CN116815082A - 提高Al-Zn-Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及Al‑Zn‑Mg合金挤压型材，具体涉及提高Al‑Zn‑Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性能的方法。所述方法包括：将Al‑Zn‑Mg合金铸锭进行多级均匀化退火处理，然后均匀化退火处理后的铸锭进行热挤压获得Al‑Zn‑Mg合金热挤压型材；再将所述Al‑Zn‑Mg合金热挤压型材依次进行固溶处理、人工时效处理；按质量百分比计，所述Al‑Zn‑Mg合金中V的含量为0.05‑0.1％。本发明通过添加V提高Al‑Zn‑Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性能的方法，通过成分设计和工艺优化进一步提升Al‑Zn‑Mg合金挤压材的服役寿命。

Description

提高Al-Zn-Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性方法

技术领域

本发明涉及Al-Zn-Mg合金挤压型材，具体涉及一种添加V提高Al-Zn-Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性能的方法。

背景技术

Al–Zn–Mg合金拥有较高的比强度、良好的断裂韧性、良好的耐腐蚀性能，良好的加工成型性以及优良的焊接性能。可以通过压力加工，如挤压、轧制等方式，生产出各种规格的挤压材、板材和锻件。作为轻质结构材料，Al-Zn-Mg合金挤压材现已广泛的应用于轨道交通、汽车等重要领域。随着轨道交通事业的发展，兼备强度、韧性、耐蚀性和抗疲劳性的Al-Zn-Mg系合金挤压材作为重要的轻量化结构材料得到了广泛应用。进一步提升Al-Zn-Mg合金挤压材的服役寿命对于保障轨道交通运输安全和可靠具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种提高Al-Zn-Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性能的方法，通过成分设计和工艺优化进一步提升Al-Zn-Mg合金挤压材的服役寿命。

一种提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，包括：将Al-Zn-Mg合金铸锭进行多级均匀化退火处理，然后均匀化退火处理后的铸锭进行高挤压比热挤压获得Al-Zn-Mg合金热挤压型材；再将所述Al-Zn-Mg合金热挤压型材依次进行固溶处理、人工时效处理。

根据本发明实施例，按质量百分比计，所述Al-Zn-Mg合金中V(钒元素)的含量为0.05-0.1％，具体例如0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％、0.1％。研究发现，若V的含量低于0.05％，弥散相析出量较少，在防止再结晶程度和细化晶粒上的作用有限，对合金的拉伸性能的改善也是有限的。与不含V的合金相比，V含量低于0.05％的合金的中值疲劳强度的提高也是有限的，添加V含量低于0.05％对疲劳性的改善作用有限，抗疲劳裂纹扩展性能改善不明显。若V的含量高于0.1％，弥散相的析出量增多，大量弥散相的存在延缓了再结晶过程并提高了再结晶温度表现出较高的再结晶阻力，细化了晶粒；与和不含V的合金相比，拉伸强度明显改善，同时，随着V的过量添加，合金的拉伸强度的提高是有限的。同时，合金的中值疲劳强度提高，然而合金中微观第二相分布变差，虽然合金的具有较高的抗再结晶能力，但是容易形成疲劳裂纹源的微观粗大颗粒增多，合金的抗疲劳裂纹扩展性能会下降。

发明人发现，适当添加V元素，高挤压比热挤压过程中铝基体中形成的细小弥散的含V相阻碍再结晶晶界的迁移，抑制再结晶发生，形成{111}Al变形织构为主的晶粒组织，细小弥散的含V相和变形织构共同阻碍裂纹扩展。

根据本发明实施例，按质量百分比计，所述Al-Zn-Mg合金铸锭的组成如下：Zn：4.05-5.05％，Mg：0.75-1.5％，Cu：0.1-0.2％，Mn：0.25-0.35％，Zr：0.1-0.2％，Cr：0.2-0.3％，Ti：0.05-0.1％，V：0.05-0.1％，Si：0.05-0.15％，Fe：0.05-0.2％，余量为Al。

根据本发明实施例，所述多级均匀化退火处理包括：依次在350-410℃下均匀化5-10h，在410-450℃下均匀化1-6h，在460-490℃下均匀化10-24h。研究发现，在上述条件下进行多级均匀化退火处理可以消除铸锭在生产过程中的内应力，使微观组织变得均匀，消除枝晶，改善第二相的分布，使合金内部的弥散相析出更加均匀，从而提高Al-Zn-Mg合金的抗疲劳裂纹扩展性能。

具体地，所述多级均匀化退火处理包括：在380℃下均匀化8h，在430℃下均匀化4h，在475℃下均匀化16h。

根据本发明实施例，所述热挤压包括将多级均匀化退火处理的铸锭加热到420-490℃，挤压筒温度为420-490℃，挤压材挤出速度为4-20m/min，挤压比大于或等于10。研究发现，在上述条件下进行高挤压比热挤压处理可以改善第二相的分布，使合金内部的弥散相析出更加均匀、密集、细小，位错的钉扎效应更加显著，提高晶粒的均匀性，可进一步提高Al-Zn-Mg合金挤压材的抗疲劳裂纹扩展性能。

根据本发明实施例，所述热挤压时挤压材挤出速度为5-18m/min。

根据本发明实施例，所述热挤压的挤压比为10、11或12。

具体地，所述热挤压包括将多级均匀化退火处理的铸锭加热到450-470℃，挤压筒温度为450-470℃，挤压材挤出速度为5-15m/min，挤压比为12。

根据本发明实施例，所述固溶处理的温度为450-490℃，固溶处理的时间为1-3h。具体地，所述固溶处理的温度为475℃，固溶处理的时间为1h。固溶处理完成后，水冷至室温。

根据本发明实施例，所述人工时效处理为：在90-130℃下时效10-20h。具体例如在120℃时效15h。

本发明还包括上述方法制备得到的Al-Zn-Mg合金挤压型材。

本发明提供的提高Al-Zn-Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性能的方法，将Al-Zn-Mg合金铸锭进行多级均匀化退火处理，然后均匀化退火处理后的铸锭进行高挤压比的热挤压获得Al-Zn-Mg合金型材；最后将所述Al-Zn-Mg合金热挤压型材依次进行固溶处理、人工时效处理。通过优化均匀化工艺、高挤压比热挤压、固溶和时效热处理，获得了以尺寸细小、分布弥散的含V第二相和{111}_Al变形织构为主的微观组织，有效地提高Al-Zn-Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性能。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

以下Al-Zn-Mg合金铸锭的制备方法：按设计的组分配取原料，通过熔炼铸造得到Al-Zn-Mg铸锭。

实施例1

本实施例提供一种提高Al-Zn-Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性能的方法，包括：

①多级均匀化退火：将Al-Zn-Mg铸锭外表面机加工处理后在热处理炉进行均匀化处理，均匀化处理过程为分别在380℃下均匀化8h，在430℃下均匀化4h，在475℃下均匀化16h。

②热挤压：多级均匀化退火处理后的铸锭加热到450℃，挤压筒温度为470℃，挤压材挤出速度为10m/min，挤压比为12。

③固溶处理：固溶处理的温度为475℃，固溶处理的时间为1h，固溶处理完成后，水冷至室温。

④人工时效：在120℃下时效15h。

本实施例Al-Zn-Mg合金铸锭的成分组成如下：Zn：4.50％，Mg：1.21％，Cu：0.13％，Mn：0.30％，Zr：0.15％，Cr：0.22％，Ti：0.06％，V：0.1％，Si：0.07％，Fe：0.06％，余量为Al。

实施例2

本实施例提供一种提高Al-Zn-Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性能的方法，与实施例1的区别仅在于：Al-Zn-Mg合金铸锭中V的含量为0.05％。

实施例3

本实施例提供一种提高Al-Zn-Mg合金挤压材抗疲劳裂纹扩展性能的方法，与实施例1的区别仅在于：Al-Zn-Mg合金铸锭中V的含量为0.09％。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于：均匀化退火不同，具体如下：①均匀化退火：将Al-Zn-Mg铸锭外表面机加工处理后在热处理炉进行均匀化处理，在475℃下均匀化16h。

对比例2

本对比例与实施例1的区别仅在于：均匀化退火和热挤压不同，具体如下：

①均匀化退火：将铸锭外表面机加工处理后在热处理炉进行均匀化处理，在475℃下均匀化16h。

④热挤压：均匀化退火处理后的铸锭加热到450℃，挤压筒温度为470℃，挤压材挤出速度为10m/min，挤压比为6。

对比例3

本对比例与实施例1的区别仅在于热挤压不同，具体如下：

④热挤压：均匀化退火处理后的铸锭加热到450℃，挤压筒温度为470℃，挤压材挤出速度为25m/min，挤压比为8。

对比例4

本对比例与实施例1的区别仅在于：Al-Zn-Mg铸锭中V的含量为0.03％。

对比例5

本对比例与实施例1的区别仅在于：Al-Zn-Mg铸锭中V的含量为0.15％。

实验例

表1为实施例1-3和对比例1-5制备的Al-Zn-Mg合金型材的疲劳裂纹扩展速率。检测方法ASTM E647 Standard test method for measurement of fatigue crack growthrates。

表1

可以看出，对比例具有较高的疲劳裂纹扩展速率，实施例的裂纹扩展速率相对于对比例较低，且实施例1具有较低的疲劳裂纹扩展速率。这表明实施例的抗疲劳裂纹扩展性能更佳。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，其特征在于，包括：将Al-Zn-Mg合金铸锭进行多级均匀化退火处理，然后均匀化退火处理后的铸锭进行热挤压获得Al-Zn-Mg合金热挤压型材；再将所述Al-Zn-Mg合金热挤压型材依次进行固溶处理、人工时效处理；按质量百分比计，所述Al-Zn-Mg合金中V的含量为0.05-0.1％。

2.根据权利要求1所述提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，其特征在于，按质量百分比计，所述Al-Zn-Mg合金中V的含量为0.05-0.1％；

可选地，按质量百分比计，所述Al-Zn-Mg合金铸锭的组成如下：Zn：4.05-5.05％，Mg：0.75-1.5％，Cu：0.1-0.2％，Mn：0.25-0.35％，Zr：0.1-0.2％，Cr：0.2-0.3％，Ti：0.05-0.1％，V：0.05-0.1％，Si：0.05-0.15％，Fe：0.05-0.2％，余量为Al。

3.根据权利要求1或2所述提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，其特征在于，所述多级均匀化退火处理包括：依次在350-410℃下均匀化5-10h，在410-450℃下均匀化1-6h，在460-490℃下均匀化10-24h。

4.根据权利要求1或2所述提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，其特征在于，所述多级均匀化退火处理包括：在380℃下均匀化8h，在430℃下均匀化4h，在475℃下均匀化16h。

5.根据权利要求1-4任一项所述提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，其特征在于，所述热挤压包括将多级均匀化退火处理的铸锭加热到420-490℃，挤压筒温度为420-490℃，挤压材挤出速度为4-20m/min，挤压比大于或等于10。

6.根据权利要求5所述提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，其特征在于，所述热挤压的挤压比为10、11或12。

7.根据权利要求1-4任一项所述提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，其特征在于，所述热挤压包括将多级均匀化退火处理的铸锭加热到450-470℃，挤压筒温度为450-470℃，挤压材挤出速度为5-15m/min，挤压比为12。

8.根据权利要求1-7任一项所述提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为450-490℃，固溶处理的时间为1-3h。

9.根据权利要求1-8任一项所述提高Al-Zn-Mg合金抗疲劳裂纹扩展性能的方法，其特征在于，所述人工时效处理为：在90-130℃下时效10-20h。

10.一种Al-Zn-Mg合金挤压型材，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述方法制备得到。