CN104264088B - 一种利用电磁场时效强化铝合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用电磁场时效强化铝合金的方法，包括步骤：将铝合金放入固溶炉中进行固溶处理，保温后取出；将固溶处理后的铝合金放入装有水溶液的水槽中进行淬火；将时效炉升温到时效温度，将淬火后的铝合金放入时效炉中，同时施加交变磁场，对铝合金进行电磁场时效处理，直至时效时间结束；交变磁场强度为0.04～0.1T；时效温度为165～190℃，时效时间为3～24h。本发明通过在铝合金时效阶段加设强度约为0.04～0.1T的交变磁场，缩短了时效析出时间，影响了时效析出相的形态和数量，在一定程度上提高热处理后的材料力学性能；并且简单易操作，便于工业化生产实施。
Description
技术领域
本发明涉及有色金属材料电磁场热处理技术领域，特别地，涉及一种利用电磁场时效强化铝合金的方法。
背景技术
在实际生产中，广泛利用时效硬化现象来提高2系铝铜合金的强度。根据合金性质和使用要求，可采用不同的常规时效工艺，主要包括单级时效、分级时效、形变时效和回归再时效处理等。而近年来，随着国内外学者将电磁场手段应用到材料领域，并取得了一定成果，其作为改善材料组织、性能的新方法逐步被认知。金属材料的电磁固态相变过程研究主要包括了回复、再结晶、析出、铁素体、珠光体、马氏体、贝氏体相变等多种转变过程，这些转变都有可能受到磁场的影响。
从文献来看，目前从事磁场下有色合金固态相变——沉淀相析出方面的研究，其磁场特征多为稳恒强磁场。稳恒强磁场特征表现为磁场由多由超导产生，磁场方向不变，磁场强度在1T(含)以上。以下为国内外学者在稳恒强磁场方面的研究现状：
1、任晓等研究了稳恒强磁场下对Al-Cu扩散偶界面中间相形成和生长的影响，磁场强度分别为3T、5T，结果发现：随磁场强度的增加中间相组成发生了变化，且其扩散系数具有方向性。
2、刘万忱等对Al-Cu合金进行了时效处理，其时效制度是：磁场强度10T，时效温度190℃，时效时间24h，指出磁场提高了合金硬度，缩短了时效析出时间，增加了晶界析出相的数量，分析认为是由于强磁场的作用增加了时效转变扩散系数。
3、胡建军等对Al-4wt％Cu合金时效析出的影响进行了研究，磁场强度为10T，时效温度130℃、190℃经不同时间时效处理，结果发现施加强磁场导致了合金的择优取向法相明显的变化。
4、王恩刚等研究了Cu-15％Fe合金的强磁场时效行为，结果发现基体中的Fe含量较低，表明强磁场在一定程度上促进了Fe在Cu基体中的析出。若在居里点以上进行时效处理时，Cu基体中的Fe原子为顺磁性，磁化率值小，单位体积磁化能变化也小；而在居里点以下进行时效处理时，Cu基体中的Fe原子为铁磁性，磁化率迅速增加，单位体积磁化能变化较大。对于居里点下时效处理时(500℃)原子的扩散系数大于居里点以上时效处理时(800℃)原子的扩散系数，因而居里点一下时效处理扩散较快，基体中的原子析出较多。
5、刘晓鹏等研究了Ti-Ni形状记忆合金中Ti3Ni4相时效析出及相变行为的影响，磁场强度为5T、10T，时效温度500℃、时间2.5h时效处理，TEM观察显示，晶界附近的Ti3Ni4析出相数量明显减小，究其原因可能磁场阻碍了晶粒内部的Ni向晶界周围迁移，抑制了Ti3Ni4相的形核。
综上所述，对于Al-Cu合金、Fe-Cu合金强磁场促进了第二相的析出，而Fe-Cu合金存在居里点，居里点以上温度时效时Fe原子的析出反而低于居里点一下时效温度时的Fe原子的析出；对于Ti-Ni合金施加强磁场反而抑制了Ti3Ni4相的形核。稳恒强磁场在有色合金时效处理中的表现复杂而又多变，其作用机理还有待进一步研究，同时获取强磁场的手段也要多借助于超导技术发展，目前在工业化方面还存在一些限制。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用电磁场时效强化铝合金的方法，以解决稳恒强磁场难以获得，从而影响工业化实施推广的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用电磁场时效强化铝合金的方法，包括以下步骤：
A、固溶处理：将固溶炉升温到固溶温度，将铝合金放入固溶炉中进行处理，保温后取出；
B、快速淬火：将固溶处理后的铝合金放入装有水溶液的水槽中进行淬火；
C、时效强化：将时效炉升温到时效温度，将淬火后的铝合金放入时效炉中，同时施加交变磁场，对铝合金进行电磁场时效处理，直至时效时间结束；交变磁场强度为0.04～0.1T；时效温度为165～190℃，时效时间为3～24h。
优选的，交变磁场的频率为0-400Hz。
优选的，交变磁场的频率为40-60Hz。
优选的，快速淬火步骤中的淬火转移时间不超过30S。
优选的，交变磁场为单相磁场。
优选的，固溶处理步骤中的固溶温度为500-545℃，固溶保温时间为30～45min。
优选的，铝合金平板与磁力线垂直放置。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过在铝合金时效阶段加设强度约为0.04～0.1T的交变磁场，缩短了时效析出时间，影响了时效析出相的形态和数量，在一定程度上提高热处理后的材料力学性能；并且简单易操作，便于工业化生产实施。
时效强化使在高温固溶过程中形成的过饱和固溶体分解，以某种形式析出，形成弥散分布的沉淀相，有效阻止晶界和位错的运动，使强度增加，韧性降低；本发明在铝合金时效阶段加设弱强度磁场，影响了Cu原子与空位的运动，加快了析出相的形核速度。由于电磁场降低了铝合金基体内空位的浓度，也就减小了沉淀析出相继续长大时所需的驱动力，致使析出相的长大受到抑制；同时伴随着时效进行，时效进程加快，沉淀相长大的时间又相对缩短，因而沉淀相的尺寸较小，析出相细小而弥散(见图2)，从而提高了2219铝合金的强度和硬度。
因此，较弱强度的电磁场时效热处理比常规热处理工艺对铝合金的组织和性能的改善效果更明显。并且，弱强度的电磁场容易得到，便于实施工业化生产。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的实验场景结构示意图；
图2是本发明优选实施例的175℃时效3h，电子透射TEM照片，左边照片为常规温度场时效结果，右边照片为磁场时效结果；
其中，1、电磁铁，2、铝合金试样。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1、图2，一种利用电磁场时效强化铝合金的方法，包括以下步骤：
A、固溶处理：将固溶炉升温到固溶温度，将铝合金放入固溶炉中进行处理，保温后取出；
铝合金加热到500-545摄氏度后迅速浸入水中冷却，使过饱和固溶体在室温稳定下来，目的是提高铝合金的强度和硬度，消除加工过程中产生的内应力，使其获得均匀的成分、组织和性能。
B、快速淬火：将固溶处理后的铝合金放入装有水溶液的水槽中进行淬火；
淬火转移时间，是从固溶处理炉炉门打开到铝合金全部浸入淬火介质所经历的时间。铝合金淬火时应尽量缩短淬火转移时间，以防止含铜相析出，降低合金时效效果。本申请的淬火转移时间不超过30S。
C、时效强化：将时效炉升温到时效温度，将淬火后的铝合金放入时效炉中，同时施加交变磁场，对铝合金进行电磁场时效处理，直至时效时间结束；交变磁场强度为0.04～0.1T；时效温度为165～190℃，时效时间为3～24h。
交变磁场即交变电流产生的磁场，磁场方向会随着时间按照一定的规律变化，磁场强度的大小0.04～0.1T是指交变磁场的磁场强度的最大值可达0.1T，交变磁场的磁场强度的最小值可达0.04T。因此在单一频率或者不同频率下磁场强度为0.04～0.06T、0.04～0.08T、0.06～0.08T、0.06～0.1T或0.04～0.1T的交变磁场均属于本发明中“交变磁场强度为0.04～0.1T”的范畴。
本申请中使用的交变磁场的频率可为0-400Hz的单相磁场，优选40-60Hz的单相磁场。
具体实施例如下：
将厚度为4mm的2219铝合金冷轧薄板按HB5143—96制成拉伸试样两组。将一组试样在500-545℃的固溶炉中保温45min，取出试样后迅速淬火，然后放入175℃的时效炉中保温3h。另一组试样前两个步骤一致，但在时效炉中施加交变磁场，磁场的频率和强度分别为40-60Hz、40～100mT。磁场方向如图1所示，将铝合金冷轧薄板横向放置在磁力场中，使其切割磁力线。
而后，对磁场中进行时效和普通温度场中进行时效的试样分别进行测量，表1中列出了175℃时效3h后，温度场与磁场所对应的试样的抗拉强度、屈服强度以及断后延伸率。
表1 温度场时效与磁场时效对拉伸力学性能的影响
| 物理场类型 | 抗拉强度σb/MPa | 屈服强度σ0.2/MPa | 断后延伸率δ/％ |
| 磁场(40～100mT) | 414 | 330 | 15 |
| 温度场 | 372 | 292 | 17.8 |
由表1可以看出，经过磁场时效热处理的试样与常规时效热处理的试样强度相比，屈服强度和抗拉强度均提高了，原因是磁场使析出相的尺度更加细小，提高弥散度，进而提高了2219合金的强度。
由附图2可以看出，经过175℃时效3h热处理，常规时效与磁场时效均有第二相析出，析出相呈现互相垂直的细长针状形态，但不论在尺度上还是在弥散度上差别明显。与常规时效的试样相比，磁场热处理的合金的析出相更加细小弥散(见图2右边照片)。TEM研究结果表明，磁场时效析出相的平均尺寸约为50nm，而常规时效析出相的平均尺寸约为135nm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种利用电磁场时效强化铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、固溶处理：将固溶炉升温到固溶温度，将铝合金放入固溶炉中进行处理，保温后取出；
B、快速淬火：将固溶处理后的铝合金放入装有水溶液的水槽中进行淬火；
C、时效强化：将时效炉升温到时效温度，将淬火后的铝合金放入时效炉中，同时施加交变磁场，对铝合金进行电磁场时效处理，直至时效时间结束；交变磁场强度为0.04～0.06T；时效温度为175～190℃，时效时间为3～24h，交变磁场的频率为40Hz；交变磁场为单相磁场。
2.根据权利要求1所述的一种利用电磁场时效强化铝合金的方法，其特征在于，快速淬火步骤中的淬火转移时间不超过30s。
3.根据权利要求1所述的一种利用电磁场时效强化铝合金的方法，其特征在于，固溶处理步骤中的固溶温度为500-545℃，固溶保温时间为30～45min。
4.根据权利要求1所述的一种利用电磁场时效强化铝合金的方法，其特征在于，铝合金平板与磁力线垂直放置。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |