CN104846302A

CN104846302A - 一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法

Info

Publication number: CN104846302A
Application number: CN201510295203.2A
Authority: CN
Inventors: 张辉; 孙轶山; 蒋福林; 袁武华
Original assignee: Hunan University
Current assignee: FUJIAN XIANGXIN SHARES Co.,Ltd.
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2035-06-02
Also published as: CN104846302B

Abstract

本发明涉及一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法；是将固溶、淬火后的铝合金直接进行一级人工时效后，再进行二级人工时效；所述一级人工时效是将铝合金进行至少3次短时人工时效，出炉空冷；提高每次短时人工时效升温速率以获取与淬火过程相反的温度场，进而产生与淬火态相反的应力场以抵消残余应力，达到显著降低残余应力的效果，但又不影响合金力学性能。本发明适用于厚度尺寸较大、形状规则的锻件和板材，本发明方法设备简单、易于操作和实现，可使铝合金在力学性能不受影响的前提下明显降低残余应力。

Description

一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法

技术领域

本发明涉及一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，适用于可热处理强化铝合金板材、锻件和铸件。属于金属热处理技术领域。

背景技术

可热处理铝合金具有强度高、耐蚀性能、加工性能及焊接性能良好等特点，被广泛应用于航天、航空及交通运输等高技术领域。对于可热处理铝合金，淬火可以得到过饱和固溶体，为下一步的时效强化做准备。为了避免过饱和固溶体发生分解，必须在淬火时保证足够的冷却速度。但是对于尺寸较大尤其是厚度较大的铝合金板材和锻件来说，冷却过快会使工件的内外层的变形不一致，进而产生较大的残余应力并保留在工件内部。在后续的加工过程中由于残余应力的释放会导致工件弯曲和翘曲变形，严重时会导致工件报废。此外，残余应力还会对金属的断裂韧性，抗应力腐蚀性能以及疲劳性能等各项性能产生影响。

对于传统的铝合金板材生产工艺，消除残余应力主要靠固溶-淬火后的预拉伸以及人工时效。采用预拉伸消除铝合金淬火残余应力主要利用板材表层与芯部屈服强度的差异而引起变形的差异，通过塑性变形使材料内部的弹性应变能释放进而达到降低残余应力的效果，该方法对设备的要求较高，且对于厚度不同、淬火敏感性不同的合金，工艺调整的幅度较大。采用人工时效降低残余应力主要是依靠长时间的热作用下金属发生应力松弛，人工时效的温度和时间越长，残余应力的降幅也越大，温度过高或保温时间过长会使合金的力学性能下降。在兼顾合金各项性能的情况下，传统人工时效对残余应力的消除效果只能维持在35％以内。中国专利CN 102965603 A一种用于减小变形铝合金淬火残余应力，改善合金性能的热处理方法，其发明的关键在于采用一种合理的变形-固溶淬火-整平-固溶淬火制度，适用于变形铝合金板材，其工艺关键内容大致如下：将固溶后铝合金试件水淬，对板材厚度方向施加0.5-2％的变形之后重新固溶淬火，最后进行0-8％预变形后时效，进一步消减淬火残余应力。与常规固溶时效方法相比，残余应力至少减少35％，室温拉伸强度提高至少5％，该工艺方法操作简单，节约成本，易于在工业生产中应用。然而，这种方法除了要进行两次固溶淬火以外，要在厚度方向施加变形还需要大型压力设备。

综上所述，本领域仍需要提供有对铝合金保持良好力学性能还可显著降低淬火残余应力的处理方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种工艺方法简单、操作方便、在保持铝合金力学性能的前提下明显降低铝合金淬火残余应力的时效热处理方法。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，是将固溶、淬火后的铝合金进行一级人工时效后，再进行二级人工时效；

所述一级人工时效是将铝合金进行至少3次短时人工时效，所述短时人工时效温度≤240℃，加热速度≥10℃/分钟，单次短时人工时效保温时间≤90分钟；优选5-60分钟，冷却方式：出炉空冷。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，短时人工时效温度为100-240℃。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，短时人工时效次数3-20次。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，短时人工时效时，加热速度为10-200℃/分钟。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，加热采用电阻炉加热、感应加热、蓄热式加热炉加热、红外线加热、盐浴炉加热、油浴炉加热、直流直接加热中的一种，优选感应加热。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，固溶、淬火后的铝合金先进行变形量≤8％的冷变形，然后进行至少3次短时人工时效及二级人工时效。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，二级人工时效工艺温度为100-240℃，保温时间按式(1)确定：

t = t_{1} - \frac{n T_{2} t_{2}}{T_{1}} - \frac{n T_{2} t_{2}}{2 T_{1}} . . . (1)

式(1)中，其中T₁，t₁为传统T6工艺的时效温度及保温时间，n为一级人工时效重复次数，T₂为一级人工时效温度，t₂，t₃分别为一级人工时效单次保温时间以及降至室温所用时间。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，铝合金选用可热处理强化铝合金，选自2000，6000、7000、8000系铝合金中的一种。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，铝合金的厚度为10-200mm。

本发明一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，处理后的铝合金的残余应力与固溶淬火态铝合金淬火残余应力相比降幅为35-100％。

本发明的机理简述于下：

淬火后的铝合金，由于残余应力的存在，合金整体的弹性应变能会非常之高，此时，合金处于一种高能不稳定状态。发明人经过长期研究，得知：弹性应变能主要与合金内部的晶格畸变相关，而位错塞积的存在会增加晶格畸变程度，因此，减少位错塞积可以显著的减少残余应力。施加适当的塑形变形或者对合金快速的输入能量都可以促进位错开动，降低合金原有高能不稳定态及其弹性应变能从而降低残余应力。重复的快速加热既可达到快速输入能量的目的，又可使合金产生与淬火相反的塑性变形。

本发明提出将固溶、淬火后的铝合金先进行若干次中断的时效处理，并在每一次时效升温阶段尽量提高加热速率以获取与淬火过程相反的温度场，进而产生与淬火态相反的应力场，通过该应力场抵消原有的残余应力，实现铝合金淬火残余应力的显著降低；同时，通过后续的人工时效，实现铝合金力学性能的稳定。

本发明由于采用上述工艺方法，将固溶、淬火后的铝合金先进行若干次中断时效，工件重复快速加热时效并保温，并在每一次时效升温阶段，尽量提高加热速率以获取与淬火过程相反的温度场，进而通过产生与淬火态相反的应力场以抵消原有的残余应力，达到了显著降低残余应力的效果。

采用本发明工艺方法，可显著降低淬火残余应力，当时效五次之后，合金残余应力的降幅可高达到75％；在加热速率足够大时，这种中断时效处理可达到完全去除残余应力的效果，同时，通过随后的二级人工时效的协同作用，可确保在保持合金力学性能的前提下，大幅度降低合金的淬火残余应力。相比传统的人工时效对残余应力的消除率最大仅仅在35％以内，取得了预料不到的技术效果。残余应力的降低，会使铝合金的机械加工性能得到极大的提高，进而可以提高加工件的尺寸精度。另外，残余应力的降低还会使合金的抗腐蚀性能等服役性能得到一定程度的提高。

本发明工艺方法简单、操作方便、对设备的要求简单，克服了本领域长期以来希望解决而未能解决的技术难题，可有效提升铝合金的服役范围，降低铝合金的加工成本，适于工业化应用。

附图说明

附图1为本发明的时效处理工艺路线图。

附图2为传统的时效处理工艺路线图。

具体实施方式

实施例1

一种消除铝合金淬火残余应力的热处理方法，包括以下步骤：

1、取10mm厚7150铝合金板材，其成分如表1(质量百分数，％)：

表1

2、铝合金试样制备：取工业热轧制铝合金板材，切割至尺寸10mm×40mm×80mm，样品编号分别为A/B/C/D/E/F/G/H，其中样品A/B/C/D/E采用本发明工艺处理，样品F/G/H采用传统工艺处理。

3、将试样A/B/C/D/E/F/G/H加热至475℃固溶淬火后清理表面，使用打孔法测量初始残余应力，具体数值见表2。

4、样品A/B/C使用电阻炉加热，时效处理加热温度分别为120℃、150℃和180℃，保温时间20min，之后将样品放置空气中自然冷却，待冷却至室温后再次加热，重复上述过程8次。对重复时效处理2次，5次及8次后的样品分别测量残余应力值，具体数值见表2。

5、样品D使用油浴加热，时效处理温度为180℃，保温时间20min，之后将样品放置空气中自然冷却，待冷却至室温后再次加热，重复上述过程8次。对重复时效处理2次，5次及8次后的样品分别测量残余应力值，具体数值见表2。

6、样品E使用感应加热，时效处理温度为180℃，保温时间20min，之后将样品放置空气中自然冷却，待冷却至室温后再次加热，重复上述过程3次。对每次时效处理后的样品测量残余应力值，具体数值见表2。

7、样品F/G/H使用电阻炉加热，时效处理温度分别为120℃、150℃和180℃，保温时间为15h，之后将样品放置空气中自然冷却，测量残余应力值，具体数值见表2。

8、将采用步骤4，5，6处理的样品A/B/C/D/E进行人工时效，时效制度为120℃保温15h，之后测量样品A/B/C/D/E/F/G/H的维氏硬度，对比力学性能的变化，具体数值见表2。

9、表一列出了各试样的初始淬火残余应力、各中断时效处理后的残余应力值以及最终硬度值。

从表2可以看出：对于7150铝合金板材，传统的人工时效(样品F/G/H)对残余应力的降低幅度保持在35％以内。相比之下，采用本发明工艺可以大幅降低甚至消除残余应力，在重复加热并保温8次之后，该工艺对残余应力最低的降幅也达到了45％(样品A)。此外，由于本发明工艺较于传统时效工艺耗时较少，且需要在合金淬火之后进行，为了使合金达到充分的强化，需要在实施本发明工艺后补充一定时间的人工时效。所补充的时效时长可由下列公式大致算出：其中T₁，t₁为传统T6工艺的时效温度及保温时间，n为本发明一级人工时效重复次数，T₂为一级人工时效温度，t₂，t₃分别为本发明一级人工时效单次保温时间以及降至室温所用时间，例如7150铝合金T6人工时效时温度t₁＝120℃，时间t₁＝24h，以样品C为例，n＝8，T₂＝180℃，t₂＝0.5h，t₃＝0.5h，由此得出t＝15h。为了统一对比实验，将所有样品补充的人工时效时长都设为15h。

7150铝合金T6峰值时效的硬度值为195.0。采用传统的人工时效处理时，若要使合金的力学性能达到峰值态，则残余应力的降幅就会保持在一定的限度以内，若要突破此限度，就需要更高的时效温度或更长的时效时间，但更高的时效温度或时效时长也就意味着残余应力的进一步降低可能会以力学性能的牺牲为代价。由样品H可以看出，虽然残余应力的降幅依然在30％左右，但是其硬度值相较于其他样品已经产生了较大幅度的降低。

由样品A/B/C/D/E可以看出：本发明工艺的实施并不影响合金最终所能达到的力学性能，另根据样品F的残余应力降低情况可以推测，在实施本发明方法的基础上，对于残余应力依然较大的样品，补充15h的人工时效后残余应力会进一步降低15MPa左右。综上，相比于传统的人工时效，本发明方法可在不影响合金力学性能的基础上，大幅降低残余应力。

表2 本发明方法处理后7150铝合金板淬火残余应力和硬度值与传统处理方法的对比

实施例2

1、取厚度为40mm的7085铝合金板材，其成分如表3(质量百分数，％)：

表3

2.铝合金试样制备：取工业热轧制7085铝合金板材，切割至尺寸40mm×160mm×160mm，样品编号为I/J，其中样品I采用本发明工艺处理，样品J采用传统工艺处理。

3.将试样I/J加热至475℃固溶淬火后清理表面，使用打孔法测量初始表面残余应力，具体数值见表4。

4.样品I使用电阻炉加热，加热温度为180℃，保温时间20min，之后将样品放置在空气中自然冷却，待冷却至室温后再次加热，重复上述过程8次。在重复时效处理1，2，3，5，8次后分别测量残余应力值，具体数值见表4。

5.将样品I进行人工时效，时效制度为120℃保温15h，之后测量样品I的维氏硬度，对比力学性能的变化，具体数值见表4。

6.样品J使用电阻炉加热，加热温度为180℃，保温10h，之后将样品放置在空气中自然冷却，测量残余应力及维氏硬度，具体数值见表4。

7.表4列出了试样I/J的初始淬火残余应力、中断时效处理后的残余应力值及最终的维氏硬度值。

从表4可以看出，对于7085铝合金厚板而言，采用本发明方法可以大幅降低残余应力且合金最终所能达到的硬度值不受影响。

采用传统处理工艺时，长时间高温时效对于残余应力的降低也有一定的效果，但是会对合金的力学性能产生较为严重的影响，样品J的硬度值仅为131.9，而该合金T6峰值时效态的硬度值为173.3。

表4 本发明方法处理后7085铝合金板淬火残余应力和硬度值与传统处理T6方法的对比

Claims

1.一种保持铝合金强度降低淬火残余应力的时效热处理方法，其特征在于：将固溶、淬火后的铝合金直接进行一级人工时效后，再进行二级人工时效；

所述一级人工时效是将铝合金进行至少3次短时人工时效，所述短时人工时效温度≤240℃，加热速度≥10℃/分钟，单次短时人工时效保温时间≤90分钟，冷却方式：出炉空冷。

2.根据权利要求1所述的时效热处理方法，其特征在于：短时人工时效温度为100-240℃。

3.根据权利要求2所述的时效热处理方法，其特征在于：短时人工时效次数3-20次。

4.根据权利要求1所述的时效热处理方法，其特征在于：短时人工时效，加热速度10-200℃/分钟。

5.根据权利要求1所述的时效热处理方法，其特征在于：短时人工时效保温时间5-60分钟。

6.根据权利要求1所述的时效热处理方法，其特征在于：加热采用电阻炉加热、感应加热、蓄热式加热炉加热、红外线加热、盐浴炉加热、油浴炉加热、直流直接加热中的一种。

7.根据权利要求1所述的时效热处理方法，其特征在于：固溶、淬火后的铝合金进行变形量≤8％的冷变形，然后进行至少3次短时人工时效及二级人工时效。

8.根据权利要求7所述的时效热处理方法，其特征在于：二级人工时效工艺温度为100-240℃，保温时间按式(1)确定：

t = t_{1} - \frac{n T_{2} t_{2}}{T_{1}} - \frac{n T_{2} t_{3}}{2 T_{1}}

……………………(1)

9.根据权利要求1-8任意一项所述的时效热处理方法，其特征在于：铝合金选用可热处理强化铝合金，选自2000，6000、7000、8000系铝合金中的一种。

10.根据权利要求9所述的时效热处理方法，其特征在于：处理后的铝合金的残余应力与固溶淬火态铝合金淬火残余应力相比降幅为35-100％。