CN105908028B - 一种设计高淬透性高强度铝合金主要成分的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属合金领域，尤其涉及一种设计高淬透性高强度Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金主要成分的方法。为获得高淬透性，应遵循尽量减小主合金化元素原子与Al原子的半径差百分比总和的原则，使得原子半径差百分比总和δ满足0.059％≤δ≤0.344％。为获得高强度，设计成分时应遵循以下原则，合金元素中Zn和Mg的质量百分比应满足WtZn/WtMg≥4，Mg的质量百分数WtMg应满足WtMg≥1.4。本发明是通过大量的试验和计算而获得的一种理想的设计高淬透性高强度Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金主要成分的方法，计算简单方便，方法可靠，解决了在高淬透性高强度Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金成分设计领域尚无公认且准确设计方法的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属合金领域，尤其涉及一种设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的方法。
背景技术
铝合金作为工业应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学化工等领域中已大量使用，而高强铝合金作为铝合金中强度较高的一种材料，需求量也日益增加。高强铝合金的主体是Al-Zn-Mg-Cu系(简称7000系)合金，该系合金具有良好的塑性、韧性、抗应力腐蚀性能和加工性能。
然而，随着航空航天飞行器的不断发展，最新一代航空航天飞行器型号装备发展尤其是大型化型号装备发展对高强铝合金提出了更高要求。大型化型号装备要求其承载构件必须大型化和整体化，为了保证大型承载构件的心部性能，要求高强铝合金必须具有更好的淬透性(淬火敏感性)。7075、7050、7055合金的成分设计只能满足厚度在120mm以下结构件制造的要求，在厚度大于120mm的制品表面与心部性能差异较大，难以满足航空航天对超大截面铝合金材料的需求，为了解决这一难题，必须开发出能够适用于生产大型，整体化结构件的低淬火敏感性合金。
中国专利CN104004946A公开了一种690-730MPa超高强度高淬透性铝合金及其制备方法，这种铝合金的单端淬透深度能够达到80-100mm。中国专利CN102703782A公开了一种超高强高淬透性Al-Zn-Mg-Cu合金，这种铝合金淬火后硬度最高能达到214HV，单端淬透深度约为82mm。但这两个专利都只是给出了合金的主要成分，没有提供这两种铝合金成分设计的方法。
近年来，美国和欧洲已经开发出以7136(Al-8.9Zn-2.2Mg-2.2Cu-0.15Zr)等为代表的最新一代具有强度级别更高、综合性能更加平衡优化且具有良好淬透性的铝合金，走在了世界前列，但是到目前为止，除了给出合金成分，其他技术仍对我国封锁。
针对如何降低淬火敏感性的难题，很多研究机构和学者都提出了自己的观点及方法，比如调整主要合金元素(Zn、Mg、Cu)的成分配比，减少淬火敏感性合金元素(Cu、Cr等)的含量，进一步降低和控制杂质元素(Fe、Si)含量等。但这些观点及方法在一定层面上都存在局限性，有些情况下甚至是自相矛盾的，到目前为止，尚未有一种公认的更好的理论出现，也没有一种能够用于指导高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分设计的方法可供使用，这一定程度上制约了航空航天、武器装备等工业的发展。
发明内容
本发明的目的是针对现在Al-Zn-Mg-Cu系高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分设计理论及方法缺失的问题，发明了一种能够用于指导高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分设计的方法。
本发明的技术方案是：
一种设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的方法，其特征在于在设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分时，为获得高淬透性，在设计Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的的质量百分比时，先计算主合金化元素原子Zn、Mg、Cu与Al原子的半径差百分比总和δ，使得主合金化元素原子Zn、Mg、Cu与Al原子的半径差百分比总和δ满足0.059％≤δ≤0.344％；同时δ值在上述范围内越小越好，通过代入公式计算，找到主合金化元素Zn、Mg、Cu各自在合金中所占的合适的质量百分比；为获得高强度，其成分还应遵循以下原则，合金元素中Zn和Mg的质量百分数的比值应满足4≤WtZn/WtMg≤5.5，Mg的质量百分数WtMg应满足1.4％≤WtMg≤3.5％。
所述的原子半径差百分比总和δ，其计算公式为 WtZn为Zn在铝合金中所占质量百分数，WtMg为Mg在铝合金中所占质量百分数，WtCu为Cu在铝合金中所占质量百分数。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的一种设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的方法，在国内外均属首创，提出了一种全新的可靠的成分设计方法，解决了在高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分设计领域尚无公认且准确设计方法的问题。
(2)本发明通过大量的试验和计算获得了一种理想的设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的方法，计算简单方便，方法可靠。
(3)本发明提出的一种设计高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的方法，极大的简化了高淬透性高强度Al-Zn-Mg-Cu系铝合金成分设计，并且可靠实用，一定程度上推动了航空航天、武器装备等工业的发展。
附图说明
图1为本发明端淬棒材的尺寸图。
图2为本发明端淬现场照片。
图3是本发明端淬棒材线切割示意图。
图4是本发明拉伸试样尺寸图。
图5是本发明实施例一的硬度-离淬火端距离的端淬曲线图。
图6是本发明实施例二的硬度-离淬火端距离的端淬曲线图。
图7是本发明实施例三的硬度-离淬火端距离的端淬曲线图。
图8是本发明对比例一的硬度-离淬火端距离的端淬曲线图。
图9是本发明实施例一、二、三和对比例一的硬度-离淬火端距离的端淬曲线对比图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例及对比例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
为了说明本发明的具体实施方式，下面将根据本发明所提供的方法设计3种典型的7000系铝合金成分，为了说明本发明提供的方法的可靠性和优越性，还将提供一个对比例，是一种7075合金，对比例合金的成分设计与本发明提供的方法中的原则相背。将上述的所有实施例和对比例的其中材料进行以下材料制备、热处理、淬透性及拉伸性能实验。
材料制备、热处理、淬透性及拉伸性能实验方案：
(1)材料制备：
1)根据设计的合金成分熔炼合金，熔炼温度为850℃～900℃。
2)将铸锭进行均质化退火处理，退火机制为470℃×24h，然后随炉冷却至200℃，最后取出空冷。
3)对铸锭进行热挤压加工，进而得到直径为Φ30mm的挤压棒材。挤压比为20:1。
4)将上一步得到的棒材加工成Φ30mm×40mm的拉伸试验棒材和如图(1)所示的端淬棒材备用。
(2)热处理：
1)强化固溶处理：将上述拉伸试验棒材和端淬棒材进行强化固溶处理，强化固溶机制为470℃×2h+480℃×2h+490℃×2h。
2)淬火处理：将上述强化固溶后的末端淬火棒材立刻进行末端淬火，淬火转移时间不超过10秒，淬火介质为20℃的水，端淬现场如图(2)所示；将上述强化固溶后的拉伸试验棒材进行水淬处理，淬火转移时间不超过10秒，直接将棒材浸入20℃的清水中，直至棒材完全冷却为止。
3)时效处理：将上述淬火处理后的末端淬火棒材和拉伸实验棒材进行时效处理，其中7085和7075铝合金采取T76时效处理，时效机制为121℃×5h+153℃×16h，超高强铝合金采取T6时效，时效机制为121℃×24h。
(3)性能测试：
1)淬透性测试：采用线切割的方法，按照如图(3)所示方式切割末端淬火棒材，将切割好的测试片磨亮，从小端开始，每隔一段距离，测一次硬度，将硬度绘制成硬度-离淬火端距离的端淬曲线，规定硬度下降10％为单端淬透深度。
2)拉伸测试：采用线切割方法，将棒材切割成如图(4)所示的拉伸试样，进行拉伸试验，测出试样的抗拉强度。
实施例一
根据本发明提供的方法，设计出一种7085铝合金，其成分为Al-7Zn-1.41Mg-1.5Cu和极少量的0.4％的Zr和0.025％的Sr，称这种合金为7085-1合金，将Zn、Mg、Cu的质量百分数代入公式计算得本合金的原子半径差百分比总和δ＝0.059％，WtZn/WtMg＝4.96，且WtMg＝1.41％，满足0.059％≤δ≤0.344％，4≤WtZn/WtMg≤5.5，1.4％≤WtMg≤3.5％，将本合金经过上述材料制备、热处理、淬透性及拉伸性能实验，绘制出硬度-离淬火端距离的端淬曲线如图(5)所示，分析的7085-1铝合金的单端淬透深度大于140mm所以其淬透性至少为280mm，淬透性非常高，其抗拉强度为518.25MPa。
实施例二
根据本发明提供的方法，设计出一种7085铝合金，其成分为Al-7.48Zn-1.51Mg-1.42Cu和极少量的0.4％的Zr和0.025％的Sr，称这种合金为7085-2合金，将Zn、Mg、Cu的质量百分数代入公式计算得本合金的原子半径差百分比总和δ＝0.0959％，WtZn/WtMg＝4.95，且WtMg＝1.51％，满足0.059％≤δ≤0.344％，4≤WtZn/WtMg≤5.5，1.4％≤WtMg≤3.5％，将本合金经过上述材料制备、热处理、淬透性及拉伸性能实验，绘制出硬度-离淬火端距离的端淬曲线如图(6)所示，分析得7085-2铝合金的单端淬透深度大于140mm所以其淬透性至少为280mm，淬透性非常高，其抗拉强度为517MPa。
实施例三
根据本发明提供的方法，设计出一种7085铝合金，其成分为Al-7.95Zn-1.8Mg-1.59Cu和极少量的0.4％的Zr和0.025％的Sr，称这种合金为7085-3合金，将Zn、Mg、Cu的质量百分数代入公式计算得本合金的原子半径差百分比总和δ＝0.1833％，WtZn/WtMg＝4.4，且WtMg＝1.8％，满足0.059％≤δ≤0.344％，4≤WtZn/WtMg≤5.5，1.4％≤WtMg≤3.5％，将本合金经过上述材料制备、热处理、淬透性及拉伸性能实验，绘制出硬度-离淬火端距离的端淬曲线如图(7)所示，分析得7085-1铝合金的单端淬透深度大于140mm所以其淬透性至少为280mm，淬透性非常高，其抗拉强度为542.25MPa。
对比例一
设计出一种7075铝合金，其成分为Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu，将本合金经过上述材料制备、热处理制备实验样品，并进行淬透性及拉伸性能实验，将Zn、Mg、Cu的质量百分数代入公式计算的本合金的原子半径差百分比总和δ＝0.00648，WtZn/WtMg＝2.24，且WtMg＝2.5％，不满足0.059％≤δ≤0.344％的条件，根据淬透性实验结果，绘制出硬度-离淬火端距离的端淬曲线如图(8)所示，分析得这种7075铝合金的单端淬透深度约为36mm，所以其淬透性为72mm，淬透性不好，也不满足4≤WtZn/WtMg≤5.5的条件，其抗拉强度为505MPa，其抗拉强度也不高。
我们将实施例一、二、三和对比例一进行对比，三个实施例提供的7085-1、7085-2、7085-3合金的成分均根据本发明提供的原则和方法设计得出，其淬透性都非常高，而对比例一7075合金的成分与本发明提供的原则不相符，淬透性很低，强度也在这几种合金中最低，将四种合金的硬度-离淬火端距离的端淬曲线绘制在一张图里对比，如图(9)所示，可以发现按本发明提供的7805合金淬透性至少是7075合金的3.8倍。可见本发明所提供的成分设计方法的合理性及优越性。
Claims (1)
1.一种设计高淬透性高强度铝合金主要成分的方法，所述高强度铝合金为Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，其特征在于：为获得高淬透性，在设计Al-Zn-Mg-Cu系铝合金主要成分的的质量百分比时，先计算主合金化元素原子Zn、Mg、Cu与Al原子的半径差百分比总和δ，使得主合金化元素原子Zn、Mg、Cu与Al原子的半径差百分比总和δ满足0.059％≤δ≤0.344％；同时δ值在上述范围内越小越好，通过代入公式计算，找到主合金化元素Zn、Mg、Cu各自在合金中所占的合适的质量百分比；为获得高强度，其成分还应遵循以下原则，合金元素中Zn和Mg的质量百分数的比值应满足4≤WtZn/WtMg≤5.5，Mg的质量百分数WtMg应满足1.4％≤WtMg≤3.5％；所述的主合金化元素原子Zn、Mg、Cu与Al原子的半径差百分比总和δ，其计算公式为WtZn为Zn在铝合金中所占质量百分数，WtMg为Mg在铝合金中所占质量百分数，WtCu为Cu在铝合金中所占质量百分数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |