韧性的同时，显著提高合金的耐疲劳性能，解决目前铝合金材料性能不足的问题。本专利技术的目的是通过以下方案实现的。首先，高强韧耐疲劳变形铝合金的特征在于采用以下成分(所述合金中各成分按质量百分数计为)：Si1.10-1.20％，Mg0.90-1.00％，Mn0.50-0.60％，Cu0.05-0.10％，Zr0.05-0.10％，Ti0.05-0.10％，B0.01-0.02％，Cr0.01-0.05％，Li0.001-0.003％，Be0.001-0.002％，Ce0.001-0.002％，Fe0.001-0.2％，Zn0.001-0.20％，余量为Al。本专利技术的高强韧耐疲劳变形铝合金的组织特征为：合金的微观组织为平均晶粒尺寸小于10微米的αAl和微纳米尺度的主要强化相Mg2Si、Al2CuMg、Al2Cu、Al3Zr、Al3Ti、Al2B。本专利技术的高强韧耐疲劳变形铝合金的性能特征为：抗拉强度为490-510MPa，屈服强度470-490MPa，延伸率为17-20％，显微硬度140-150HB，在频率10Hz的10kN的冲击载荷下的常温疲劳寿命为60-65万次。一种高强韧耐疲劳变形铝合金的制备方法，其特征在于包括如下主要步骤：(1)合金熔炼铸；(2)铝合金坯锭均质化处理；(3)铝合金坯锭固溶处理；(4)变形加工；(5)变形铝合金型材热处理。具体为：所述的步骤(1)合金熔炼铸：首先将纯Al熔化并将熔Al升温至870±10℃，依次加入纯Si、纯Cu、Al-Zr合金、Al-Cr合金进行一次熔炼和合金化，其中纯Si的加入量为熔Al重量分数的1.21-1.32％，纯Cu的加入量为熔Al重量分数的0.05-0.10％，Al-Zr合金中Zr元素的质量分数占10％，Al-Zr合金的加入量为熔Al重量分数的0.5-1％，Al-Cr合金中Cr元素的质量分数占10％，Al-Cr合金的加入量为熔Al重量分数的0.1-0.5％，然后，降温到800±10℃，加入Al-Zn合金、Al-Ti-B合金进行二次合金化，加入的Al-Zn合金中Zn元素的质量分数占10％，Al-Zn合金的加入量为熔Al重量分数的0.01-2％，加入的Al-Ti-B合金中Ti元素的质量分数占10％，B元素的质量分数占2％，Al-Ti-B合金加入量为熔Al重量分数的1％，待熔化后降温到720±10℃，进行吹氩精炼，在吹氩过程中依次加入Al-Ce、Al-Li、Al-Mg、Al-Be合金进行三次合金化，加入的Al-Ce合金中Ce元素的质量分数占10％，Al-Ce合金的加入量为熔Al重量分数的0.01-0.02％，加入的Al-Li合金中Li元素的质量分数占10％，Al-Li合金的加入量为熔Al重量分数的0.01-0.03％，加入的Al-Mg合金中Mg元素的质量分数占10％，Al-Mg合金的加入量为熔Al重量分数的9-10％，加入的Al-Be合金中Be元素的质量分数占10％，Al-Be合金的加入量为熔Al重量分数的0.01-0.02％，合金化完成后采用C2Cl6除气扒渣，静置15-20min后，在680±10℃温度下通过半连铸获得铝合金坯锭，坯锭直径在180-380mm。所述的步骤(2)铝合金坯锭均质化处理：将铝合金坯锭切成定尺，装入火焰加热炉加热，采用在400-420℃下保温8h，然后升温至420-440℃下保温8h，再升温至440-460℃下保温8h的均质化处理参数进行坯锭的均质化处理。所述的步骤(3)铝合金坯锭固溶处理：上述均质化处理后的铝合金坯锭，采用在460-480℃下保温2h的固溶处理参数进行铝合金坯锭的固溶处理。所述的步骤(4)变形加工：采用热挤压变形加工，其加工过程的主要参数控制为：铝合金坯锭加热到510±10℃，模具温度480±10℃，模筒温度410±10℃，出口温度520±10℃，挤压比(8-16):1，挤压后水冷，水温20-30℃，得到变形铝合金型材；所述的步骤(5)变形铝合金型材热处理：变形铝合金型材加热到520-540℃下进行30-50min的二次固溶，自然冷却至180-160℃，结束后在0-4h内进行变形铝合金型材的时效处理，时效处理参数为：温度160-180℃下保温6-8h。由于该铝合金中的合金元素较多，且合金元素的作用与其含量、元素之间的相互匹配及合金化顺序关系复杂、错综影响，而且这些元素的作用还与其后的热处理方式紧密相关，因此，这种变形铝合金的合金化元素选择、合金化顺序和热处理及变形加工的过程都需要细致的给出。本专利技术中合金元素加入的作用及合适的加入范围的选择是根据如下依据确定的：Si和Mg可以生成Mg2Si作为本专利技术铝合金的强化相之一，但Mg2Si大块析出相会影响材料变形加工过程，以及影响材料的强塑性，因此，适当控制Si和Mg量，抑制其过量析出导致的长大，本专利技术中Si1.10-1.20％、Mg0.90-1.00％可抑制大尺寸Mg2Si及Si相的析出，提高材料的塑性，并通过后面的变形及热处理，细化析出相，提高材料的强塑性。Mn作为强化元素，实现固溶强化，在本专利技术中Mn控制在0.5-0.6％效果最好，含量再高，塑性下降明显。Cu作为强化元素，在本专利技术中Cu控制在0.05-0.1％效果最好，含量再高，强度提升作用减弱，变形抗力增加，材料塑性下降。Zr、Ti合金组织控制元素，可控制晶粒的长大，形成细晶组织，并形成Al3Ti，Al3Zr强化相，加入量大，则形成大尺寸析出相，降低材料塑性，加入量低，则强度提升作用不够，最佳加入量Zr0.05-0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高强韧耐疲劳变形铝合金，其特征在于，所述合金中各成分按质量百分数计为：Si 1.10‑1.20％，Mg 0.90‑1.00％，Mn 0.50‑0.60％，Cu 0.05‑0.10％，Zr 0.05‑0.10％，Ti 0.05‑0.10％，B 0.01‑0.02％，Cr 0.01‑0.05％，Li 0.001‑0.003％，Be 0.001‑0.002％，Ce 0.001‑0.002％，Fe 0.001‑0.2％，Zn 0.001‑0.20％，余量为Al。

【技术特征摘要】
1.一种高强韧耐疲劳变形铝合金，其特征在于，所述合金中各成分按质量百分数计为：Si1.10-1.20％，Mg0.90-1.00％，Mn0.50-0.60％，Cu0.05-0.10％，Zr0.05-0.10％，Ti0.05-0.10％，B0.01-0.02％，Cr0.01-0.05％，Li0.001-0.003％，Be0.001-0.002％，Ce0.001-0.002％，Fe0.001-0.2％，Zn0.001-0.20％，余量为Al。2.如权利要求1所述的高强韧耐疲劳变形铝合金，其特征在于，所述铝合金的微观组织为平均晶粒尺寸小于10微米的α-Al和微纳米尺度的主要强化相Mg2Si、Al2CuMg、Al2Cu、Al3Zr、Al3Ti、Al2B。3.如权利要求1所述的高强韧耐疲劳变形铝合金，其特征在于，所述的高强韧耐疲劳变形铝合金的抗拉强度为490-510MPa，屈服强度470-490MPa，延伸率为17-20％，显微硬度140-150HB，在频率10Hz的10kN的冲击载荷下的常温疲劳寿命为60-65万次。4.如权利要求1所述的高强韧耐疲劳变形铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)合金熔炼铸：将纯Al熔化后，将合金元素Si、Mg、Mn、Cu、Zr、Ti、B、Cr、Li、Be、Ce、Fe、Zn加入熔融的铝中，加入量考虑溶解过程中的烧损量、氧化与挥发，使得铸造的所述铝合金中各元素的质量百分数含量满足：Si1.10-1.20％，Mg0.90-1.00％，Mn0.50-0.60％，Cu0.05-0.10％，Zr0.05-0.10％，Ti0.05-0.10％，B0.01-0.02％，Cr0.01-0.05％，Li0.001-0.003％，Be0.001-0.002％，Ce0.001-0.002％，Fe0.001-0.2％，Zn0.001-0.20％，余量为Al；(2)铝合金坯锭均质化处理；(3)铝合金坯锭固溶处理；(4)变形加工；(5)变形铝合金型材热处理。5.如权利要求4所述的高强韧耐疲劳变形铝合金的制备方法，其特征在于，合金熔炼铸的过程为：首先将纯Al熔化并将熔Al升温至870±10℃，依次加入纯Si、纯Cu、Al-Zr合金、Al-Cr合金进行一次熔炼和合金化，其中纯Si的加入量为熔Al重量分数的1.21-1.32％，纯Cu的加入量为熔Al重量分数的0.05-0.10％，Al-Zr合金中Zr元素的质量分数占10％，A...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏明，韩松，李桂荣，赵玉涛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32