CN102321858A - Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的热处理工艺 - Google Patents
Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的热处理工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的热处理工艺，属于合金领域，该工艺对高强铝合金依次进行固溶处理、一次淬火处理、高温短时时效处理、二次淬火处理、中温短时时效处理、三次淬火处理、低温长时时效处理。本发明的处理工艺同时提高了材料的机械性能和耐腐蚀性，并且提高了处理效率。
Description
技术领域
本发明属于合金领域，具体涉及一种Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的热处理工艺。
背景技术
近年来，铝合金在航空、航天、兵器和交通等行业等领域得到了广泛应用。特别是对轻量化程度要求高的重要结构件，大多数采用变形铝合金制造，并对其进行热处理以获得高的强韧性。
本世纪40年代初，在Al-Zn-Mg铝合金的基础上，通过加入Cu、Mn和Cr等合金元素，开发出7XXX（Al-Zn-Mg-Cu）系超硬铝合金，大大改善了Al-Zn-Mg铝合金的抗腐蚀能力。并且此种合金可以通过模锻加工成各种零件，广泛应用于各种承载结构中。
大量工作和研究表明Al-Zn-Mg-Cu系铝合金沉淀物析出的顺序为：
相（过饱和固溶体）®区®η′相（MgZn2）®η相（MgZn2）,并且人们发现，时效热处理可以改变铝合金中的析出相的类型、大小、数量和分布，从而影响铝合金的综合机械性能及耐腐蚀性能。针对Al-Zn-Mg-Cu铝合金传统峰值时效处理状态下强度高但是耐腐蚀性能仍然不能满足某些领域应用的问题。人们已经做了大量研究并发展了诸如双级时效、回归热处理等工艺，但是仍未将机械强度与抗腐蚀性能两者统一起来。
中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技1辑，2009年第1期中公开了一篇“7A04（LC4）超高强铝合金断裂韧性研究”，其中的最佳三级时效处理的条件为485℃/50min/水淬+160℃/10min+120℃/10min+60℃/240h，该工艺处理后的性能参数为：抗拉强度σb656.7(MPa)，屈服强度σs
518.7 (MPa)，断后伸长率δ12.5
(%) ，冲击韧性aKU
19.986 (J)（即冲击功AKU 16 J），从上看出，该工艺的第三级时效处理的时间达到了240h时，整个工艺比较耗时，从而导致效率低下，而且该工艺没有对处理后材料的耐腐蚀性进行测试，从而无法得知该工艺是否能改善耐腐蚀性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的超硬铝合金热处理后难以同时保证机械强度和抗腐蚀性的问题。
本发明的技术方案为：Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的热处理工艺，该工艺对高强铝合金依次进行固溶处理、淬火处理、高温短时时效处理、一次水冷处理、中温短时时效处理、二次水冷处理、低温长时时效处理，其中：
固溶处理的工艺参数为：温度460～490℃，时间30～180min；
高温短时时效处理的工艺参数为：温度150～190℃，时间10-30min；
中温短时时效处理的工艺参数为：温度110～140℃，时间10-30min；
低温长时时效处理的工艺参数为：温度60～100℃，时间20～40小时，空冷至室温；
淬火处理、一次水冷处理、二次水冷处理的工艺参数为：室温水冷却至室温，转移时间不超过0.5min。
进一步地，所述固溶处理的工艺参数为：温度470℃～480℃，时间60min～120min；
所述高温短时时效处理的工艺参数为温度165℃～175℃，时间15min～25min；
所述中温短时时效处理的工艺参数为：温度125℃～135℃，时间15min～25min；
所述低温长时时效处理的工艺参数为：温度75℃～95℃，时间30～40小时，空冷至室温。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）通过本发明的方法处理后的超硬铝合金机械性能相对于现有技术明显提高。
（2）通过本发明的方法处理后的超硬铝合金其耐腐蚀性明显提高，将机械性能和耐腐蚀性完美的结合起来，可满足不同环境的实际需要。
（3）本发明的方法处理时间大大缩短，从而提高了生产效率，并降低了生产成本，满足产业化的需求。
附图说明
图1 峰值时效工艺下试样在盐雾腐蚀24小时的表面宏观形貌；
图2 本发明工艺下试样在盐雾腐蚀24小时的表面宏观形貌。
具体实施方式
实验设备：SX-8-10型电阻炉：功率8KW、控温范围 室温~1000℃、数字PID控制器温控精度±5℃；DHG-9030型干燥箱：功率500W、控温范围室温~300℃、温度波动度±1℃；普通淬火水槽：水温为室温。
实施例
1
实验材料：Al-Zn-Mg-Cu铝合金（成分如表1所示）、直径70mm棒材。
表1 ：Al-Zn-Mg-Cu铝合金成分
| 元素 | Zn | Mg | Cu | Mn | Cr | Fe | Ti | Si | 其他 | Al |
| 含量（wt.%） | 5.57 | 1.96 | 1.44 | 0.41 | 0.21 | 0.19 | 0.05 | 0.05 | <0.1 | 余量 |
热处理过程共分四步进行：
第一步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行固溶处理，使温度保持在470℃，放入试样，当到达固溶温度时开始计时，保温120min，室温水淬火至室温，淬火转移时间25s；
第二步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行高温短时时效处理，将炉温保持在165℃，放入试样，到达165℃时开始计时，保温25min，室温水冷却至室温，淬火转移时间20s；
第三步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行中温短时时效处理，将炉温保持在125℃，放入试样，到达125℃时开始计时，保温25min，室温冷却至室温，淬火转移时间20s；
第四步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行低温长时时效处理，将炉温保持在75℃，放入试样，到达75℃时开始计时，保温40h，出炉后空冷至室温。
实施例
2
实验材料：Al-Zn-Mg-Cu铝合金（成分如表2所示）、直径70mm棒材。
表2 ：Al-Zn-Mg-Cu铝合金成分
| 元素 | Zn | Mg | Cu | Mn | Cr | Fe | Ti | Si | 其他 | Al |
| 含量（wt.%） | 5.57 | 1.96 | 1.44 | 0.41 | 0.21 | 0.19 | 0.05 | 0.05 | <0.1 | 余量 |
热处理过程共分四步进行：
第一步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行固溶处理，使温度保持在480℃，放入试样，当到达固溶温度时开始计时，保温60min，室温水淬火至室温，淬火转移时间20s；
第二步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行高温短时时效处理，将炉温保持在170℃，放入试样，到达170℃时开始计时，保温20min，室温水冷却至室温，淬火转移时间25s；
第三步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行中温短时时效处理，将炉温保持在130℃，放入试样，到达130℃时开始计时，保温20min，室温水冷却至室温，淬火转移时间25s；
第四步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行低温长时时效处理，将炉温保持在85℃，放入试样，到达85℃时开始计时，保温35h，出炉后空冷至室温。
实施例
3
实验材料：Al-Zn-Mg-Cu铝合金（成分如表3所示）、直径42mm棒材。
表3： Al-Zn-Mg-Cu铝合金成分
| 元素 | Zn | Mg | Cu | Mn | Cr | Fe | Ti | Si | 其他 | Al |
| 含量（wt.%） | 6.20 | 2.22 | 1.58 | 0.42 | 0.20 | 0.25 | 0.04 | 0.07 | <0.1 | 余量 |
热处理过程共分四步进行：
第一步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行固溶处理，使温度保持在480℃，放入试样，当到达固溶温度时开始计时，保温60min，室温水淬火至室温，淬火转移时间18s；
第二步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行高温短时时效处理，将炉温保持在175℃，放入试样，到达175℃时开始计时，保温15min，室温水冷却至室温，淬火转移时间25s；
第三步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行中温短时时效处理，将炉温保持在135℃，放入试样，到达135℃时开始计时，保温15min，室温水冷却至室温，淬火转移时间20s；
第四步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行低温长时时效处理，将炉温保持在80℃，放入试样，到达80℃时开始计时，保温30h，出炉后空冷至室温。
实施例
4
实验材料：Al-Zn-Mg-Cu铝合金（成分如表4所示）、直径42mm棒材。
表4 ：Al-Zn-Mg-Cu铝合金成分
| 元素 | Zn | Mg | Cu | Mn | Cr | Fe | Ti | Si | 其他 | Al |
| 含量（wt.%） | 6.20 | 2.22 | 1.58 | 0.42 | 0.20 | 0.25 | 0.04 | 0.07 | <0.1 | 余量 |
热处理过程共分四步进行：
第一步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行固溶处理，使温度保持在475℃，放入试样，当到达固溶温度时开始计时，保温100min，室温水淬火至室温，淬火转移时间25s；
第二步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行高温短时时效处理，将炉温保持在170℃，放入试样，到达170℃时开始计时，保温25min，室温水冷却至室温，淬火转移时间15s；
第三步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行中温短时时效处理，将炉温保持在130℃，放入试样，到达130℃时开始计时，保温25min，室温水冷却至室温，淬火转移时间28s；
第四步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行低温长时时效处理，将炉温保持在90℃，放入试样，到达90℃时开始计时，保温36h，出炉后空冷至室温。
实施例
5
实验材料：Al-Zn-Mg-Cu铝合金（成分如表5所示）、直径70mm棒材。
表5：Al-Zn-Mg-Cu铝合金成分
| 元素 | Zn | Mg | Cu | Mn | Cr | Fe | Ti | Si | 其他 | Al |
| 含量（wt.%） | 5.72 | 1.93 | 1.50 | 0.30 | 0.16 | 0.31 | 0.04 | 0.13 | <0.1 | 余量 |
热处理过程共分四步进行：
第一步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行固溶处理，使温度保持在475℃，放入试样，当到达固溶温度时开始计时，保温120min，室温水淬火至室温，淬火转移时间25s；
第二步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行高温短时时效处理，将炉温保持在170℃，放入试样，到达170℃时开始计时，保温20min，室温水冷却至室温，淬火转移时间18s；
第三步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行中温短时时效处理，将炉温保持在130℃，放入试样，到达130℃时开始计时，保温20min，室温水冷却至室温，淬火转移时间24s；
第四步，对Al-Zn-Mg-Cu铝合金进行低温长时时效处理，将炉温保持在80℃，放入试样，到达80℃时开始计时，保温36h，出炉后空冷至室温。
性能对比测试：
表6：各实施例与现有技术中性能参数的对比：
从表6看出，经本发明的方法处理后的材料，除屈服强度稍低于峰值时效工艺和双级时效工艺外，其他各项指标均高于现有技术，机械性能优秀，而且，背景技术中的时效工艺，其处理工期大于240h，造成处理效率低下。由此可见，本发明的处理工艺不仅能提高各项性能指标，而且还能提高处理效率。
耐腐蚀性测试
将经本发明处理后的材料与峰值时效工艺处理后的材料进行耐腐蚀性测试，测试条件：盐雾腐蚀24小时。
测试结果：如图1和图2所示，从图1看出，峰值时效工艺处理后的材料在经过盐雾腐蚀处理后，其表面出现了严重腐蚀；而图2中的本发明处理后的材料经过盐雾腐蚀处理后，其表面只有轻微的腐蚀；可见经本发明的工艺处理后的材料其耐腐蚀性明显增强。
Claims (2)
1.Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的热处理工艺，其特征在于：该工艺对高强铝合金依次进行固溶处理、淬火处理、高温短时时效处理、一次水冷处理、中温短时时效处理、二次水冷处理、低温长时时效处理，其中：
固溶处理的工艺参数为：温度460～490℃，时间30～180min；
高温短时时效处理的工艺参数为：温度150～190℃，时间10-30min；
中温短时时效处理的工艺参数为：温度110～140℃，时间10-30min；
低温长时时效处理的工艺参数为：温度60～100℃，时间20～40小时，空冷至室温；
淬火处理、一次水冷处理、二次水冷处理的工艺参数为：室温水冷却至室温，转移时间不超过0.5min。
2.根据权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的热处理工艺，其特征在于：所述固溶处理的工艺参数为：温度470℃～480℃，时间60min～120min；所述高温短时时效处理的工艺参数为温度165℃～175℃，时间15min～25min；所述中温短时时效处理的工艺参数为：温度125℃～135℃，时间15min～25min；所述低温长时时效处理的工艺参数为：温度75℃～95℃，时间30～40小时，空冷至室温。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Heat treatment process for Al-Zn-Mg-Cu high strength aluminum alloy Effective date of registration: 20180206 Granted publication date: 20140507 Pledgee: Chengdu SME financing Company Limited by Guarantee Pledgor: Sichuan City Track Traffic Material Co., Ltd.|Dai Guangze Registration number: 2018510000015 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20190228 Granted publication date: 20140507 Pledgee: Chengdu SME financing Company Limited by Guarantee Pledgor: Sichuan City Track Traffic Material Co., Ltd.|Dai Guangze Registration number: 2018510000015 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Heat treatment process for Al-Zn-Mg-Cu high strength aluminum alloy Effective date of registration: 20190311 Granted publication date: 20140507 Pledgee: Chengdu SME financing Company Limited by Guarantee Pledgor: Sichuan City Track Traffic Material Co., Ltd.|Dai Guangze Registration number: 2019510000023 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |