一種Al-Zn-Mg合金及其型材的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Al-Zn-Mg合金，其成分包括Zn、Mg、Mn、Cr、Zr、Ti、Cu、Al和難以避免的雜質(zhì)元素，其中Zn的質(zhì)量百分含量為4.2～4.8％，Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為2.8≤Zn/Mg≤3.0，Mn的質(zhì)量百分含量為0.2～0.4％，Cr的質(zhì)量百分含量為0.1～0.25％，Zr的質(zhì)量百分含量為0.1～0.25％，Ti的質(zhì)量百分含量為0.02～0.1％，Cu的質(zhì)量百分含量為0.05～0.2％；同時也公開了Al-Zn-Mg合金型材的制備方法。本發(fā)明所述的Al-Zn-Mg合金具有較好的綜合力學(xué)性能，尤其具有較好的焊接性能及耐應(yīng)力腐蝕性能；本發(fā)明所述的制備方法工藝簡單，成品率高，性能優(yōu)良，廣泛適用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是軌道列車的車體制造。
【專利說明】—種Al-Zn-Mg合金及其型材的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種Al-Zn-Mg合金及其型材的制備方法，屬于工業(yè)用鋁合金及其制造領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]軌道交通作為世界城市交通的發(fā)展方向，具有運(yùn)能大、速度快、安全高效、環(huán)保節(jié)能和成本相對低廉等優(yōu)點(diǎn)，但隨著近年來資源、能源枯竭壓力加大和交通線路壓力不斷升級，軌道列車的輕量化需求也不斷增加，已成為軌道交通運(yùn)輸現(xiàn)代化的中心議題。鋁合金以其密度小、強(qiáng)度高、耐蝕性好及易加工等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軌道交通運(yùn)輸裝備輕量化領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)軌道列車輕量化最有效的途徑之一。目前高速列車上，鋁合金型材約占車體重量的70%。但國內(nèi)軌道列車用鋁合金車體型材的制造技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距，尤其在材料合金元素的設(shè)計(jì)及合金成分的優(yōu)化等方面還存在一些不足，如:鋁合金中微量元素的種類、含量及比例關(guān)系等合金成分控制滯后于國外發(fā)達(dá)國家。而恰恰合金成分控制方面的不足，一方面將會導(dǎo)致材料自身性能的弱化，尤其耐應(yīng)力腐蝕性能不足，較差的焊接性能影響合金的焊接及焊縫成型，進(jìn)而導(dǎo)致了車體結(jié)構(gòu)性能的弱化，影響了列車的有效運(yùn)行壽命和安全可靠性。
[0003]合金元素的優(yōu)化設(shè)計(jì)是發(fā)展高性能鋁合金的重要方向之一，可綜合提高其使用性能，對提高高速列車的運(yùn)行安全可靠性具有重要的工程價值和現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種Al-Zn-Mg合金及其型材的制備方法，解決了現(xiàn)有合金焊接性能和耐應(yīng)力腐蝕性能不足的問題。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種Al-Zn-Mg合金,其特征在于:其成分包括Zn、Mg、Mn、Cr、Zr、T1、Cu、Al和難以避免的雜質(zhì)元素,其中Zn的質(zhì)量百分含量為4.2~4.8%,Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為2.8≤Zn/Mg ( 3.0, Mn的質(zhì)量百分含量為0.2~0.4%，Cr的質(zhì)量百分含量為0.1~0.25%,Zr的質(zhì)量百分含量為0.1~0.25%，Ti的質(zhì)量百分含量為0.02~0.l%，Cu的質(zhì)量百分含量為0.05~0.2 %。
[0007]一種Al-Zn-Mg合金型材的制備方法，包括以下步驟，
[0008](I)采用半連續(xù)鑄造方法，經(jīng)保溫、扒渣、轉(zhuǎn)爐、除氣精煉、靜置后，澆注獲得直徑為400~500mm的Al-Zn-Mg合金圓鑄錠；半連續(xù)鑄造過程中采用冷卻水將鑄錠冷卻至室溫；
[0009](2)將Al-Zn-Mg合金圓鑄錠加熱至420~480°C保溫10~20h，后隨爐冷卻至室溫；
[0010](3)將均勻化退火后的Al-Zn-Mg合金圓鑄錠加熱至480~540°C進(jìn)行擠壓變形，擠壓成合金型材；擠壓筒溫度為420~450°C，模具溫度為480~500°C，擠壓比為18~22，出口采用風(fēng)冷在線淬火；[0011](4)將合金型材經(jīng)矯直、鋸切、去毛刺，自然時效72h后進(jìn)行人工時效；人工時效參數(shù)為：(100 ~120) °C X (8 ~12) h+(140 ~160) °C X (8 ~12) h。
[0012]本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所述的Al-Zn-Mg合金具有較好的綜合力學(xué)性能，尤其具有較好的焊接性能及耐應(yīng)力腐蝕性能；本發(fā)明所述的制備方法工藝簡單，成品率高，性能優(yōu)良，廣泛適用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是軌道列車的車體制造。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0014]一種Al-Zn-Mg合金,其特征在于：其成分包括Zn、Mg、Mn、Cr、Zr、Ti、Cu、Al和難以避免的雜質(zhì)元素,其中Zn的質(zhì)量百分含量為4. 2~4. 8%,Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為2. 8≤ Zn/Mg ≤ 3.0, Mn的質(zhì)量百分含量為O. 2~O. 4%，Cr的質(zhì)量百分含量為O. I~
O.25%,Zr的質(zhì)量百分含量為O. I~O. 25%，Ti的質(zhì)量百分含量為0.02~O. l%，Cu的質(zhì)量百分含量為0.05~O. 2 %。
[0015]上述Al-Zn-Mg合金型材的制備方法，包括以下步驟，
[0016](I)采用半連續(xù)鑄造方法，經(jīng)保溫、扒渣、轉(zhuǎn)爐、除氣精煉、靜置后，澆注獲得直徑為400~500mm的Al-Zn-Mg合金圓鑄錠；半連續(xù)鑄造過程中采用冷卻水將鑄錠冷卻至室溫；
[0017](2)將Al-Zn-Mg合金圓鑄錠加熱至420~480°C保溫10~20h，后隨爐冷卻至室溫；
[0018](3)將均勻化退火后的Al-Zn-Mg合金圓鑄錠加熱至480~540°C進(jìn)行擠壓變形，擠壓成合金型材；擠壓筒溫度為420~450°C，模具溫度為480~500°C，擠壓比為18~22，出口采用風(fēng)冷在線淬火；
[0019](4)將合金型材經(jīng)矯直、鋸切、去毛刺，自然時效72h后進(jìn)行人工時效；人工時效參數(shù)為：(100 ~120) °C X (8 ~12) h+(140 ~160) °C X (8 ~12) h。
[0020]實(shí)施例1
[0021]Al-Zn-Mg合金各成分的質(zhì)量百分含量為：Zn為4. 2%，Mg為I. 5%，Mn為O. 2%，Cr為O. 1%，Zr為O. 1%，Ti為0.02%, Cu為0.05%，其余為Al和難以避免的雜質(zhì)元素，Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為2. 8。
[0022]制備合金型材的過程為：
[0023](I)將各合金元素及其中間合金按上述成分設(shè)計(jì)比例置于坩堝中加熱，采用半連續(xù)鑄造方法，經(jīng)保溫、扒渣、轉(zhuǎn)爐、除氣精煉、靜置后，澆注獲得直徑為400~500mm的Al-Zn-Mg合金圓鑄錠；半連續(xù)鑄造過程中采用冷卻水將鑄錠冷卻至室溫；
[0024](2)將Al-Zn-Mg合金圓鑄錠加熱至420~480°C保溫10~20h，后隨爐冷卻至室溫;
[0025](3)將均勻化退火后的Al-Zn-Mg合金圓鑄錠加熱至480~540°C進(jìn)行擠壓變形，擠壓成合金型材；擠壓筒溫度為420~450°C，模具溫度為480~500°C，擠壓比為18~22，出口采用風(fēng)冷在線淬火；
[0026](4)將合金型材經(jīng)矯直、鋸切、去毛刺，自然時效72h后進(jìn)行人工時效；人工時效參數(shù)為：(100 ~120) °C X (8 ~12) h+(140 ~160) °C X (8 ~12) h。[0027]對通過上述制備方法制備的合金型材進(jìn)行性能測試，獲得該型材的抗拉強(qiáng)度為413MPa，屈服強(qiáng)度374MPa，延伸率為16. 3 %，沖擊韌性為21. 0J/cm2,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90》測量該型材應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為2. 12X 10_4mm/h。對該型材進(jìn)行手工MIG對焊焊接，對焊接接頭進(jìn)行性能測試，獲得該焊接接頭抗拉強(qiáng)度為279MPa，沖擊韌性為26. 5J/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量焊接熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為
4.82 X 10 4mm/h0
[0028]實(shí)施例2
[0029]Al-Zn-Mg合金各成分的質(zhì)量百分含量為：Zn為4. 63%，Mg為1.64%，Mn為
O.21%，Cr 為 O. 12%, Zr 為 O. 16%, Ti 為 0.023%, Cu 為 O. 13%，其余為 Al 和難以避免的雜質(zhì)元素，Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為2. 82。
[0030]制備合金型材的過程為與上述方法一致。對通過上述制備方法制備的合金型材進(jìn)行性能測試，獲得該型材的抗拉強(qiáng)度為431MPa，屈服強(qiáng)度382MPa，延伸率為12. 2%，沖擊韌性為19. 5J/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量該型材應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為2. 45 X 10_4mm/h。對該型材進(jìn)行手工MIG對焊焊接，對焊接接頭進(jìn)行性能測試，獲得該焊接接頭抗拉強(qiáng)度為291MPa，沖擊韌性為32. 5J/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量焊接熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為7. 13X10_4mm/h。
[0031]實(shí)施例3
[0032]Al-Zn-Mg合金各成分的質(zhì)量百分含量為：Zn為4. 41 % ,Mg為I. 5% ,Mn為O. 35%，Cr為O. 24%, Zr為O. 16%, Ti為0.028%, Cu為O. 13%，其余為Al和難以避免的雜質(zhì)元素，Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為2. 94。
[0033]制備合金型材的過程為與上述方法一致。對通過上述制備方法制備的合金型材進(jìn)行性能測試，獲得該型材的抗拉強(qiáng)度為418MPa，屈服強(qiáng)度378MPa，延伸率為15. 2%，沖擊韌性為20. 2J/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量該型材應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為2. 03 X 10_4mm/h。對該型材進(jìn)行手工MIG對焊焊接，對焊接接頭進(jìn)行性能測試，獲得該焊接接頭抗拉強(qiáng)度為284MPa，沖擊韌性為27. Ij/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量焊接熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為5. 08 X IWh ο
[0034]實(shí)施例4
[0035]Al-Zn-Mg合金各成分的質(zhì)量百分含量為：Zn為4. 69%，Mg為1.63%，Mn為
O.22%, Cr 為 O. 14%, Zr 為 O. 17%, Ti 為 0.028%, Cu 為 0.084%，其余為 Al 和難以避免的雜質(zhì)元素，Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為2. 88。
[0036]制備合金型材的過程為與上述方法一致。對通過上述制備方法制備的合金型材進(jìn)行性能測試，獲得該型材的抗拉強(qiáng)度為436MPa，屈服強(qiáng)度405MPa，延伸率為12. 7%，沖擊韌性為19. 4J/cm2,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量該型材應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為
5.12X10_4mm/h。對該型材進(jìn)行手工MIG對焊焊接，對焊接接頭進(jìn)行性能測試，獲得該焊接接頭抗拉強(qiáng)度為277MPa，沖擊韌性為28. 4J/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量焊接熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為16. 84 X IWh ο
[0037]實(shí)施例5
[0038]Al-Zn-Mg合金各成分的質(zhì)量百分含量為：Zn為4. 2%，Mg為I. 4%，Mn為O. 2%,Cr為O. 1%，Zr為O. 1%，Ti為0.02%, Cu為0.05%，其余為Al和難以避免的雜質(zhì)元素，Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為3。
[0039]制備合金型材的過程為與上述方法一致。對通過上述制備方法制備的合金型材進(jìn)行性能測試，獲得該型材的抗拉強(qiáng)度為421MPa，屈服強(qiáng)度383MPa，延伸率為17. 2%，沖擊韌性為22. 4J/cm2,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量該型材應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為2. 36 X IWhο對該型材進(jìn)行手工MIG對焊焊接，對焊接接頭進(jìn)行性能測試，獲得該焊接接頭抗拉強(qiáng)度為283MPa，沖擊韌性為27. 4J/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量焊接熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為5. 28 X IWh ο
[0040]實(shí)施例6
[0041]Al-Zn-Mg合金各成分的質(zhì)量百分含量為：Zn為4. 8%，Mg為I. 7%，Mn為O. 4%，Cr為O. 25%, Zr為O. 25%, Ti為O. I%，Cu為O. 2%，其余為Al和難以避免的雜質(zhì)元素，Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為2. 8。
[0042]制備合金型材的過程為與上述方法一致。對通過上述制備方法制備的合金型材進(jìn)行性能測試，獲得該型材的抗拉強(qiáng)度為439MPa，屈服強(qiáng)度388MPa，延伸率為11. 5%，沖擊韌性為18. 3J/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量該型材應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為2. 76 X IWhο對該型材進(jìn)行手工MIG對焊焊接，對焊接接頭進(jìn)行性能測試，獲得該焊接接頭抗拉強(qiáng)度為296MPa，沖擊韌性為26. 9J/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量焊接熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為6. 39 X IWh ο
[0043]實(shí)施例7
[0044]Al-Zn-Mg合金各成分的質(zhì)量百分含量為：Zn為4. 8%，Mg為I. 6%，Mn為O. 4%,Cr為O. 25%, Zr為O. 25%, Ti為O. I%，Cu為O. 2%，其余為Al和難以避免的雜質(zhì)元素，Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為3。
[0045]制備合金型材的過程為與上述方法一致。對通過上述制備方法制備的合金型材進(jìn)行性能測試，獲得該型材的抗拉強(qiáng)度為434MPa，屈服強(qiáng)度380MPa，延伸率為11. 9%，沖擊韌性為18. Ij/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量該型材應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為2. 59 X 10_4mm/h。對該型材進(jìn)行手工MIG對焊焊接，對焊接接頭進(jìn)行性能測試，獲得該焊接接頭抗拉強(qiáng)度為291MPa，沖擊韌性為25. Ij/cm2，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12445. 3-90))測量焊接熱影響區(qū)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率為5· 82X 10_4mm/h。
[0046]綜上所述，通過上述實(shí)施例對比可知，本發(fā)明所述的Al-Zn-Mg合金具有較好的綜合力學(xué)性能，尤其具有較好的焊接性能及耐應(yīng)力腐蝕性能。本發(fā)明所述的制備方法工藝簡單，成品率高，性能優(yōu)良，廣泛適用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其是軌道列車的車體制造。
[0047]以上顯 示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種Al-Zn-Mg合金，其特征在于:其成分包括Zn、Mg、Mn、Cr、Zr、T1、Cu、Al和難以避免的雜質(zhì)元素，其中Zn的質(zhì)量百分含量為4.2~4.8%，Zn和Mg的質(zhì)量百分含量比值為2.8≤Zn/Mg ( 3.0, Mn的質(zhì)量百分含量為0.2~0.4%，Cr的質(zhì)量百分含量為0.1~0.25%, Zr的質(zhì)量百分含量為0.1~0.25 %，Ti的質(zhì)量百分含量為0.02~0.1 %，Cu的質(zhì)量百分含量為0.05~0.2 %。
2.基于權(quán)利要求1所述的一種Al-Zn-Mg合金型材的制備方法，其特征在于:包括以下步驟， (1)采用半連續(xù)鑄造方法，經(jīng)保溫、扒渣、轉(zhuǎn)爐、除氣精煉、靜置后，澆注獲得直徑為400~500mm的Al-Zn-Mg合金圓鑄錠；半連續(xù)鑄造過程中采用冷卻水將鑄錠冷卻至室溫； (2)將Al-Zn-Mg合金圓鑄錠加熱至420~480°C保溫10~20h，后隨爐冷卻至室溫； (3)將均勻化退火后的Al-Zn-Mg合金圓鑄錠加熱至480~540°C進(jìn)行擠壓變形，擠壓成合金型材；擠壓筒溫度為420~450°C，模具溫度為480~500°C，擠壓比為18~22，出口采用風(fēng)冷在線淬火； (4)將合金型材經(jīng)矯直、鋸切、去毛刺，自然時效72h后進(jìn)行人工時效；人工時效參數(shù)為:(100 ~120) °C X (8 ~12) h+(140 ~160) °C X (8 ~12) h。
【文檔編號】C22C21/10GK104032193SQ201410214749
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】武美妮, 張勇, 趙學(xué)武, 陳菲, 丁潔瓊, 曹興華 申請人:南京南車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司