專利名稱：一種超高強度高韌性耐磨鋁合金材料及其制備方法
技術領域：
本涉發(fā)明及一種鋁合金，特別是強度在750 800MPa或800MPa以上的高強高韌耐磨鋁合金材料及其制備方法。
背景技術：
鋁合金作為金屬材料中最典型的輕質材料，具有比重低、易加工、成本低等優(yōu)點， 一直是一種關鍵的軍民兩用材料。Al-Zn-Mg-Cu系合金是高強高韌鋁合金中的典型代表，該合金系列是20世紀60年代國際上以航空航天用材為背景研制并發(fā)展起來的一類高強高韌鋁合金材料。70年代以來，工業(yè)發(fā)達國家通過不斷優(yōu)化合金成分設計、改變7000系鋁合金中各種微量元素的添加種類及含量、開發(fā)合金的新型熱處理工藝等，在原始的幾種7000系鋁合金的基礎上，進一步開發(fā)出了多種具有更佳使用性能的7000系鋁合金，包括7075、7175、7475等，被廣泛用于各種飛機的機身、機翼殼、翼梁、機艙壁板、飛機和火箭中高強度結構零件的制造。在開發(fā)各種7000系鋁合金新產品的過程中，世界各國的科研工作者均發(fā)現通過提高7000系鋁合金中Si元素的含量，可有效地改善合金的綜合性能，在這種思想指導下，工業(yè)發(fā)達國家相繼開發(fā)出了 7049、7050、7076、7178等具有較高Si含量的7000系鋁合金，并結合對傳統(tǒng)鑄造及變形加工、后續(xù)熱處理工藝的不斷優(yōu)化改進，使7000系鋁合金的極限抗拉強度范圍從早期的500 580MPa提高至630 680MPa，同時材料的塑性、斷裂韌性和耐腐蝕性能也得到了提高。但由于隨著7000系鋁合金中的Si含量增加，材料中的宏觀偏析和鑄錠過程中的熱裂傾向加大，嚴重影響到鑄錠時的成材率和材料的最終使用性能，因此在采用傳統(tǒng)鑄造及變形加工工藝生產7000系鋁合金時，材料中的含Si量一般不能超過8wt%。到70年代末為止，由于國際上在7000系鋁合金的制備、成形與加工技術的研究開發(fā)方面沒有突破性進展，導致這類合金的極限抗拉強度很難突破700MPa這一大關。九十年代初期，隨著新一代快速凝固/粉末冶金工藝尤其是噴射成形技術走向大規(guī)模實用，使得在生產規(guī)模上制備各種實用化的超高強7000系鋁合金材料及產品變?yōu)榱爽F實。在7000系鋁合金方面，以美國、日本、英國、德國、法國、意大利為代表的工業(yè)發(fā)達國家均在九十年代初采用快速凝固技術開發(fā)成功了含量以上的新一代超高強7000 系鋁合金產品，并被用于制造各種航空航天器中的結構部件、高速列車掛鉤、賽車和其它體育競技器材中的零部件等，奠定了新一代超高強7000系鋁合金在輕質高強材料發(fā)展過程中的重要地位。但是，目前工業(yè)發(fā)達國家對噴射成形制備超高強7XXX系鋁合金材料的極限抗拉強度已經得到提高，但是耐磨性并不理想，使得設備使用壽命短、需要頻繁更換、生產成本高、對合金原料消耗量大等缺陷
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種極限抗拉強度在760 800MPa或800MPa以上的超高強度高韌性耐磨鋁合金材料，該新型合金比傳統(tǒng)高強高韌鋁合金(即一般指用傳統(tǒng)鑄造工藝制備的7XXX系鋁合金)強度提高30%以上、耐磨性能提高37%以上，從而延長設備的使用壽命、節(jié)約合金原料、降低生產成本，以解決現有技術中存在的技術問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種適用于制造極限抗拉強度在760 SOOMPa或 SOOMPa以上的超高強度高韌性耐磨鋁合金材料的制備方法。為實現上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案本發(fā)明的極限抗拉強度在SOOMPa以上的超高強度高韌性耐磨鋁合金材料按重量百分比計,合金成分為Zn 7 10wt%，Mg 1. 3 1. 8fft%, Cu 1. 7 2. Owt%, Zr 0. 1
0.2wt%, Ni 0. 1 0. 2wt%, Si 2. 0-2. 7wt%，其余為Al。該材料顯微組織均勻，晶粒細小，無明顯的微觀和宏觀偏析現象發(fā)生。通過適當熱處理，材料的主要力學性能達到σ b = 760 800Mpa，σ Q 2 = 720 760MPa，δ 5 = 5 8%。本發(fā)明的超高強度高韌性耐磨鋁合金材料按重量百分比計Zn優(yōu)選7. 5 10 %，進一步優(yōu)選7. 9 9. 5 %，更優(yōu)選是8. 2 9. 2 %，最優(yōu)選是 8. 5 9. 0% ；Mg優(yōu)選1.3 1.8%，進一步優(yōu)選1.4 1.7%，更優(yōu)選是1.2 1.5%，最優(yōu)選是
1.4 1. 5% ；Cu優(yōu)選1. 73 1. 9 %，進一步優(yōu)選1. 76 1. 88 %，更優(yōu)選是1. 78 1. 87 %，最優(yōu)選是1. 82 1. 86% ；^ 優(yōu)選0. 12 0. 19%，進一步優(yōu)選0. 14 1.8%，更優(yōu)選是0· 16 0. 17% ；Ni優(yōu)選0. 12 0. 19%，進一步優(yōu)選0. 14 1.8%，更優(yōu)選是0. 16 0. 175% ；Si優(yōu)選2. 2 2. 68 %，進一步優(yōu)選2. M 2. 64 %，更優(yōu)選是2.沘 2. 62 %，最優(yōu)選是2. 4 2. 56%。本發(fā)明的超高強度高韌性耐磨鋁合金還可以包含稀土元素，如Y、Nd、Sr、Gd和Ce 中的一種或幾種，其加入量按重量百分比計為0.01 0.05%。即，本發(fā)明的超高強度高韌性耐磨鋁合金材料按重量百分比計，合金成分為Si 7 IOwt%，Mg 1. 3 1. 8fft%, Cu 1. 7 2. 0wt%，Zr 0. 1 0. 2wt%，Ni 0. 1 0. 2wt%，Si 2. 0-2. 7wt%，稀土元素 0. 01
0.05wt %，其中，稀土元素為Y、Nd、Sr、Gd和Ce中的一種或幾種，其余為Al。優(yōu)選是稀土元素為Y或Ge。本發(fā)明的鋁合金材料是通過采用噴射成形制備、熱變形加工和熱處理而制成的。本發(fā)明的鋁合金材料的超高強度其鋁合金材料的極限抗拉強度可達到760 800MPa或800MPa以上；本發(fā)明的鋁合金材料的高韌性其延伸率為5% 8%;本發(fā)明的鋁合金材料的耐磨性其耐磨性能比傳統(tǒng)的7XXX系鋁合金的耐磨性能提高37%以上。本發(fā)明的一種適用于制造極限抗拉強度在760 800MPa或800MPa以上的超高強度高韌性耐磨鋁合金材料的制備方法，該方法包括下述步驟(1)按合金成分，按重量百分比計，該合金成分為Si 7 IOwt %，Mg 1. 3
1.8wt%,Cul. 7 2. 0wt%,Zr 0. 1 0. 2wt%,Ni 0. 1 0. 2wt%, Si 2. 0-2. 7wt%，其余為Al，進行配料，配制預制合金錠；或是，
按合金成分，按重量百分比計，該合金成分為Zn 7 IOwt %，Mg 1. 3 1. 8wt%, Cul. 7 2. Owt %，Zr 0. 1 0. 2wt %，Ni 0. 1 0. 2wt %，Si 2. 0-2. 7wt %，稀土元素 0. 01 0. 05wt%，其中，稀土元素為Y、Nd、Sr、Gd和Ce中的一種或幾種，其余為Al，進行配料，配制預制合金錠；(2)升溫將合金預制錠熔化后，采用高純惰性氣體通過霧化噴嘴進行霧化，霧化噴嘴以7 15Hz的頻率高速掃描，霧化壓力為0. 5 1. OMpa，并使導流嘴軸線與接收盤平面成30 35°的角度；(3)在氣霧化的同時，接收盤以20 35mm/min的速度下拉，接收盤在下拉坯錠的同時在變頻電機的牽引下高速旋轉，轉速為60 120轉/min，即采用斜噴直拉法制成合金錠；(4)將合金錠經過變形加工，加工成所需的部件毛坯；(5)將該部件進行熱處理，然后加工到部件最終尺寸，即得到超高強度高韌性耐磨鋁合金材料。本發(fā)明所采用的Si、Al、Cu、MgJr、Ni、Si分別是選取工業(yè)純Si、工業(yè)純Al、電解 Cu、工業(yè)純Mg、Al-&中間合金、Al-Ni中間合金、耐磨多晶硅。本發(fā)明所使用的高純惰性氣體為純度99. 999%的惰性氣體。優(yōu)選地，所述的高純惰性氣體為氬氣或氦氣。其中，高純惰性氣體、高純氬氣或高純氦氣中的所說的高純的純度均為99. 999%。優(yōu)選地，所述步驟O)中，所述的將合金預制錠熔化過程是在覆蓋劑保護下感應加熱至600 850°C將合金錠熔化。優(yōu)選地，所述步驟O)中，所述的將合金預制錠熔化過程是將合金預制錠在感應加熱熔煉爐中熔化，感應加熱熔煉爐的溫度控制為720 850°C，再經感應加熱或電阻加熱的中間包加熱，感應加熱或電阻加熱的中間包的溫度控制為800 850°C ；所述霧化的過程是將熔化后的熔體通過與非限制式氣流霧化噴嘴分離式配合的導流管，導流管為感應加熱或電阻加熱，導流管的溫度控制為800 850°C。優(yōu)選地，所述步驟中，所述的將圓錠扒皮的過程是采用機加工扒皮，制備成一定規(guī)格的棒坯，并在380 420°C下保溫1. 0-5. 0小時，再進行所述熱擠壓或熱鍛壓成型的過程。所謂的圓錠扒皮是采用車削工藝，車削圓錠的外圓面和端面。優(yōu)選地，所述步驟(5)中，所述的將部件進行熱處理的過程是進行單級或雙級固溶處理，使一次和二次析出相充分回溶，再進行時效處理。該發(fā)明的關鍵在于合金成分設計，要求各元素含量準確，合金化程度高，主合金元素含量高，強調微合金化元素輔助強化，實現多強化相耦合強化。該發(fā)明的另一關鍵因素是這種新型合金條件下的噴射成形制備技術，主要技術細節(jié)包括以下內容為保證合金成分準確，選用合適的熔煉溫度，同時在熔煉過程中加覆蓋劑保護，澆注之前除氣除渣。在噴射成形過程中選用完全非限制式氣霧化噴嘴，在工作過程中導流管與噴嘴之間采用的是分離配合方式，以便實現噴嘴高頻掃描。為保證較高的冷卻速度，霧化壓力選用 0. 6 1. OMPa0霧化壓力小，冷卻速度低，材料顯微組織粗大，晶界析出物多；霧化壓力大，冷卻速度高，材料顯微組織細小，晶界析出物少，但是材料致密度低，而且實收率低，因此在具體實施過程中選用適中的霧化壓力。專利號98201214. 4名為“雙層非限制式氣流霧化噴嘴”專利文獻中，記載了有關非限制式氣流霧化噴嘴的技術內容，非限制式霧化噴嘴中的導流管和氣流霧化噴嘴是采取分離配合方式。噴射擺動機構是由噴嘴擺動凸輪、噴嘴擺動頂桿、轉動軸構成，工作時，驅動機構帶動噴嘴擺動凸輪，噴嘴擺動凸輪與噴嘴擺動頂桿配合通過轉動軸帶動非限制式霧化噴嘴中的氣流霧化噴嘴按預先設定的擺動角度及擺動頻率進行掃描擺動，形成霧化錐，使金屬沉積成形。該非限制式氣流霧化噴嘴是一種公知設備。 該專利在上述非限制式氣流霧化噴嘴的基礎上又增加了輔助氣流噴嘴形成雙層非限制式氣流霧化噴嘴。該雙層非限制式氣流霧化噴嘴的主要優(yōu)點是消除了金屬沉積成形過程中的反濺現象，延長氣流霧化噴的使用壽命。在噴射成形過程中選用的非限制式氣霧化噴嘴， 可以是上述公知的非限制式氣流霧化噴嘴，也可以是上述的雙層非限制式氣流霧化噴嘴。 使合金預制錠熔化的熔煉爐的出口連接中間包，導流管的出口段位于非限制式氣流霧化噴嘴的中間，且導流管與非限制式氣流霧化噴嘴之間采用的是分離配合方式。接收裝置由接收盤、支撐軸、旋轉牽引電機、升降牽引電機、傳動機構、動密封系統(tǒng)組成，接收盤在旋轉牽引電機和升降牽引電機的牽引下可實現高速旋轉(0 120rpm)和無級變速下降(0 50mm/s)。在制備過程中，金屬熔體流被高速飛行的霧化氣體破碎成大量的細小的液滴，在重力和霧化氣體的作用下被加速向前飛行，當霧化液滴發(fā)生凝固但還沒完全凝固之前沉積到接收盤上，通過控制接收盤的旋轉速度和下降速度，可以得到一定直徑的合金錠坯。在本發(fā)明的方法的步驟中，所述的所述熱擠壓的過程，其擠壓溫度為360°C 420°C，要保溫1. 5 5h，擠壓速度為1 5m/min，擠壓比最高可達40 1。在本發(fā)明的方法的步驟(5)中，所述的將部件進行熱處理包括固溶處理和時效處理工藝，固溶處理的主要目的是使噴射成形制備和熱變形加工過程析出的一次和二次析出相充分回溶。本發(fā)明中固溶處理可以是單級固溶，固溶溫度為465 475°C /3h，也可以是雙級固溶，固溶溫度為4；35 440°C /5h+475 480°C/Ih0時效溫度可采用單級時效120°C /24h， 也可采用雙級時效120°C /24h+180°C /60min。經過時效處理后材料的極限抗拉強度可以達到 760 800MPa 或 800MPa 以上。本發(fā)明的優(yōu)點是(1)材料合金成分準確，顯微組織均勻細小，無明顯缺陷和宏觀偏析；(2)該材料具有良好的熱變形加工能力；(3)該材料經過適當的熱處理，材料的極限抗拉強度可達到760 SOOMI^或 SOOMPa以上，同時保持較高的塑性、耐磨性，是一種高性能的結構材料。(4)該材料具有極好的耐磨性能，延長了摩擦部件的使用壽命。


圖1為實施例制備所得的合金進行負荷摩擦測試的數據圖具體實施方式
實施例1 配制合金預制錠以后，裝入熔煉爐，在覆蓋劑保護下感應加熱，升溫至780°C，保溫lOmin，除渣除氣，中間包的溫度和導流管的溫度均控制為820°C，熔化后的熔體從熔煉爐經中間包和導流管，進入霧化噴嘴，進行噴射成形制備，采用高純氬氣(氬氣的純度為 99. 999% )進行，霧化壓力0. 9Mpa。開啟旋轉電機、升降電機，以轉速為60 120rpm，高速旋轉接收盤，導流管軸線與接收盤平面成35°角度，下拉的速度為20 30mm/min，下拉接收盤使霧化液滴直接沉積到接收盤上。一次性連續(xù)霧化120公斤新型合金，合金成分為 Zn 8. 8wt%, Mg 1. 7wt%, Cu 1. 7wt%, Zr 0. Iwt%, Ni 0. Iwt%, Si 2wt%，其余為 Al，制備出重70Kg的新型高強高韌耐磨鋁合金。該沉積坯件加工成一定規(guī)格的棒坯，在420°C保溫2h，以25 1的擠壓比進行熱擠壓加工，擠壓出Φ40πιπι的圓棒，440 450°C/5h+475 4800C/Ih固溶處理，時效制度可采用單級時效120°C /24h,極限抗拉強度為765MPa，同時延伸率為7. 5%。實施例1，與制備實施例1的合金方法相當，但在原料中又加入按重量百分比計0. Ol % 的稀土元素 Y,即，合金成分為Zn 8. 8wt %, Mg 1. 7wt%, Cu 1. 7wt%, Zr 0. Iwt %, Ni 0. Iwt%, Si 2wt%, YO. Olwt%，其余為Al，所得合金的抗拉強度增加至782MPa，耐磨性能、 抗氧化性能均有所提高。實施例1，(合金成分為:Zn 8. 8wt%, Mg 1. 7wt%, Cu 1. 7wt%, Zr 0. Iwt %, Ni 0. Iwt%, Si 2wt%,Y0. 01wt% )所得到的合金進行負荷摩擦測試的數據圖如圖1所示，圖 1表明，實施例1，所用的合金不僅具有高的強度(782MPa)，而且在8. 9 35. 6N的載荷范圍內，磨損率僅為0. 9 1. 2(l(r5g/m)，顯示出該合金具有良好的耐磨性能。實施例2 配制合金預制錠以后，裝入熔煉爐，在覆蓋劑保護下感應加熱，升溫至80(TC，保溫lOmin，除渣除氣，中間包的溫度和導流管的溫度均控制為840°C，熔化后的熔體從熔煉爐經中間包和導流管，進入霧化噴嘴，進行噴射成形制備，采用高純氬氣(氬氣的純度為 99. 999% )進行，霧化壓力0. 8MPa。開啟旋轉電機、升降電機，以轉速為60 120rpm，高速旋轉接收盤，導流管軸線與接收盤平面成35°角度，下拉的速度為20 30mm/min，下拉接收盤使霧化液滴直接沉積到接收盤上。一次性連續(xù)霧化100公斤新型合金，合金成分為Zn 9. 5wt%,Mg 1. 3wt%,Cu2. Owt%,Zr 0. 2wt%,Ni 0. 2wt%,Si 2. 6wt%，其余為 Al，制備出重60Kg的新型高強高韌耐磨鋁合金錠，將該沉積坯件加工成一定規(guī)格的棒坯，在400°C保溫2h，以39 1的擠壓比進行熱擠壓加工，擠壓出Φ25_的圓棒，445 450°C/5h+475 480°C /lh固溶處理，時效制度可采用單級時效120°C /24h,極限抗拉強度為785MPa，同時延伸率為6%。實施例2，與制備實施例2的合金方法相同，但在原料中又加入按重量百分比計0. 03wt% 的稀土元素 Ge，即，合金成分為Zn 9. 5wt %, Mg 1. 3wt%, Cu2. Owt %, Zr 0. 2wt%, Ni 0. 2wt%, Si 2. 6wt%,0. 03wtGe%，其余為Al，所得合金的抗拉強度增加至803MPa，耐磨性能、抗氧化性能也同樣有所提高。實施例2，(合金成分為:Zn 9. 5wt%, Mg 1. 3wt%, Cu2. Owt %, Zr 0. 2wt%, Ni0. 2wt%, Si Z.ewt^^O.OSwtGe^，其余為Al)所得到的合金進行負荷摩擦測試的數據圖如圖1所示，圖1表明，實施例2’所用的合金不僅具有高的強度(80310^)，而且在8.9 35. 6N的載荷范圍內，磨損率僅為0. 8 1. 4(10_5g/m)，顯示出該合金具有良好的耐磨性能。
權利要求
1.一種超高強度高韌性耐磨鋁合金材料，其特征在于按重量百分比計，該合金成分為 Zn 7 10wt%，Mg 1. 3 1. 8wt%, Cu 1. 7 2. Owt %, Zr 0. 1 0. 2wt%, Ni 0. 1 0. 2wt%, Si 2. 0 2. 7wt%，其余為 Al。
2.一種制備超高強度高韌性耐磨鋁合金材料的方法，其特征在于該方法包括下述步驟(1)按合金成分，按重量百分比計，該合金成分為Si7 IOwt^，Mg 1.3 1.8襯％， Cul. 7 2. Owt%, Zr 0. 1 0. 2wt%, Ni 0. 1 0. 2wt%, Si 2. 0 2. 7wt%，其余為 Al， 進行配料，配制預制合金錠；(2)升溫將合金預制錠熔化后，采用高純惰性氣體通過霧化噴嘴進行霧化，霧化噴嘴以7 15HZ的頻率高速掃描，霧化壓力為0. 5 1. OMpa，并使導流嘴軸線與接收盤平面成 30 ；35°的角度；(3)在氣霧化的同時，接收盤以20 35mm/min的速度下拉，接收盤在下拉坯錠的同時在變頻電機的牽引下高速旋轉，轉速為60 120轉/min，即采用斜噴直拉法制成合金錠；(4)將合金錠經過變形加工，加工成所需的部件毛坯。(5)將該部件毛坯進行熱處理，然后加工成最終部件，即得到超高強度高韌性耐磨鋁合金材料。
3.根據權利要求2所述的制備超高強度高韌性耐磨鋁合金材料的方法，其特征在于 所述的高純惰性氣體為氬氣或氦氣。
4.根據權利要求2或3所述的制備超高強度高韌性耐磨鋁合金材料的方法，其特征在于在上述步驟( 中，所述的將合金預制錠熔化過程是在覆蓋劑保護下感應加熱至600 850°C將合金錠熔化。
5.根據權利要求4所述的制備超高強度高韌性耐磨鋁合金材料的方法，其特征在于 在上述步驟O)中，所述的將合金預制錠熔化過程是將合金預制錠在感應加熱熔煉爐中熔化，感應加熱熔煉爐的溫度控制為720 850°C，再經感應加熱或電阻加熱的中間包加熱， 感應加熱或電阻加熱的中間包的溫度控制為800 850°C ；所述霧化的過程是將熔化后的熔體通過與非限制式氣流霧化噴嘴分離式配合的導流管，導流管為感應加熱或電阻加熱， 導流管的溫度控制為800 850°C。
6.根據權利要求5所述的制備超高強度高韌性耐磨鋁合金材料的方法，其特征在于 所述的步驟中，所述的將圓錠扒皮的過程是采用機加工扒皮，制備成一定規(guī)格的棒坯， 并在380 420°C下保溫1. 0-5. 0小時，再進行所述熱擠壓或熱鍛壓成形的過程。
7.根據權利要求6所述的制備超高強度高韌性耐磨鋁合金材料的方法，其特征在于 所述的步驟(5)中，所述的將部件進行熱處理的過程是進行單級或雙級固溶處理，使一次和二次析出相充分回溶，再進行時效處理。
8.一種超高強度高韌性耐磨鋁合金材料，其特征在于按重量百分比計，該合金成分為 Zn 7 10wt%，Mg 1. 3 1. 8wt%, Cu 1. 7 2. Owt %, Zr 0. 1 0. 2wt%, Ni 0. 1 0. 2wt%,Si 2. 0 2. 7wt%，稀土元素 0. 01 0. 05wt%，其中，稀土元素為 Y、Nd、Sr、Gd 禾口 Ce中的一種或幾種，其余為Al。
9.根據權利要求8所述的超高強度高韌性耐磨鋁合金材料，其特征在于稀土元素為Y 或Gd。
全文摘要
本申請涉及一種超高強度高韌性耐磨鋁合金材料，按重量百分比計，該合金成分為Zn 7～10wt％，Mg 1.3～1.8wt％，Cu1.7～2.0wt％，Zr 0.1～0.2wt％，Ni 0.1～0.2wt％，Si 2.0～2.7wt％，其余為Al。本發(fā)明的超高強度高韌性耐磨鋁合金還可以包含稀土元素，如Y、Nd、Sr、Gd和Ce中的一種或幾種，其加入量按重量百分比計為0.01～0.05％。本發(fā)明的鋁合金材料是通過采用噴射成形制備、熱變形加工和熱處理而制成的。該合金具有超高強度、高韌性、高耐磨性，能夠克服現有技術中合金易磨損的技術缺陷，延長設備的使用壽命，更大程度的利用合金材料、降低生產成本。
文檔編號C22F1/053GK102465223SQ20101054824
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權日2010年11月17日
發(fā)明者劉紅偉, 張永安, 朱寶宏, 李志輝, 李錫武, 熊柏青, 王 鋒 申請人:北京有色金屬研究總院