CN104195481A - 一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺 - Google Patents

Abstract

一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，是将时效硬化型铝合金材料在固溶温度保温后，依次连续进行表面冷却速度不同的三级冷却；第一级表面冷却速度至少达到40℃/s；第二级表面冷却速度为10～20℃/s；第三级在空气中自然冷却至室温。第一级与第二级冷却采用喷淋冷却，冷却介质为水。与单级喷淋淬火方式相比，本发明的多级喷淋淬火在保证材料心部淬透前提下能有效降低淬火残余应力。本发明工艺方法简单、操作方便，可保证时效硬化型铝合金淬透性以及较小的淬火残余应力，适于工业化生产，对生产时效硬化型铝合金低残余应力板材、型材和锻件具有重要意义。

Description

一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料的多级喷淋淬火工艺，特别涉及一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，属于有色金属材料热处理技术领域，特别是铝合金热处理技术领域。

背景技术

随着现代飞机对材料性能要求的不断提高，飞机的结构设计越来越趋向于采用大型高精度整体结构件，需要低残余应力的时效硬化型高性能铝合金材料。所谓时效硬化型铝合金，需要在高温固溶热处理后淬火至室温形成过饱和固溶体，再经时效处理，使得过饱和固溶体分解，析出时效强化相，形成高强度铝合金。然而，在淬火过程中不可避免地在材料内部引入淬火残余应力。淬火冷却速度越快，淬火残余应力越大，影响材料的后续切削加工精度和实际应用。材料截面厚度增加，要求更高的淬火冷却速度，残余应力问题愈发突出。同时实现时效硬化型铝合金材料有效淬透和低残余应力是工业生产过程中急需解决的问题。

目前消减时效硬化型铝合金淬火残余应力的主要方法为时效法和机械法。时效法是指通过自然时效和人工时效使工件反复经历缓慢的温度变化使工件内部的残余应力得以自然释放。机械法包括锻件的模压冷变形和板材的预拉伸，从外界施加力使之产生少量塑性变形释放材料内部的残余应力。事实上，利用上述方法消除残余应力的效果与淬火过程产生的残余应力大小密切相关，淬火残余应力越大，经消减处理后的最终残余应力也越大。目前的方法局限于淬火完成后对残余应力进行消减，而未对淬火残余应力的形成过程进行有效调控，浸没式或单级喷淋淬火都容易产生高的淬火残余应力，以至于残余应力消减效果常常不能满足应用要求。另外，目前铝合金材料淬火方面的发展主要在于利用单级喷淋淬火代替浸没式淬火，以提高合金材料淬火均匀性，尚未涉及将喷淋淬火多级化以降低残余应力的研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足而提供一种既能保证时效硬化型铝合金材料淬透又能有效减小淬火残余应力的时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺。

本发明一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，是将时效硬化型铝合金材料在固溶温度保温后，依次连续进行三级冷却；

第一级冷却：由固溶保温温度冷却至材料表面温度为200-250℃，材料表面冷却速度至少达到40℃/s；

第二级冷却：材料表面温度由200-250℃冷却至材料表面温度为20-100℃,材料表面冷却速度为10～20℃/s；

第三级冷却：材料在空气中自然冷却至室温。

本发明一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，三级冷却中，第一级与第二级冷却采用喷淋冷却，冷却介质为水。

本发明一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，第一级喷淋工艺参数为：水流密度：100-150Lm^-2s^-1，喷水压强：300-500kPa，冷却时间：5-10s；

第二级喷淋工艺参数为：水流密度：25-60Lm^-2s^-1，喷水压强：5-25kPa，冷却时间：5-10s。

本发明一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，第一级喷淋工艺参数为：水流密度：120-150Lm^-2s^-1，喷水压强：350-500kPa，冷却时间：5-9s；

第二级喷淋工艺参数为：水流密度：30-60Lm^-2s^-1，喷水压强：10-25kPa，冷却时间：5-9s。

本发明一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，第一级喷淋工艺参数为：水流密度：130-150Lm^-2s^-1，喷水压强：400-500kPa，冷却时间：5-7s；

第二级喷淋工艺参数为：水流密度：35-60Lm^-2s^-1，喷水压强：15-25kPa，冷却时间：5-7s。

本发明一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，所述铝合金材料的厚度为60-200mm。

本发明一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，所述时效硬化型铝合金选自Al-Zn-Mg-Cu铝合金或Al-Cu-Mg铝合金。

本发明一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，所述Al-Zn-Mg-Cu铝合金包括下述组分，按质量百分比组成：

Zn   6.0-8.0

Mg   1.5-2.7

Cu   1.5-2.4，余量为Al。

本发明一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，所述Al-Cu-Mg铝合金包括下述组分，按质量百分比组成：

Cu   3.5-6.5，

Mg   0-2，

Zr   0.05-0.15，余量为Al。

本方法基于时效硬化型铝合金等温冷却转变曲线(即C曲线)，通过设计三级喷淋淬火工艺对喷淋淬火冷却速度进行分段精确控制，以实现在保证材料淬透的同时尽量降低淬火残余应力。

由于时效硬化型铝合金淬火析出存在敏感温区、冷却析出呈现C曲线规律，见附图1所示，C曲线鼻尖温度下的临界淬火速率是关键控制因素；本发明采用高冷速与低冷速相结合的多级喷淋淬火，在鼻尖温区以上，采用高冷速，其冷却速度超过淬火临界冷却速度，以抑制时效硬化型铝合金第二相析出，保证淬透程度；在鼻尖温区以下，采用低冷速，以降低淬火残余应力。

本发明在淬火初期应采用较快的冷却速率以保证材料的淬透；随后在保证表面充分冷却且表面与心部热量差足以使心部温度掠过C曲线鼻尖温度，实现心部淬透的情况下，降低冷却速度。此时在较低水流密度和压强的情况下，在带走内部传导到表面的热量的同时减缓表层的冷却速度，以降低表层与心部的温度梯度，减小残余应力。在短时的低水压低水流密度喷淋淬火后，采用空冷静置的方法使铝合金厚板通过自身内部传热均匀降温，进一步减少表层与心部的温度梯度，降低残余应力。

本发明采用第一级短时高水压高水流密度喷淋淬火的水流密度与喷水压强均采用较大值，使得淬火介质与金属有较大的表面换热，保证铝合金厚板心部的冷却速度超过临界冷速，达到淬透的效果；

第二级短时低水压低水流密度喷淋淬火的水流密度与喷水压强均达到较小值，此时表面已充分冷却，材料内部温度还没及时冷却下来，内部热量向表面传递，此时降低水流密度和压强，在带走内部传导出的热量的同时减缓表层的冷却速度，以降低表层与心部的温度梯度，减小残余应力，同时，表面与心部热量差足以使心部温度掠过C曲线鼻尖温度，实现心部淬透；

第三级室温空冷，材料表面与心部同样存在温差，材料的表面会持续与心部发生传热，采用空冷静置的方法使铝合金厚板通过自传热均匀降温，进一步减少表层与心部的温度梯度，降低残余应力。

本发明针对现有的喷淋淬火造成残余应力过大的缺点，提出了“高压高流量喷淋淬火—低压低流量喷淋淬火—室温空冷”的多级喷淋淬火工艺。即先经过高压高流量短时的喷淋淬火后，再在低压低流量进行短时喷淋淬火，然后进行室温空冷和预拉伸工艺。这种多级喷淋淬火的工艺是以时效硬化型铝合金(特别是7050、7055合金、2A14合金)时间温度转变曲线(C曲线)为基础制定的。由于7050、7055、2A14等铝合金淬火敏感性很强，孕育期较短，C曲线的鼻尖温度点离时间轴较近，在淬火初期需要采用较快的冷却速率以保证材料的淬透；在表面充分冷却后，而材料内部温度没有及时冷却下来，而此时表面与心部总热量差足以使心部温度掠过临界点(达到淬透)，故在短时的高压高密度喷淋淬火后，将喷淋淬火的参数调整至更低；为进一步减小在淬火过程中产生的残余应力，在短时的低压低密度喷淋后，采用在空气中自然冷却，进一步降低因金属内部温度降低而产生的残余应力。本发明提出的时效硬化型铝合金多级喷淋淬火工艺同时满足了材料淬透和低淬火残余应力的要求。

综上所述，本发明工艺方法简单，可保证时效硬化型铝合金淬透性以及较小的淬火残余应力，对急需优良厚板、型材和锻件航空航天领域有着重大意义。

附图说明

附图1为本发明铝合金材料多级喷淋淬火的原理图。

具体实施方式

本发明所述时效硬化型铝合金的多级喷淋淬火过程中，为了能有效控制材料心部的冷却速度，需在淬火过程中调节喷嘴所喷射冷却介质的流量密度与喷射压力等参数。在辊底式喷淋淬火炉中，由于铝合金板在辊道上的移速为恒定，使铝合金厚板实现分级喷淋淬火的效果。

实施例1：

7050铝合金厚板的尺寸为80mm×500mm×1500mm，经过470℃×4小时固溶处理后进行多级喷淋淬火，以240mm/s的速度匀速进入第一级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为300kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为100Lm^-2s^-1，5s后，进入第二级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为10kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为25Lm^-2s^-1，5s后进入第三级空冷区域，停止喷水，静置至室温。测试得到表面残余压应力的平均值为144.6MPa。试样经过T74时效处理后，芯部的维氏硬度平均值为164。

对比例1：

7050铝合金厚板的尺寸为80mm×500mm×1500mm，经过470℃×4小时固溶处理后，以150mm/s的速度匀速进入喷淋淬火区域进行单级喷淋淬火，该区域水离开喷嘴的压力为100kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为90Lm^-2s^-1，直到铝合金厚板充分冷却至室温。测试得到的表面残余压应力平均值为186.4MPa。试样经过T74时效处理后，芯部的维氏硬度平均值为164。

实施例2：

7050铝合金厚板的尺寸为120mm×500mm×1500mm，经过470℃×4小时固溶处理后进行多级喷淋淬火，以150mm/s的速度匀速进入第一级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为400kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为125Lm^-2s^-1，8s后，进入第二级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为20kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为35Lm^-2s^-1，8s后进入第三级空冷区域，停止喷水，静置至室温。测试得到表面残余应力的平均值为189.5MPa。试样经过T74时效处理后，芯部的维氏硬度平均值为162。

对比例2：

7050铝合金厚板的尺寸为120mm×500mm×1500mm，经过470℃×4小时固溶处理后，以150mm/s的速度匀速进入喷淋淬火区域进行单级喷淋淬火，该区域水离开喷嘴的压力为100kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为90Lm^-2s^-1，直到铝合金厚板充分冷却至室温。测试得到的表面残余压应力平均值为247.1MPa。再经过T74时效处理后，芯部的维氏硬度平均值为162。

实施例3：

7050铝合金厚板的尺寸为150mm×500mm×1500mm，经过470℃×4小时固溶处理后进行多级喷淋淬火，以120mm/s的速度匀速进入第一级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为500kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为150Lm^-2s^-1，10s后，进入第二级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为25kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为60Lm^-2s^-1，10s后进入第三级空冷区域，停止喷水，静置至室温。测试得到表面残余应力的平均值为222.2MPa。试样经过T74时效处理后，芯部的维氏硬度平均值为162。

对比例3：

7050铝合金厚板的尺寸为150mm×500mm×1500mm，经过470℃×4小时固溶处理后，以150mm/s的速度匀速进入喷淋淬火区域进行单级喷淋淬火，该区域水离开喷嘴的压力为100kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为90Lm^-2s^-1，直到铝合金厚板充分冷却至室温。测试得到的表面残余压应力平均值为293.8MPa。试样经过T74时效处理后，芯部的维氏硬度平均值为162。

实施例4：

2A14铝合金锻件的尺寸为280mm，经过470℃×4小时固溶处理后进行多级喷淋淬火，以100mm/s的速度匀速进入第一级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为400kPa，喷淋水在铝合金锻件上的流量密度为120Lm^-2s^-1，8s后，进入第二级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为15kPa，喷淋水在铝合金锻件上的流量密度为45Lm^-2s^-1，8s后进入第三级空冷区域，停止喷水，静置至室温。测试得到的表面残余压应力平均值为75.6MPa。试样经过T6时效处理后，锻件的维氏硬度平均值为137。

对比例4：

2A14铝合金锻件的尺寸为280mm，经过470℃×4小时固溶处理后，以150mm/s的速度匀速进入喷淋淬火区域进行单级喷淋淬火，该区域水离开喷嘴的压力为100kPa，喷淋水在铝合金锻件上的流量密度为90Lm^-2s^-1，直到铝合金锻件充分冷却至室温。测试得到的表面残余压应力平均值为93.9MPa。试样经过T6时效处理后，锻件的维氏硬度平均值为137。

实施例5：

7085铝合金厚板的尺寸为150mm×500mm×1500mm，经过470℃×4小时固溶处理后，以150mm/s的速度匀速进行多级喷淋淬火。第一级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为500kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为140Lm^-2s^-1，8s后，进入第二级喷淋淬火区域，该区域水离开喷嘴的压力为20kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为60Lm^-2s^-1，8s后进入第三级空冷区域，停止喷水，静置至室温。测试得到的表面残余压应力平均值为205.3MPa。试样经过T74时效处理后，芯部的维氏硬度平均值为166。

对比例5：

7085铝合金厚板的尺寸为150mm×500mm×1500mm，经过470℃×4小时固溶处理后，以150mm/s的速度匀速进入喷淋淬火区域进行单级喷淋淬火，该区域水离开喷嘴的压力为100kPa，喷淋水在铝合金厚板上的流量密度为90Lm^-2s^-1，直到铝合金厚板充分冷却至室温。测试得到的表面残余压应力平均值为276.5MPa。试样经过T74时效处理后，芯部的维氏硬度平均值为166。

从以上实施例与对比例处理后的铝合金性能参数可知，本发明工艺方法可保证时效硬化型铝合金淬透性以及较小的淬火残余应力，可以有效提高材料的后续切削加工精度，对铝合金厚板、型材和锻件在航空航天领域的实际应用有着重大意义。

Claims (9)

1.一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，其特征在于：将时效硬化型铝合金材料在固溶温度保温后，依次连续进行三级冷却；

第一级冷却：由固溶保温温度冷却至材料表面温度为200-250℃,材料表面冷却速度至少达到40℃/s；

第二级冷却：材料表面温度由200-250℃冷却至材料表面温度为20-100℃,材料表面冷却速度为10～20℃/s；

第三级冷却：材料在空气中自然冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，其特征在于：所述铝合金材料的厚度为60-200mm。

3.根据权利要求2所述的一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，其特征在于：所述时效硬化型铝合金选自Al-Zn-Mg-Cu铝合金或Al-Cu-Mg铝合金。

4.根据权利要求3所述的一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，其特征在于：所述Al-Zn-Mg-Cu铝合金包括下述组分，按质量百分比组成：

Zn   6.0-8.0

Mg   1.5-2.7

Cu   1.5-2.4，余量为Al。

5.根据权利要求3所述的一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，其特征在于：所述Al-Cu-Mg铝合金包括下述组分，按质量百分比组成：

Cu   3.5-6.5，

Mg   0-2，

Zr   0.05-0.15，余量为Al。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，其特征在于：三级冷却中，第一级与第二级冷却采用喷淋冷却，冷却介质为水。

7.根据权利要求6所述的一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，其特征在于：

第一级喷淋工艺参数为：水流密度：100-150Lm^-2s^-1，喷水压强：300-500kPa，冷却时间：5-10s；

第二级喷淋工艺参数为：水流密度：25-60Lm^-2s^-1，喷水压强：5-25kPa，冷却时间：5-10s。

8.根据权利要求6所述的一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，其特征在于：

第一级喷淋工艺参数为：水流密度：120-150Lm^-2s^-1，喷水压强：350-500kPa，冷却时间：5-9s；

第二级喷淋工艺参数为：水流密度：30-60Lm^-2s^-1，喷水压强：10-25kPa，冷却时间：5-9s。

9.根据权利要求6所述的一种时效硬化型铝合金低残余应力的多级喷淋淬火工艺，其特征在于：

第一级喷淋工艺参数为：水流密度：130-150Lm^-2s^-1，喷水压强：400-500kPa，冷却时间：5-7s；

第二级喷淋工艺参数为：水流密度：35-60Lm^-2s^-1，喷水压强：15-25kPa，冷却时间：5-7s。