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挤压铸造超高强Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc铝合金的热处理工艺
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司
更新时间：2013-09-04
现有铸造铝合金因强韧性稍逊，使其应用范围受到较大的限制，许多重要用途如特种重载车负重轮、航空用铝合金等多采用变形铝合金而不是铸造铝合金。变形铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了合金的致密度，因而具有很高的强韧性及良好的使用性能。但是常规7系变形铝合金成形对设备和工装模具要求较高，而且生产工序多，尤其是对某些形状复杂的结构件难以通过普通锻造的方式成形，因此限制了超高强变形铝合金的应用。Al-Zn-Mg-Cu系合金的成分特点与凝固特性决定了其铸造性能差的本质缺陷，该合金不适于常规铸造成形。为了克服这一致命弱点，人们从改善合金的铸造性能和采用先进成形技术两方面进行研究，其中采用微合金化、通过增加异质形核核心，可以达到改变合金凝固方式从而改善合金铸造性能的目的。大量研究表明：Sc、Zr复合添加可以显著细化Al-Zn-Mg-Cu合金的铸造组织，提高合金的强韧性能。作为时效强化型合金，热处理工艺对合金性能潜力的充分发挥起着至关重要的作用，挤压铸造超高强铝合金又有其成分与组织的特殊性，因此需要探索适合挤压铸造Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金的热处理制度。
实验采用高纯Al(99.99%)，纯Mg(99.99%)，纯Zn(99.99%)及中间合金Al-10%Mn、Al-4%Zr、Al-2%Sc和Al-2%Zr(质量分数)进行配料，熔炼设备为普通电阻炉，采用石墨坩埚以避免Fe、Si等杂质元素的渗入，为减少合金的烧损和氧化，采用持续吹入惰性气体方法保护熔体。合金熔体经熔清、保温、吹氩精炼、静置后通过挤压铸造获得Φ80mm×40mm的坯料，合金成分为(质量分数，%)：7.0~8.0Zn，1.5~2.5Mg，1.5~2.0Cu，0.1~0.3Mn，0.10~0.18Sc，0.10~0.15Zr， 其余为Al。热处理实验采用SX2-5-12箱式电阻炉，控温精度±1℃;坯料热处理后按GB/T16865-1997加工成Φ5mm标准拉伸试样。
复合添加Sc、Zr等微量元素，并配合挤压铸造的方式可明显改善合金的组织以及力学性能，晶粒呈球状均匀分布于基体，尺寸为50μm左右。合金铸态抗拉强度和屈服强度分别达到340MPa和230MPa，伸长率为4.5%。Al-Zn-Mg-Cu挤压铸造铝合金在热处理之前没有经过变形处理，与变形铝合金相比，残余应力以及体内缺陷提供的固溶驱动力相对不足，决定了该合金必须通过长时间的固溶处理。最终确定对于实验合金较合适的固溶工艺制度为460℃×24h+470℃×8h+485℃×2h然后水淬。
合金经过单级时效后，合金的基体组织为细小弥散状分布的GP区和η'相，晶界为断续状分布的晶界析出相。对比各种热处理后合金的综合力学性能考虑，最终采用120℃×24h单级时效处理制度。实验合金经热处理后的抗拉强度达到597MPa，伸长率达到13.2%，实现了较好的强韧性配合。