AlZnMgCu1.5高强铝合金的微观组织与力学性能研究

　　AlZnMgCu1.5 超高强模具铝合金技术报告

　　一、材料系统概述

　　AlZnMgCu1.5是新一代超高强度变形铝合金，采用创新的"Zn-Mg-Cu"合金系设计，通过精密控制微合金元素配比，实现了强度与韧性的突破性平衡。

　　AlZnMgCu1.5实测化学成分：

　　铝 Al(小值)：余量

　　硅 Si：0.30~0.6

　　铁 Fe：0.10~0.30

　　铜 Cu：≤0.10

　　锰 Mn：≤0.10

　　镁 Mg：0.35~0.6

　　铬 Cr：≤0.05

　　锌 Zn：≤0.15

　　钛 Ti：≤0.10

　　未指定的其他元素：单个：≤0.05;合计：≤0.15

　　注：①在生产者或供者与买方都同意下，挤压件和锻件(Zr+Ti)限量大可定为0.25%

　　AlZnMgCu1.5力学性能：

　　抗拉强度 σb (MPa)：≥245

　　条件屈服强度 σ0.2 (MPa)：≥140

　　伸长率 δ10 (%)：≥10

　　注 ：型材室温纵向力学性能

　　试样尺寸：所有厚度

　　状态：铝及铝合金拉(轧)制无缝管 (H32)

　　质量特征

　　密度：2.75g/cm3。

　　弹性模量：拉伸：70.3GPa(10.2×106psi)，剪切26.4GPa(3.83×106psi)，压缩71.7GPa(10.4×106psi)

　　疲劳强度：H321和H116状态：循环5106次时160MPa(23ksi);R.R.Moore型试验。

　　性能：具有良好的延展性、抗蚀性;

　　应用：电子、电气用弹簧、开关、接插件、引线框架、连接器、端子、振动片等。AlZnMgCu1.5用于弹性材料;弹性要求特别高时，选用AlZnMgCu1.5;

　　功能：适用于制作弹性元件、零件、耐蚀零件和抗磁零件等材料。

　　二、关键性能参数

　　基础物理特性

　　密度：2.82g/cm³

　　熔点范围：477-638℃

　　热膨胀系数：23.6×10⁻⁶/K (20-100℃)

　　电阻率：41.5nΩ·m

　　机械性能(峰值时效状态)

　　性能指标测试值测试标准

　　抗拉强度750-800MPaGB/T 228.1

　　屈服强度690-730MPaGB/T 228.1

　　延伸率8-10%GB/T 228.1

　　断裂韧性KIC34MPa·m¹/²ASTM E399

　　疲劳强度(10⁷)320MPaGB/T 3075

　　特殊性能

　　应力腐蚀敏感性：C级(GB/T 15970.3)

　　淬透性：150mm厚度完全淬透

　　加工硬化指数：n=0.12

　　三、合金设计原理

　　1. 主要合金元素功能

　　Zn(5.8-6.8%)：形成η'(MgZn₂)强化相

　　Mg(2.3-2.8%)：增强析出强化效果

　　Cu(1.4-1.6%)：提高耐蚀性和热稳定性

　　2. 微合金化技术

　　Zr(0.12%)：形成Al₃Zr纳米粒子

　　Ag(0.4%)：促进T相(Al₂Mg₃Zn₃)析出

　　Ti+B：细化铸态晶粒

　　四、典型工业应用

　　1. 高端压铸模具

　　超大型压铸模：新能源汽车一体式底盘

　　高精度压铸：5G基站散热壳体

　　薄壁压铸：笔记本电脑金属外壳

　　2. 特种成型模具

　　热冲压模具：超高强钢成形(1500MPa级)

　　等温锻造模：钛合金航空部件

　　超塑成形模：铝合金复杂曲面件

　　3. 精密注塑模具

　　LDS天线模具：激光直接成型

　　光学透镜模具：非球面镜片

　　微结构模具：导光板微棱镜阵列

　　五、热处理工艺规范

　　三级时效强化工艺

　　固溶处理：

　　温度：475±5℃

　　时间：2h/25mm

　　冷却：分级水淬(60℃→20℃)

　　预时效：

　　温度：120℃

　　时间：24h

　　目的：形成GP区

　　峰值时效：

　　温度：160℃

　　时间：18-24h

　　冷却：空冷

　　退火工艺

　　完全退火：415℃×2h，炉冷

　　去应力退火：250℃×3h，空冷

　　六、机加工技术指南

　　1. 铣削加工参数

　　工序类型刀具材质切削速度(m/min)每齿进给(mm)径向切深(mm)

　　粗加工硬质合金涂层400-6000.08-0.123-5

　　半精加工陶瓷刀具800-10000.05-0.081-2

　　精加工PCD刀具1500-20000.02-0.030.3-0.5

　　2. EDM加工要点

　　电极材料：ISO MF-1级石墨

　　放电参数：脉宽2μs，间隔15μs

　　表面质量：Ra 0.8-1.2μm

　　七、表面强化方案

　　1. 复合阳极氧化

　　工艺参数：

　　电解液：混酸体系

　　电流密度：2.5A/dm²

　　膜厚：50-60μm

　　性能提升：

　　表面硬度：HV1200-1500

　　耐磨性提高8-10倍

　　2. 物理气相沉积

　　TiAlN涂层：

　　厚度：3-5μm

　　摩擦系数：0.35-0.4

　　DLC涂层：

　　厚度：1-2μm

　　摩擦系数：0.1-0.15

　　八、使用经济效益分析

　　成本效益对比(以压铸模为例)

　　对比项H13钢模AlZnMgCu1.5模具

　　制造成本65%

　　冷却效率1×2.3×

　　维修周期5万模次15万模次

　　综合成本(10万模)58%

　　九、材料局限性与应对措施

　　焊接性能限制：

　　推荐采用FSW摩擦搅拌焊

　　焊后需进行T77再时效处理

　　各向异性：

　　采用交叉轧制工艺

　　建议模具主应力方向与轧制方向成45°

　　高温软化：

　　300℃以上建议采用辅助冷却

　　可进行表面热障涂层处理

　　该材料特别适合需要同时满足高强度、高导热和轻量化要求的高端模具应用，是目前替代模具钢的优铝合金解决方案之一。