CN107937842B - 一种Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金的热处理方法，采取固溶‑淬火‑多级时效制度，包括以下步骤：(1)固溶和淬火：将Al‑Zn‑Mg‑Cu铝合金的锻件进行固溶和淬火处理，固溶温度为470～478℃；(2)第一次时效：第一次时效温度为125℃，保温时间为30‑180min；(3)粗加工：对第一次时效处理后的锻件进行水冷，然后进行粗加工；(4)第二次时效：第二次时效温度为50～55℃，保温时间7～30天；(5)第三次时效：第三次时效温度为135～165℃，保温时间6～45h。本发明在提高铝合金疲劳性能、耐蚀性的同时，强度仍然保持较高水平。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料及其热加工领域，具体涉及到一种Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu系合金属时效可强化铝合金，具有密度低、强度高和耐腐蚀性能好等诸多优点，广泛用于航空航天、海洋及轨道交通等领域，尤其多应用于轴类、环类、支撑类等承力构件，这种部件对韧性、耐腐蚀性和抗疲劳性都有较高的需求。
该系列合金常采用多级热处理的方法获得以上综合性能需求，一些双级时效制度，如T74、T76等制度可以获得良好的韧性和耐蚀性，但强度下降严重。回归再时效处理，可以获得良好的综合性能，但由于回归时间短，大多应用于薄构件。此外，铝合金锻件在后续加工成为零件的过程中，由于锻件成形和淬火过程中残余应力的存在使得精密加工时容易产生较大误差，常需要在精加工前静置一段时间后再进行精密加工。
对合金进行时效处理，一般有双级时效或三级时效制度。《Al-Zn-Mg-Cu合金热处理工艺及组织性能研究》，中南大学博士论文，确定了Al-Zn-Mg-Cu合金的最佳回归再时效工艺为120℃/25h+190℃/10min+120℃/25h。在此条件下，合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率和电导率分别为554MPa、507MPa和35.4％IACS，与T6态合金性能相当。其研究了Al-Zn-Mg-Cu合金的回归温度可以选在出现吸热峰a的温度，因为在该温度条件下合金中的强化粒子发生了溶解，这正好满足回归处理的目的。通过研究回归时间和回归温度对合金性能的影响，回归时间越长，硬度整体上呈现下降趋势。
三级时效的处理温度，首先进行峰时效，在晶内、晶界形成大量时效析出相，晶界析出相连续；再在高于峰时效温度和低于固溶处理温度下进行短时加热，即回归处理，使晶内析出相回溶，晶界析出相合并，呈不连续分布；最后再进行峰时效，晶内重新析出η′相，晶界析出相仍不连续。
申请号为201010518020.X的发明专利公开了一种高强铝合金的热处理工艺，该工艺对高强铝合金依次进行固溶处理、一次淬火处理、高温短时时效处理、二次淬火处理、中温短时时效处理、低温长时时效处理，本方案的第一级时效温度为120±3℃，保持时间为4-6h；第二级时效温度为155±3℃，保持时间为24-28h，第三级时效温度为120±3℃，保持时间为4-6h。本工艺改善了合金的综合力学性能，并提高了抗腐蚀性能，扩大了高强铝合金的应用范围，但是该发明三级时效处理步骤是连续的，中间未包含粗加工步骤，因此铝合金锻造残余应力和淬火残余应力得不到及时完全的释放，导致最终铝合金的疲劳性能、耐蚀性较差，此外，铝合金的力学性能也较差，生产周期也较长。
澳大利亚CSIOR公司开发了T6I6和T6I4等热处理技术，其中，T6I6处理工艺包括三个阶段：首先合金在T6温度短时预时效(一般为120℃预时效80min)，使合金处于欠时效状态，随后在较低温度长时间二次时效(一般在60℃，15d)，最后在T6温度下再时效(120℃，18h)，但是其处理后的铝合金电导率只有31IACS％左右，耐腐蚀性能很差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法，该方法的目的在于提高Al-Zn-Mg-Cu铝合金锻件的疲劳性能和耐蚀性能的同时，强度仍保持较高的水平。
本发明的内容，包括以下步骤：
(1)固溶和淬火：将Al-Zn-Mg-Cu铝合金的锻件进行固溶和淬火处理，固溶温度为470～478℃；
(2)第一次时效：第一次时效温度为125℃，保温时间为30-180min；
(3)粗加工：对第一次时效处理后的锻件进行水冷，然后进行粗加工，粗加工的表面加工余量Z使用公式Z＝k1(d1-d2)获得，k1为0.2～0.8，优选为0.2-0.5，d1为锻件截面厚度，d2为零件截面厚度；
(4)第二次时效：第二次时效温度为50～55℃，保温时间7～30天；
(5)第三次时效：第三次时效温度为135～165℃，保温时间6～45h。
本发明的锻件为待处理的部件，本发明的零件表示处理完毕后的部件，表面加工余量优选为0.1-5mm。
优选的，所述固溶的保温时间t使用公式t＝tc+k2d3获得，tc为基本保温时间，取值范围为40～60min，k2为锻件厚度相关的参数，取值范围为0.5～1.2，d3为锻件截面最大厚度。
优选的，所述固溶温度为477℃，固溶的保温时间为120min。
优选的，所述第一次时效的保温时间为30min。
优选的，所述粗加工步骤的表面加工余量Z为0.5mm。
优选的，所述第二次时效的温度为50℃，保温时间为10天。
优选的，所述第三次时效温度为150℃，保温时间为36h。
本发明的有益效果有：
本发明通过铝合金固溶和淬火，第一次时效后，使铝合金中获得大量的GPⅠ区和部分η′相，位错及位错组态，使得铝合金锻造残余应力和淬火残余应力初步释放，以利于进行粗加工；后经第二次时效，铝合金获得大量的GPⅡ区，并进一步消减锻造残余应力和淬火残余应力以及加工残余应力，从而提高加工精度；最后在第三次时效过程中获得大量细小弥散分布的强化相，进一步调控析出相析出行为，从而在提高Al-Zn-Mg-Cu系合金锻件的疲劳性能、耐蚀性的同时，强度仍然保持较高水平。
本发明的第二次时效的处理温度低于第一次时效和第三次时效，采用的是低温长时的方式进行时效处理。Al-Zn-Mg-Cu合金热处理工艺及组织性能研究中，提到：第二次时间的处理温度要高于第一次和第三次时效的处理温度，目前现有技术中采用的回归时效温度一般都高于第一次和第三次时效温度。但是，本发明采用第二次时效温度为50～70℃，保温时间7～30天，可以显著的提高锻件的各项性能指标。
本发明在第一次时效处理后，对锻件进行了粗加工处理，并且提高了第三次时效处理的温度，本发明相对于T6I6时效处理制度，其优点为在提高耐腐蚀性能、疲劳性能的同时强度仍保持较高水平。
本发明的工艺方法操作简便，效果显著，相比经过时效处理后加工锻件，有利于成形/成性同时进行，节约成本，相对于自然时效来说，缩短了生产周期，工业生产中具有实际应用价值。
附图说明
图1为实施例1的铝合金试样a锻件图。
图2为实施例2的铝合金试样b锻件图。
图3为经本发明热处理的铝合金拉伸SEM断口形貌，a、b分别对应试样a和试样b。
图4为经本发明热处理的铝合金剥落腐蚀形貌，a、b分别对应试样a和试样b。
图5为经本发明热处理后铝合金TEM明场像图片，a1、a2分别对应试样a的晶内、晶界析出相，b1、b2分别对应试样b的晶内、晶界析出相。
具体实施方式
实施例1
试样a为截面厚度最大为100mm的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金锻件，锻件图见图1。
采用477℃空气炉固溶180min后水淬；第一次时效温度选取125℃，时效时间为0.5h；水冷后进行粗加工，表面加工余量为0.7；随后进行第二次时效，时效温度55℃，时效时间240h；最后进行第三次时效，时效温度为150℃，时效时间为36h；室温冷却后进行精加工。
对上述锻件进行测试，测试方法如下：
力学性能测试：按照GB/T 228-2002制成标准拉伸试样，拉伸实验在CSS-44100万能材料力学拉伸机上进行，拉伸速度为2mm/min，得到抗拉强度(σb)、屈服强度(σ0.2)以及延伸率(δ)。
电导率(IACS)测试：按照GB/T 12966-2008铝合金电导率涡流测试方法进行。
剥落腐蚀测试：按照GB/T 22639-2008铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法制取试样并进行实验。
疲劳循环次数测试：按照GB/T 3075-2008试验方法制样，在载荷为150MPa，频率50HZ，应力比R＝-1的条件下，记录循环次数。
各项测试结果见表1。
实施例2
试样b为截面厚度最大为50mm的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金锻件，锻件图见图2。
采用477℃空气炉固溶120min后水淬；第一次时效温度选取125℃，时效时间为0.5h；水冷后进行粗加工，表面加工余量为0.5；随后进行第二次时效，时效温度50℃，时效时间192h；最后进行第三次时效，时效温度为150℃，时效时间为36h；室温冷却后进行精加工。
试样b的测试方法同实施例1，测试结果见表1。
对比例1
试样a为截面厚度最大为100mm的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金锻件，锻件图见图1。
试样a的热处理方法参考申请号为201410032473.X的发明专利的实施例。
试样a的测试方法同实施例1，测试结果见表1。
对比例2
按照《自然时效对Al-Zn-Mg-Cu合金淬火敏感性的影响》，中南大学学报(自然科学版)，第46卷第6期，2015年6月的方法，对试样a进行实验。即：试样在SX-4-10型箱式电阻炉中加热至470℃进行固溶，保温1h后转移到末端淬火装置上进行喷水冷却，水温约为20℃。待试样完全冷却至室温后，将试样从中间切开，此后样品放在室温下进行自然时效，自然时效时间为180天。
试样a的测试方法同实施例1，测试结果见表1。
对比例3
采用T6I6时效处理制度，对试样a进行处理。T6I6时效处理制度为：首先合金在T6温度短时预时效(为120℃预时效80min)，使合金处于欠时效状态，随后在较低温度长时间二次时效(60℃，15d)，最后在T6温度下再时效(120℃，18h)，其他步骤同实施例1。
表1试样的测试结果表
通过表1可知，实施例1采用本发明提供的热处理方法得到的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金锻件的各项综合性能优于对比例1。这是因为第一次时效后铝合金中获得大量的GPⅠ区和部分η′相，位错及位错组态，使得铝合金锻造残余应力和淬火残余应力初步释放，以利于进行粗加工，后经第二次低温长时时效，铝合金获得大量的GPⅡ区，并进一步消减锻造残余应力和淬火残余应力以及加工残余应力，从而提高加工精度；最后在第三次时效过程中获得大量细小弥散分布的强化相，进一步调控析出相析出行为，从而在提高Al-Zn-Mg-Cu系铝合金锻件的疲劳性能、耐蚀性的同时，强度仍然保持较高水平。
通过表1可知，实施例1采用本发明提供的热处理方法得到的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金锻件的各项综合性能优于对比例2，且处理时间明显低于自然时效的处理时间。
通过表1可知，实施例1采用本发明提供的热处理方法得到的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金锻件的电导率和耐蚀性明显优于对比例3。
综合上述实施例与对比例之间的比较分析，可知，实施例1采用本发明提供的热处理方法得到的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金锻件，在提高耐腐蚀性能、疲劳性能和电性能的同时，强度仍保持较高水平，改善了T6I6时效处理后的腐蚀性能和电导性能。
Claims (7)
1.一种Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)固溶和淬火：将Al-Zn-Mg-Cu铝合金的锻件进行固溶和淬火处理，固溶温度为470～478℃；固溶的保温时间t使用公式t＝tc+k2d3获得，tc为40～60min，k2为0.5～1.2，d3为锻件截面最大厚度；
(2)第一次时效：第一次时效温度为125℃，保温时间为30-180min；
(3)粗加工：对第一次时效处理后的锻件进行水冷，然后进行粗加工，粗加工的表面加工余量Z使用公式Z＝k1(d1-d2)获得，k1为0.2～0.8，d1为锻件截面厚度，d2为零件截面厚度；
(4)第二次时效：第二次时效温度为50～55℃，保温时间7～30天；
(5)第三次时效：第三次时效温度为135～165℃，保温时间6～45h。
2.如权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法，其特征在于，k1为0.2～0.5。
3.如权利要求1所述的Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法，其特征在于，所述固溶温度为477℃，固溶的保温时间为120min。
4.如权利要求1、2或3所述的Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法，其特征在于，所述第一次时效的保温时间为30min。
5.如权利要求1、2或3所述的Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法，其特征在于，所述粗加工步骤的表面加工余量Z为0.5mm。
6.如权利要求1、2或3所述的Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法，其特征在于，所述第二次时效的温度为50℃，保温时间为10天。
7.如权利要求1、2或3所述的Al-Zn-Mg-Cu铝合金的热处理方法，其特征在于，所述第三次时效温度为150℃，保温时间为36h。
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