CN104711499B - 一种适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，将含Zn的6XXX系铝合金铸锭放入热处理加热炉中，依次进行以下步骤：(1)第I级均匀化热处理：由室温升温至T1进行保温处理，保温时间为t1，其中，250℃≤T1≤440℃，1h≤t1≤24h；(2)第II级均匀化热处理：由温度T1升温至T2进行保温处理，保温时间为t2，其中，450℃≤T2≤490℃，1h≤t2≤24h；(3)第III级均匀化热处理：由温度T2升温至T3进行保温处理，保温时间为t3，其中，510℃≤T3≤580℃，6h≤t3≤60h；(4)由温度T3冷却至室温。本发明通过三级处理的协同，可有效改善现有方法的组织无法兼顾的技术缺陷，使合金获得更佳的微观组织和优良的综合性能匹配。
Description
技术领域
本发明涉及6XXX系(A1-Mg-Si系)铝合金的热处理方法，特别涉及一种适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，属于铝合金热处理技术领域。
背景技术
6XXX系(A1-Mg-Si系)铝合金是典型的热处理可强化变形铝合金，含Zn的6XXX系铝合金因可以增加新的强化相可以显著提高6XXX系铝合金强度性能，特别是快速时效硬化性能，在交通运输制造等领域有着广泛的应用前景。合金铸锭(或铸件)的均匀化处理是使合金获得理想均一组织及优良综合性能的关键工艺环节之一。合理的均匀化热处理可以促使铸造过程中形成的非平衡结晶相溶入基体、第二相形态改变、基体成分均匀化，为后续的变形加工和固溶处理创造条件，同时也由于尽可能降低了合金中残留相的数量，提高了合金的韧性、疲劳性能和淬透性。均匀化热处理后的组织变化，会使室温下塑性提高并使冷、热变形工艺性能改善，降低铸锭变形加工过程中开裂的危险，改善热轧带板的边缘质量，提高挤压制品的挤压速度。同时，均匀化热处理可降低变形抗力，减少变形功消耗，提高设备生产效率。
含Zn的6XXX系铝合金，在半连续铸造凝固过程中，容易形成大量的非平衡共晶组织和金属间化合物，其铸态组织比较复杂，主要存在的相除了6XXX系铝合金常有的高熔点的富Mg、Si相及难溶的富Fe相等外，还存在着低熔点的富Mg、Zn相等。形成这些粗大的第二相，会消耗部分主合金元素，从而影响到了合金综合性能的提高，需在合金制备加工及热处理过程中应尽可能地减少和消除。同时，对于含zr等微合金化元素的6XXX系铝合金，在均匀化热处理过程中还会析出A13Zr等弥散相粒子。在均匀化过程中促使zr等元素均匀化并充分脱溶析出，获得大量弥散细小的A13Zr等粒子，可以使A13Zr等粒子在后续变形加工及热处理过程中有效发挥钉扎晶界抑止再结晶的作用。控制A13Zr等粒子的形态对改善合金综合性能也具有重要的作用。
目前，关于含Zn的6XXX系铝合金均匀化热处理方法的报道很少。6XXX系铝合金传统的均匀化热处理方法多采用520～550℃温度范围内单级均匀化热处理24～72h的工艺，经该方法处理的含Zn的6XXX系铝合金的组织并不理想，很容易出现组织轻度过烧现象，而且高熔点第二相回溶不充分，A13Zr粒子尺寸粗大、分布不均、失去钉扎晶界的作用，直接影响材料的性能。简单的采用双级或多级均匀化热处理方法对含Zn的6XXX系铝合金进行处理，其组织仍不够十分理想，而且部分方法不易操控、易发生过烧现象。
因此，如何根据合金特点，对合金铸锭均匀化处理过程进行准确调控，实现对材料晶粒组织与第二相的合理调配，以提升合金组织均匀性及其综合性能显得至关重要，己成为含Zn的6XXX系铝合金研究领域的技术难点。
发明内容
发明人通过大量研究和工业实践发现，针对合金成分特点，通过采用精细设计的多级均匀化热处理方法，可以有效调控含Zn的6XXX系铝合金在均匀化过程中的组织演变。
因此，本发明的目的在于提供一种适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，充分调控合金中第二相与晶粒组织的演变，显著改善合金组织的均匀性及其综合性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，将含Zn的6XXX系铝合金铸锭放入热处理加热炉中，依次进行以下步骤：
(1)第I级均匀化热处理：由室温升温至T1进行保温处理，保温时间为t1，其中，250℃≤T1≤440℃，1h≤t1≤24h；
(2)第II级均匀化热处理：由温度T1升温至T2进行保温处理，保温时间为t2，其中，450℃≤T2≤490℃，1h≤t2≤24h；
(3)第III级均匀化热处理：由温度T2升温至T3进行保温处理，保温时间为t3，其中，510℃≤T3≤580℃，6h≤t3≤60h；
(4)由温度T3冷却至室温。
在本发明中，各级均匀化热处理过程中的温度及保温时间优选控制为：360℃≤T1≤430℃，6h≤t1≤18h；460℃≤T2≤485℃，4h≤t2≤11h；520℃≤T3≤560℃，12h≤t3≤40h。
在本发明中，按重量百分比所述含Zn的6XXX系铝合金由以下组分组成：Mg0.2～2.0％，Si0.2～2.0％，Zn0.1～1.8％，Zr0.01～0.25％，Cu0～1.1％，Mn0～1.1％，Cr0～0.4％，Fe0～0.7％，Bi0～1.5％，Sn0～1.5％，V0～0.3％，Ti0～0.15％，余量为A1和杂质元素。合金中每种杂质元素的含量为0～0.05％，所有杂质的总含量为0～0.15％。
按照本发明的多级均匀化热处理方法，在第I级均匀化热处理过程中，使6XXX系合金中因添加多种微量元素形成的低熔点相充分回溶，同时使Zr元素均匀化；并通过控制A13Zr相的形核和长大过程获得均匀、细小分布的A13Zr弥散粒子，增加A13Zr粒子的稳定性，在随后较高温度下热处理时起到有效抑制晶粒的长大作用。在第II级均匀化热处理过程中，使富Zn／Mg的非平衡共晶相充分回溶，使其他第二相发生部分回溶，提高合金的熔点，同时继续稳定己形成的A13Zr弥散粒子。在第III级均匀化热处理过程中，使未溶的富Mg／Si等高熔点相在必要的时间内发生充分回溶，既最大程度的减少了合金中残留相的数量，又防止了合金晶粒组织的长大。通过三级处理的协同，可有效改善现有方法的组织无法兼顾的技术缺陷，使合金获得更佳的微观组织和优良的综合性能匹配。
在本发明中，各级均匀化热处理中温度、保温时间及特定组分的含量之间需满足一定的关系，优选地，T1、t1与zr的重量百分比含量a的关系满足：400-15700a≤T1≤430-6600a，6+2400a≤t1≤11+2800a。T2、t2与主合金元素Zn、Mg的重量百分比含量b、c的关系满足：472-310(5b+c)≤T2≤484-240(5b+c)，3.8+30(5b+c)≤t2≤6.6+40(5b+c)。T3、t3与主合金元素Si、Mg的重量百分比含量d、e的关系满足：534-90(3d+5e)≤T3≤562-140(3d+5e)，10.2+110(3d+5e)≤t3≤14.4+160(3d+5e)。其中，T1、T2、T3的单位为℃，t1、t2、t3的单位为h。
在所述步骤(1)～(3)中，升温方式可以选择空气炉、盐浴炉、感应炉和红外加热中的一种或几种组合的方式。
在所述步骤(1)～(3)中，可以采用连续升温或分段升温的方式进行升温。
在所述步骤(4)中，冷却方式可以选择炉冷、空冷、风冷和水冷中的一种或几种组合的方式。
本发明的优点在于：
采用本发明的方法，
本发明的方法在工业条件下具有良好的可操作性，其需要的能耗与传统方法相比基本相当。
(1)本发明充分考虑了含Zn的6XXX系铝合金的特性，针对合金成分特点，在防止合金过烧的情况下，使合金在均匀化热处理过程中充分促进A13Zr等弥散相的均匀细小析出，以及低熔点相、富Mg／Zn相、富Mg／Si相等可溶第二相的回溶，并有效抑制晶粒组织的长大，从而显著改善合金的微观组织；并由此可使合金的综合性能得到显著提高。
(2)本发明的方法准确可靠，在工业条件下具有良好的可操作性，其需要的能耗与传统方法相比基本相当，经济实用，充分考虑了含Zn的6XXX系铝合金的特性及方法的工业化适用性。
附图说明
图1为本发明的多级均匀化热处理方法的简化图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法包括三级均匀化热处理过程，将含Zn的6XXX系铝合金铸锭放入热处理加热炉中，在第I级均匀化热处理中，由室温升温至T1进行保温处理，保温时间为t1；在第II级均匀化热处理中，由温度T1升温至T2进行保温处理，保温时间为t2；在第III级均匀化热处理中，由温度T2升温至T3进行保温处理，保温时间为t3；随后由温度T3冷却至室温。
实施例1
该实施例以合金A为研究对象，合金A中含有以下重量百分比含量的组分：Mg1.1％，Si1.1％，Zn0.9％，Mn0.2％，Zr0.12％，余量为A1。将合金A在工业化条件由半连续铸造方式制成厚度为250mm的扁锭。在铸锭上切取块体试样，进行不同方案的均匀化热处理试验，均匀化热处理制度如表1所示。完成均匀化处理后立即进行水冷，获得反映合金均匀化热处理效果的组织特征形貌，避免合金在缓冷过程中析出大量的脱溶第二相对结果分析造成影响。分析测试依照相关标准进行，对经不同均匀化处理的试样进行组织分析，结果如表2所示。
表1合金A铸锭均匀化热处理工艺方案
表2合金A铸锭经不同均匀化热处理后的组织分析结果
*注：残留相基本为难溶的富Fe相等。
实施例2
该实施例以合金B为研究对象，合金B中含有以下重量百分比含量的组分：Mg1.1％，Si1.1％，Zn1.8％，Mn0.2％，Zr0.12％，余量为A1。将合金B在工业化条件由半连续铸造方式制成Φ230mm的圆锭。在铸锭上切取块体试样，进行不同方案的均匀化热处理试验，均匀化热处理制度如表3所示。完成均匀化处理后立即进行水冷。分析测试依照相关标准进行，对经不同均匀化处理的试样进行组织分析，结果如表4所示。
表3合金B均匀化热处理工艺方案
表4合金B经不同均匀化热处理后的组织分析结果
*注：残留相基本为难溶的富Fe相等。
实施例3
该实施例以合金C为研究对象，合金C中含有以下重量百分比含量的组分：Mg1.1％，Si1.1％，Zn0.2％，Mn0.2％，Zr0.12％，余量为A1。将合金C在工业化条件由半连续铸造方式制成厚度为210mm的扁锭。在铸锭上切取块体试样，进行不同方案的均匀化热处理试验，均匀化热处理制度如表5所示。完成均匀化处理后立即进行水冷。分析测试依照相关标准进行，对经不同均匀化处理的试样进行组织分析，结果如表6所示。
表5合金C均匀化热处理工艺方案
表6合金C经不同均匀化热处理后的组织分析结果
实施例4
该实施例以合金D为研究对象，合金D中含有以下重量百分比含量的组分：Mg0.95％，Si0.90％，Zn0.55％，Cu0.13％，Mn0.1％，Zr0.11％，余量为A1。将合金D在工业化条件由半连续铸造方式制成厚度为210mm的扁锭。在铸锭上切取块体试样，进行不同方案的均匀化热处理试验，均匀化热处理制度如表7所示。完成均匀化处理后立即进行水冷。分析测试依照相关标准进行，对经不同均匀化处理的试样进行组织分析，结果如表8所示。
表7合金C均匀化热处理工艺方案
表8合金C经不同均匀化热处理后的组织分析结果
*注：残留相基本为难溶的富Fe相等。
随后在相同的条件下，对经14#、15#、16#均匀化处理的合金D锭坯进行铣面和锯切加工，得到160×800×1500mm的锭坯，再经460±10℃预热后热轧得到2mm厚度规格的板材，随后分别采用适宜的固溶淬火处理，经相同的自然时效进行处理，最终得到T4的时效态板材。在相等条件下依照相关的测试标准，对时效态板材的强度、伸长率、腐蚀性能及深冲性能进行测试，结果如表9所示。
表9合金时效态板材的性能、表面质量及残余应力(时效态)
从表9中可以看出，与传统工艺方法相比，经本发明方法处理的合金材料显示出了更佳的性能匹配。而且本发明方法用时与传统工艺方法用时相当、甚至更短，具有一定的经济性。
Claims (6)
1.一种适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，其特征在于，将含Zn的6XXX系铝合金铸锭放入热处理加热炉中，依次进行以下步骤：
(1)第I级均匀化热处理：由室温升温至T1进行保温处理，保温时间为t1，其中，250℃≤T1≤440℃，1h≤t1≤24h，T1、t1与Zr的重量百分比含量a的关系满足：400-15700a≤T1≤430-6600a，6+2400a≤t1≤11+2800a；
(2)第II级均匀化热处理：由温度T1升温至T2进行保温处理，保温时间为t2，其中，450℃≤T2≤490℃，1h≤t2≤24h；同时，T2、t2与主合金元素Zn、Mg的重量百分比含量b、c的关系满足：472-310(5b+c)≤T2≤484-240(5b+c)，3.8+30(5b+c)≤t2≤6.6+40(5b+c)；
(3)第III级均匀化热处理：由温度T2升温至T3进行保温处理，保温时间为t3，其中，510℃≤T3≤580℃，6h≤t3≤60h；同时，T3、t3与主合金元素Si、Mg的重量百分比含量d、e的关系满足：534-90(3d+5e)≤T3≤562-140(3d+5e)，10.2+110(3d+5e)≤t3≤14.4+160(3d+5e)；
(4)由温度T3冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，其特征在于，按重量百分比所述含Zn的6XXX系铝合金由以下组分组成：Mg 0.2～2.0％，Si 0.2～2.0％，Zn 0.1～1.8％，Zr 0.01～0.25％，Cu 0～1.1％，Mn 0～1.1％，Cr 0～0.4％，Fe0～0.7％，Bi 0～1.5％，Sn 0～1.5％，V 0～0.3％，Ti 0～0.15％，余量为Al和杂质元素。
3.根据权利要求2所述的适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，其特征在于，所述含Zn的6XXX系铝合金中每种杂质元素的含量为0～0.05％，所有杂质的总含量为0～0.15％。
4.根据权利要求1所述的适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，其特征在于，所述步骤(4)中，冷却方式选择炉冷、空冷、风冷和水冷中的一种或几种组合的方式。
5.根据权利要求1所述的适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，其特征在于，所述步骤(1)～(3)中升温方式选择空气炉、盐浴炉、感应炉和红外加热中的一种或几种组合的方式。
6.根据权利要求1所述的适用于含Zn的6XXX系铝合金的多级均匀化热处理方法，其特征在于，所述步骤(1)～(3)中采用连续升温或分段升温的方式进行升温。
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