专利名称：：一种含钴的铝合金材料及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种铝合金材料，特别是指一种含钴的铝合金材料及其制备方法。
背景技术：
：铝合金作为金属材料中最典型的轻质材料，具有比重低、易加工、成本低等优点，一直是一种关键的军民两用材料。7xxx系铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系铝合金的总称，也是目前已成功地实现商业化应用的各种变形铝合金中强度最高的一类，7xxx系铝合金预拉伸板是各种民用和军用飞机、地面和海上交通运输工具中所使用的大型整体式结构件制造用的关键中间产品。随着整机发展对大型整体式结构件综合性能要求的不断提高，大型整体式结构件内部结构复杂程度的上升、总体高度和部分壁厚的增大等等，对大型结构件制造用7xxx系铝合金材料的综合使用性能(包括力学性能、物理性能、抗腐蚀性能等)、以及加工工艺性能(包括切削加工性能、焊接性能等)提出了越来越高的要求，更为重要的是随着半成品的厚度增加，需要合金本身具有优良的热处理淬透性能。现有的7050、7150、7055合金已经具有良好的强度和其他综合性能，尤其以7050-T74合金为代表，是当前航空领域使用的最为广泛的合金之一。但这些合金都存在热处理淬透性能一般甚至较差的问题，其淬透厚度一般不超过150mm，不能满足当前航空制造工业对大截面半成品的迫切需求，限制了该系列合金在航空领域的进一步应用。故近年来，国内外正致力于新型高性能低淬火敏感性铝合金材料的开发工作。本专利申请单位前期通过调整Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金主元素的含量及配比，未添加其他任何微量元素，获得了具有高性能和低淬火敏感性相结合的新型铝合金材料，相关研究成果已申请了专利。
发明内容本发明的目的是提供一种强度和塑性保持在较高水平，断裂韧性及耐蚀性能与相对应的传统合金相当，热处理淬透性能明显提高的高性能铝合金材料，满足航空大型主承力结构件制造对大截面半成品料的需求。本发明的另一个目的是提供一种制备含钴的铝合金材料的方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种含钴的新型高强度、高韧性、低淬火敏感性铝合金材料，其化学成分及含量(按重量百分比计)为Zn6_8wt%，Mg1—3wt%，Cu1.0—2.6wt%，Zr0.1—0.25wt%，Co0.07—0.5wt%，Fe小于0.15wt0/。，Si小于0.12wt%,余量为Al。本发明主要依据合金在淬透性方面的要求对合金进行微合金化设计。与传统牌号的合金相比，主合金元素基本保持不变，选择Zr元素替代Cr元素作为除Co元素外的主要微量元素，在起到细化晶粒、阻碍再结晶作用的同时，可在一定程度上解决Cr元素明显降低半成品淬透性的问题；在选择Al-Zn-Mg-Cu-Zr系列合金的基础上，通过添加一定量Co元素，以改变铝基体中主要合金元素(Zn、Mg元素)的固溶度，从而明显提高合金的热处理淬透性能。以上所述Co元素较佳的含量范围0.07~0.3wt%.所述铝合金材料，其挤压件典型极限抗拉强度为ob=500700MPa。所述铝合金材料，其屈服强度为<T(u=400630MPa。所述铝合金材料，其延伸率85=815%。所述铝合金材料，其电导率y二2025MS/m。所述铝合金材料，其耐剥落腐蚀等级低于EB级。所述铝合金材料，其断裂韧性为K,^30MpaTn"2。所述铝合金材料，其热处理淬透深度比Al-Zn-Mg-Cu-Cr合金(主合金元素Zn、Mg、Cu含量与本发明合金相同)提高两倍以上，比未加Co元素的Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金提高一倍。本发明的一种适用于大截面航空制品制造的新型高强度高韧性铝合金材料的制备方法，包括下述步骤U)按合金成分，以重量百分比计，该合金成分为Zn6—8wt%，Mgl—3wt%，Cu1.0—2.6wt%，Zr0.1—0.25wt%,Co0.07—0.5wt%，其余为Al，进行配料，其中，Zn、Mg、Cu、Zr、Co、Al分别是选取纯锌、纯镁、铝铜中间合金或纯铜、镁锆中间合金、铝钴中间合金、纯铝作为原料；(2)将配置好的高纯铝锭装入熔化炉中，待铝锭熔化后，陆续加入纯锌、铝铜中间合金或纯铜、镁锆中间合金、铝钴中间合金；扒渣后，加入纯镁，对熔体进行搅拌，取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分调整；加入精炼剂对熔体进行精炼，以消除熔体内的气体、氧化膜及非金属夹杂物，使熔体净化；扒渣后进行静置，完成整个熔炼过程，等待铸造；(3)采用立式半连续铸造机进行铸造，制备出表面质量合格、无铸造裂纹的铸锭；(4)对铸锭进行均匀化热处理；(5)铸锭扒皮后，进行热变形加工即进行热挤压、热轧制或锻造变形加工，加工成相应的半成品；(6)将该半成品进行淬火热处理和时效热处理，即得到本发明的一种新型的铝合金材料。所述的铝锭为高纯Al(纯度大于99.99%)、纯锌为工业纯Zn(纯度大于99.5%)、纯镁为工业纯Mg(纯度大于99.5%)。在所述的第(5)步骤中，对所采用的铸锭进行扒皮，即可以采用车削工艺，车铸锭的外圆面和端面。在本发明的方法的步骤(2)中，熔体温度一般控制在720750°C。在本发明的方法的步骤(3)中，铸造温度为680~710°C，铸造速度为50~60mm/min。在本发明的方法的步骤(4)中，采用单级均匀化热处理，即在450470'C下保温1832h。在本发明的方法的步骤(5)中，先在37041(TC下保温26小时，随后再进行热变形加工，获得半成品料。在本发明的方法的步骤(6)中，所述的将半成品料进行淬火热处理的过程是进行单级固溶处理，在450485'C下保温30240min，冷水淬火。在本发明的方法的步骤(6)中，所述的半成品时效热处理过程是采用单级、双级时效，或三级T77时效。本发明的优点是本发明的含钴的铝合金材料是在传统牌号7xxx系铝合金中加入一定量钴元素后，由于溶解的钴元素会改变铝基体中主要合金元素的固溶度，从而达到改善合金的热处理淬透性能的目的。本发明获得的一种铝合金材料，在保持较高的强度、韧性和耐蚀性能的条件下，热处理淬透性能明显提高，采用工厂现有的淬火热处理方法，半成品料的热处理淬透厚度可达260mm以上，淬透性明显好于国产7B04合金材料与美国商用7050合金材料。图1为实施例2、对比例1、对比例2的合金在端淬试样长度方向的不同点上进行硬度测试曲线图。图2为实施例5、对比例3的合金在端淬试样长度方向的不同点上进行硬度测试曲线图。具体实施例方式对比例1:采用铸锭冶金的方法制备Al-6.2Zn-2.5Mg-1.9Cu-0.14Cr(wt%)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、铝铬中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为装炉(将高纯铝装入烙化炉内)—熔化(在熔化炉内加入工业纯锌、铝铜中间合金、铝铬中间合金，之后熔化)—扒渣—加工业纯镁(在熔化炉内加入工业纯镁)—搅拌—取样进行成分分析—调整成分—搅拌—精炼(725°C)—扒渣—静置(10分钟)—铸造，其中，铸造温度为705"C，铸造速度为55mm/min。将铸锭进行465士5'C/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在410'C保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25x102mm的挤压带板。随后进行470°C/80min保温并在室温水中进行淬火，进行双级时效110°C/6h+165°C/12h。对比例2:采用铸锭冶金的方法制备Al-6.2Zn-2.5Mg-1.9Cu-0.14Zr(wt%)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为装炉(将高纯铝装入熔化炉内)—熔化(在熔化炉内加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金，之后熔化)—扒渣—加工业纯镁(在熔化炉内加入工业纯镁)—搅拌—取样进行成分分析—调整成分—搅拌—精炼(725°C)—扒渣—静置(10分钟)4铸造，其中，铸造温度为705。C，铸造速度为55mm/min。将铸锭进行465±5°C/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在41(TC保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25xI02mm的挤压带板。随后进行470°C/80min保温并在室温水中进行淬火，进行双级吋效110°C/6h+165°C/12h。对比例3:采用铸锭冶金的方法制备Al-7,8Zn-2.0Mg-1.0Cu-0.22Zr(wt%)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为装炉(将高纯铝装入熔化炉内)—熔化(在熔化炉内加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金，之后熔化)—扒渣—加工业纯镁(在熔化炉内加入工业纯镁)—搅拌—取样进行成分分析—调整成分—搅拌—精炼(725°C)—扒渣—静置(10分钟)—铸造，其中，铸造温度为705'C，铸造速度为55mm/min。将铸锭进行470°C/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在40CTC保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25"02mm的挤压带板。随后进行475°C/60min固溶保温，冷水淬火，T77时效(三级时效)125。C保温16h后升温至178。C保温1.5h水淬，最后进行125X:保温16h。实施例1:采用铸锭冶金的方法制备Al-6.2Zn-2.5Mg-1.9Cu-0.14Zr-0.07Co(wt%)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为装炉(将高纯铝装入熔化炉内)—熔化(在熔化炉内加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金，之后熔化)—扒渣—加工业纯镁(在熔化炉内加入工业纯镁)—搅拌—取样进行成分分析—调整成分—搅拌—精炼(725°C)—扒渣—静置(IO分钟)—铸造，其中，铸造温度为705。C，铸造速度为55mm/min。将铸锭进行465±5°C/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在41(TC保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25xl02mm的挤压带板。随后进行475°C/80min保温，冷水淬火，进行双级时效110°C/6h+165。C/12h。实施例2:采用铸锭冶金的方法制备Al-6.2Zn-2.5Mg-1.9Cu-0.14Zr-0.11Co(wt%)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为装炉(将高纯铝装入熔化炉内)—熔化(在熔化炉内加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金，之后熔化)—扒渣—加工业纯镁(在熔化炉内加入工业纯镁)—搅拌—取样进行成分分析—调整成分—搅拌—精炼(725°C)—扒渣—静置(IO分钟)—铸造，其中，铸造温度为705。C，铸造速度为55mm/min。将铸锭进行465±5°C/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在41(TC保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25"02mm的挤压带板。随后进行475°C/80min保温，冷水淬火，进行双级时效110°C/6h+165°C/12h。实施例3:采用铸锭冶金的方法制备Al-6.2Zn-2.5Mg-1.9Cu-0.14Zr-0.25Co(wt%)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为装炉(将高纯铝装入熔化炉内)—熔化(在熔化炉内加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钻中间合金，之后熔化)—扒渣—加工业纯镁(在熔化炉内加入工业纯镁)—搅拌—取样进行成分分析—调整成分—搅拌—精炼(725°C)—扒渣—静置(IO分钟)—铸造，其中，铸造温度为705。C，铸造速度为55mm/min。将铸锭进行465±5°C/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在41(TC保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25xl02mm的挤压带板。随后进行475°C/80min保温，冷水淬火，进行双级时效110。C/6h+165°C/12h。实施例4:采用铸锭冶金的方法制备Al-6.2Zn-2.5Mg-1.9Cu-0.14Zr-0.35Co(wt%)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为装炉(将高纯铝装入熔化炉内)—熔化(在熔化炉内加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金，之后熔化)—扒渣—加工业纯镁(在熔化炉内加入工业纯镁)—搅拌—取样进行成分分析—调整成分—搅拌—精炼(725°C)—扒渣—静置(IO分钟)—铸造，其中，铸造温度为705。C，铸造速度为55mm/min。将铸锭进行465±5°C/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在41(TC保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25xl02mm的挤压带板。随后进行475°C/80min保温，冷水淬火，进行双级时效110°C/6h+165°C/12h。实施例5:采用铸锭冶金的方法制备Al-6.2Zn-2.5Mg-1.9Cu-0.14Zr-0.5Co(wt%)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为装炉(将高纯铝装入熔化炉内)—熔化(在熔化炉内加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金，之后熔化)—扒渣—加工业纯镁(在熔化炉内加入工业纯镁)—搅拌—取样进行成分分析—调整成分—搅拌—精炼(725°C)—扒渣—静置(IO分钟)—铸造，其中，铸造温度为705。C，铸造速度为55mm/min。将铸锭进行465±5°C/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在410'C保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25x102mm的挤压带板。随后进行475°C/80min保温，冷水淬火，进行双级时效110。C/6h十165。C/12h。实施例6:采用铸锭冶金的方法制备Al-7.8Zn-2.0Mg-1.0Cu-0.22Zr-0.15Co(wt%)合金。所用原料为高纯铝、工业纯镁、工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金。熔化炉为电阻加热炉，铸造机为立式半连续铸造机。采用的熔铸工序为装炉(将高纯铝装入熔化炉内)—熔化(在熔化炉内加入工业纯锌、铝铜中间合金、镁锆中间合金、铝钴中间合金，之后熔化)—扒渣—加工业纯镁(在熔化炉内加入工业纯镁)—搅拌—取样进行成分分析—调整成分—搅拌—精炼(725°C)—扒渣—静置(IO分钟)—铸造，其中，铸造温度为705。C，铸造速度为55mm/min。将铸锭进行465±5°C/24h均匀化热处理，将铸锭进行扒皮，在41(TC保温4h后进行热挤压加工，挤压出截面大小为25x102mm的挤压带板。随后进行477。C/60min固溶保温，冷水淬火，T77时效(三级时效)125X:保温16h后升温至178。C保温1.5h水淬，最后进行125t:保温16h。众所周知，大截面半成品中间层的性能取决于淬透性，而淬透性就是合金在某种深度下承受穿透淬火的能力。采用末端淬火法研究了合金淬透性能，以不同成分的合金挤压材作为研究用料，加工成圆棒状端淬试样，将试样的一个断面进行自由喷水淬火，在充分热处理后，包括标准规范淬火及人工时效，在端淬试样长度方向的不同点上进行硬度测试。如图1所示，其中，在图1中，的曲线表示实施例2的合金在端淬试样长度方向的不同点上进行硬度测试图；-參-的曲线表示对比例2的合金在端淬试样长度方向的不同点上进行硬度测试图；-的曲线表示对比例1的合金在端淬试样长度方向的不同点上进行硬度测试图。Al-6.2Zn國2.5Mg-1.9Cu加入Cr、Zr、Zr十O.l1Co后的棒状试样经端淬、时效后硬度随至水冷端的变化趋势明显不同。对比例1含Cr的合金硬度变化最为显著，对比例2含Zr的合金其次，实施例2含Zr+Co合金硬度变化最小，这就说明添加Co后可明显提高合金的热处理淬透性能。若以合金最大硬度的85~卯％作为淬透深度，含Cr的合金淬透深度约为3(K40mm，含Zr合金的淬透深度约为65~75mm，而添加Co元素的合金淬透深度可达130mm以上。实际工业生产条件下，若采用双面喷液淬火，Al-6.2Zn-2.5Mg-1.9Cu添加Cr、Zr、Zr+0.11Co后合金半成品的热处理淬透深度分别为80mm、140mm和260mm。图2是Al陽7.8Zn-2.0Mg-1.0Cu添加Zr、Zr+Co后合金棒状试样端淬并经时效后的硬度变化，可得出图l中相似的结论，即添加Co可提高合金热处理淬透性能。其中，-■-的曲线表示实施例5的合金在端淬试样长度方向的不同点上进行硬度测试图；-《_的曲线表示对比例2的合金在端淬试样长度方向的不同点上进行硬度测试图。表1是本发明中各合金的成分对比情况。表2是对比例1、2、3以及实施例1~6中所获得材料的综合性能数据表。可以看出，在Zn、Mg、Cu等主要合金元素保持不变的条件下，添加微量Zr元素时效态的强度、韧性、耐蚀性能略优于对比例1中含Cr元素的合金。添加Co后合金合金的淬透性有明显提高，均为优良。与含Zr合金相比，添加Zr-Co后合金时效态电导率稍低，其他综合性能指标与含Zr元素的合金基本相当；但当Co元素添加量到0.35%和0.5%时，尽管合金的强度、淬透性保持在较高的水平，但合金的塑性、韧性及电导率均有下降，尤其以塑性最为显著，延伸率分别降至8.9%和8.0%，因此，Co的添加量为0.070.3%效果较好。表1Al-Zn-Mg-Cu合金成分(质量百分数，wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2合金的性能及其与其它合金性能对比<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>权利要求1、一种含钴的铝合金材料，其特征在于按重量百分比计，该合金成分为Zn6—8wt％，Mg1—3wt％，Cu1.0—2.6wt％，Zr0.1—0.25wt％，Co0.07—0.5wt％，Fe小于0.15wt％，Si小于0.12wt％，其余为Al。2、根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Co铝合金，其特征在于Co元素的添加量为重量百分含量0.07~0.3wt%。3、一种制备含钴的铝合金材料的方法，其特征在于该方法包括下述步骤(1)按合金成分，以重量百分比计，该合金成分为Zn6—8wt%，Mg1—3wt%，Cu1.0—2.6wt%，Zr0.1—0.25wt%，Co0.07—0.5wt%，其余为Al，进行配料，其中，Zn、Mg、Cu、Zr、Co、Al分别是选取纯锌、纯镁、铝铜中间合金或纯铜、镁锆中间合金、铝钴中间合金、纯铝作为原料；(2)将配置好的纯铝装入熔化炉中，待纯铝熔化后，陆续加入纯锌、铝铜中间合金或纯铜、镁锆中间合金、铝钴中间合金；扒渣后，加入纯镁，对熔体进行搅拌，取样分析化学成分，看是否满足成分控制要求，如有必要进行成分调整；加入精炼剂对熔体进行精炼，以消除熔体内的气体、氧化膜及非金属夹杂物，使熔体净化；扒渣后进行静置，完成整个熔炼过程，等待铸造；(3)采用立式半连续铸造机进行铸造，制备出表面质量合格、无铸造裂纹的铸锭；(4)对铸锭进行均匀化热处理；(5)铸锭扒皮后，进行热变形加工即进行热挤压、热轧制或锻造变形加工，加工成相应的半成品；(6)将该半成品进行淬火热处理和人工时效热处理，即得到本发明的一种含钴的铝合金材料。4、根据权利要求3所述的制备含钴的铝合金材料的方法，其特征在于所述的铝锭为纯度大于99.99%的高纯Al、纯锌为工业纯Zn、纯镁为工业纯Mg。5、根据权利要求3所述的制备含钴的铝合金材料的方法，其特征在于所述的步骤(2)中，熔体温度控制在72075(TC。6、根据权利要求3所述的制备含钴的铝合金材料的方法，其特征在于所述的步骤(3)中，铸造温度为680-71(TC，铸造速度为50~60mm/min。7、根据权利要求3所述的制备含钴的铝合金材料的方法，其特征在于所述的步骤(4)中，均匀化热处理为在45047(TC下保温1832h。8、根据权利要求3所述的制备含钴的铝合金材料的方法，其特征在于所述的步骤(5)中，先在370410'C下保温26小时，随后再进行热变形加工，获得半成品料。9、根据权利要求3所述的制备含钴的铝合金材料的方法，其特征在于-所述的步骤(6)中，所述的将半成品料进行淬火热处理的过程是进行固溶处理，在450-485。C下保温30-240min，冷水淬火。10、根据权利要求3所述的制备含钴的铝合金材料的方法，其特征在于所述的步骤(6)中，所述的半成品人工时效热处理是采用单级、双级时效、或三级T77时效。全文摘要一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr-Co铝合金涉及金属合金
技术领域：
。本发明合金，其特征在于，其化学成分及含量为Zn6-8wt％，Mg1-3wt％，Cu1.0-2.6wt％，Zr0.1-0.25wt％，Co0.07-0.5wt％，其余为Al。本发明的关键在于往传统7xxx系铝合金中添加一定量的Co元素；制备这种新型铝合金的方法是在Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金中加入经真空熔炼的Al-Co中间合金。本发明合金具有高的强度、韧性和耐蚀性能，同时具有良好的热处理淬透性能，适于生产大尺寸规格的半成品。该材料可应用于航空航天、交通运输、军工等领域的关键大型主承力结构部件。文档编号C22C1/02GK101413079SQ20081022248公开日2009年4月22日申请日期2008年9月17日优先权日2008年9月17日发明者刘红伟,张永安,朱宝宏,李志辉,李锡武,熊柏青,锋王申请人:北京有色金属研究总院