一种高空防坠落铝合金新材料及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及铝合金技术领域，尤其涉及一种高空防坠落铝合金新材料及其制备方法、应用。

背景技术

现有用于防坠落的铝合金锻件多为7075合金，该合金属于第一代超高强铝合金，具有成本相对较低，成熟度较高且采购容易等优点，但是，该合金存在锻造热处理过程中容易形成粗晶、处理至T6状态后塑性相对较低以及缺口敏感且耐冲击性能不足。与7075相比，第三代超高强铝合金7050的综合性能更为优良，但其成本相对较高。

因此，现有技术还有待于进一步的提升和改进。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高空防坠落铝合金新材料及其制备方法、应用，本发明通过调整铝合金中Zn、Mg、Cu的含量，使其具备峰值时效后强度可达到550MPa的水平，同时，加入Cr、Zr微合金化元素，提高合金的淬透性，抑制粗晶以及再结晶的出现，提高合金的塑性和抗冲击性能。此外，精确控制微合金化元素Ti的含量及加入时间，可以细化铸态组织，提高合金综合性能。适当降低Fe、Si含量，严格控制Mn含量可以抑制粗大的脆性第二相颗粒数量，进一步提高综合性能，使所获得的铝合金具有较高的强度、良好的塑性和较低的缺口敏感性以及抗冲击性能，同时还具有较低的生产成本。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，一种高空防坠落铝合金新材料，其中，以质量百分数计，所述高空防坠落铝合金新材料包括：5.4％≤Zn≤6.4％、2.1％≤Mg≤2.7％、1.2％≤Cu≤1.9％、Mn≤0.1％、0.18％≤Cr≤0.25％、0.08％≤Zr≤0.25％、Ti≤0.06％、Fe≤0.25％、Si≤0.20％，其他杂质元素总量≤0.10％，余量为Al。

以下作为本发明的优选技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的目的和有益效果。

作为优选的技术方案，所述的高空防坠落铝合金新材料，其中，所述高空防坠落铝合金新材料包括：5.8％≤Zn≤6.0％、2.3％≤Mg≤2.6％、1.5％≤Cu≤1.7％、Mn≤0.08％、0.21％≤Cr≤0.23％、0.12％≤Zr≤0.25％、Ti≤0.05％、Fe≤0.20％、Si≤0.15％，其他杂质元素总量≤0.08％，余量为Al。

作为优选的技术方案，所述的高空防坠落铝合金新材料，其中，所述高空防坠落铝合金新材料包括：5.9％≤Zn≤6.0％、2.5％≤Mg≤2.6％、1.5％≤Cu≤1.6％、Mn≤0.07％、0.22％≤Cr≤0.23％、0.18％≤Zr≤0.20％、Ti≤0.04％、Fe≤0.15％、Si≤0.15％，其他杂质元素总量≤0.08％，余量为Al。

第二方面，一种上述所述的高空防坠落铝合金新材料的制备方法，其中，包括：按所述高空防坠落铝合金新材料的元素组成和含量，将高空防坠落铝合金新材料的原料进行熔炼及半连续铸造。

作为优选的技术方案，所述的高空防坠落铝合金新材料的制备方法，其中，所述高空防坠落铝合金新材料的原料主要包括：纯Al、纯Zn、纯Mg、纯Cu、AlCr中间合金、AlZr中间合金及AlTi中间合金。

作为优选的技术方案，所述的高空防坠落铝合金新材料的制备方法，其中，所述熔炼包括：将纯Al、纯Zn、纯Cu、AlCr、AlZr中间合金加入熔炼炉中熔炼，熔炼温度为780-800℃，待完全熔化后充分搅拌；20-25分钟后，加入纯Mg，充分搅拌；待完全熔化后，依次进行如下操作：加入精炼剂、除气10-20分钟、扒渣、静置25-30分钟、最后加入AlTi中间合金。

作为优选的技术方案，所述的高空防坠落铝合金新材料的制备方法，其中，所述半连续铸造的工艺参数包括：铸造速度为50-70mm/min、冷却水流量为40-55L/min、铸造温度为700-710℃。

作为优选的技术方案，所述的高空防坠落铝合金新材料的制备方法，其中，所述锻造变形量为45-55％。

作为优选的技术方案，所述的高空防坠落铝合金新材料的制备方法，其中，用于锻造的热处理炉的炉温均匀性为±3℃。

所述的高空防坠落铝合金新材料的应用，其中，所述高空防坠落铝合金新材料用作防坠落金属框的加工材料。

有益效果：与现有技术相比，本发明通过调整铝合金中Zn、Mg、Cu的含量，使其具备峰值时效后强度可达到550MPa的水平，同时，加入Cr、Zr微合金化元素，提高合金的淬透性，抑制粗晶以及再结晶的出现，提高合金的塑性和抗冲击性能。同时还具有较低的生产成本。

具体实施方式

本发明提供一种高空防坠落铝合金新材料及其制备方法、应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供一种高空防坠落铝合金新材料，其中，以质量百分数计，所述高空防坠落铝合金新材料包括：5.4％≤Zn≤6.4％、2.1％≤Mg≤2.7％、1.2％≤Cu≤1.9％、Mn≤0.1％、0.18％≤Cr≤0.25％、0.08％≤Zr≤0.25％、Ti≤0.06％、Fe≤0.25％、Si≤0.20％，其他杂质元素总量≤0.10％，余量为Al。

本实施例中，作为举例Zn的含量可以为5.4％、5.5％、5.6％、5.7％、5.8％、5.9％、6.0％、6.1％、6.2％、6.3％或6.4％，当然也可以是5.7-6.1％范围内的其它任意值。

Mg的含量可以为2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％或2.7％等，当然也可以是2.1-2.7％范围内的其他任意值。

Cu的含量可以为1.2％、1.3％、1.4％、1.5％、1.6％、1.7％、1.8％或1.9％等，当然也可以是1.2-1.9％范围内的其他任意值。

Cr的含量可以为0.18％、0.20％、0.22％、0.24％或0.25％等，当然也可以是0.18-0.25％范围内的其他任意值。

Zr的含量可以为0.08％、0.10％、0.12％、0.14％、0.16％、0.18％、0.20％、0.22％、0.24％或0.25％等，当然也可以是0.08-0.25％范围内的其他任意值。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种高空防坠落铝合金新材料的制备方法，包括：按所述高空防坠落铝合金新材料的元素组成和含量，将高空防坠落铝合金新材料的原料进行熔炼及半连续铸造。

示例性地，将纯Al、纯Zn、纯Cu、AlCr、AlZr中间合金加入熔炼炉中熔炼，熔炼温度为780-800℃，待完全熔化后充分搅拌；20-25分钟后，加入纯Mg，充分搅拌；待完全熔化后，依次进行如下操作：加入精炼剂、除气10-20分钟、扒渣、静置25-30分钟、最后加入AlTi中间合金。

本实施例中，通过采用高纯度的原材料分批进行熔炼，有效降低原材料的烧损。

在本实施例的一种实现方式中，铸造速度为50-70mm/min、冷却水流量为40-55L/min、铸造温度为700-710℃；所述锻造变形量为35-45％。其中，铸造速度可以为50mm/min、60mm/min或者70mm/min；冷却水流量为可以40L/min、45L/min、50L/min或者55L/min；铸造温度可以为705℃或710℃；锻造变形量可以为35％、40％或45％。通过控制铸造速度、冷却水流量、铸造温度以及变形量，可以降低铸造缺陷、降低热裂风险、提升合金的韧性、降低缺口敏感性。

基于相同的发明构思，本发明还提供了上述高空防坠落铝合金新材料的应用，示例性地，将该铝合金用作防坠落金属框的加工材料。

下面通过具体的实施例，来对本发明所提供的上述方法做进一步的解释说明。

实施例1

以质量百分比计，该高空防坠落铝合金新材料的元素组成和含量如下：

5.9％≤Zn≤6.0％、2.5％≤Mg≤2.6％、1.5％≤Cu≤1.6％、Mn≤0.07％、0.22％≤Cr≤0.23％、0.18％≤Zr≤0.20％、Ti≤0.04％、Fe≤0.15％、Si≤0.15％，其他杂质元素总量≤0.08％，余量为Al。

高空防坠落铝合金新材料的制备过程如下：

熔炼：按上述化学元素组成，将相应原料中的纯Al(纯度为99.99％)、纯Zn(纯度为99.99％)、纯Cu(纯度为99.99％)和Al-10Cr、Al-10Zr中间合金置于熔炼炉中加热，初始加热温度为780℃；待上述物质完全熔化后，降温至700℃，充分搅拌；10min后；将用铝箔包裹着的纯Mg(纯度为99.99％)压入熔炼炉底部，待其完全熔化后充分搅拌，促进其分散均匀；待其完全融化后，向熔体中加入精炼剂，并充分搅拌；向熔体中通入氩气进行除气10min，随后扒渣，静置20min；采用喂丝法向流槽中加入AlTi中间合金。

半连续铸造：将炉内熔体温度降为700℃时，开启半连续铸造。半连续铸造的条件包括：冷却水流量40L/min，铸造速度在2s内达到50mm/min。缓慢将铸造速度提高至70mm/min，连铸进入稳定状态。

将实施例1制备的高空防坠落铝合金新材料铸锭均匀化处理后按照GB/T3246.2标准对铸锭头尾的低倍组织进行检测，其结果显示：该铝合金铸锭冶金质量优良，晶粒度达到2级未发现裂纹、疏松以及大尺寸化合物等缺。将铸锭进行固溶+峰值时效处理，取样加工成拉伸试样按照GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》对本发明得到的铝合金进行了强度检测，结果表明,该铝合金的强度为570MPa、延伸率为12％。

对比例1

以实施例1为基础，设置对比例1，对比例1为与实施例1采用相同半连续铸造工艺制备的规格相同且成分相近的铝合金铸锭，但合金成分中无Zr。

将对比例1制备的铝合金铸锭进行质量检测，其结果显示：该铝合金铸锭表面发现裂纹、疏松等缺陷，偏析瘤高度5mm。强度低于500MPa、延伸率为7％。

实施例2

以质量百分比计，该高空防坠落铝合金新材料的元素组成和含量如下：

5.4％≤Zn≤5.5％、2.1％≤Mg≤2.2％、1.2％≤Cu≤1.3％、Mn≤0.05％、0.18％≤Cr≤0.19％、0.18％≤Zr≤0.19％、Ti≤0.04％、Fe≤0.15％、Si≤0.15％，其他杂质元素总量≤0.08％，余量为Al。

高空防坠落铝合金新材料的制备过程如下：

熔炼：按上述化学元素组成，将相应原料中的纯Al(纯度为99.99％)、纯Zn(纯度为99.99％)、纯Cu(纯度为99.99％)和Al-10Cr、Al-10Zr中间合金置于熔炼炉中加热，初始加热温度为800℃；待上述物质完全熔化后，降温至780℃，充分搅拌；10min后；将用铝箔包裹着的纯Mg(纯度为99.99％)压入熔炼炉底部，待其完全熔化后充分搅拌，促进其分散均匀；待其完全融化后，向熔体中加入精炼剂，并充分搅拌；向熔体中通入氩气进行除气10min，随后扒渣，静置20min；采用喂丝法向流槽中加入AlTi中间合金。

半连续铸造：将炉内熔体温度降为700℃时，开启半连续铸造。半连续铸造的条件包括：冷却水流量45L/min，铸造速度在5s内达到60mm/min。缓慢将铸造速度提高至70mm/min，连铸进入稳定状态。

将实施例2制备的高空防坠落铝合金新材料铸锭均匀化处理后按照GB/T3246.2标准对铸锭头尾的低倍组织进行检测，其结果显示：该铝合金铸锭冶金质量优良，晶粒度达到2级未发现裂纹、疏松以及大尺寸化合物等缺。将铸锭进行固溶+峰值时效处理，取样加工成拉伸试样按照GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》对本发明得到的铝合金进行了强度检测，结果表明,该铝合金的强度为580MPa、延伸率为15％。

实施例3

以质量百分比计，该高空防坠落铝合金新材料的元素组成和含量如下：

5.6％≤Zn≤5.7％、2.2％≤Mg≤2.3％、1.3％≤Cu≤1.4％、Mn≤0.06％、0.19％≤Cr≤0.20％、0.19％≤Zr≤0.20％、Ti≤0.04％、Fe≤0.15％、Si≤0.15％，其他杂质元素总量≤0.08％，余量为Al。

高空防坠落铝合金新材料的制备过程如下：

熔炼：按上述化学元素组成，将相应原料中的纯Al(纯度为99.99％)、纯Zn(纯度为99.99％)、纯Cu(纯度为99.99％)和Al-10Cr、Al-10Zr中间合金置于熔炼炉中加热，初始加热温度为780℃；待上述物质完全熔化后，降温至700℃，充分搅拌；20min后；将用铝箔包裹着的纯Mg(纯度为99.99％)压入熔炼炉底部，待其完全熔化后充分搅拌，促进其分散均匀；待其完全融化后，向熔体中加入精炼剂，并充分搅拌；向熔体中通入氩气进行除气10min，随后扒渣，静置30min；采用喂丝法向流槽中加入AlTi中间合金。

半连续铸造：将炉内熔体温度降为700℃时，开启半连续铸造。半连续铸造的条件包括：冷却水流量55L/min，铸造速度在3s内达到60mm/min。缓慢将铸造速度提高至70mm/min，连铸进入稳定状态。

将实施例3制备的高空防坠落铝合金新材料铸锭均匀化处理后按照GB/T3246.2标准对铸锭头尾的低倍组织进行检测，其结果显示：该铝合金铸锭冶金质量优良，晶粒度达到2级未发现裂纹、疏松以及大尺寸化合物等缺。将铸锭进行固溶+峰值时效处理，取样加工成拉伸试样按照GB/T228《金属材料室温拉伸试验方法》对本发明得到的铝合金进行了强度检测，结果表明,该铝合金的强度为540MPa、延伸率为14％。

综上所述，本发明所提供的高空防坠落铝合金新材料，通过调整Zn、Mg的含量，增加Zr元素，适当降低Fe、Si杂质含量，对应获得的铝合金具有较高的强度、良好的塑性和较低的缺口敏感性，同时还具有较低的生产成本。

综上所述，本发明提供了一种柔高空防坠落铝合金新材料及其制备方法、应用，

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。