一种Al-Mg-Zn-Mn合金型材及其制备方法

本发明属于铝合金加工，具体涉及一种al-mg-zn-mn合金型材及其制备方法。

背景技术：

1、铝合金型材应用于机械桥结构件，相较于钢桥，可有效减轻桥体自重50％以上，更好地提升铺设机动性，减少了人力成本，提高作业效率。然而，随着机械化桥向更长、更可靠、更高强韧性的方向发展，对大跨度整梁式高性能铝合金结构型材提出需求。

2、目前采用的铝合金主要以6xxx系合金为主，该材料的不足之处在于整体力学性能偏低，经固溶-时效处理后的型材抗拉强度一般不超过400mpa，经在线淬火-时效后的性能更低，难以超过350mpa；部分7xxx系合金(如7005、7n01等)力学性能均不超过450mpa，而高强7xxx铝合金(7075、7055等)须经离线固溶-时效，才能体现出性能优势。

3、现有装备一般可对10米级可热处理的铝合金型材进行离线固溶淬火，配合后续时效处理，获得相应强韧性。但是，对于更大尺寸的型材(14m级)，现行装备难以满足制造需求，制约了大尺寸、高强韧铝合金型材的制造，成为大跨度机械桥研制面临的瓶颈问题。

技术实现思路

1、因此，本发明提供一种al-mg-zn-mn合金型材及其制备方法，能够解决现有技术中难以制备出大尺寸、高强韧al-mg-zn-mn合金型材的技术问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，包括以下步骤：

3、制备铸锭：制备al-mg-zn-mn合金的铸锭，其中，所述铸锭中含有初生al6mn相和初生t-mg32(alzn)49相；

4、均热处理：对所述铸锭进行均热处理；

5、挤压：对均热处理后的铸锭进行开坯处理，然后进行挤压成形，以使t-mg32(alzn)49相回溶至铝基体中，再进行在线淬火，得到挤压型材；

6、拉伸矫直：对所述挤压型材进行拉伸矫直；

7、时效处理：对拉伸矫直后的型材进行时效处理，以使t-mg32(alzn)49相析出，得到al-mg-zn-mn合金型材。

8、进一步的，所述al6mn相的尺寸范围为1～4μm；所述t-mg32(alzn)49为体心立方结构。

9、进一步的，在所述熔炼步骤中：以质量百分含量计，所述铸锭的化学成分如下：

10、zn：4.5～5.3wt％，mg：4.5～5.3wt％，mn：0.8～1.3wt％，zr：0.10～0.15wt％，ti：0.05～0.10wt％，fe≤0.15wt％，si≤0.08wt％，余量为al；

11、其中，zn和mg质量百分含量比值为0.90～1.17。

12、进一步的，在所述制备铸锭步骤之前，还包括：

13、熔炼：对原料进行熔炼处理，得到合金熔体；

14、精炼：对合金溶液进行精炼处理，得到合金熔体。

15、进一步的，所述熔炼步骤包括：将铝锭、锌锭、铝锆合金、锰剂混合加入熔炼炉，加热至730～750℃，随后加入镁锭，保温4～6h后得到合金熔体；

16、所述制备铸锭步骤包括对所述铝合金熔体进行热顶铸造；其中，在热顶铸造的过程中，在线加入铝钛硼丝。

17、进一步的，所述均热处理步骤包括：将所述铸锭置于均热炉中，加热至460～465℃保温24～30h后，随炉冷至200～250℃，然后开炉冷却至室温。

18、进一步的，在所述挤压步骤中：所述开坯处理包括：将扒皮后的铸锭加热至450～460℃，保温3～6h后，进行镦挤变形，获得锭坯。

19、进一步的，所述挤压步骤包括：将所述锭坯加热至500～520℃，保温3～6h后在挤压机上挤压成有效长度≥14m的挤压型材，然后对所述挤压型材进行在线穿水淬火；

20、进一步的，挤压成形的速度为1.5～2.5m/min，挤压型材出模口的温度≥485℃；在线穿水淬火时，入水端挤压型材的温度≥480℃，冷却水的流量为40～50m3/h。

21、进一步的，在所述拉伸步骤中：拉伸矫直的拉伸率为0.5～1.0％；

22、在所述时效处理步骤中：采用双级时效进行时效处理，其中，一级时效的温度为70～100℃，一级时效的保温时间为8～10h，二级时效的温度为140～150℃，二级时效的保温时间为4～7h。

23、所述制备方法适用于制备长度大于14m的al-mg-zn-mn合金型材。

24、另一方面，本发明提供一种al-mg-zn-mn合金型材，其特征在于，所述al-mg-zn-mn合金型材包括基体相和t-mg32(alzn)49相；所述t-mg32(alzn)49相弥散分布在基体相内；t-mg32(alzn)49相为体心立方结构；t-mg32(alzn)49相的晶粒尺寸为4～8nm；

25、所述al-mg-zn-mn合金型材采用上述任一项所述的制备方法得到。

26、进一步的，所述al-mg-zn-mn合金型材的力学性能如下：屈服强度≥500mpa，抗拉强度≥550mpa，延伸率≥12％。

27、进一步的，所述al-mg-zn-mn合金型材用于制备大跨度机械桥。

28、本发明提供的一种al-mg-zn-mn合金型材及其制备方法具有如下有益效果：

29、1.本发明通过在制备al-mg-zn-mn合金的铸锭中形成初生微米级al6mn相和初生t相(t-mg32(alzn)49相)，然后通过挤压成形合金型材，采用高温挤压成形，可充分发挥微米级al6mn相诱发基体再结晶的能力，提高再结晶晶粒的占比，同时促使t相回溶至基体，提升基体的过饱和度；时效处理后，具有较高过饱和度的型材在再结晶晶界诱导作用下促进t相弥散析出，在单轴拉伸条件下，对位错进行有效拦储，进而实现铝合金型材强韧性的提升。

30、2.进一步的，本发明通过增加al-mg-zn-mn合金型材原料中mn的含量，使得铝基体内初生微米级al6mn相含量增加，然后将zn和mg的质量百分含量比值控制为0.9～1.17，可使得铝基体内形成初生t相(t-mg32(alzn)49相)；再通过挤压成形可获得长度≥14m的al-mg-zn-mn合金型材，采用高温挤压成形，进一步充分发挥微米级al6mn相诱发基体再结晶的能力，进一步提高再结晶晶粒的占比，从而使铝合金型材强韧性的显著提升。本发明无需进行离线固溶淬火，可制备出大尺寸、高强韧al-mg-zn-mn合金型材。

31、3.进一步的，本发明采用在线穿水淬火，保证型材出模口的温度以及型材入水的温度，可以使型材保持过饱和态特征，并保留高温挤压形成的再结晶晶粒，以便时效处理后促进t相弥散析出。

32、4.进一步的，本发明在挤压前对均热处理后的铸锭进行开坯处理，可提升坯料的组织性能均匀性，破碎粗大晶粒组织，从而确保后续处理后型材的强韧性。

技术特征：

1.一种al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，所述al6mn相的尺寸范围为1～4μm；所述t-mg32(alzn)49为体心立方结构。

3.根据权利要求1所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，以质量百分含量计，所述铸锭的化学成分如下：

4.根据权利要求1所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，在所述制备铸锭步骤之前，还包括：

5.根据权利要求4所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，所述熔炼步骤包括：将铝锭、锌锭、铝锆合金、锰剂混合加入熔炼炉，加热至730～750℃，随后加入镁锭，保温4～6h后得到合金熔体；

6.根据权利要求1所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，所述均热处理步骤包括：将所述铸锭置于均热炉中，加热至460～465℃保温24～30h后，随炉冷至200～250℃，然后开炉冷却至室温。

7.根据权利要求1所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，在所述挤压步骤中：

8.根据权利要求7所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，所述挤压步骤包括：将所述锭坯加热至500～520℃，保温3～6h后在挤压机上挤压成型材，然后对所述挤压型材进行在线穿水淬火。

9.根据权利要求8所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，所述挤压成形的速度为1.5～2.5m/min，挤压型材出模口的温度≥485℃；在线穿水淬火时，入水端挤压型材的温度≥480℃，冷却水的流量为40～50m3/h。

10.根据权利要求1所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，在所述拉伸矫直步骤中，拉伸率为0.5％～1.0％。

11.根据权利要求1所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，在所述时效处理步骤中：采用双级时效进行时效处理，其中，一级时效的温度为70～100℃，一级时效的保温时间为8～10h，二级时效的温度为140～150℃，二级时效的保温时间为4～7h。

12.根据权利要求1至11任一所述的al-mg-zn-mn合金型材的制备方法，其特征在于，所述al-mg-zn-mn合金型材的长度大于14m。

13.一种al-mg-zn-mn合金型材，其特征在于，所述al-mg-zn-mn合金型材包括基体相和t-mg32(alzn)49相；所述t-mg32(alzn)49相弥散分布在基体相内；t-mg32(alzn)49相为体心立方结构；t-mg32(alzn)49相的晶粒尺寸为4～8nm；

14.根据权利要求13所述的al-mg-zn-mn合金型材，其特征在于，所述al-mg-zn-mn合金型材的力学性能如下：屈服强度≥500mpa，抗拉强度≥550mpa，延伸率≥12％。

15.根据权利要求13或14所述的al-mg-zn-mn合金型材，其特征在于，所述al-mg-zn-mn合金型材用于制备大跨度机械桥。

技术总结本发明提供一种Al‑Mg‑Zn‑Mn合金型材及其制备方法，涉及铝合金加工技术领域，包括以下步骤：制备Al‑Mg‑Zn‑Mn合金的铸锭，其中，铸锭中含有初生Al<subgt;6</subgt;Mn相和初生T‑Mg<subgt;32</subgt;(AlZn)<subgt;49</subgt;相；对铸锭进行均热处理；对均热处理后的铸锭进行开坯处理，然后进行挤压成形，以使T‑Mg<subgt;32</subgt;(AlZn)<subgt;49</subgt;相回溶至铝基体中，再进行在线淬火，得到挤压型材；对挤压型材进行拉伸矫直；时效处理：对拉伸矫直后的型材进行时效处理，以使T‑Mg<subgt;32</subgt;(AlZn)<subgt;49</subgt;相析出，得到Al‑Mg‑Zn‑Mn合金型材。本发明增加原料中Mn的含量，控制Zn和Mg的质量百分含量比值，通过高温挤压成形提高再结晶晶粒的占比，经在线淬火提升基体的过饱和度；时效处理后，促进T相弥散析出，实现铝合金型材强韧性的显著提升。本发明无需进行离线固溶淬火，可制备出大尺寸、高强韧Al‑Mg‑Zn‑Mn合金型材。技术研发人员：任贤魏,张治民,王强,薛勇,赵熹,刘洪彬,刘海龙,苏冬青受保护的技术使用者：中北大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6