CN105886976B - 一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝合金的热处理工艺，特别是指一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺；属于有色金属热处理工艺技术领域。本发明将铝镁硅合金进行固溶水淬处理后，进行轧制；得到轧制后的铝镁硅合金；接着对所材料依次进行固溶水淬处理、预时效处理、特种变形处理、二次时效处理；得到综合性能优越的成品；所述特种变形处理为非对称轧制。本发明方法简单，操作安全方便，所的产品性能优越，易于工业化生产和应用。

Description

一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺
技术领域
本发明涉及一种铝合金的热处理工艺，特别是指一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺；属于有色金属热处理工艺技术领域。
背景技术
提高材料强度一直是材料研究的核心问题。材料强化的同时往往伴随着塑性或韧性的急剧下降，而高塑韧性材料的强度往往又很低。长期以来这种材料的强韧性“倒置关系”成为制约材料发展的瓶颈。为了使铝合金能进一步满足更高综合性能的要求，近年来对铝合金综合性能的改善提升已成了铝合金界关注的热点。
就当前的铝合金发展现状而言，不仅要求其有较高的静强度，还要求材料具有良好服役性能。其性能不仅取决于析出相种类、形貌、尺寸、数量、形态，以及晶界组态，而且取决于材料在服役时的微结构演变。因此通过热处理来调控铝合金组织结构，以满足航空航天等高技术对铝合金高性能的要求，是材料科学与工程领域的重大课题之一，具有巨大的实际应用价值。
为了满足高性能铝合金综合性能的要求，近年来国际上出现了一些新型加工处理方法，其中大塑性变形法(SPD,severe plastic deformation)最为显著，如等径角挤压(ECAP,equal channel angular pressing)、高压扭转(HPT,high pressure torsion)、摩擦搅拌(FSP,friction stir processing)和熔体轧制等。这些方法主要是通过细化组织来获得优异的强塑性配合，但是目前只有极少数文献实现了真正意义上的高强度高塑。G.Nurislamova等人对6061合金进行了HPT处理，随后进行人工时效，使合金屈服强度达到565MPa，抗拉强度达到585MPa，并保持了13.5％的延伸率。S.K.Panigrahi等对Al-0.45％Si-0.3％Mg合金进行液氮温度深冷轧制，随后进行100℃-48h低温人工时效，使合金屈服强度达到259.5MPa，抗拉强度达到277MPa，并保持了11％的延伸率。但这些方法只局限于对小尺寸试样的加工且工序复杂、设备要求高，无法实现以大构件应用的铝合金大构件的生产需求，或者在液氮温度环境下进行极危险生产操作，对生产设备的损伤较大，同时生产成本也会进一步增大。总而言之，这些方法在实际工业应用的可操作性较差，且其技术路线远不能满足铝合金大结构件的要求。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术条件下存在的铝合金材料热处理后强韧性“倒置关系”的难题，提供一种工艺方法简单、操作方便、既可显著提升铝镁硅合金强塑性配合、成型性能等综合性能，又能降低板材各向异性，并对该类型合金的耐腐蚀性能、疲劳性能有一定改善作用的显著提升铝镁硅合金综合性能的热处理工艺。
本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，包括下述步骤：
步骤一
以铝镁硅合金为原料，对原料进行固溶水淬处理后，进行轧制，得到一定厚度的铝镁硅合金板材；
步骤二
步骤一所得轧制后的铝镁硅合金依次经固溶水淬处理、预时效处理、特种变形处理、二次时效处理；得到成品；所述特种变形处理为非对称轧制。
本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，步骤一中所述原料为冷轧态的铝镁硅合金。其他状态的铝镁硅合金以及铝合金也可采用本发明。
本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，步骤一中所述的起始轧制温度为200～350℃，总变形量为50～90％。
本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，步骤一中所述轧制是进行温轧后直接进行连续轧制处理；所述温轧的温度为200～350℃，变形量为30～70％、优选为40～60％、进一步优选为45～55％；所述连续轧制的变形量为40％～80％、优选为50～70％、进一步优选为55～65％。
本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，步骤一中所述固溶水淬处理是固溶处理后，出炉水淬；所述固溶处理的温度为490～560℃、优选为500～560℃、进一步优选为520～530℃，保温时间为15分钟～4小时、优选为30分钟～3小时、进一步优选为1～2小时。
本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，步骤二中所述固溶水淬处理是固溶处理后，出炉水淬；所述固溶处理的温度为490～560℃、优选为500～560℃、进一步优选为520～530℃，保温时间为15分钟～4小时。
本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，步骤二中所述预时效处理的温度为60℃～150℃、优选为80～120℃、时间为2小时～120小时、优选为10小时～100小时。
本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，步骤二中所述非对称轧制时，控制异速比为1.05～2.0、优选为1.1～1.8，轧制温度为室温～250℃、优选为室温～200℃，变形量为3％～25％、优选为5％～20％。
本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，步骤二中所述二次时效处理为自然时效处理或低温人工时效处理，所述自然时效处理的时间为5～20天；所述低温人工时效处理的温度为50℃～150℃，时效时间为2小时～80小时。
作为优选方案，本发明一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，所述铝合金为铝镁硅合金，主要合金元素为Mg、Si元素；Mg元素含量范围：质量分数0.5～2.0％；Si元素含量范围：质量分数0.2～1.7％。
作为优选方案，当所述铝合金为铝镁硅合金时，按照本发明的处理工艺，所得产品的屈服强度大于等于261.1MPa、抗拉强度大于等357.5MPa、延伸率可达24.4％。
原理和优势
由于本发明采用上述工艺方法，可以通过固溶水淬——温轧——连续轧制——二次固溶水淬处理使合金晶粒显著细化，这是由于在固溶后进行温轧及连续轧制可以获得大量位错与空位等缺陷，为后续再结晶过程提供变形储能。当所述铝合金为镁铝硅合金时，通过本发明所设计的工艺，尤其是通过温轧过程中变形促进粒子析出的效应，可以获得大量MgSi2粒子，这些粒子在二次固溶过程中可以提供大量形核质点，从而促进再结晶过程中形成大量细小的等轴晶，而较为粗大MgSi2粒子本身在二次固溶过程中将充分溶解，以便在后续时效过程中重新偏聚析出。得到细化的晶粒后，针对铝镁硅合金时效初期并不直接形成Mg-Si共同团簇，而是发生复杂的时效过程(过饱和固溶体→Si-空位对，Mg-空位对及Mg原子团簇→Mg原子团簇溶解，Si原子团簇形成→游离的Mg原子扩散到Si原子团簇中→Mg-Si共同团簇)这一特点，对二次固溶处理得到的过饱和固溶体进行人工时效处理。在后续的特殊变形过程中，位错运动受到原子团簇的阻碍，形成网状的位错胞，当变形量增加时则形成亚晶界，在更大的变形下亚晶界则会转化为大角度晶界使晶粒细化；同时预时效过程中未析出的溶质原子，在后续特殊变形高剪切应力应变作用下，获得了空位/原子团簇复合体、GP区、微织构、特殊剪切织构(主要由{111}//ND组成)、更高比例的大角度晶界，以及位错胞、亚晶界等微细观复合组织结构。在二次时效过程中，以上微细观复合组织结构在温度作用下产生一系列交互作用，并且一部分细晶在热激活的作用下借助晶界迁移长大，形成了双重晶粒结构，这一系列微观组织结构的形成，改善了合金的强度-塑性配合，并提高合金韧性。同时由于控制时效时间与时效温度，避免了非平衡相的长大，并避免了连续晶界析出相的析出与晶界无沉淀带的形成，而这两者往往被认为是降低铝合金抗腐蚀性能和疲劳性能的重要原因。和普通轧制的织构(主要是β-纤维，包括铜织构{112}<111>，S织构{123}<634>和黄铜织构{011}<211>)相比，剪切织构可以显著改善合金的成型性能，并且可以改善合金塑性。而较高比例的大角度晶界、扭转晶界可有效阻碍疲劳裂纹扩展，因而改善了合金的疲劳性能。总之，最终形成的复合组织结构的协同作用有效改善铝合金综合性能，包括提高合金的强度和塑韧性、成型性能，降低材料各向异性，同时在一定程度上提高了合金的腐蚀性能和疲劳性能。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、与高压扭转和深冷轧制等方法相比，具有更大的工业实际应用价值，能满足铝合金尤其是铝镁硅合金大结构件的要求；
2、通过控制预时效、特种变形和二次时效中的工艺参数，取得了传统热处理制度无法达到的效果，大幅度地提高铝镁硅合金的强度及塑韧性匹配、成型性能，同时还降低材料的各向异性。
3、通过控制预时效、特种变形和二次时效中的工艺参数，可以在一定程度上改善铝镁硅合金耐腐蚀性能、疲劳性能。
综上所述，本发明方法简单，操作安全方便，易于工业化，通过特殊预时效、特种变形和二次时效等工艺来改善合金的微观组织，有效地提升了合金的综合性能，是一种很有应用前景的新型热处理制度。
附图说明
附图1本发明实施例1、2、3以及对比例1、2、3处理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)合金强塑韧性匹配图。
图1中：
标号实施例1、标号实施例2、标号实施例3分别为实施例1、实施例2、实施例3所得产品的延伸率与最大抗拉强度在合金强塑韧性匹配图中所对应的点值；
标号对比例1、标号对比例2、标号对比例3为Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)合金分别经过传统热处理工艺(T3、T6、T8)处理所得产品的延伸率与最大抗拉强度在合金强塑韧性匹配图中所对应的点值。
具体实施方式
下面结合实施例和传统热处理制度对比例对本发明作进一步说明。
实施例1：
试样采用厚度为10.0mm的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金冷轧板。将试样放入520～530℃的盐浴炉中进行固溶处理，保温时间1小时；在300℃进行变形量为50％的温轧，温轧后立即进行变形量为60％的连续轧制得到薄板；将所得薄板进行520～530℃固溶水淬处理，保温时间1小时；然后放入时效箱中进行预时效处理，时效温度为100℃，时效时间为16h；随后进行非对称轧制，非对称轧制的条件为：异速比为1.1，变形量为5％，变形温度为室温；最后进行15天自然时效，并按GB228-76制成拉伸试样。本实施例处理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率性参数见表1。
实施例2：
试样采用厚度为10.0mm的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金冷轧板。将试样放入520～530℃的盐浴炉中进行固溶处理，保温时间1小时；在300℃进行变形量为50％的温轧，温轧后立即进行变形量为60％的连续轧制得到薄板；将所得薄板进行520～530℃固溶水淬处理，保温时间1小时；然后放入时效箱中进行预时效处理，时效温度为60℃，时效时间为100h；随后进行非对称温轧，非对称轧制的条件为：变形温度150℃，异速比为1.3，变形量为～10％；最后进行60℃-72h人工时效，并按GB228-76制成拉伸试样。本实施例处理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率性参数见表1。
实施例3：
试样采用厚度为10.0mm的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金冷轧板。将试样放入520～530℃的盐浴炉中进行固溶处理，保温时间1小时；在300℃进行变形量为50％的温轧，温轧后立即进行变形量为60％的连续轧制得到薄板；将所得薄板进行520～530℃固溶水淬处理，保温时间1小时；然后放入时效箱中进行预时效处理，时效温度为120℃，时效时间为10h；随后进行非对称温轧处理，非对称轧制的条件为：变形温度250℃，轧辊表面速比为1.8，变形量为～20％；最后进行130℃-4h人工时效，并按GB228-76制成拉伸试样。本实施例处理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率性参数见表1。
实施例4：
试样采用厚度为20.0mm的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金冷轧板。将试样放入520～530℃的盐浴炉中进行固溶处理，保温时间1小时；在300℃进行变形量为70％的温轧，温轧后立即进行变形量为70％的连续轧制得到薄板；将所得薄板进行520～530℃固溶水淬处理，保温时间1小时；然后放入时效箱中进行预时效处理，时效温度为80℃，时效时间为60h；随后进行非对称温轧处理，非对称轧制的条件为：变形温度150℃，轧辊表面速比为1.5，变形量为～15％；最后进行100℃-24h人工时效，并按GB228-76制成拉伸试样。本实施例处理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率性参数见表1。
实施例5：
试样采用厚度为5.0mm的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金冷轧板。将试样放入520～530℃的盐浴炉中进行固溶处理，保温时间2小时；在250℃进行变形量为30％的温轧，温轧后立即进行变形量为40％的连续轧制得到薄板；将所得薄板进行520～530℃固溶水淬处理，保温时间2小时；然后放入时效箱中进行预时效处理，时效温度为100℃，时效时间为16h；随后进行非对称温轧处理，非对称轧制的条件为：变形温度200℃，轧辊表面速比为1.3，变形量为～10％；最后进行100℃-48h人工时效，并按GB228-76制成拉伸试样。本实施例处理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率性参数见表1。
对比例1：
试样采用厚度为2.0mm的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入520～530℃的盐浴炉中进行固溶处理，保温时间1小时，取出立即淬火；然后进行冷变形处理，变形方式为轧制，变形量为～10％；最后进行自然时效，自然时效的时间为15天。本对比例处理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率性参数见表1。
对比例2：
试样采用厚度为2.0mm的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入520～530℃的盐浴炉中进行固溶处理，保温时间1小时，取出立即淬火；然后放入时效箱中进行人工时效处理，时效温度为175℃，时效时间为8h。本对比例处理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率性参数见表1。
对比例3：
试样采用厚度为2.0mm的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金冷轧薄板。按GB228-76制成拉伸试样。将试样放入520～530℃的盐浴炉中进行固溶处理，保温时间1小时，取出立即淬火；然后进行冷变形处理，变形方式为轧制，变形量为～10％；随后放入时效箱中进行人工时效处理，时效温度为175℃，时效时间为6h。本对比例处理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(质量分数％)铝合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率性参数见表1。
实施例1、2、3和对比例1、2、3的性能指标如下表：
表1

Claims (5)

1.一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，其特征在于包括下述步骤：
步骤一
以铝镁硅合金为原料，对原料进行固溶水淬处理后，进行轧制，得到一定厚度的铝镁硅合金板材；
所述铝镁硅合金中Mg的质量分数为0.5～2.0％、Si的质量百分数为0.2～1.7％；
所述原料为冷轧态的铝镁硅合金；
所述轧制的总变形量为50～90％；
所述轧制是进行温轧后直接进行连续轧制处理；所述温轧的温度为200～350℃，变形量为30～70％；所述连续轧制的变形量为40％～80％；
步骤二
步骤一所得轧制后的铝镁硅合金依次经固溶水淬处理、预时效处理、特种变形处理、二次时效处理；得到成品；所述特种变形处理为非对称轧制；
所得成品的屈服强度大于等于261.1MPa、抗拉强度大于等于 357.5MPa、延伸率可达24.4％。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，其特征在于：步骤一中与步骤二中所述固溶水淬处理是固溶处理后出炉水淬；所述固溶处理的温度为490～560℃，在每一步中所述固溶处理的时间为15分钟～4小时。
3.根据权利要求1所述的一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，其特征在于：步骤二中所述预时效处理的温度为60℃～150℃、时间为2小时～120小时。
4.根据权利要求1所述的一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，其特征在于：步骤二中所述非对称轧制时，控制异速比为1.05～2.0，轧制温度为室温～250℃，变形量为3％～25％。
5.根据权利要求1所述的一种提高铝合金综合性能的热机械处理工艺，其特征在于：步骤二中所述二次时效处理为自然时效处理或低温人工时效处理，所述自然时效处理的时间为5～20天；所述低温人工时效处理的温度为50℃～150℃，时效时间为2小时～80小时。
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