CN107488823B - 一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法 - Google Patents

一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料塑性变形及热处理技术领域，涉及一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法，具体涉及一种同时提高Al‑Cu‑Mg合金的强度、延伸率综合性能的形变热处理方法。一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法，其特征在于：所述方法为：将Al‑Cu‑Mg系合金铸锭进行一次挤压，再进行均匀化退火处理，均匀化退火处理后再进行二次挤压，制成所需的尺寸规格的产品后进行固溶时效处理。本发明可利用铝加工工业中的现有设备，通过改变形变热热处理工艺实现对铝合金抗拉强度和延伸率的同时提高，获得高质量的铝合金挤压材。

Description

一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法
技术领域
本发明属于金属材料塑性变形及热处理技术领域，涉及一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法，具体涉及一种同时提高Al-Cu-Mg合金的强度、延伸率综合性能的形变热处理方法。
背景技术
铝合金具有轻质、高强、耐蚀、可塑等一系列优良的特点，是一种应用最为广泛的有色金属结构材料。铝合金已被广泛应用于航天、航空、汽车、机械制造、船舶、高铁、核工业、建筑、体育用品等多个领域。
伴随着新合金的开发和制备工艺的改进，铝合金的综合性能不断提高，铝合金的应用领域也不断扩展。提高铝合金综合性能的手段主要有2种，一种是利用合金化和成分优化的方法，一种是利用形变热处理的方法。形变热处理的方法主要是通过对铝合金变形及热处理过程中的工艺参数控制实现对铝合金组织性能调控的方法，对于可时效强化热处理的2xxx铝合金，先后出现了T4、T5、T6、T351等多种形变热处理状态，这些热处理状态在一定程度上提高了2xxx铝合金的综合性能。尽管这些现有的形变热处理工艺涉及多种处理方法，但由于变形及热处理过程的工艺条件控制相当复杂，新的形变热处理方法不断出现。美国专利(专利号3,743,549)通过对7075铝合金进行先轧制变形，再进行均匀化退火，在轧制变形的形变热处理工艺控制在不降低抗拉强度的前提下显著提高了合金的延伸率和冲击韧性。此专利仅涉及的7075铝合金轧制过程形变热处理的方法，并未涉及铝合金挤压过程中进行相关形变热处理的方法。
与轧制过程的多道次变形不同，铝合金挤压多通过对铸坯进行一次挤压实现对铝合金最终形状和性能的控制。尽管这种方法可以实现形状的精确控制，但受到挤压设备能力限制，单次挤压的变形量有限，要获得较大的变形量则需进行二次挤压变形。而传统正向挤压过程挤压变形不均匀，二次挤压会造成挤压制品的组织不均匀甚至粗化，造成性能不稳定。与正向挤压方法不同，反向挤压可以实现挤压过程较均匀的变形，为铝合金通过二次挤压变形和相应的热处理工艺调控性能提供了可能。
发明内容
本发明的目的在于利用现有技术，开发一种新的加工热处理技术，提供一种可同提高常规拉伸强度、延伸率的Al-Cu-Mg系合金形变热处理方法。
一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法，所述方法为：
将Al-Cu-Mg系合金铸锭进行一次挤压，再进行均匀化退火处理，均匀化退火处理后再进行二次挤压，制成所需的尺寸规格的产品后进行固溶时效处理。
本发明所述一次挤压和二次挤压均采用反向挤压。
本发明所述Al-Cu-Mg系合金由下述组分组成，化学成分按质量百分比为：Cu：3.8％～4.9％，Mg：1.2％～1.8％，Mn：0.30％～0.9％，Fe：≤0.50％，Si：≤0.50，Zn：≤0.25％，Ti：≤0.15％，Cr：≤0.10，余量为Al。
上述技术方案中，所述一次挤压为反向挤压，挤压温度在400～450℃之间，挤压比在4.7～25.6之间。
上述技术方案中，所述均匀化退火处理在一次挤压后进行，具体为：均匀化退火温度为465～495℃，均匀化退火时间为8～36h，随炉冷却。
进一步地，均匀化退火温度为465～495℃，均匀化退火时间为8～36h，随炉冷却至400～430℃，再于空气中冷却至室温。
上述技术方案中，所述二次挤压在均匀化退火后进行，二次挤压为反向挤压，挤压温度在400～450℃之间，挤压比在8～50之间。
上述技术方案中，所述固溶时效处理，具体为：固溶处理温度为480℃～520℃，处理时间为0.5h～2h；固溶后进行水淬，然后进行人工时效处理，人工时效处理的温度范围为170℃～200℃，时间为8h～12h。
本发明所述同时提高铝合金强度和延伸率的方法一个优选的技术方案为：
(1)将Al-Cu-Mg系合金铸锭进行一次挤压，挤压温度在400～450℃之间，挤压比在4.7～25.6之间，挤压完毕后于空气中冷却至室温；
(2)将步骤(1)所得合金进行均匀化退火处理，均匀化退火温度为465～495℃，均匀化退火时间为8～36h，随炉冷却至400～430℃，再于空气中冷却至室温；
(3)将步骤(2)所得合金进行二次挤压，挤压温度在400～450℃之间，挤压比在8～50之间，挤压完毕后于空气中冷却至室温；
(4)进行固溶处理，固溶处理温度为480℃～520℃，处理时间为0.5h～2h；固溶后进行水淬，然后进行人工时效处理，人工时效处理的温度范围为170℃～200℃，时间为8h～12h。
本发明采用上述形变热处理加工方法，Al-Cu-Mg合金经过一次挤压、均匀化退火处理、二次挤压以及固溶时效形变热处理，所得Al-Cu-Mg合金延伸率较一次挤压17.8％，屈服强度较一次挤压提高了3.4％，抗拉强度较一次挤压提高了2.5％。
本发明的有益效果为：本发明工艺方法通过一次挤压后均匀化退火以及二次挤压，在获得较大挤压变形量的同时使Al-Cu-Mg系合金残余相细小弥散的分布于基体中，从而同时提高其强度和延伸率，使得Al-Cu-Mg系合金具有优良的综合性能，适于工业化应用。本发明可利用铝加工工业中的现有设备，通过改变形变热热处理工艺实现对铝合金抗拉强度和延伸率的同时提高，获得高质量的铝合金挤压材。
附图说明
图1为实施例1所述一次挤压后棒材和二次挤压后棒材的应力应曲线,可以看出同时提高了铝合金强度和延伸率；
图2为实施例1所述未均匀化铸锭铸态微观组织，看到铸态组织微观组织中呈典型的枝晶组织，许多枝晶网格比较粗大的大尺寸等轴晶粒；
图3为实施例1棒材B所述未均匀化退火铸锭经一次挤压后中心的微观组织，可以看到低熔点共晶相不同程度的破碎，枝晶网被严重地沿挤压方向伸长；
图4为实施例1棒材A所述均匀化退火铸锭经一次挤压后中心的微观组织，相较于未均匀化一次挤压中心微观组织，可以看到破碎的残余相分布均匀，残余相数量减少；
图5为实施例1棒材C所述未均匀化退火一挤压试样经均匀化退火后的宏观组织，可以看到无明显再结晶；
图6为实施例1棒材C所述未均匀化退火挤压试样经均匀化退火后的偏光组织，可以看到较薄的粗晶层；
图7为实施例1棒材C所述未均匀化退火挤压试样经均匀化退火后中心的微观组织，一次挤压后经过均匀化，残余相尺寸变大，但是分布更加均匀，残余相数量减少；
图8为实施例1棒材C所述未均匀化退火二次挤压试样的微观组织，二次挤压后，参与向数量减少，尺寸减小；
图9为实施例1棒材C所述未均匀化退火二次挤压试样固溶后的微观组织，固溶后，残余相数量及尺寸进一步降低。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中所述挤压工艺，包括一次挤压和二次挤压均采用反向挤压。
实施例1
三根通过DC铸造(直接水冷半连续铸造)的Al-Cu-Mg系合金，铝合金棒材直径Φ152mm，车皮后直径为Φ150mm；其中Al-Cu-Mg合金化学成分按质量百分比为：Cu:4.24％，Mg:1.41％，Mn:0.64％，Fe:0.17％，Si:0.09％，Zn:0.0074％，Ti:0.06％，Cr:0.02％，余量为Al。三根铝合金铸锭分别采取的形变热处理方式如下。
棒材A
Al-Cu-Mg合金铸造结束后进行均匀化退火处理，将Al-Cu-Mg合金加热10h至450℃，开始保温；均匀化处理温度为450℃，保温时间为12h，随后于空气中冷却至室温；将合金重新加热至450℃，保温4h，开始一次挤压(反向挤压)，一次挤压初始温度为450℃，挤压结束后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，挤压后铝合金棒材直径为Φ50mm。然后进行固溶处理，固溶处理温度为500℃，保温30min；在水中淬火，放置空气中人工时效12h，人工时效温度为185℃，保温12h。
棒材B
Al-Cu-Mg合金铸造结束后将Al-Cu-Mg合金加热至450℃，保温4h，开始一次挤压(反向挤压)，挤压初始温度为450℃，挤压结束后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，挤压后铝合金棒材直径为Φ50mm。一次挤压结束后，重新将Al-Cu-Mg合金加热至430℃，保温1h，开始二次挤压(反向挤压)，二次挤压初始温度为430℃，挤压后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，二次挤压后铝合金棒材直径为
Φ12mm；然后进行固溶处理，固溶处理温度为500℃，保温30min；在水中淬火，放置空气中12h，进行人工时效，人工时效温度为185℃，保温12h。
棒材C
Al-Cu-Mg合金铸造结束后将Al-Cu-Mg合金加热至450℃，保温4h，开始一次挤压(反向挤压)，挤压初始温度为450℃，挤压结束后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，挤压后铝合金棒材直径为Φ50mm。一次挤压结束后将棒材进行均匀化退火处理，将Al-Cu-Mg合金加热10h至470℃，均匀化退火温度为470℃，保温时间为24h，然后随炉冷却3h至415℃，取出放入空气中冷却至室温；重新将Al-Cu-Mg合金加热至430℃，保温1h，开始二次挤压(反向挤压)，二次挤压初始温度为430℃，挤压后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，二次挤压后铝合金棒材直径为Φ12mm；然后进行固溶处理，固溶处理温度为500℃，保温30min；在水中淬火，放置空气中12h，后进行人工时效，人工时效温度为185℃，保温12h。
从上述加工完成的铝合金挤压棒材中取样，用来测试拉伸性能，所得结果见表1。
从表中数据可以看出，作为本发明主题的二次挤压形变热处理证明了在强度和延伸率方面有明显改善，延伸率提高的同时，强度保持和二次挤压变形前棒材相似甚至略高。
表1
实施例2
三根通过DC铸造(直接水冷半连续铸造)的Al-Cu-Mg系合金，铝合金棒材直径Φ152mm，车皮后直径为Φ150mm；其中Al-Cu-Mg合金化学成分按质量百分比为：Cu:4.24％，Mg:1.41％，Mn:0.64％，Fe:0.17％，Si:0.09％，Zn:0.0074％，Ti:0.06％，Cr:0.02％，余量为Al。三根铝合金铸锭分别采取的形变热处理方式如下。
棒材A
Al-Cu-Mg合金铸造结束后进行均匀化退火处理，将Al-Cu-Mg合金加热10h至450℃，开始保温；均匀化处理温度为450℃，保温时间为12h，随后于空气中冷却至室温；将合金重新加热至450℃，保温4h，开始一次挤压(反向挤压)，一次挤压初始温度为450℃，挤压结束后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，挤压后铝合金棒材直径为Φ50mm。然后进行固溶处理，固溶处理温度为500℃，保温30min；在水中淬火，放置空气中人工时效12h，人工时效温度为185℃，保温12h。
棒材B
Al-Cu-Mg合金铸造结束后将Al-Cu-Mg合金加热至450℃，保温4h，开始一次挤压(反向挤压)，挤压初始温度为450℃，挤压结束后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，挤压后铝合金棒材直径为Φ50mm。一次挤压结束后，重新将Al-Cu-Mg合金加热至430℃，保温1h，开始二次挤压(反向挤压)，二次挤压初始温度为430℃，挤压后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，二次挤压后铝合金棒材直径为Φ12mm；然后进行固溶处理，固溶处理温度为500℃，保温30min；在水中淬火，放置空气中12h，进行人工时效，人工时效温度为185℃，保温12h。
棒材D
Al-Cu-Mg合金铸造结束后将Al-Cu-Mg合金加热至450℃，保温4h，开始一次挤压(反向挤压)，挤压初始温度为450℃，挤压结束后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，挤压后铝合金棒材直径为Φ50mm。一次挤压结束后将棒材进行均匀化退火处理，将Al-Cu-Mg合金加热10h至490℃，均匀化退火温度为490℃，保温时间为24h，然后随炉冷却3h至415℃，取出放入空气中冷却至室温；将Al-Cu-Mg合金加热至430℃，保温1h，开始二次挤压(反向挤压)，二次挤压初始温度为430℃，挤压后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，二次挤压后铝合金棒材直径为Φ12mm；然后进行固溶处理，固溶处理温度为500℃，保温30min；在水中淬火，放置空气中12h后，进行人工时效，人工时效温度为185℃，保温12h。
从上述加工完成的铝合金挤压棒材中取样，用来测试拉伸性能，所得结果见表2。
从表中数据可以看出，作为本发明主题的二次挤压形变热处理证明了在强度和延伸率方面提高明显，延伸率提高的同时，强度也有明显提高。
表2
实施例3
三根通过DC铸造(直接水冷半连续铸造)的Al-Cu-Mg系合金，铝合金棒材直径Φ152mm，车皮后直径为Φ150mm；其中Al-Cu-Mg合金化学成分按质量百分比为：Cu:4.50％，Mg:1.75％，Mn:0.74％，Fe:0.15％，Si:0.04％，Zn:0.0056％，Ti:0.043％，Cr:0.015％，余量为Al。三根铝合金铸锭分别采取的加工方式如下。
棒材E
Al-Cu-Mg合金铸造结束后进行均匀化退火处理，将Al-Cu-Mg合金加热10h至450℃，开始保温；均匀化处理温度为450℃，保温时间为12h，随后于空气中冷却至室温；将合金加热至450℃，保温4h，开始一次挤压(反向挤压)，一次挤压初始温度为450℃，挤压结束后温度为390℃，挤压后铝合金棒材直径为Φ50mm。然后进行固溶处理，固溶处理温度为520℃，保温30min，在水中淬火，放置空气中12h后，进行人工时效，人工时效温度为185℃，保温12h。
棒材F
Al-Cu-Mg合金铸造结束后将Al-Cu-Mg合金加热至450℃，保温4h，开始一次挤压(反向挤压)，挤压初始温度为450℃，挤压结束后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，挤压后铝合金棒材直径为Φ50mm。一次挤压结束后，将Al-Cu-Mg合金温度加热至430℃，保温1h，开始二次挤压(反向挤压)，二次挤压初始温度为430℃，挤压后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，二次挤压后铝合金棒材直径为Φ12mm；然后进行固溶处理，固溶处理温度为520℃，保温30min，在水中淬火，放置空气中12h后，进行人工时效，人工时效温度为185℃，保温12h。
棒材G
Al-Cu-Mg合金铸造结束后将Al-Cu-Mg合金加热至450℃，保温4h，开始一次挤压(反向挤压)，挤压初始温度为450℃，挤压结束后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，挤压后铝合金棒材直径为Φ50mm。一次挤压结束后将棒材进行均匀化退火处理，将Al-Cu-Mg合金加热10h至470℃，均匀化退火温度为470℃，保温时间为24h，然后随炉冷却3h至415℃，取出放入空气中冷却至室温；重新将Al-Cu-Mg合金加热至430℃，保温1h，开始二次挤压(反向挤压)，二次挤压初始温度为430℃，挤压后温度为390℃，随后于空气中冷却至室温，二次挤压后铝合金棒材直径为Φ12mm；然后进行固溶处理，固溶处理温度为520℃，保温30min；在水中淬火，放置空气中12h后，进行人工时效，人工时效温度为185℃，保温12h。
表3

Claims (6)

1.一种同时提高铝合金强度和延伸率的方法，其特征在于：所述方法为：
将Al-Cu-Mg系合金铸锭进行一次挤压，再进行均匀化退火处理，均匀化退火处理后再进行二次挤压，制成所需的尺寸规格的产品后进行固溶时效处理，
所述一次挤压和二次挤压均采用反向挤压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述Al-Cu-Mg系合金由下述组分组成，化学成分按质量百分比为：Cu：3.8％～4.9％，Mg：1.2％～1.8％，Mn：0.30％～0.9％，Fe：≤0.50％，Si：≤0.50，Zn：≤0.25％，Ti：≤0.15％，Cr：≤0.10，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述一次挤压为反向挤压，挤压温度在400～450℃之间，挤压比在4.7～25.6之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述均匀化退火处理在一次挤压后进行，具体为：均匀化退火温度为465～495℃，均匀化退火时间为8～36h，随炉冷却。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述二次挤压在均匀化退火后进行，二次挤压为反向挤压，挤压温度在400～450℃之间，挤压比在8～50之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述固溶时效处理，具体为：固溶处理温度为480℃～520℃，处理时间为0.5h～2h；固溶后进行水淬，然后进行人工时效处理，人工时效处理的温度范围为170℃～200℃，时间为8h～12h。
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