CN104911517A

CN104911517A - 一种提高铝合金力学性能的形变时效方法

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Publication number: CN104911517A
Application number: CN201510403881.6A
Authority: CN
Inventors: 陈兴品; 徐越鹏; 孙洪福; 陈丹; 李晓光; 梅霖
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明公开一种提高铝合金力学性能的形变时效方法，先将铝合金在520~560℃进行固溶处理20~60 min，随后将固溶后的铝合金材料水冷淬火至室温，然后将铝合金在150~180℃进行预时效处理10~30 min，使铝合金材料处于欠时效状态，再将预时效处理后的铝合金材料在液氮中浸泡20~30 min后，进行多道次低温轧制，最后将轧制后的铝合金材料在100~130℃进行低温再时效处理85~100 h，进一步强化铝合金。本发明方法有效提高了铝合金的抗拉强度和屈服强度，且工艺流程简单、操作难度不大、成本低廉，具有良好的可推广性。

Description

一种提高铝合金力学性能的形变时效方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种提高铝合金力学性能的形变时效方法。

背景技术

能源危机和环境污染的日益严重促进了结构轻量化的发展，以铝合金替代钢铁材料应用在各种结构产品中已经成为大的趋势。其中，6000系铝合金由于具有中等强度、高耐蚀性、无应力腐蚀破裂倾向、焊接性能良好、焊接区腐蚀性能不变、成形性和工艺性能良好等优点，在建筑、交通等方面的应用逐渐增加，尤其是在汽车制造业，铝合金的推广应用成为当前行业内的重要主题。随着铝合金应用范围的扩大，对其力学性能和加工性能也有更高的要求。

6000系铝合金最主要的强化方式是时效强化，其析出序列为：过饱和固溶体→镁/硅团簇→镁/硅联合团簇→GP-I区→ β″→ β′→ β。由于上述时效析出过程中会有不同类型和尺寸的析出物析出，它们弥散分布在铝合金基体当中，对位错起到钉扎作用，阻碍位错运动，从而实现对强度的提高。不同析出产物对合金的强化作用有很大差别，其中β〞相具有最大的强化作用，是合金时效达到最高强度时（峰时效）基体中主要存在的强化相。6000系铝合金板材一般采用热轧、冷轧、固溶、时效加工流程，而汽车车身上使用的铝合金板材是在固溶后作短时间的预时效处理，这样能减小自然时效的影响，使板材在冲压前有较低的屈服强度，提高冲压成形性，而后在烤漆过程进一步发生时效强化，提高板材的服役强度。但是相比钢材而言，6000系铝合金的强度还较低，成形性能较差，尤其是时效处理后的合金板材其塑性更低，因此6000系铝合金在汽车上还只能用做车身覆盖件，难以大量用在结构件上。如何综合提高合金板材强度和塑性是研究者追求的目标，这将对6000系铝合金的推广和应用产生重大影响。

目前，大多研究者主要着手于时效过程，通过优化时效工艺改进6000系铝合金性能，在6000系铝合金中，由于整个时效过程会有不同类型及不同尺寸的析出物析出，他们会对位错产生不同的反应，一般来说位错通过尺寸较大的析出物时是位错绕过机制，通过尺寸较小的析出物时是位错切过机制，而强化机制的不同使得合金有不同的强化表现，所以析出物的类型、尺寸及分布对合金力学性能有着重要的影响。但是由于6000系铝合金的合金含量较少，时效过程中的可控参数较小，仅通过时效工艺对铝合金强度的提高显得十分有限，通常不能达到400MPa的极限抗拉强度。也有人通过一些不同寻常的方法，如通过剧烈塑性变形（如等通道挤压、高压扭转等）获得细晶材料的方法，实现了6000系铝合金强度的大幅度提高，但是这种方法需要铝合金产生巨大的变形量，技术难度大，很难制造大尺寸的产品，且与目前工业生产设备所能达到的加工能力差距大，其加工成本高，因此难以推广应用。寻找既能提高6000系铝合金板材综合力学性能，又能适应现代工业设备的使用，同时降低生产成本的方法是十分有意义的。

轧制是工业上常用且技术成熟的材料加工工艺，但由于铝合金层错能较高，在室温下轧制时容易发生动态回复，减弱了加工硬化作用；如果在非常低的温度下轧制，则可以抑制动态回复，这样变形之后就会得到更多的位错及更高的畸变能，而大量位错和高的畸变能正是6000系铝合金后续处理时所期望的；低温轧制只需要相对较小的变形量就能产生与剧烈塑性变形相同的强化效果，并且在工业生产中很容易实现。但是，低温轧制后，由于加工硬化的存在，高的强度必然会牺牲合金的塑性，这在生产实际中也是不能容忍的，因此为了改善合金塑性，通过时效对位错和析出物的类型、尺寸及分布进一步调控是十分必要的。由于低温轧制后形成高密度的位错对材料的回复和再结晶有很强的驱动力，再时效时可发生回复和部分再结晶，同时促进GP-I区向β″的转变，进而获得弥散的β″相，而这正是兼顾合金强度和塑性的理想的微观结构特征。时效温度对时效后的微观结构有重要影响，时效温度过高，就会得到粗大的晶粒和β″相，并且β″相密度也会减小，这种微观结构对力学性能是不利的。时效温度偏低，只能析出强化效果较弱的原子团簇，很难析出β″相，时效强化效果较差。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种提高铝合金力学性能的形变时效方法，提升铝合金包括强度和塑性在内的综合力学性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种提高铝合金力学性能的形变时效方法，包括如下步骤：

1）固溶处理：将铝合金在520~560℃保温20~60 min，进行固溶处理；将合金加热到溶解度曲线以上温度，从而可以使合金中的合金元素溶入到铝基体当中，实现均匀分布；

2）淬火：将步骤1）固溶后的铝合金材料水冷淬火至室温；固溶后的材料快速冷却，由于冷却速度快，铝基体中的合金元素来不及扩散，而是被保留下来，形成了与高温状态类似的组织，即过饱和固溶体；

3）预时效处理：将步骤2）淬火后的铝合金材料在150~180℃进行预时效处理，处理时间为10~30 min，使铝合金材料处于欠时效状态；淬火后通过对预时效的温度和时间控制，使过饱和固溶体中的溶质元素部分析出，形成一种过渡强化相，在时效硬化曲线上，表现为在达到时效峰值前的状态；

4）低温轧制：将步骤3）处理后的铝合金材料在液氮中浸泡20~30 min后，进行多道次低温轧制，每道次轧制后将铝合金材料浸于液氮中8~10 min，再进行下一道次轧制，使铝合金材料在轧制过程中温度保持在-150℃~ -180℃；其中，每道次轧制变形量7%~10%，总变形量80~90%；

5）再时效处理：将步骤4）轧制后的铝合金材料在100~130℃进行低温再时效处理85~100 h，进一步强化铝合金；低温轧制后的板材进行低温时效，是为了不使晶粒粗化且形成强化效果更大的强化相，使合金进一步强化。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、要想得到理想的微观结构，使铝合金（6000系铝合金）包括强度和塑性在内的综合力学性能均有所提升，低温轧制前进行固溶和预时效处理是关键步骤，因为预时效可以在基体中预先形成大量的弥散的GP区，这些GP区在低温轧制能钉扎位错，提高变形产生的位错数量；轧制后在较低温度下再时效，高密度位错促进了回复和再结晶的发生，加之预时效产生的GP区可以直接转化成细小弥散的β″相，这样就得到了理想的微观结构，使铝合金具有很高的强度和塑性。因此本发明中采用固溶、淬火、预时效、低温轧制和再时效的处理方法，可以使铝合金获得优异的力学性能。

2、本发明方法有效提高了6000系铝合金的抗拉强度和屈服强度，使处理后的铝合金抗拉强度达到471MPa、屈服强度达到428MPa，进一步使得处理后的铝合金可以用于大型结构件如汽车的结构件上，在保证力学强度的基础上，发挥铝合金的优点。

3、本发明工艺流程简单，操作难度不大，普通工业生产设备即可进行相关步骤处理，加工成本低廉，具有良好的可推广性。

4、相比于现有技术，本发明方法不仅限于中小尺寸产品的制造，还可以用于制造大尺寸的产品，具有良好的适用性。

附图说明

图1为本发明方法工艺流程中的温度示意图；

图2为拉伸曲线图；

图3为实施例1断口形貌的SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明作进一步详细说明。本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，现给出详细的实施方式和具体的操作过程，来说明本发明具有创造性，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。

下述实施例中，采用的铝合金材料为牌号为6016、6061、6063、6082的铝合金，均匀化板材厚度均为6 mm。

图1为本发明方法工艺流程中的温度示意图，包括五个阶段：固溶处理阶段的处理温度520~560℃，保温20~60 min，以保证溶质原子充分溶解到铝基体中且不出现过烧现象；淬火阶段采用水冷淬火的方式，淬火至室温，获得较大的冷却速率，以保证合金处于过饱和状态；预时效处理阶段于150℃~180℃进行预时效处理，保温时间为10~30min，使合金材料处于欠时效状态，以使合金中的粒子处于最佳的尺寸状态；低温轧制阶段是在-150℃~ -180℃下轧制，总的轧制量为80%~90%，为保证合金不开裂，每道次轧制变形量7~10%；再时效阶段在100~130℃下保温85~100 h的低温再时效，使合金达到峰值状态，进一步强化合金。

实施例1 一种提高铝合金力学性能的形变时效方法，包括如下步骤：

1）采用6016铝合金进行热处理，将6016铝合金在520℃于空气炉中保温60 min进行固溶处理；

2）将步骤1）固溶后的铝合金在水中水冷淬火至室温；

3）将步骤2）淬火后的铝合金材料在180℃进行预时效处理，保温10 min，使铝合金材料处于欠时效状态；

4）将步骤3）处理后的铝合金材料在液氮中浸泡30 min后，进行多道次低温轧制，每道次轧制后立即将铝合金材料放回液氮中浸泡8 min，再进行下一道次轧制，使铝合金材料在轧制过程中温度保持在-150℃~ -180℃；其中，每道次轧制量为7~10%，最终轧制量80~90%；

5）低温轧制后的合金再于100℃保温96h进行低温再时效处理，进一步强化铝合金。

按照GB/T 288.1-2010的方法，在AG-X50KN拉伸机上进行拉伸试验，试验方向为轧口，通过扫描电镜观察断口形貌。结果显示：经本实施例方法处理后的6016铝合金板材抗拉强度为458MPa，屈服强度为428MPa，总伸长率为12.7%。其拉伸曲线如图2所示，断口形貌如图3所示，由图2和图3可以看出经过处理后的6016铝合金具有极高的强度和可接受的延伸率，断口形貌包含很多小韧窝，可知断裂为塑性断裂。

对比例1

采用上述6016铝合金进行热处理，合金先在520℃下保温60 min进行固溶处理，然后在水中淬火至室温；随后进行工业上常用的人工时效，在180℃时效15 h，获得最高的时效强度（T6态）。

采用GB/T 288.1-2010的方法，进行性能试验检测，结果显示：经本对比例处理后的6016铝合金板材抗拉强度为304MPa，屈服强度为249MPa，总伸长率为11.6%，其拉伸曲线如图2。

对比例2

采用6016铝合金进行热处理，合金先在520℃于空气炉中保温60 min进行固溶处理，然后在水中淬火至室温；随后立即进行180℃时效处理，保温15 h，多道次轧制前材料在液氮中浸泡30 min，每道次轧制后立即将材料放回液氮中浸泡8~10 min，每道次轧制量为7~10%，最终轧制量为80%~90%。低温轧制后的合金再于100℃保温96h进行再时效处理。

采用GB/T 288.1-2010的方法，进行性能试验检测，结果显示：经本对比例处理后的6016铝合金板材抗拉强度为422MPa，屈服强度为405MPa，总伸长率为8.5%，其拉伸曲线如图2所示。

对比例3

采用6016铝合金进行热处理，合金先在520℃于空气炉中保温60 min进行固溶处理，然后在水中淬火至室温；随后立即进行180℃时效处理，保温10 min，多道次轧制前铝合金材料在液氮中浸泡30 min，每道次轧制后立即将材料放回液氮中浸泡8~10 min，每道次轧制量为7%~10%，最终轧制量为80%~90%。低温轧制后的合金再于100℃保温79 h进行再时效处理。

采用GB/T 288.1-2010的方法，进行性能试验检测，结果显示：经本对比例处理后的6016铝合金板材抗拉强度为436MPa，屈服强度为413MPa，总伸长率为9.6%，其拉伸曲线如图2所示。

由实施例1、对比例1、对比例2和对比例3可以看出，实施例1的抗拉强度、屈服强度、总伸长率均高于三个对比例，说明本发明提供的方法在提高合金强度的同时，也一定程度地提高了合金的延展性，是一种理想的处理方法。而且，从实施例1拉伸后的断口扫描图中，也可以看出，采用本发明提供的方法处理后的合金，其断口有许多细小韧窝，有较好的断裂延展性。因此，本发明提供的6000系铝合金不仅有效提高了合金的抗拉强度、屈服强度，而且对合金的延展性的提高也有帮助。

实施例2 一种提高铝合金力学性能的形变时效方法，包括如下步骤：

1）采用6061铝合金进行热处理，将6061铝合金在560℃于空气炉中保温20 min进行固溶处理；

2）将步骤1）固溶后的铝合金在水中水冷淬火至室温；

3）将步骤2）淬火后的铝合金材料在170℃进行预时效处理，保温20 min，使铝合金材料处于欠时效状态；

4）将步骤3）处理后的铝合金材料在液氮中浸泡30 min后，进行多道次低温轧制，每道次轧制后立即将铝合金材料放回液氮中浸泡10 min，再进行下一道次轧制，使铝合金材料在轧制过程中温度保持在-150℃~ -180℃；其中，每道次轧制量7%~10%，最终轧制量80~90%；

5）低温轧制后的合金再于130℃保温85 h进行低温再时效处理，进一步强化铝合金。

采用GB/T 288.1-2010的方法，进行性能试验检测，结果显示：经本实施例处理后的6061铝合金板材抗拉强度为441MPa，屈服强度为396MPa，总伸长率为4.3%。

实施例3 一种提高铝合金力学性能的形变时效方法，包括如下步骤：

1）采用6063铝合金进行热处理，将6063铝合金在550℃于空气炉中保温30 min进行固溶处理；

2）将步骤1）固溶后的铝合金在水中水冷淬火至室温；

3）将步骤2）淬火后的铝合金材料在150℃进行预时效处理，保温30 min，使铝合金材料处于欠时效状态；

4）将步骤3）处理后的铝合金材料在液氮中浸泡20 min后，进行多道次低温轧制，每道次轧制后立即将铝合金材料放回液氮中浸泡10 min，再进行下一道次轧制，使铝合金材料在轧制过程中温度保持在-150℃~ -180℃；其中，每道次轧制量7%~10%，最终轧制量80%~90%；

5）低温轧制后的合金再于100℃保温100 h进行低温再时效处理，进一步强化铝合金。

采用GB/T 288.1-2010的方法，进行性能试验检测，结果显示：经本实施例处理后的6063铝合金板材抗拉强度为365MPa，屈服强度为314MPa，总伸长率为5.7%。

实施例4 一种提高铝合金力学性能的形变时效方法，包括如下步骤：

1）采用6082铝合金进行热处理，将6082铝合金在530℃于空气炉中保温40 min进行固溶处理；

2）将步骤1）固溶后的铝合金在水中水冷淬火至室温；

5）低温轧制后的合金再于120℃保温90 h进行低温再时效处理，进一步强化铝合金。

采用GB/T 288.1-2010的方法，进行性能试验检测，结果显示：经本实施例处理后的6082铝合金板材抗拉强度为471MPa，屈服强度为402MPa，总伸长率为4.3%。

上述所有实施例及对比例的拉伸性能试验结果如下表1所示：

表1 所有实施例及对比例拉伸性能

	抗拉强度/MPa	屈服强度/MPa	总伸长率/%
				实施例1	458	428	12.7
对比例1	304	249	11.6
				对比例2	422	405	8.5
对比例3	436	413	9.6
				实施例2	441	396	7.5
实施例3	365	314	10.1
				实施例4	471	402	7.7

由上表1可以看出，依照本方法处理的6000系铝合金具有高的抗拉强度和屈服强度，同时合金的总延伸率也保持在较高的水平，说明本发明提供的处理方法不仅使合金强度得到显著提高，而且不损失合金的延展性，甚至对合金延展性的改善也是有利的。

需要说明的是，尽管本发明只选择了牌号为6016、6061、6063、6082的铝合金进行测试，但是6000 铝合金的强化形式，析出类型，析出规律基本一致。因此，本发明技术方案也可以应用于6013，6022，6111等其他牌号的6000系铝合金之中。在应用本发明时，只要针对不同成分6000系铝合金，在本发明公开的工艺参数范围内对形变热处理工艺参数进行适当调整即可。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种提高铝合金力学性能的形变时效方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）固溶处理：将铝合金在520~560℃保温20~60 min，进行固溶处理；

2）淬火：将步骤1）固溶后的铝合金材料水冷淬火至室温；

3）预时效处理：将步骤2）淬火后的铝合金材料在150~180℃进行预时效处理，处理时间为10~30 min，使铝合金材料处于欠时效状态；

4）低温轧制：将步骤3）处理后的铝合金材料在液氮中浸泡20~30 min后，进行多道次低温轧制，每道次轧制后将铝合金材料浸于液氮中8~10 min，再进行下一道次轧制，使铝合金材料在轧制过程中温度保持在-150℃~ -180℃；其中，每道次轧制变形量7~10%，总变形量80~90%；

5）再时效处理：将步骤4）轧制后的铝合金材料在100~130℃进行低温再时效处理85~100 h，进一步强化铝合金。

2.根据权利要求1所述提高铝合金力学性能的形变时效方法，其特征在于，

所述铝合金优选6000系铝合金，即Al-Mg-Si（Cu）合金。

3.根据权利要求1所述提高铝合金力学性能的形变时效方法，其特征在于，所述铝合金优选6016、6061、6063或6082铝合金。

4.根据权利要求1所述提高铝合金力学性能的形变时效方法，其特征在于，步骤1）中优选在520℃保温60 min进行固溶处理。

5.根据权利要求1所述提高铝合金力学性能的形变时效方法，其特征在于，步骤3）中优选在180℃进行预时效处理10 min。

6.根据权利要求1所述提高铝合金力学性能的形变时效方法，其特征在于，步骤5）中优选在100℃进行低温再时效处理96 h。