鋁合金材料及其制備方法和應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料科學技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋁合金材料及其制備方法和應用。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁合金材料密度低，強度高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有 優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用。列車輕量化是高速列車發(fā)展的重要條 件，目前國內(nèi)外實現(xiàn)車體輕量化的主要方式之一是采用鋁合金材料。
[0003] 列車車輛結(jié)構(gòu)連接形式主要有焊接、鉚接和螺栓連接等形式，由于鋁合金焊接中 存在焊接處母材強度降低、焊接缺陷、變形、殘余應力等問題，因此鉚釘或螺栓連接成為此 處結(jié)構(gòu)聯(lián)接的重要方式。我國目前載重量最大、自重最輕的新型鐵路運輸車輛C80型鋁合 金運煤敞車的車體采用雙浴盆式、鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)，浴盆、側(cè)墻、端墻均采用鋁合金板材和 鋁合金擠壓型材；浴盆、側(cè)墻、端墻和底架之間的連接均采用鉚接結(jié)構(gòu)。所以急需開發(fā)研制 一種高強度鋁合金材料，用于鉚接結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于此，有必要提供一種高強度的鋁合金材料及其制備方法和應用。
[0005] 一種鋁合金材料，以質(zhì)量百分比計，包括6. 5~9.0%的Zn，l %~2. 5%的Mg， 1%~2. 5% 的 Cu，0. 08%~0· 4% 的 Zr，0. 01%~0· 6% 的 Ti，0. 05%~0· 4% 的稀土元素， 以及85%~91%的A1。
[0006] 上述鋁合金材料熔點高、穩(wěn)定性良好，鋁合金材料的抗拉強度、屈服強度和剪切強 度等綜合性能均大大提高。上述錯合金材料在室溫下的性能指標，抗拉強度達到680MPa，屈 服強度達到630MPa，延伸率達到12%，^剪切強度達到360MPa。
[0007] 在其中一個實施例中，質(zhì)量分數(shù)為99. 9%的金屬Zn、質(zhì)量分數(shù)為99. 9%的金屬 Mg、質(zhì)量分數(shù)為99. 9 %的金屬A1、質(zhì)量分數(shù)為30 %~60 %的銅鋁中間合金、質(zhì)量分數(shù)為 1 %~10%的鋯鋁中間合金、質(zhì)量分數(shù)為1 %~10%的鈦鋁中間合金和質(zhì)量分數(shù)為1 %~ 30 %的稀土鋁中間合金。
[0008] 在其中一個實施例中，所述稀土元素為Er、Y和Yb中的至少一種。
[0009] 在其中一個實施例中，以質(zhì)量百分比計，包括7. 8%~8. 5%的Zn，1. 6%~2. 2% 的 Mg，L 2%~L 8% 的 Cu，0. 12%~0.2% 的 Zr，0. 12%~0.2% 的稀土元素，0.02%~ 0. 2%的 Ti，以及 85%~91 %的 Al。
[0010] 在其中一個實施例中，以質(zhì)量百分比計，包括8.0%的Zn，2. 2%的Mg，1.8%的Cu， 0· 18%的 Zr，(λ 02%的 Ti，(λ 18%的稀土元素，以及 87. 6%的 Al。
[0011] 一種上述的鋁合金材料的制備方法，所述鋁合金材料包括以下原料：金屬Zn、金 屬Mg、金屬A1、銅鋁中間合金、鋯鋁中間合金、鈦鋁中間合金和稀土鋁中間合金，所述的鋁 合金材料的制備方法包括以下步驟：
[0012] 提供各原料；
[0013] 將金屬Al熔化得到鋁液，加入金屬Zn和銅鋁中間合金攪拌熔化，加入金屬Mg得 到中間熔液；
[0014] 在所述中間熔液中加入鋯鋁中間合金和稀土鋁中間合金，得到熔液；
[0015] 將所述熔液進行精煉；
[0016] 將所述熔液進行鑄造得到鑄錠；及
[0017] 將所述鑄錠依次進行擠壓，拉伸，退火，冷鐓，固溶和時效處理，得到所述鋁合金 材料，所述鋁合金材料以質(zhì)量百分比計，包括6. 5~9. 0 %的Zn，1 %~2. 5 %的Mg，1 %~ 2. 5% 的 Cu，0. 08%~0· 4% 的 Zr，0. 01%~0· 6% 的 Ti，0. 05%~0· 4% 的稀土元素，以及 85%~91%的 A1。
[0018] 在其中一個實施例中，在將所述鑄錠進行擠壓之前還包括步驟：對所述鑄錠進行 預熱處理，所述預熱處理的條件為：在360°C~420°C保溫30min~4小時。
[0019] 在其中一個實施例中，所述擠壓的擠壓比為20以上。
[0020] 在其中一個實施例中，所述退火的步驟具體為：以80°C -150°C /h速率升溫到 400°C~460°C保溫2h~4h后，以不超過30°C /h的速率降溫到260°C保溫6h后，空氣中冷 卻。
[0021] 上述的鋁合金材料在緊固件中的應用。
【附圖說明】
[0022] 圖1為一較佳實施方式的鋁合金材料的制備方法的示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中 給出了本發(fā)明的較佳的實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文 所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透 徹全面。
[0024] 除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的 技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具 體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語"及/或"包括一個或多個 相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。
[0025] 一實施方式的鋁合金材料，以質(zhì)量百分比計，包括6.5%~9.0%的Zn(鋅）元素， 1 %~2. 5%的Mg(鎂）元素，1 %~2. 5%的Cu(銅）元素，0.08%~0.4%的Zr(鋯）元 素，0· 01 %~0· 6%的Ti(鈦）元素，0· 05%~0· 4%的稀土元素，以及85%~91 %的Al。
[0026] 上述鋁合金材料，稀土元素與Al共格或半共格，在凝固過程中由于擴散速率較 大，合金受凝固時擴散動力學條件限制而大量聚集在固液界面，引起溶質(zhì)再分配，使合金在 凝固過程中的成分過冷增大，分枝過程加劇，使枝晶網(wǎng)胞變細，從而細化了合金的晶粒，起 到了細晶強化的作用，得到的鋁合金材料熔點高、穩(wěn)定性良好，鋁合金材料的抗拉強度、屈 服強度和剪切強度等綜合性能均大大提高。鋁合金在加工狀態(tài)中有幾種基本狀態(tài)，其中退 火狀態(tài)O和固溶處理后人工時效狀態(tài)T6的性能一般用來作為性能指標。退火狀態(tài)O的性 能是加工過程中的性能，固溶處理后人工時效狀態(tài)T6的性能則可認為是室溫下的性能指 標。特別地，上述鋁合金材料在室溫下的性能指標，Rm(抗拉強度）達到680MPa，Rpa2 (屈服 強度）達到630MPa，A (延伸率）達到12 %，τ b (剪切強度）達到360MPa。
[0027] 上述錯合金材料包括以下原料：金屬Zn、金屬Mg、金屬Al、銅錯中間合金、錯錯中 間合金、鈦鋁中間合金和稀土鋁中間合金。各原料的質(zhì)量通過中間合金中各金屬成分的含 量計算得到。
[0028] Zn和Mg元素分別由金屬Zn、金屬Mg提供。由于Cu、Zr、Ti金屬恪點高，稀土元素 易氧化，因此Cu、Zr、Ti和稀土元素分別由與鋁形成的銅鋁中間合金、鋯鋁中間合金、鈦鋁 中間合金和稀土鋁中間合金提供。如此一方面防止熔液過熱，同時可縮短熔煉時間，降低金 屬燒損和減少熔液的氧化夾渣和吸氣，從而獲得成分均勻的熔液。Al元素則由金屬Al以及 銅鋁中間合金、鋯鋁中間合金、鈦鋁中間合金和稀土鋁中間合金提供。特別地，金屬Al為鋁 錠。其中，金屬Zn、金屬Mg和金屬Al是指純度多99. 9%的金屬。
[0029] 為盡量減少鑄錠合金元素偏析，銅鋁中間合金含銅質(zhì)量分數(shù)為30%~60%。優(yōu) 選地，銅鋁中間合金為含銅質(zhì)量分數(shù)50%、余量為Al及不可避免的雜質(zhì)的鋁合金，記為 Al-50Cu〇
[0030] 鋯鋁中間合金含鋯質(zhì)量分數(shù)為1 %~10%。優(yōu)選地，鋯鋁中間合金為含鋯質(zhì)量分 數(shù)4%、余量為Al及不可避免的雜質(zhì)的鋁合金，記為Al-4Zr。
[0031] 鈦鋁中間合金含鈦質(zhì)量分數(shù)為1 %~10%。優(yōu)選地，鈦鋁中間合金為含鈦質(zhì) 量分數(shù)5%、含硼⑶質(zhì)量分數(shù)0.02%、余量為Al及不可避免的雜質(zhì)的鋁合金，記為 Α1-5Τ?-0. 02B〇
[0032] 稀土鋁中間合金含稀土元素質(zhì)量分數(shù)為1 %~30%。
[0033] 優(yōu)選地，提供Er元素的稀土鋁中間合金為含鉺質(zhì)量分數(shù)6 %、余量為Al及不可避 免的雜質(zhì)的錯合金，記為Al-6Er。
[0034] 優(yōu)選地，提供Y元素的稀土鋁中間合金為含釔質(zhì)量分數(shù)10%、余量為Al及不可避 免的雜質(zhì)的錯合金，記為Al -IOY。
[0035] 優(yōu)選地，提供Yb元素的稀土鋁中間合金為含鐿質(zhì)量分數(shù)10 %、余量為Al及不可避 免的雜質(zhì)的鋁合金，記為Al-10Yb。
[0036] 特別地，稀土元素為Er(鉺）、Y(釔）和Yb(鐿）中的至少一種。
[0037] 優(yōu)選地，稀土元素為Er。微量的Er元素添加到鋁合金中，元素 Er在鋁合金中可形 成納米級Al3Er強化相，并與Zr形成Al3 (ZrxEivx)復合相，Al3Er是面心立方結(jié)構(gòu)，Al3Er強 化相不但能夠起到強化作用，同時能釘扎位錯和晶界的運動，起固溶強化作用，有效抑制再 結(jié)晶晶粒長大，可明顯細化鋁合金的組織、提高鋁合金的再結(jié)晶溫度、促進強化相的析出。
[0038] 優(yōu)選地，上述鋁合金材料，以質(zhì)量百分比計，包括7. 8 %~8. 5 %的Zn，1. 6 %~ 2. 2 % 的 Mg，l. 2 % ~L 8 % 的 Cu，0. 12 % ~0· 2 % 的 Zr，0. 12 % ~0· 2 % 的稀土元素， 0.02%~0. 2%的Ti，以及85%~91 %的A1。更優(yōu)選地，以