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高延伸率高强度高锌Al-Zn-Cu铸造合金及其制备方法

467 编辑：北方有色网来源：北京工业大学

2025-07-23 15:03:37

权利要求

1.一种高延伸率高强度Al-Zn-Cu铸造合金，其特征在于，合金按照质量百分比含Zn:25～35%，Cu:0～4%，余量为Al以及不可避免的杂质元素。

2.按照权利要求1所述的一种高延伸率高强度Al-Zn-Cu铸造合金，其特征在于，Zn:27～33%。

3.按照权利要求1所述的一种高延伸率高强度Al-Zn-Cu铸造合金，其特征在于，Cu:1～3%。

4.按照权利要求1所述的一种高延伸率高强度Al-Zn-Cu铸造合金，其特征在于，杂质的质量分数≤0.5%，杂质中单个元素的质量分数≤0.1%。

5.按照权利要求1-4所述的一种高延伸率高强度Al-Zn-Cu铸造合金，其特征在于，铸态Al-Zn-Cu合金的显微硬度为>120HV，屈服强度为>245MPa，抗拉强度为>365MPa，延伸率>10%。

6.制备权利要求1-3任一项所述高延伸率高强度Al-Zn-Cu合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、准备纯铝、纯锌和铝铜中间合金作为原料;其中Zn占全部原料总质量的25～35%，

Cu占全部原料总质量的0～4%，其余为Al;

(2)、将纯铝和中间合金置于坩埚中加热到760～780℃，形成铝铜熔体;

(3)、将纯锌放入熔体中，搅拌至完全熔化后，形成铝锌铜熔体;

(4)、对铝锌铜熔体进行扒渣处理，搅拌均匀后倒入准备好的模具中;待其冷却，制成高锌Al-Zn-Cu合金铸锭。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，上述的步骤(1)中，纯铝、纯锌的纯度均≥99.98%，铝铜合金的铜含量为50%。

8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，上述的步骤(4)中，扒渣是采用钛合金工具扒除铝锌铜熔体表面的氧化浮渣;模具的材质为铸铁。

9.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，倒入模具时铝锌铜熔体的温度为720～730℃。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及有色金属技术领域，具体涉及一种高延伸率高强度Al-Zn-Cu铸造合金及其制备方法。

背景技术

[0002]高锌的铝合金具有熔点低、制造成本低和原材料易获取等优点，也是近几十年来科学家们热点研究开发的金属材料之一。传统铸造Al-Zn合金的Zn含量大多在15%以下，如Zn含量为9%～13%的ZL401合金和Zn含量为5%～6.5%ZL402合金，其金属型铸造下抗拉强度分别达到245MPa和235Mpa。随着社会的发展，传统铸造Al-Zn合金的性能越来越不能满足工程需求。根据Al-Zn二元相图可知，Zn和Al在液态下无限互溶，在固态下具有较高的互溶度。温度为275℃时，Zn在Al基体中的固溶度高达31.6%。因此研究人员通过提高Zn元素含量，使合金成分点靠近共晶点来改善铸造性能，同时大量Zn元素的溶入也能够起到固溶强化的作用。Cu是高锌铝合金中主要的强化元素，起着固溶强化作用和异质形核的作用，Cu可以和Al形成Al2Cu相，提高合金的强度。高锌铝合金凝固最后阶段在晶界处发生共析反应，生成层片状的(α+η)组织，研究表明这种层片状组织可以改善合金的延伸率。

[0003]传统铸造铝合金中Al-Si系合金力学强度和延伸率较低，Al-Cu系合金铸造性能较差。现有铸造高锌铝合金的含Zn量大都在40%附近，该超高Zn含量会加剧合金的枝晶偏析现象，对合金的力学性能造成破坏性影响。而且现有铸造高锌铝合金会添加Si元素，造成合金铸造组织中含有针状初生硅，造成合金延伸率低，塑性差的缺点，只能后期通过热处理来细化初生硅改善性能。相比于现有高锌铝合金，本发明合金降低了Zn含量，使合金枝晶偏析减小，从而改善合金的力学性能。由于没有添加Si元素，不会生成针状初生硅，从而使合金保持较高的延伸率。本发明高锌铝合金与现有铸造铝合金相比，具有较高的力学强度和延伸率，较好的铸造性能。

发明内容

[0004]本发明旨在提供一种高延伸率高强度Al-Zn-Cu铸造合金的制备方法。

[0005]本发明高锌Al-Zn-Cu合金按照质量百分比含Zn 25～35%，Cu0～4%，余量为Al以及不可避免的杂质元素;杂质的质量分数≤0.5%，杂质中单个元素的质量分数≤0.1%。

[0006]进一步优选成分为Zn:27～33%，Cu:1～3%，余量为Al以及不可避免的杂质元素;杂质的质量分数≤0.3%，杂质中单个元素的质量分数≤0.05%。

[0007]上述的铸态高锌Al-Zn-Cu合金的屈服强度为>245MPa，抗拉强度为>365MPa，显微硬度为>120HV，延伸率>10%。

[0008]本发明的高锌Al-Zn-Cu合金的制备方法包括以下步骤：

[0009](1)、准备纯铝、纯锌和铝铜中间合金作为原料;其中Zn占全部原料总质量的25～35%，Cu占全部原料总质量的0～4%，其余为Al;

[0010](2)、将纯铝和中间合金置于坩埚中加热到760～780℃，形成铝铜熔体;

[0011](3)、将纯锌放入熔体中，搅拌至完全熔化后，形成铝锌铜熔体;

[0012](4)、对铝锌铜熔体进行扒渣处理，搅拌均匀后倒入准备好的模具中;待其冷却，制成高锌Al-Zn-Cu合金铸锭。

[0013]上述的步骤(1)中，纯铝、纯锌的纯度均≥99.98%，铝铜合金的铜含量为50%。

[0014]上述的步骤(4)中，扒渣是采用钛合金工具扒除铝锌铜熔体表面的氧化浮渣。

[0015]上述的步骤(4)中，倒入模具时铝锌铜熔体的温度为720～730℃。

[0016]上述方法中，模具的材质为铸铁。

[0017]和如今现有的技术相比较，本发明的得益于：

[0018]1、本发明合金降低了Zn含量，使合金枝晶偏析减小，从而改善合金的力学性能。将Cu元素添加到高锌铝合金中可以增强合金的强度。由于没有添加Si元素，不会生成针状初生硅，从而使合金保持较高的延伸率。

[0019]2、高锌铝合金的抗拉强度和延伸率与A356等传统铝硅铸造铝合金相比显著提高。

附图说明

[0020]图1为实施例1高锌Al-Zn-Cu合金铸态金相组织;

[0021]图2为实施例1高锌Al-Zn-Cu合金扫描电镜背散射图像;

[0022]图3为实施例1-3高锌Al-Zn-Cu合金应力-应变曲线。

具体实施方式

[0023]本发明实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法;所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

[0024]本发明实施例中，进行铸造是将加热炉内的物料浇注到模具中，通过随着模具降温;铸造完成后脱模制成高锌Al-Zn-Cu合金。

[0025]本发明实施例中，模具的材质为铸铁。

[0026]本发明实施例中，扒渣是采用钛合金工具扒除铝锌铜熔体表面的氧化浮渣。

[0027]实施例1

[0028]准备纯铝、纯锌和铝铜中间合金作为原料;其中Zn占全部原料总质量的30.0wt.%，Cu占全部原料总质量的2.0wt.%，其余为Al;

[0029]纯铝、纯锌的纯度均≥99.98%，铝铜合金的铜含量为50%;

[0030]将纯铝和中间合金置于坩埚中加热到780℃，形成铝铜熔体;

[0031]降温至720℃，将纯锌放入熔体中，搅拌至完全熔化后，并保温20min形成铝锌铜熔体;

[0032]对铝锌铜熔体进行扒渣处理，然后导入静置炉，导入静置炉时铝锌铜熔体的温度为720℃;然后在炉内静置15min，然后进行浇铸，制成高锌Al-Zn-Cu合金，使用ICP方法测得合金成分为28.6wt.%Zn，2.0wt.%Cu;对铸态高锌Al-Zn-Cu合金进行拉伸性能测试，测试标准为国标GB/T 228.1-2021，实测得屈服强度为291MPa，抗拉强度为398MPa，延伸率为10.5%;实验室实测铸态高锌Al-Zn-Cu合金的显微硬度为135.2HV，测试仪器为HXD-1000TM/LCD维氏硬度计;高锌Al-Zn-Cu合金中杂质的质量分数≤0.3%，杂质中单个元素的质量分数≤0.05%;高锌Al-Zn-Cu合金铸态金相组织如图1所示，其扫描电镜背散射图像如图2所示，其应力-应变曲线如图3所示。

[0033]实施例2

[0034]准备纯铝、纯锌和铝铜中间合金作为原料;其中Zn占全部原料总质量的30.0wt.%，Cu占全部原料总质量的1.0wt.%，其余为Al;

[0035]纯铝、纯锌的纯度均≥99.98%，铝铜合金的铜含量为50%;

[0036]将纯铝和中间合金置于坩埚中加热到780℃，形成铝铜熔体;

[0037]降温至720℃，将纯锌放入熔体中，搅拌至完全熔化后，并保温20min形成铝锌铜熔体;

[0038]对铝锌铜熔体进行扒渣处理，然后导入静置炉，导入静置炉时铝锌铜熔体的温度为720℃;然后在炉内静置15min，然后进行浇铸，制成高锌Al-Zn-Cu合金，使用ICP方法测得合金成分为28.7wt.%Zn，1.0wt.%Cu;对铸态高锌Al-Zn-Cu合金进行拉伸性能测试，测试标准为国标GB/T 228.1-2021，实测得屈服强度为249MPa，抗拉强度为365MPa，延伸率为12.2%;实验室实测铸态高锌Al-Zn-Cu合金的显微硬度为124.7HV，测试仪器为HXD-1000TM/LCD维氏硬度计;高锌Al-Zn-Cu合金中杂质的质量分数≤0.3%，杂质中单个元素的质量分数≤0.05%;其应力-应变曲线如图3所示。

[0039]实施例3

[0040]准备纯铝、纯锌和铝铜中间合金作为原料;其中Zn占全部原料总质量的30.0wt.%，Cu占全部原料总质量的3.0wt.%，其余为Al;

[0041]纯铝、纯锌的纯度均≥99.98%，铝铜合金的铜含量为50%;

[0042]将纯铝和中间合金置于坩埚中加热到780℃，形成铝铜熔体;

[0043]降温至720℃，将纯锌放入熔体中，搅拌至完全熔化后，并保温20min形成铝锌铜熔体;

[0044]对铝锌铜熔体进行扒渣处理，然后导入静置炉，导入静置炉时铝锌铜熔体的温度为720℃;然后在炉内静置15min，然后进行浇铸，制成高锌Al-Zn-Cu合金，使用ICP方法测得合金成分为28.7wt.%Zn，2.9wt.%Cu;对铸态高锌Al-Zn-Cu合金进行拉伸性能测试，测试标准为国标GB/T 228.1-2021，实测得屈服强度为269MPa，抗拉强度为385MPa，延伸率为11.8%;实验室实测铸态高锌Al-Zn-Cu合金的显微硬度为134.3HV，测试仪器为HXD-1000TM/LCD维氏硬度计;高锌Al-Zn-Cu合金中杂质的质量分数≤0.3%，杂质中单个元素的质量分数≤0.05%;其应力-应变曲线如图3所示。

说明书附图(3)