CN104109825A - 一种超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法，铸锭合金成分质量百分比为：Zn：8.13，Cu：2.36，Mg：2.08，Sc：0.21，Zr：0.12，Fe≤0.07，Si≤0.09，单个其他元素≤0.05，其他元素总和≤0.15，余量为Al；包括以下步骤：在电阻加热炉内将铸锭升温加热至315-325℃进行低温预析出处理，保温时间4-6h；将铸锭在炉内进行高温长时间处理，加热温度462-467℃，保温时间23-25h，空冷。本发明在消除合金铸锭中主要合金元素的偏析和共晶组织的基础上，有效地调控合金铸锭中Al3Sc/Al3Zr析出相的尺寸和分布，从而大大提高合金的强度和再结晶温度。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金铸锭的热处理方法，尤其涉及的是一种超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法。
背景技术
超高强度Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr合金由于合金化程度较高，在凝固过程中存在枝晶偏析，晶界存在粗大共晶组织，晶内和晶界化学成分和组织分布不均匀，恶化热加工性能，使加工产品的强度和塑性降低，应力腐蚀敏感性增加。为了消除铸锭组织对加工性能和加工产品最终使用性能带来的危害，超高强度铝合金铸锭热变形前必须进行均匀化热处理，以消除成分偏析和低熔点共晶组织，改善铸锭的热塑性，提高合金元素在基体中的固溶度，同时孕育析出Al3Sc/Al3Zr粒子，阻止合金在热变形过程中发生再结晶，提高合金的强度。均匀化过程越彻底，固溶时效后合金的强度越高。
铸锭的均匀化是制备超高强度铝合金的一个极其重要的工艺过程，对加工产品最终性能有着显著的影响。超高强度Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr铝合金传统的均匀化处理通常在低于最低非平衡固相线温度20℃-30℃下进行，能够从一定程度上消除偏析和溶解共晶组织，但不能让Al3Sc/Al3Zr粒子呈弥散、细小、均匀的充分析出。因此，对于超高强度Al-Zn-Cu-Mg-Sc-Zr合金铸锭的均匀化处理，如何在铸锭化学成分均匀的基础上，同时使得细小的Al3Sc/Al3Zr粒子均匀弥散析出，充分发挥其在超高强度铝合金中强化和提高再结晶温度的作用，是急需解决的一个关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法，旨在解决如何在铸锭化学成分均匀的基础上，同时使细小的Al3Sc/Al3Zr粒子均匀弥散析出的问题。
本发明的技术方案如下：一种超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法，其中超高强度铝合金铸锭的合金成分质量百分比为：Zn：8.13%，Cu：2.36%，Mg：2.08%，Sc：0.21%，Zr：0.12%，Fe不大于0.07%，Si不大于0.09%，单个其他元素的质量百分比不大于0.05%，其他元素质量百分比总和不大于0.15%，余量为Al；其中，具体包括以下步骤：
步骤A00：低温预析出处理：在电阻加热炉内将超高强度铝合金铸锭从室温升温加热至315-325℃进行低温预析出处理，保温时间4-6h；
步骤B00：高温长时均匀化处理：将经过步骤A00处理的超高强度铝合金铸锭在电阻加热炉内进行高温长时间处理，加热温度462-467℃，保温时间23-25h，随后空冷。
所述的超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法，其中，具体包括以下步骤：
步骤A00：低温预析出处理：在电阻加热炉内将超高强度铝合金铸锭从室温升温加热至315℃进行低温预析出处理，保温时间6h；
步骤B00：高温长时均匀化处理：将经过步骤A00处理的超高强度铝合金铸锭在电阻加热炉内进行高温长时间处理，加热温度465℃，保温时间24h，随后空冷。
所述的超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法，其中，具体包括以下步骤：
步骤A00：低温预析出处理：在电阻加热炉内将超高强度铝合金铸锭从室温升温加热至325℃进行低温预析出处理，保温时间4h；
步骤B00：高温长时均匀化处理：将经过步骤A00处理的超高强度铝合金铸锭在电阻加热炉内进行高温长时间处理，加热温度465℃，保温时间24h，随后空冷。
本发明的有益效果：本发明通过提供一种超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法，本方法在消除合金铸锭中主要合金元素的偏析和共晶组织的基础上，有效地调控合金铸锭Al3Sc/Al3Zr析出相的尺寸和分布，从而大大提高合金的强度和再结晶温度；合金铸锭经本方法处理后，不仅消除了合金成分的偏析和低熔点共晶组织，而且还调控了合金铸锭中Al3Sc/Al3Zr析出相的大小和分布，使其在合金基体中呈细小、均匀、弥散析出，以利于后续的挤压、固溶和时效处理过程中控制合金材料的晶粒结构，大大提高合金材料的强度和再结晶温度。
附图说明
图1a是本发明中经传统单级均匀化处理后的超高强度铝合金铸锭的一张微观组织图像。
图1b是本发明中经传统单级均匀化处理后的超高强度铝合金铸锭的另一张微观组织图像。
图2是本发明中经实施例1双级均匀化工艺处理后的超高强度铝合金铸锭的微观组织图像。
图3是本发明中经实施例2双级均匀化工艺处理后的超高强度铝合金铸锭的微观组织图像。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。本发明中的超高强度铝合金铸锭的合金成分质量百分比为：Zn：8.13%，Cu：2.36%，Mg：2.08%，Sc：0.21%，Zr：0.12%，Fe不大于0.07%，Si不大于0.09%，单个其他元素的质量百分比不大于0.05%，其他元素质量百分比总和不大于0.15%，余量为Al（以下简称Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭）；具有上述合金成分的超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法具体包括以下步骤：
步骤A00：低温预析出处理：在电阻加热炉内将Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭从室温升温加热至315-325℃进行低温预析出处理，保温时间4-6h；
步骤B00：高温长时均匀化处理：将经过步骤A00处理的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭在电阻加热炉内进行高温长时间处理，加热温度462-467℃，保温时间23-25h，随后空冷。
本发明在低温预析出处理阶段，从过饱和铸锭中均匀弥散析出细小的Al3Sc/Al3Zr相，强烈钉扎晶界和位错，抑制后续挤压和固溶处理过程中的再结晶；在高温均匀化处理阶段，使得铸锭中粗大的低熔点共晶组织充分溶解，且加速主合金元素Zn、Cu 、Mg的扩散，以消除成分偏析。
本双级均匀化热处理方法中，Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭的整个热处理过程都在同一电阻加热炉内完成，不需要繁琐的加工工艺和加工设备，可操作性强；本热处理方法在消除Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭中主要合金元素的偏析和共晶组织的基础上，有效地调控Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭中Al3Sc/Al3Zr析出相的尺寸和分布，从而大大提高合金的强度和再结晶温度。
根据上述的双级均匀化热处理方法，现提供以下具体实施例加以说明：
实施例1
对Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭采用本双级均匀化热处理方法进行均匀化处理，具体步骤为：步骤A00：低温预析出处理：在电阻加热炉内将Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭从室温升温加热至315℃进行低温预析出处理，保温时间6h；
步骤B00：高温长时均匀化处理：将经过步骤A00处理的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭在电阻加热炉内进行高温长时间处理，加热温度465℃，保温时间24h，随后空冷。
将经上述工艺处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭与经传统的单级均匀化（加热温度465℃，保温时间24h）处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭对比可以看出，经本发明双级均匀化处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭的Al3Sc/Al3Zr析出相更为细小均匀弥散（如图1a、图1b、图2所示。图1a和图1b为经传统单级均匀化处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭的微观组织图像，图2为经本发明双级均匀化处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭的微观组织图像）。由图中可以看出，经本双级均匀化热处理工艺处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭由于在低温预析出处理阶段Al3Sc/Al3Zr相可以充分析出，为后续挤压、固溶时效处理过程中形成未再结晶的细小纤维组织奠定了基础。
实施例2
对Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭采用本双级均匀化热处理方法进行均匀化处理，具体步骤为：步骤A00：低温预析出处理：在电阻加热炉内将Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭从室温升温加热至325℃进行低温预析出处理，保温时间4h；
步骤B00：高温长时均匀化处理：将经过步骤A00处理的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭在电阻加热炉内进行高温长时间处理，加热温度465℃，保温时间24h，随后空冷。
将经上述工艺处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭与经传统的单级均匀化（加热温度465℃，保温时间24h）处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭对比可以看出，经本发明双级均匀化处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭的Al3Sc/Al3Zr析出相更为细小均匀弥散（如图1a、图1b、图3所示。图1a和图1b为经传统单级均匀化处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭的微观组织图像，图3为经本发明双级均匀化处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭的微观组织图像）。由图中可以看出，经本双级均匀化热处理工艺处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭由于在低温预析出处理阶段Al3Sc/Al3Zr相可以充分析出，为后续挤压、固溶时效处理过程中形成未再结晶的细小纤维组织奠定了基础。
为了进一步比较经本发明双级均匀化处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭和经传统的单级均匀化处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭的不同效果，把热处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭加工成合金挤压棒材，测试经不同工艺加工后的合金挤压棒材的拉伸力学性能和再结晶温度，具体操作如下：
将同一熔次和铸次的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金铸锭分别按实施例1和实施例2的工艺规范进行双级均匀化处理后车皮，然后加热至420℃保温3h挤压成直径为20毫米的合金棒材，挤压比为25；拉伸试验前将合金棒材进行475℃保温1h固溶处理，水淬，再加热到120℃时效24h。合金力学性能测试采用标准拉伸试样并按标准拉伸试验方法进行，数据取三次试验的平均值。合金再结晶温度的测定采用硬度法和金相法。3种经不同均匀化处理工艺处理后的Al-8.13Zn-2.36Cu-2.08Mg-0.21Sc-0.12Zr合金挤压棒材的室温拉伸力学性能和再结晶温度对比见表1：
表1 3种合金挤压棒材的室温拉伸力学性能和再结晶温度对比
由表1可以看出，Al-8.13Zn-2.36Cu- 2.08Mg -0.21Sc-0.12Zr合金经双级均匀化处理后产生了显著的强化作用，同时合金的再结晶温度得到大大提高。
本超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法在消除合金铸锭中主要合金元素的偏析和共晶组织的基础上，有效地调控合金铸锭Al3Sc/Al3Zr析出相的尺寸和分布，从而大大提高合金的强度和再结晶温度；合金铸锭经本方法处理后，不仅消除了合金成分的偏析和低熔点共晶组织，而且还调控了合金铸锭中Al3Sc/Al3Zr析出相的大小和分布，使其在合金基体中呈细小、均匀、弥散析出，以利于后续的挤压、固溶和时效处理过程中控制合金材料的晶粒结构，大大提高合金材料的强度和再结晶温度。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (3)
1.一种超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法，其中超高强度铝合金铸锭的合金成分质量百分比为：Zn：8.13%，Cu：2.36%，Mg：2.08%，Sc：0.21%，Zr：0.12%，Fe不大于0.07%，Si不大于0.09%，单个其他元素的质量百分比不大于0.05%，其他元素质量百分比总和不大于0.15%，余量为Al；其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤A00：低温预析出处理：在电阻加热炉内将超高强度铝合金铸锭从室温升温加热至315-325℃进行低温预析出处理，保温时间4-6h；
步骤B00：高温长时均匀化处理：将经过步骤A00处理的超高强度铝合金铸锭在电阻加热炉内进行高温长时间处理，加热温度462-467℃，保温时间23-25h，随后空冷。
2.根据权利要求1所述的超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤A00：低温预析出处理：在电阻加热炉内将超高强度铝合金铸锭从室温升温加热至315℃进行低温预析出处理，保温时间6h；
步骤B00：高温长时均匀化处理：将经过步骤A00处理的超高强度铝合金铸锭在电阻加热炉内进行高温长时间处理，加热温度465℃，保温时间24h，随后空冷。
3.根据权利要求1所述的超高强度铝合金铸锭的双级均匀化热处理方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤A00：低温预析出处理：在电阻加热炉内将超高强度铝合金铸锭从室温升温加热至325℃进行低温预析出处理，保温时间4h；
步骤B00：高温长时均匀化处理：将经过步骤A00处理的超高强度铝合金铸锭在电阻加热炉内进行高温长时间处理，加热温度465℃，保温时间24h，随后空冷。
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|---|---|---|---|
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| 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 |