CN107641779A - 用于cnc加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，该工艺包括：固溶处理、淬火处理、时效处理。经本发明工艺热处理后的板材综合性能优越。抗拉强度：380~500MPa，屈服强度：360~470MPa，延伸率：10~18%，电导率：26~45%IACS，硬度：170~210HV，残余应力：‑40~‑2MPa；相同铝合金通过T6热处理的性能：抗拉强度：300~430Mpa，屈服强度：280~400MPa，延伸率：5~10%，电导率：20~30 IACS，硬度140~165HV，残余应力：‑190~‑70MPa。

Description

用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种改善7系铝合金淬火残余应力的热处理工艺。

背景技术

7系铝合金属于热处理可强化铝合金，由于其具有高强、高耐蚀、高耐磨、阳极氧化及着色性能优良等优点，广泛应用于3C产品的壳体材料。在合金轧制成板材之后为了获得优良的机械性能会对合金进行固溶淬火处理，通常会采用水作为淬火介质。但其冷却速度过快，板材的表面和心部冷却速率相差很大，造成内外应力不同，在板材CNC（数控机床）加工过程中容易发生翘曲变形，也明显降低了材料的抗蚀性能和疲劳性能。

传统工艺3C产品的外壳和边框采用的是铸造成型方法，将熔化的合金注入耐高温的材料制作的模具内，冷却得到预期形状制品，其缺点是易产生气孔、致密性差、表面光洁度低，不宜生产薄壁零件。随着数控技术的发展，大多数电脑、手机等3C产品生产厂商采用CNC金属一体成型，比如手机的机身和边框都是一整块铝合金CNC加工而成，尺寸更加的精确，成本更为低廉。这就要求CNC加工过程中铝合金板材具有更为优异的性能，对于7系铝合金在高强度和耐磨性等性能优良条件下，目前出现的问题是在热处理过程中，淬火后产生的残余应力在CNC加工过程中出现翘曲和尺寸不稳定的现象。针对这个问题，西南铝业采用预拉伸消除残余应力，但是对于3C产品精密件而言，在残余应力消除后继续拉伸时，加工硬化急剧增加同时会产生拉应力，工艺条件不易控制。

发明内容

本发明的目的在于针对7系铝合金板在固溶淬火后出现的残余应力影响后续的CNC加工的问题点，本发明提供一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺。

为实现上述内容，本发明采用如下技术方案：

一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，所使用的7系铝合金的化学成分（质量%）为Zn：5.50~8.00%，Mg：1.50~3.60%，Mn：0.01~0.10%，Cu：0.12~0.36%，Zr：0.02~0.28%，Ti：0.01~0.10%，其余为Al和其他不可避免的杂质。7系铝合金热轧板的制备方法包括：将7系铝合金使用中频炉熔炼，熔炼温度：710~750℃，保温20min，除气，除渣，进行半连铸铸造成方锭，浇注温度：690~710℃；铸锭均匀化温度：565℃保温9h；铣面去氧化皮；轧制工艺：热轧温度为450℃，轧制变形量80%；淬火介质为PAG类聚合物水溶液。

一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，包括以下工艺步骤：固溶处理——淬火——时效。

(1) 固溶处理

将上述合金成分的2~10mm厚的铝合金热轧板加工成200×150mm的板材，将板材随炉加热至440~480℃并保温3~4h。

(2) 淬火

将上述固溶后的铝合金板转移到淬火介质中，并对淬火介质进行搅拌处理；转移时间要求小于3s，淬火介质为PAG类聚合物水溶液，淬火介质温度为20~80℃，淬火介质浓度为10~50wt%，淬火介质搅拌速率为100~200r/s。

(3) 时效

淬火后的7系铝合金板材进行时效处理，条件为一级时效温度60~120℃，时间2~10h，二级时效温度80~140℃，时间0.5~12h。

本发明的机理简述如下：

淬火机理：为了获得足够的强度与韧性，各种3C板材必须进行固溶处理。当材料从500℃左右的高温快速冷却到较低温度时，在冷却过程中引入了很大的热应力梯度，表面冷却速度快而心部冷却速度慢，表现出板材的表面呈现压应力而内部呈现拉伸应力，从而在CNC加工工程中板材出现翘曲和变形。发明人经过长期研究得知：PAG类聚合物具有逆溶性，利用这一特性在淬火过程中，不同浓度的PAG类聚合物水溶液，聚合物在高温下可以紧紧吸附在铝合金板材表面形成隔热层，从而降低了板材表面冷却速率，随着板材的冷却有机介质薄膜逐渐溶解，变成均匀水溶液，从而获得均匀的淬火冷却效果，通过适当的浓度配比心使板材达到最优的均匀冷却速率，从而降低铝合金板材的淬火残余应力。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1）成本低、制备工艺流程简单、容易实现工业化。具体为，第一、淬火液PAG类聚合物水溶液只需投入一次成本，后续仅需要调节浓度及温度；第二、PAG水溶液工艺流程简单化，可以循环使用；第三、相比预拉伸降低残余应力工艺，所需时间更短，且应用面更广，对于大板材依旧适用。所述的淬火后板材性能稳定，板材的垂直和平行轧制方向的残余应力能到-10~0MPa且不会造成加工硬化现象，而相同铝合金板材通过水淬火后淬火垂直和平行轧制方向的应力为-30~-130MPa。

2）经本发明工艺热处理后的板材综合性能优越。抗拉强度：380~500MPa，屈服强度：360~470MPa，延伸率：10~18%，电导率：26~45%IACS，硬度：170~210HV，残余应力：-40~-2Mpa；

相同铝合金通过T6热处理的性能：抗拉强度：300~430Mpa，屈服强度：280~400MPa，延伸率：5~10%，电导率：20~30 IACS，硬度140~165HV，残余应力：-190~-70MPa。

具体实施方式：

本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。

实施例1

一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，包括如下工艺步骤：

(1) 固溶处理

合金坯料按重量百分比的化学组成为：Zn：6.01%，Mg：1.50%，Mn：0.01%，Cu：0.12%，Zr：0.112%，Ti：0.025%，其余为Al和其他不可避免的杂质；将上述组分的铝锭加工成200×150×5.8mm板材，将板材随炉加热至470℃并保温3h；

(2) 淬火处理

将上述固溶后的铝合金板转移到淬火介质中，并对淬火介质进行搅拌处理。工艺参数为：

转移时间： ＜3s，

淬火介质： AQ-251聚合物水溶液，

淬火介质温度： 40℃，

淬火介质浓度： 30wt%，

淬火介质搅拌速率： 150r/s；

(3) 时效处理

一级时效温度为80℃，保温10h，

二级时效温度为130摄氏度，保温3h；

对实施例1处理后的铝合金板材进行力学性能实验，该板材屈抗拉强度为462MPa，服强度为435MPa，延伸率为12.0%，硬度183.4HV，电导率为36%IACS，残余应力为L-T（0°）：-5.1MPa，T-L（90°）：-6.3MPa。

实施例2

一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，包括如下工艺步骤：

(1) 固溶处理

合金坯料按重量百分比的化学组成为：Zn：6.30%，Mg：1.31%，Mn：0.10%，Cu：0.12%，Zr：0.072%，Ti：0.10%，其余为Al和其他不可避免的杂质；将上述组分的铝锭加工成200×150×8mm板材，将板材随炉加热至470℃并保温4h；

(2) 淬火处理

将上述固溶后的铝合金板转移到淬火介质中，并对淬火介质进行搅拌处理。工艺参数为：

转移时间： ＜3s，

淬火介质： HS60-40聚合物水溶液，

淬火介质温度： 20℃，

淬火介质浓度： 35wt%，

淬火介质搅拌速率： 160r/s；

(3) 时效处理

一级时效温度为80℃，保温10h，

二级时效温度为140摄氏度，保温5h；

对实施例2处理后的铝合金板材进行力学性能实验，该板材屈抗拉强度为473MPa，服强度为442MPa，延伸率为13.4%，硬度190.4HV，电导率为34%IACS，残余应力为L-T（0°）：-4.5MPa，T-L（90°）：-2.7MPa。

实施例3

一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，包括如下工艺步骤：

(1) 固溶处理

Ⅲ合金坯料按重量百分比的化学组成为：Zn：6.88%，Mg：1.94%，Mn：0.01%，Cu：0.12%，Zr：0.132%，Ti：0.029%，其余为Al和其他不可避免的杂质；将上述组分的铝锭加工成200×150×2mm板材，将板材随炉加热至470℃并保温3h；

(2) 淬火处理

将上述固溶后的铝合金板转移到淬火介质中。工艺参数为：

转移时间： ＜3s，

淬火介质： AQ-251聚合物水溶液，

淬火介质温度： 50℃，

淬火介质浓度： 25wt%，

淬火介质搅拌速率： 140r/s；

(3) 时效处理

一级时效温度为70℃，保温3h，

二级时效温度为120摄氏度，保温12h；

对实施例3处理后的Ⅲ铝合金板材进行力学性能实验，该板材屈抗拉强度为481MPa，服强度为451MPa，延伸率为16.0%，硬度194.4HV，电导率为41%IACS，残余应力为L-T（0°）：-2.0MPa，T-L（90°）：-3.4MPa。

该实施例并不一定是本发明的最佳实施例，只要发明内容中工艺过程及工艺参数在本发明的范围内，都属于本发明要求的内容，都受到本发明的保护。

Claims (4)

1.一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

（1）固溶处理：将200×150mm×2~10mm的7系铝合金热轧板加热至440-480℃并保温3~4h；

（2）淬火处理：将固溶后的7系铝合金热轧板转移到淬火介质中，并对淬火介质进行搅拌处理；其中转移时间小于3s，淬火介质为10~50wt%的PAG类聚合物水溶液，淬火介质温度为20~80℃，淬火介质搅拌速率为100~200r/s；

（3）时效处理：淬火后的7系铝合金板材进行时效处理，条件为一级时效温度60~120℃，时间2~10h，二级时效温度80~140℃，时间0.5~12h。

2.根据权利要求1所述一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，其特征在于，所述的PAG类聚合物水溶液包括AQ-251聚合物水溶液、HS60-40聚合物水溶液。

3.根据权利要求1或2所述一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，其特征在于，所述7系铝合金热轧板的制备方法包括：将7系铝合金使用中频炉熔炼，熔炼温度：710~750℃，保温20min，除气，除渣，进行半连铸铸造成方锭，浇注温度：690~710℃；铸锭均匀化温度：565℃保温9h；铣面去氧化皮；轧制工艺：热轧温度为450℃，轧制变形量80%。

4.根据权利要求3所述一种用于CNC加工的7系铝合金改善残余应力的热处理工艺，其特征在于，所述7系铝合金的化学成分按质量百分数计为Zn：5.50~8.00%，Mg：1.50~3.60%，Mn：0.01~0.10%，Cu：0.12~0.36%，Zr：0.02~0.28%，Ti：0.01~0.10%，其余为Al和其他不可避免的杂质。