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擠壓鑄造超高強Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc鋁合金的熱處理工藝
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司
更新時間：2013-09-04
現有鑄造鋁合金因強韌性稍遜，使其應用范圍受到較大的限制，許多重要用途如特種重載車負重輪、航空用鋁合金等多采用變形鋁合金而不是鑄造鋁合金。變形鋁合金通過擠壓、軋制、鍛造等手段減少了缺陷，細化了晶粒，提高了合金的致密度，因而具有很高的強韌性及良好的使用性能。但是常規7系變形鋁合金成形對設備和工裝模具要求較高，而且生產工序多，尤其是對某些形狀復雜的結構件難以通過普通鍛造的方式成形，因此限制了超高強變形鋁合金的應用。Al-Zn-Mg-Cu系合金的成分特點與凝固特性決定了其鑄造性能差的本質缺陷，該合金不適于常規鑄造成形。為了克服這一致命弱點，人們從改善合金的鑄造性能和采用先進成形技術兩方面進行研究，其中采用微合金化、通過增加異質形核核心，可以達到改變合金凝固方式從而改善合金鑄造性能的目的。大量研究表明：Sc、Zr復合添加可以顯著細化Al-Zn-Mg-Cu合金的鑄造組織，提高合金的強韌性能。作為時效強化型合金，熱處理工藝對合金性能潛力的充分發揮起著至關重要的作用，擠壓鑄造超高強鋁合金又有其成分與組織的特殊性，因此需要探索適合擠壓鑄造Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Sc合金的熱處理制度。
實驗采用高純Al(99.99%)，純Mg(99.99%)，純Zn(99.99%)及中間合金Al-10%Mn、Al-4%Zr、Al-2%Sc和Al-2%Zr(質量分數)進行配料，熔煉設備為普通電阻爐，采用石墨坩堝以避免Fe、Si等雜質元素的滲入，為減少合金的燒損和氧化，采用持續吹入惰性氣體方法保護熔體。合金熔體經熔清、保溫、吹氬精煉、靜置后通過擠壓鑄造獲得Φ80mm×40mm的坯料，合金成分為(質量分數，%)：7.0~8.0Zn，1.5~2.5Mg，1.5~2.0Cu，0.1~0.3Mn，0.10~0.18Sc，0.10~0.15Zr， 其余為Al。熱處理實驗采用SX2-5-12箱式電阻爐，控溫精度±1℃;坯料熱處理后按GB/T16865-1997加工成Φ5mm標準拉伸試樣。
復合添加Sc、Zr等微量元素，并配合擠壓鑄造的方式可明顯改善合金的組織以及力學性能，晶粒呈球狀均勻分布于基體，尺寸為50μm左右。合金鑄態抗拉強度和屈服強度分別達到340MPa和230MPa，伸長率為4.5%。Al-Zn-Mg-Cu擠壓鑄造鋁合金在熱處理之前沒有經過變形處理，與變形鋁合金相比，殘余應力以及體內缺陷提供的固溶驅動力相對不足，決定了該合金必須通過長時間的固溶處理。最終確定對于實驗合金較合適的固溶工藝制度為460℃×24h+470℃×8h+485℃×2h然后水淬。
合金經過單級時效后，合金的基體組織為細小彌散狀分布的GP區和η'相，晶界為斷續狀分布的晶界析出相。對比各種熱處理后合金的綜合力學性能考慮，最終采用120℃×24h單級時效處理制度。實驗合金經熱處理后的抗拉強度達到597MPa，伸長率達到13.2%，實現了較好的強韌性配合。
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