一种液态模锻Al-Cu-Zn铝合金及其制备方法

摘要

本发明属于轻合金设计与制备领域，涉及一种液态模锻用的中强高韧铝合金材料，尤其涉及一种液态模锻Al-Cu-Zn铝合金及其制备方法。该合金的主要组分及质量百分比为：Cu含量3.2-4.8％，Zn含量1.8-3.0％，Mn含量0.3-0.8％，Cd含量0.08-0.22％，Ti含量0.06-0.24％，V含量0.05-0.15％，Zr含量0.07-0.16％，B含量0.005-0.06％，Be含量0.002-0.006％，杂质元素含量Fe≤0.15％，Mg≤0.1％，Si≤0.06％，其他杂质元素单个含量≤0.05％，杂质总含量≤0.3％，Al为平衡元素，本发明所提及的Al-Cu-Zn系中强高韧铝合金在液态模锻成形过程中具备优良的成形性能、无热裂倾向、低疏松、低偏析，利用该合金制备的零件经热处理后具备优良的强度与塑性，具备其他现役合金无法比拟的优越性，拥有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于轻合金设计与制备领域，涉及一种液态模锻用的中强高韧铝合金材料，尤其涉及一种液态模锻Al-Cu-Zn铝合金及其制备方法。

背景技术

近些年我国大型运输机的研制进展顺利并即将装配于部队，因此对作战装甲车辆的轻量化提出了高要求，负重轮轮毂减重是其中一项重要技术。为保证高的生产效率与较高的产品质量，目前负重轮轮毂主要采用液态模锻技术制备。由于对性能要求较高，故选用Al-Cu系合金，常用的合金包括LD5变形铝合金与ZL205A铸造铝合金，没有液态模锻专用的中强高韧铝合金。

这两种合金在液态模锻成形工艺中存在以下问题：(1)LD5是变形合金，Cu含量在1.8～2.6％，Mg含量在0.4～0.8％，在液态模锻成形过程中轮毂内部存在疏松与热裂纹，由于Mg元素的存在，压力凝固过程中熔体内极易卷入氧化物，致使轮毂内部冶金质量差，抗拉强度不合格；(2)ZL205A是高强度铸造铝合金，Cu含量在4.6～5.3％，但其结晶范围宽，在液态模锻成形过程中存在严重的热烈倾向、疏松与偏析现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种液态模锻用的Al-Cu-Zn系中强高韧铝合金，解决合金内部存在疏松与热裂纹、严重的热烈倾向、疏松与偏析问题。

本发明的技术方案是：其组分及质量百分比为Cu含量3.2-4.8％，Zn含量1.8-3.0％，Mn含量0.3-0.8％，Zr含量0.07-0.20％，Cd含量0.08-0.22％，Ti含量0.06-0.24％，V含量0.05-0.15％，B含量0.005-0.06％，Be含量0.002-0.006％，杂质元素含量Fe≤0.15％，Mg≤0.1％，Si≤0.06％，余量为Al，其中Cu、Zn为主要合金化元素，Mn、Zr为主要工艺元素，Mn/Zr的比值≈4，Ti、B、V、Be、Cd为冶金质量控制元素，在要求范围内即可，Fe、Mg、Si为杂质元素，要求控制在允许范围内。

液态模锻用新型中强高韧铝合金的制备方法包括以下几个步骤：

1)按权利要求1所述的合金化学成分及重量百分比要求配料；

2)在坩埚熔炼炉内进行熔化，熔炼温度在690-800℃范围内；

3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属液温度维持在700℃～740℃的范围内，精炼时间15-20min；

4)精炼后进行真空除气处理，真空处理时间为20min；

5)真空处理后熔体静置8-12min，然后，在熔炼坩埚炉内通入氩气保护熔体，同时使用机械搅拌装置对熔体进行搅拌3-5min，搅拌速度200-300r/min，接着采用半连续铸造制备铸锭，在铸造过程中，每隔10min进行搅拌一次，每次搅拌3min，直到铸造完成，其中浇铸温度为690-710℃；

6)铸锭成型后对铸锭合金成分进行化学检测，除了合金成分中规定的化学元素外，其他杂质元素单个含量≤0.05％，杂质总含量≤0.3％，若超过规定要求，将铸锭回炉重熔并提高精炼次数再次铸造；

7)将铸锭重熔后，利用液态模锻技术制备合金零件，并进行固溶时效热处理。

所述合金组分及质量百分比为Cu含量4.2％，Zn含量2.4％，Mn含量0.5％，Zr含量0.12％，Cd含量0.15％，Ti含量0.15％，V含量0.12％，B含量0.04％，Be含量0.005％。

本发明具有的优点和有益效果是：

1)为了降低Cu的偏析，合金在设计过程中以Zn代Cu。降低Cu的含量，提高Zn含量，依靠Zn的固溶强化作用弥补Cu减少所损失的强度，从而保证低偏析的同时又具备较高的强度。

2)通过添加Mn/Zr联合强化，抑制材料再结晶倾向，同时添加Cd、Ti、V、B等元素，使合金在凝固过程中尽量实现组织细化，提高合金强度与韧性。

3)在熔炼与铸造过程中采用机械装置搅拌，提高合金熔体中Cu、Ti元素的分布均匀性，以保证半连续铸锭头部、中部与尾部等各处Cu、Ti元素及其化合物的均匀性，以提高液态模锻零件整体各处性能的均匀分布。

4)该合金液态模锻制品，其成形性能优良，无热裂倾向，低疏松、偏析，综合性能显著优于现役LD5与ZL205A合金。

5)该合金适用于液态模锻制备中强高韧的零部件制品，尤其适用于制备装甲车、轻坦克与重型运输车辆等负重轮轮毂，性能显著优异。

具体实施方式

一种液态模锻用的Al-Cu-Zn系中强高韧铝合金，各组分及质量百分比为：Cu含量3.2-4.8％，Zn含量1.8-3.0％，Mn含量0.3-0.8％，Zr含量0.07-0.20％，Cd含量 0.08-0.22％，Ti含量0.06-0.20％，V含量0.05-0.30％，B含量0.005-0.06％，Be含量0.002-0.006％，杂质元素含量Fe≤0.15％，Mg≤0.1％，Si≤0.06％，余量为Al。

一种液态模锻用的中强高韧铝合金制备工艺如下：

1)按上述的合金化学成分及重量百分比要求配料，原材料包括：纯Al，纯Zn，Al-Cu中间合金，Al-Mn中间合金，Al-Ti-B中间合金，Al-V中间合金，氟锆酸钾，Cd单质，Al-Be中间合金等。

2)在坩埚熔炼炉内进行熔炼，原材料的熔炼顺序依次为纯Al、氟锆酸钾溶剂、Al-Cu中间合金、纯Zn、Al-Mn中间合金、Cd单质、Al-V中间合金、Al-Be中间合金、Al-Ti-B中间合金，熔炼温度在690-800℃范围内。

3)对完全熔化的金属液进行精炼，精炼时金属液温度维持在700℃～740℃的范围内，精炼时间15-20min。

4)精炼后进行真空除气处理，真空处理时间为20min。

5)真空处理后熔体静置10min，在坩埚炉内通入氩气保护，使用机械搅拌装置对熔体搅拌4min，搅拌速度260r/min，接着采用半连续铸造制备精密铸锭，每隔10min进行搅拌一次，每次搅拌3min，直到铸造完成，铸造过程中浇铸温度为690-710℃，铸造速度50-220mm/min，冷却水强度0.015MPa。

6)将制备的铸锭进行重熔，精炼，液态模锻制得零件。

实施例：

下表1给出了本发明所提出的新型中强高韧铝合金化学成分及重量百分比实施例。

表1 新型Al-Cu-Zn系中高强韧铝合金化学成分及重量百分比

实施例1、2、3、4中液态模锻合金制品经固溶时效处理后的性能如表2所示。

表2 实施例1、2、3、4中合金制品时效性能

实施例>抗拉强度Rm/MPa>屈服强度Rp_0.2/MPa>延伸率A/％>1>400>327>10>2>420>334>10.9>3>460>354>14>4>440>359>11.2>

由表1可以看出，其中实施例1、3、4满足其他杂质元素单个含量≤0.05％，杂质总含量≤0.3％的要求，实施例2不满足要求，其中实施例2中的合金经化学检测后，发现杂质Fe、Na含量超标，将该成分合金铸锭进行重熔，在之前精炼基础上增加两次精炼并再次进行铸造，所得铸锭经检验后化学成分达标，杂质含量控制在规定范围内，其中Fe含量1.2％，Na含量0.012％。合金经过热处理后的性能见表2。

综上所述，本发明所述的中强高韧Al-Cu-Zn系合金在所述的制备工艺下可稳定得到抗拉强度超过400MPa，延伸率超过10％的中强高韧铝合金制品，并且成形性能优良、低疏松、低偏析，在液态模锻生产高性能零部件领域存在很大的应用潜力。