高强6XXX铝合金多元合金化理论与工艺研究

摘要

本文系统研究了AA6069合金的多元合金化理论与工艺，通过进一步微合金化，提高了合金的强度，突破AA6069合金的专利，开发出具有中国特色的高强6XXX铝合金。
　　本文首先系统研究了主合金元素Mg、Si、Cu对AA6069铝合金组织与性能的影响规律，然后考察了制备参数对Al-V中间合金含V相种类及形态的影响，以及微量元素V在AA6069铝合金中的作用。同时，突破AA6069合金的成分范围，考察了AA6069合金中添加不同含量Mn、以Zr取代AA6069铝合金中的V、该以Zr代V合金中添加高含量Fe对合金组织性能的影响规律。开发出具有自己特色、性能优于AA6069合金的含Zr高强6XXX铝合金，以及强度可以达到500MPa以上的高强6XXX铝合金。为该类高强6XXX铝合金工业化应用提供理论依据和技术数据。
　　首先以AA6069铝合金化学成分为基础，详细考察了Mg/Si比，Cu含量和Mg含量变化对合金微观组织及挤压棒材T6态性能的影响规律，优化了该合金的成分，获得了强韧性组合良好的主合金成分为:Al-1.6Mg-1.15Si-1.0Cu(wt.％)。
　　然后详细考察了V含量、熔炼温度、保温时间和冷却速度对Al-V中间合金中含V相的结构、形态和尺寸的影响，确定了Al-V中间合金的最佳制备工艺为:V加入量为4wt.％，1100℃熔炼保温10min后急冷。采用此方法制备的Al-4 wt.％V中间合金含V量准确、组织中存在大量弥散细小的花瓣状Al3V相，并且能耗相对较低。
　　组织观察表明，V在AA6069铝合金中主要以细小椭球状Al(VCrTi)Si相存在，该相可以显著细化合金铸态组织，抑制再结晶，AA6069合金挤压材T6态抗拉强度、屈服强度和伸长率可分别为419MPa、361MPa和18.8％。
　　AA6069合金中添加Mn，合金T6态强度随Mn含量增加先增加，然后降低，最佳添加量为0.2 wt.％。添加微量Mn形成尺寸细小(＜100nm)、形态近似球状或椭球状的亚稳含Mn弥散相，它们抑制再结晶、阻碍位错运动，从而使合金抗拉强度和屈服强度分别提高到431MPa和372MPa，伸长率为15.6％。
　　采用等量（0.15wt.％）的Zr取代AA6069合金中的V，形成了细小的亚稳L12型Al3Zr相和尺寸相对稍大的DO22型Al3Zr相，铸态组织显著细化，挤压时的再结晶被抑制，同时可促进该合金中Q'相的析出，使合金强度得到进一步提高:挤压材T6态抗拉强度和屈服强度分别达到440MPa和361MPa。通过工艺参数的优化，确定该合金的最佳均匀化热处理制度为:540℃保温24h后空冷;挤压棒材的T6热处理制度为:550℃/2h固溶处理后水淬，170℃/12h人工时效。该合金突破了AA6069合金的成分范围，形成了具有自己特色的新合金。
　　采用在Al-1.6Mg-1.15Si-1.0Cu-0.15Cr-0.15Zr-0.03 Ti(wt.％)合金中添加一定量的Fe，形成了球状或棒状Al(CrFe)Si相。合金中Fe含量的增加，促进了椭球状DO22型Al3Zr相细小弥散的析出，其与Al(CrFe)Si相的共同作用进一步显著抑制合金再结晶，还进一步促进了Q'相的析出。Fe含量为0.356wt.％时，合金挤压棒T6态的抗拉强度和屈服强度可以分别达到503MPa和478MPa，伸长率为12.25％。当Fe含量为0.601 wt.％时，合金挤压棒T6态的抗拉强度和屈服强度可以分别达到520MPa和503MPa，伸长率为10.38％。该合金再一次突破了AA6069合金的范围，是目前报道的强度最高的6XXX铝合金。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 6XXX铝合金

1．1．1 6XXX铝合金简介

1．1．2 6XXX铝合金的研究背景

1．1．3 6XXX铝合金的研究现状

1．2 合金元素在6XXX铝合金中的作用

1．2．1 Mg对6XXX铝合金组织性能的影响

1．2．2 Si对6XXX铝合金组织性能的影响

1．2．3 Cu对6XXX铝合金组织性能的影响

1．2．4 微量V对6xxx铝合金组织性能的影响

1．2．5 Mn对6XXX铝合金组织性能的影响

1．2．6 微量Zr对6XXX铝合金组织性能的影响

1．2．7 Fe对6XXX铝合金组织性能的影响

1．2．8 微量Cr对6XXX铝合金组织性能的影响

1．2．9 微量Ti对6XXX铝合金组织性能的影响

1．2．10 Zn对6XXX铝合金组织性能的影响

1．3 铝合金用中间合金

1．3．1 研究铝合金用中间合金的意义

1．3．2 中间合金定义及分类

1．3．3 中间合金的生产方法

1．3．4 中间合金的质量要求与控制途径

1．3．5 中间合金的应用与发展

1．4 6XXX铝合金低频电磁半连续铸造(LFEC)

1．5 6XXX铝合金的强化机理

1．5．1 铝合金的常规热处理

1．5．2 6XXX铝合金的固溶处理

1．5．3 6XXX铝合金的时效强化处理

1．6 本文研究的内容与目的

第2章 实验方法

2．1 实验研究思路

2．2 实验材料制备

2．3 检测与分析方法

2．3．1 差示扫描量热(DSC)分析

2．3．2 JMat Pro 5．0软件计算

2．3．3 金相组织观察

2．3．4 X射线衍射物相(XRD)分析

2．3．5 扫描电镜分析(SEM)

2．3．6 透射电镜分析(TEM)

2．3．7 力学性能测试

2．3．8 电导率测定

2．3．9 宏观硬度测试

第3章 Mg、Si、Cu含量对新型6XXX铝合金组织性能影响

3．1 Mg／Si比大小对新型6XXX铝合金组织性能的影响

3．1．1 合金成分

3．1．2 过烧温度的确定

3．1．3 显微组织

3．1．4 力学性能

3．2 Cu含量对新型6XXX铝合金的组织性能影响

3．2．1 合金成分

3．2．2 过烧温度的确定

3．2．3 显微组织

3．2．4 力学性能

3．3 本章小结

第4章 Al-V中间合金制备及微量V对高强6XXX铝合金组织性能的影响

4．1 Al-4wt．％V中间合金组织中相的种类

4．2 不同相在铝合金中添加后的作用

4．2．1 DSC分析

4．2．2 不同含V相对6XXX铝合金组织的影响

4．3 理想Al-V中间合金制备工艺研究

4．3．1 Al-V中间合金制备方法

4．3．2 V含量对Al-V中间合金中有效结晶相大小、形态、分布的影响

4．3．3 熔炼温度对Al-4V中间合金有效结晶相生成及其大小、形态、分布的影响

4．3．4 保温时间对合金有效结晶相的生成及其大小、形态、分布的影响

4．3．5 冷却方式对合金有效结晶相的生成及其大小、形态、分布的影响

4．4 V对新型6XXX铝合金组织性能的影响

4．4．1 V对合金铸态组织影响

4．4．2 均匀化后含V相存在形式

4．4．3 V对合金挤压棒材T6热处理前后微观组织影响

4．4．4 V对合金挤压棒材T6热处理前后力学性能影响

4．5 本章小结

第5章 Mn对高强6XXX铝合金组织性能的影响

5．1 合金设计

5．2 Mn含量对合金铸态组织影响

5．3 均匀化后Mn在不同合金组织中的存在形式

5．4 Mn对合金挤压棒材T6热处理前后微观组织影响

5．5 Mn对合金性能的影响

5．5．1 Mn对合金铸态性能的影响

5．5．2 Mn对合金棒材T6态力学性能的影响

5．6 本章小结

第6章 Zr、Fe对高强6XXX铝合金组织性能的影响

6．1 Zr对高强6XXX铝合金组织性能的影响

6．1．1 Zr对合金铸态组织影响

6．1．2 均匀化后Zr在合金组织中的存在形式

6．1．3 Zr对合金挤压棒材组织影响

6．1．4 Zr对合金力学性能的影响

6．2 Fe对高强6XXX铝合金组织性能的影响

6．2．1 Fe对合金铸态组织影响

6．2．2 均匀化对含Fe相的影响

6．2．3 Fe对合金挤压棒材组织影响

6．2．4 Fe对合金力学性能的影响

6．3 本章小结

第7章 含Zr高强6XXX铝合金热处理工艺研究

7．1 实验工艺流程

7．1．1 半连续铸造工艺

7．1．2 实验工艺流程

7．2 均匀化制度研究

7．2．1 过烧温度的确定

7．2．2 均匀化制度的确定

7．3 固溶制度的确定

7．4 时效制度的确定

7．4．1 时效制度对力学性能的影响

7．4．2 时效制度对合金组织的影响

7．5 本章小结

第8章 结论

参考文献

攻读博士学位期间所做的工作

致谢

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