一種設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度鋁合金主要成分的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于金屬合金領(lǐng)域，尤其涉及一種設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度Al?Zn?Mg?Cu系鋁合金主要成分的方法。為獲得高淬透性，應(yīng)遵循盡量減小主合金化元素原子與Al原子的半徑差百分比總和的原則，使得原子半徑差百分比總和δ滿足0.059％≤δ≤0.344％。為獲得高強(qiáng)度，設(shè)計成分時應(yīng)遵循以下原則，合金元素中Zn和Mg的質(zhì)量百分比應(yīng)滿足WtZn/WtMg≥4，Mg的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)WtMg應(yīng)滿足WtMg≥1.4。本發(fā)明是通過大量的試驗和計算而獲得的一種理想的設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度Al?Zn?Mg?Cu系鋁合金主要成分的方法，計算簡單方便，方法可靠，解決了在高淬透性高強(qiáng)度Al?Zn?Mg?Cu系鋁合金成分設(shè)計領(lǐng)域尚無公認(rèn)且準(zhǔn)確設(shè)計方法的問題。
【專利說明】
一種設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度鋁合金主要成分的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于金屬合金領(lǐng)域，尤其涉及一種設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系錯 合金主要成分的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁合金作為工業(yè)應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械 制造、船舶及化學(xué)化工等領(lǐng)域中已大量使用，而高強(qiáng)鋁合金作為鋁合金中強(qiáng)度較高的一種 材料，需求量也日益增加。高強(qiáng)鋁合金的主體是Al-Zn-Mg-Cu系（簡稱7000系）合金，該系合 金具有良好的塑性、韌性、抗應(yīng)力腐蝕性能和加工性能。
[0003] 然而，隨著航空航天飛行器的不斷發(fā)展，最新一代航空航天飛行器型號裝備發(fā)展 尤其是大型化型號裝備發(fā)展對高強(qiáng)鋁合金提出了更高要求。大型化型號裝備要求其承載構(gòu) 件必須大型化和整體化，為了保證大型承載構(gòu)件的心部性能，要求高強(qiáng)鋁合金必須具有更 好的淬透性(淬火敏感性）。7075、7050、7055合金的成分設(shè)計只能滿足厚度在120111111以下結(jié) 構(gòu)件制造的要求，在厚度大于120mm的制品表面與心部性能差異較大，難以滿足航空航天對 超大截面鋁合金材料的需求，為了解決這一難題，必須開發(fā)出能夠適用于生產(chǎn)大型，整體化 結(jié)構(gòu)件的低淬火敏感性合金。
[0004] 中國專利CN104004946A公開了一種690-730MPa超高強(qiáng)度高淬透性鋁合金及其制 備方法，這種鋁合金的單端淬透深度能夠達(dá)到80-100mm。中國專利CN102703782A公開了一 種超高強(qiáng)高淬透性Al-Zn-Mg-Cu合金，這種鋁合金淬火后硬度最高能達(dá)到214HV，單端淬透 深度約為82mm。但這兩個專利都只是給出了合金的主要成分，沒有提供這兩種鋁合金成分 設(shè)計的方法。
[0005] 近年來，美國和歐洲已經(jīng)開發(fā)出以7136(Al-8.9Zn-2.2Mg-2.2Cu-0.15Zr)等為代 表的最新一代具有強(qiáng)度級別更高、綜合性能更加平衡優(yōu)化且具有良好淬透性的鋁合金，走 在了世界前列，但是到目前為止，除了給出合金成分，其他技術(shù)仍對我國封鎖。
[0006] 針對如何降低淬火敏感性的難題，很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者都提出了自己的觀點及方 法，比如調(diào)整主要合金元素(Zn、Mg、Cu)的成分配比，減少淬火敏感性合金元素(Cu、Cr等）的 含量，進(jìn)一步降低和控制雜質(zhì)元素(Fe、Si)含量等。但這些觀點及方法在一定層面上都存在 局限性，有些情況下甚至是自相矛盾的，到目前為止，尚未有一種公認(rèn)的更好的理論出現(xiàn)， 也沒有一種能夠用于指導(dǎo)高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金成分設(shè)計的方法可供使 用，這一定程度上制約了航空航天、武器裝備等工業(yè)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)在Al-Zn-Mg-Cu系高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金 成分設(shè)計理論及方法缺失的問題，發(fā)明了一種能夠用于指導(dǎo)高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金成分設(shè)計的方法。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0009] -種設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金主要成分的方法，其特征在于在 設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金主要成分時，為獲得高淬透性，在設(shè)計Al-Zn-Mg-Cu系錯合金主要成分的的質(zhì)量百分比時，先計算主合金化元素原子Zn、Mg、Cu與A1原子 的半徑差百分比總和S，使得主合金化元素原子Zn、Mg、Cu與A1原子的半徑差百分比總和δ滿 足0.059 % <δ<〇. 344% ;同時δ值在上述范圍內(nèi)越小越好，通過代入公式計算，找到主合金 化元素 Zn、Mg、Cu各自在合金中所占的合適的質(zhì)量百分比；為獲得高強(qiáng)度，其成分還應(yīng)遵循 以下原則，合金元素中Zn和Mg的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的比值應(yīng)滿足4彡Wt Zn/WtMg彡5.5，Mg的質(zhì)量百 分?jǐn)?shù)WtMg應(yīng)滿足1 · 4 %彡WtMg彡3 · 5 %。
[0010]所述的原子半徑差百分比總和δ，其計算公式為g = + ^^P^WtZr*Zn在鋁合金中所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，WtMi^Mg在鋁合金中所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)， WtCu為Cu在鋁合金中所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
[0011] 本發(fā)明的有益效果：
[0012] (1)本發(fā)明提出的一種設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金主要成分的方 法，在國內(nèi)外均屬首創(chuàng)，提出了一種全新的可靠的成分設(shè)計方法，解決了在高淬透性高強(qiáng)度 Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金成分設(shè)計領(lǐng)域尚無公認(rèn)且準(zhǔn)確設(shè)計方法的問題。
[0013] (2)本發(fā)明通過大量的試驗和計算獲得了一種理想的設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金主要成分的方法， 計算簡單方便 ，方法可靠。
[0014] (3)本發(fā)明提出的一種設(shè)計高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金主要成分的方 法，極大的簡化了高淬透性高強(qiáng)度Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金成分設(shè)計，并且可靠實用，一定程 度上推動了航空航天、武器裝備等工業(yè)的發(fā)展。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明端淬棒材的尺寸圖。
[0016] 圖2為本發(fā)明端淬現(xiàn)場照片。
[0017] 圖3是本發(fā)明端淬棒材線切割示意圖。
[0018] 圖4是本發(fā)明拉伸試樣尺寸圖。
[0019]圖5是本發(fā)明實施例一的硬度-離淬火端距離的端淬曲線圖。
[0020]圖6是本發(fā)明實施例二的硬度-離淬火端距離的端淬曲線圖。
[0021]圖7是本發(fā)明實施例三的硬度-離淬火端距離的端淬曲線圖。
[0022]圖8是本發(fā)明對比例一的硬度-離淬火端距離的端淬曲線圖。
[0023]圖9是本發(fā)明實施例一、二、三和對比例一的硬度-離淬火端距離的端淬曲線對比 圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面對本發(fā)明的實施例及對比例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下 述的實施例。
[0025] 為了說明本發(fā)明的【具體實施方式】，下面將根據(jù)本發(fā)明所提供的方法設(shè)計3種典型 的7000系鋁合金成分，為了說明本發(fā)明提供的方法的可靠性和優(yōu)越性，還將提供一個對比 例，是一種7075合金，對比例合金的成分設(shè)計與本發(fā)明提供的方法中的原則相背。將上述的 所有實施例和對比例的其中材料進(jìn)行以下材料制備、熱處理、淬透性及拉伸性能實驗。
[0026] 材料制備、熱處理、淬透性及拉伸性能實驗方案：
[0027] (1)材料制備：
[0028] 1)根據(jù)設(shè)計的合金成分熔煉合金，熔煉溫度為850°C~900°C。
[0029] 2)將鑄錠進(jìn)行均質(zhì)化退火處理，退火機(jī)制為470°C X24h，然后隨爐冷卻至200°C， 最后取出空冷。
[0030] 3)對鑄錠進(jìn)行熱擠壓加工，進(jìn)而得到直徑為Φ30πιπι的擠壓棒材。擠壓比為20:1。
[0031 ] 4)將上一步得到的棒材加工成Φ 30mm X 40mm的拉伸試驗棒材和如圖（1)所示的端 淬棒材備用。
[0032] (2)熱處理：
[0033] 1)強(qiáng)化固溶處理:將上述拉伸試驗棒材和端淬棒材進(jìn)行強(qiáng)化固溶處理，強(qiáng)化固溶 機(jī)制為470°C X 2h+480°C X 2h+490°C X 2h。
[0034] 2)淬火處理:將上述強(qiáng)化固溶后的末端淬火棒材立刻進(jìn)行末端淬火，淬火轉(zhuǎn)移時 間不超過10秒，淬火介質(zhì)為20°C的水，端淬現(xiàn)場如圖（2)所示;將上述強(qiáng)化固溶后的拉伸試 驗棒材進(jìn)行水淬處理，淬火轉(zhuǎn)移時間不超過10秒，直接將棒材浸入20 °C的清水中，直至棒材 完全冷卻為止。
[0035] 3)時效處理:將上述淬火處理后的末端淬火棒材和拉伸實驗棒材進(jìn)行時效處理， 其中7085和7075鋁合金采取T76時效處理，時效機(jī)制為121°CX5h+153°CX16h，超高強(qiáng)鋁合 金采取T6時效，時效機(jī)制為121°C X24h。
[0036] (3)性能測試：
[0037] 1)淬透性測試:采用線切割的方法，按照如圖（3)所示方式切割末端淬火棒材，將 切割好的測試片磨亮，從小端開始，每隔一段距離，測一次硬度，將硬度繪制成硬度-離淬火 端距離的端淬曲線，規(guī)定硬度下降10%為單端淬透深度。
[0038] 2)拉伸測試:采用線切割方法，將棒材切割成如圖（4)所示的拉伸試樣，進(jìn)行拉伸 試驗，測出試樣的抗拉強(qiáng)度。
[0039] 實施例一
[0040] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，設(shè)計出一種7085鋁合金，其成分為Al-7Zn-l. 41Mg-l. 5Cu 和極少量的0.4%的Zr和0.025%的Sr，稱這種合金為7085-1合金，將Zn、Mg、Cu的質(zhì)量百分 數(shù)代入公式S+ 計算得本合金的原子半徑差百 7.13X9.2 1.738X13.97 8.9X7.1 分比總和3 = 0.059%，聽211/機(jī)|^ = 4.96，且機(jī)|^=1.41%，滿足0.059%彡3彡0.344%，4彡 fftZn/WtMg彡5 · 5，1 · 4 %彡WtMg彡3 · 5 %，將本合金經(jīng)過上述材料制備、熱處理、淬透性及拉伸 性能實驗，繪制出硬度-離淬火端距離的端淬曲線如圖（5)所示，分析的7085-1鋁合金的單 端淬透深度大于140mm所以其淬透性至少為280mm，淬透性非常高，其抗拉強(qiáng)度為 518.25MPa〇 [0041 ] 實施例二
[0042] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，設(shè)計出一種7085鋁合金，其成分為Al-7.48Zn-l.51Mg- 1.42Cu和極少量的0.4%的Zr和0.025 %的Sr，稱這種合金為7085-2合金，將Zn、Mg、Cu的質(zhì) 麵·Λ細(xì)=+ +氣￡^，i十獅細(xì)勺辦 徑差百分比總和5 = 0.0959%，￥乜"/計(^ = 4.95，且討(^=1.51%，滿足0.059%彡3彡 0.344%，4彡WtZn/WtMg彡5.5，1.4%彡WtMg彡3.5 %，將本合金經(jīng)過上述材料制備、熱處理、淬 透性及拉伸性能實驗，繪制出硬度-離淬火端距離的端淬曲線如圖（6)所示，分析得7085-2 錯合金的單端淬透深度大于140mm所以其淬透性至少為280mm，淬透性非常高，其抗拉強(qiáng)度 為517MPa。
[0043] 實施例三
[0044] 根據(jù)本發(fā)明提供的方法，設(shè)計出一種7085鋁合金，其成分為Al-7.95Zn-l. 8Mg- 1.59Cu和極少量的0.4%的Zr和0.025 %的Sr，稱這種合金為7085-3合金，將Zn、Mg、Cu的質(zhì) 量百分?jǐn)?shù)代入公式δ = 4- + ，計算得本合金的原子半 7,13X9.2： 1,738X13.97 B.9/7.1 徑差百分比總和δ = 0· 1833%，WtZn/WtMg = 4.4,且WtMg=l .8%，滿足0.059% 彡δ彡0.344%， 4彡WtZn/WtMg彡5.5，1.4%彡WtMg彡3.5 %，將本合金經(jīng)過上述材料制備、熱處理、淬透性及拉 伸性能實驗，繪制出硬度-離淬火端距離的端淬曲線如圖（7)所示，分析得7085-1鋁合金的 單端淬透深度大于140mm所以其淬透性至少為280mm，淬透性非常高，其抗拉強(qiáng)度為 542.25MPa〇 [0045] 對比例一
[0046] 設(shè)計出一種7075鋁合金，其成分為Al-5.6Zn-2.5Mg-l. 6Cu，將本合金經(jīng)過上述材 料制備、熱處理制備實驗樣品，并進(jìn)行淬透性及拉伸性能實驗，將Zn、Mg、Cu的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)代 入公式s二+ + 計算的本合金的原子半徑差百分比 總和δ = 〇 · 00648，Wtzn/WtMg = 2 · 24，且WtMg = 2 · 5%，不滿足0 · 059% 彡δ彡〇 · 344% 的條件，根 據(jù)淬透性實驗結(jié)果，繪制出硬度-離淬火端距離的端淬曲線如圖（8)所示，分析得這種7075 鋁合金的單端淬透深度約為36mm，所以其淬透性為72mm，淬透性不好，也不滿足4彡Wt Zn/ WtMg<5.5的條件，其抗拉強(qiáng)度為505MPa，其抗拉強(qiáng)度也不高。
[0047] 我們將實施例一、二、三和對比例一進(jìn)行對比，三個實施例提供的7085-1、7085-2、 7085-3合金的成分均根據(jù)本發(fā)明提供的原則和方法設(shè)計得出，其淬透性都非常高，而對比 例一 7075合金的成分與本發(fā)明提供的原則不相符，淬透性很低，強(qiáng)度也在這幾種合金中最 低，將四種合金的硬度-離淬火端距離的端淬曲線繪制在一張圖里對比，如圖（9)所示，可以 發(fā)現(xiàn)按本發(fā)明提供的7805合金淬透性至少是7075合金的3.8倍?？梢姳景l(fā)明所提供的成分 設(shè)計方法的合理性及優(yōu)越性。
【主權(quán)項】
1. 一種設(shè)計高澤透性高強(qiáng)度侶合金主要成分的方法，所述高強(qiáng)度侶合金為Al-Zn-Mg- Cu系侶合金，其特征在于:為獲得高澤透性，在設(shè)計Al-Zn-Mg-Cu系侶合金主要成分的的質(zhì) 量百分比時，先計算主合金化元素原子化、Mg、化與Al原子的半徑差百分比總和5,使得主合 金化元素原子Zn、Mg、Cu與Al原子的半徑差百分比總和S滿足0.059%344%;同時5 值在上述范圍內(nèi)越小越好，通過代入公式計算，找到主合金化元素 Zn、Mg、Cu各自在合金中 所占的合適的質(zhì)量百分比；為獲得高強(qiáng)度，其成分還應(yīng)遵循W下原則，合金元素中Zn和Mg的 質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的比值應(yīng)滿足4《機(jī)2。/胖切8《5.5，1邑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)機(jī)郵應(yīng)滿足1.4%《機(jī)|^《 3.5%。2. 如權(quán)利要求1所述的一種設(shè)計高澤透性高強(qiáng)度侶合金主要成分的方法，其特征在于： 所沐的豐合金化元素原子Zn、Me、Ci]臺Al原子的半徑差百分比總和6,其計算公式為。為Zn在侶合金中所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，WtMg 為Mg在侶合金中所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，WtCu為化在侶合金中所占質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
【文檔編號】C22C21/10GK105908028SQ201610431322
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】許曉靜, 朱金鑫, 丁清, 羅勇, 吳瑤, 談成, 趙建吉, 張香麗, 楊帆, 張沖
【申請人】江蘇大學(xué)