CN102644039A - 半导体设备用高品质6061铝合金锻件制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体设备用高品质6061铝合金锻件的制备方法，包括(1)普通半连续铸造方法制坯；(2)6061铝合金的均匀化热处理采用双级均匀化工艺。第一级温度范围540～570℃，保温时间选择12～24h；第二级温度范围在570～620℃，保温时间选择18～24h；(3)锻造工艺。压力机砧板预热温度300～350℃，采用多火次锻造时，锻造火次最多不超过3次，采用2-3火次锻造时每一火次的镦粗锻比控制在4～6，采用一火锻造时锻造比控制在7～9之间，终锻温度控制在320～360℃等；(4)固溶时效工艺。固溶温度为520～540℃，保温时间以45min为基础，锻件厚度每增加1mm，保温时间延长1min。时效温度为160～180℃，保温时间在16～25h之间。本发明提供了一种半导体设备用高品质6061铝合金锻件的制备方法，该方法具有可操作性强、成品率高、产品性能稳定、产品附加值高等优点，适合小批量供货生产，具有显著的经济效益。

Description

半导体设备用高品质6061铝合金锻件制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体设备用高品质6061铝合金的锻造方法，属于有色金属锻造加工技术领域。
背景技术
6061铝合金作为一种成熟的铝合金牌号，其以较高的强度、良好的耐蚀性能和加工性能而广泛应用于建筑装饰、交通运输、航空航天等领域。九十年代末期，国外开始将高品质6061铝合金(指经压力加工后消除冶金缺陷、晶粒细小、组织均匀的6061铝合金)应用于半导体设备的关键零部件，并发现具有较好的使用性能。随着我国半导体装备业水平的迅猛发展，对高品质6061铝合金的需求增长迅速，而国产6061铝合金锻件难以满足使用要求，其主要表现锻件粗晶、产品不同部位组织差别较大，阳极氧化后膜层质量差，在半导体设备的苛刻的工作环境下很容易发生大面积腐蚀而报废。由于国产铝合金锻件主要用于承力的结构件，常规的锻造工艺只是达到消除冶金缺陷和成形的目的，对合金的组织结构和晶粒度的均匀性方面的要求不严格，所以很难满足半导体设备的使用要求。
对现有的技术文献检索发现，关于Al-Mg-Si系合金锻件的制备方法已有相关报道，涉及半导体设备用高品质6061铝合金锻造工艺的专利尚未见公开。
发明内容
本发明的目的在于解决目前6061铝合金常规锻造工艺存在的问题，如锻件局部晶粒粗大、组织不均匀、粗大第二相破碎不充分等，通过调整锻造工艺参数，控制锻件的温度场、应变速率场和应变场来实现控制锻件的组织结构的目的。采用本专利发明的锻造工艺生产的6061铝合金锻件，具有冶金缺陷完全消除、粗大第二相明显破碎、组织均匀、晶粒细小等优点，本发明提供了一种半导体设备用高品质6061铝合金锻件的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种半导体设备用6061铝合金锻件的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用普通半连铸的方法制备铝合金铸坯；
(2)将步骤(1)所得的坯料进行均匀化热处理，热处理制度选用双级均匀化制度，其中第一级温度为540～570℃，时间为12h～24h；第二级温度为570～620℃，时间为18h～24h；冷却方式选用风冷；
(3)将步骤(2)所得的铸锭进行机加工至需要尺寸，然后放入加热炉中保温，加热温度为460～500℃，保温时间根据坯料尺寸确定，按厚度1mm保温1.5min进行计算；
(4)将步骤(3)加热好的锻件在压力机上进行锻造，上下砧板预热温度为300～350℃，应变速率控制在0.1s-1左右，终锻温度控制在320～360℃之间，锻造过程尽量减少火次，增加每一火次的锻造比，火次间的保温温度460～480℃，保温时间根据厚度确定，5mm以下保温20min，锻件厚度每增加4mm，保温时间增加1min。
(5)将步骤(4)所得的锻件进行固溶时效，固溶工艺加热升温方式选用到温放入，保温温度选择520～540℃，保温时间根据锻件尺寸确定，5mm以下保温45min，厚度每增加1mm，保温时间增加1min。固溶后进行水淬，然后在压力机上进行4％左右的预压，以降低锻件残余应力。最后进行160～180℃×16～25h的人工时效。
本申请所涉及的锻造工艺是专门针对半导体设备用高品质6061铝合金锻件对性能要求进行设计，通过调整锻造工艺参数，主要包括：坯料加热温度、压力机砧板的预热温度、应变速率以及应变量的合理分配、锻造火次的选择等，最终获得了组织优秀的6061铝合金锻件。
一种优选的技术方案，其特征在于：所述的合金为6061铝合金。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(2)中所述的均匀化工艺为双级均匀化，保温时间较传统工艺明显加长。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(4)所述的锻造工艺与常规工艺相比，终锻温度降低20～80℃，锻造火次减少，每一火次的锻造比增加。
一种优选的技术方案，其特征在于：步骤(5)中所述的固溶工艺较常规工艺在保温时间上明显缩短，时效工艺选用低温长时的时效制度。
本发明的优点在于：
本发明提供了一种专门针对半导体设备设备用6061铝合金的锻造方法，可以有效的避免常规锻造工艺导致的6061铝合金锻件组织均匀性差、局部粗晶等问题，用该方法生产的锻件，具有粗大第二相破碎程度高、锻件组织均匀性好、锻件的晶粒细小均匀等优点。该方法生产的锻件经阳极氧化后，耐蚀性能明显提高，经加工成半导体设备零部件后装机使用，获得了良好的使用性能。本发明的半导体设备设备用高品质6061铝合金锻造方法具有可操作性强，生产效率高，生产成本低，产品性能稳定，产品附加值高等优点，具有显著的经济效益和社会效益。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
在本发明的实施例的具体变形过程中，出现“□”的表示，其中，“□”表示截面为正方形，“□”后面的数字表示正方形的边长，如，“□249×720”表示正方形的边长为249mm，截面为正方形的坯料的高为720mm。
实施例1
按6061铝合金，采用普通半连铸的铸造工艺，获得尺寸Φ300×760mm的铸坯，将坯料在带旋风的空气电阻炉中进行均匀化热处理，热处理制度为560℃×24h+580℃×24h，热处理后进行空冷。将热处理后的坯料进行机加工至尺寸为Φ275×740mm，机加工后的坯料放入空气电阻炉中进行480℃×225min锻前加热保温，坯料分两火进行锻造，锻造在1600t油压机上进行。第一火选用两镦两拔的锻造工艺，具体变形过程如下(单位，mm)：
Figure BDA0000047084880000031
Figure BDA0000047084880000032
一火锻造后，锻件回炉保温，保温制度为480℃×50min，保温后进行第二火的锻造，具体变形工艺参数如下(单位，mm)：
Figure BDA0000047084880000033
Figure BDA0000047084880000034
锻造后锻件进行固溶时效处理，固溶工艺为530℃×150min，固溶后水淬，然后在压力机上进行4％的预压处理，之后锻件进行170℃×18h的人工时效处理。
对锻件进行高低倍组织检验，锻件中粗大第二相明显被破碎，晶粒细小，组织均匀一致。
实施例2
按6061铝合金，采用普通半连铸的铸造工艺，获得尺寸Φ260×750mm的铸坯，将坯料在带旋风的空气电阻炉中进行均匀化热处理，热处理制度为560℃×24h+580℃×24h，热处理后进行空冷。将热处理后的坯料进行机加工至尺寸为Φ245×730mm，机加工后的坯料放入空气电阻炉中进行480℃×184min锻前加热保温，坯料分两火进行锻造，锻造在1600t油压机上进行。第一火选用两镦两拔的锻造工艺，具体变形过程如下(单位，mm)：
Figure BDA0000047084880000041
Figure BDA0000047084880000042
Figure BDA0000047084880000043
由于坯料的高径比较大，镦粗过程出现双鼓，中间进行了相应的矫直处理。
一火锻造后，锻件回炉保温，保温制度为480℃×48min，保温后进行第二火的锻造，具体变形工艺参数如下(单位，mm)：
Figure BDA0000047084880000044
Figure BDA0000047084880000045
锻造后锻件进行固溶时效处理，固溶工艺为530℃×135min，固溶后水淬，然后在压力机上进行4％的预压处理，之后进行170℃×18h的人工时效处理。
对锻件进行高低倍组织检验，锻件中粗大第二相被破碎，发生完全再结晶，晶粒细小，组织均匀一致。
实施例3
按6061铝合金，采用普通半连铸的铸造工艺，获得尺寸Φ200×540mm的铸坯，将坯料在带旋风的空气电阻炉中进行均匀化热处理，热处理制度为560℃×24h+580℃×24h，热处理后进行空冷。将热处理后的坯料进行机加工至尺寸为Φ180×520mm，机加工后的坯料放入空气电阻炉中进行480℃×150min锻前加热保温，锻造工艺采用三镦三拔，锻造过程一火锻造，锻造在800t油压机上进行。
具体变形过程如下(单位，mm)：
Figure BDA0000047084880000052
Figure BDA0000047084880000053
锻造后锻件进行固溶时效处理，固溶工艺为530℃×140min，固溶后水淬，然后在压力机上进行4％的预压处理，之后进行170℃×18h的人工时效处理。
对锻件进行高低倍组织检验，组织为完全再结晶组织，晶粒细小，无粗晶现象，锻件中第二相被明显破碎。

Claims (4)

1.半导体设备用高品质6061铝合金锻件制备方法，以6061铝合金为加工对象，采用半连铸工艺制坯，双级均匀化工艺热处理，在压力机上进行锻造，锻造采用少火次、大锻比、低终锻温度的成形工艺，最后进行高温短时固溶和低温长时时效的热处理，获得性能优良的半导体设备用高品质6061铝合金锻件，具体包括如下步骤：
(1)半连铸工艺制取锻造铸坯；
(2)采用双级均匀化制度对铸坯进行热处理退火；
(3)在压力机上对热处理后的铸坯进行锻造成形为锻件；
(4)对锻件进行固溶时效处理，是采用高温短时固溶和低温长时时效的热处理工艺，获得半导体设备用高品质6061铝合金锻件。
2.根据权利要求1所述的半导体设备用6061铝合金锻件的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的双级均匀化制度，其中第一级温度为540～570℃，第二级温度为570～620℃。
3.根据权利要求1所述的半导体设备用6061铝合金锻件的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的锻造过程具体工艺如下：铸坯锻前加热温度为460～500℃；压力机砧板的预热温度为300～350℃；锻造火次最多不超过3次，采用2-3火次锻造时每一火次的镦粗锻比控制在4～6，采用一火锻造时锻造比控制在7～9之间；火次之间的保温温度在460～480℃之间，保温时间根据锻件厚度确定，5mm以下保温20min，锻件厚度每增加4mm，保温时间延长1min；锻造火次最多不超过3次；锻件的终锻温度控制在320～360℃之间。
4.根据权利要求1所述的半导体设备用6061铝合金锻件的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的固溶温度为520～540℃，锻件厚度在5mm以下保温45min，厚度每增加1mm，保温时间增加1min；人工时效保温温度为160～180℃，保温时间在16～25h之间。
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