CN108220851B - 一种金属结构件及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属结构件及其加工方法，属于金属材料复合热处理技术领域。本发明的金属结构件的加工方法，包括以下步骤：将预加工金属结构件进行第一次振动时效处理，然后进行热处理，再进行第二次振动时效处理。本发明的金属结构件的加工方法，能够使金属结构件的残余应力下降40～60％，并且使产品的尺寸精度得到明显改善，减少加工过程中发生超出允许范围的变形情况，大大降低了残次品率；此外，还能增强金属结构件的力学性能，如采用本发明的金属结构件的加工方法对铝合金铸件进行加工，所得的产品的抗拉强度能够达到385MPa。

Description

一种金属结构件及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种金属结构件及其加工方法，属于金属材料复合热处理技术领域。
背景技术
金属结构件在铸造、锻造、焊接、热处理及机械加工过程中，由于热胀冷缩的作用或由于受到过外力的作用，结构件内部存在着残余应力或局部应力集中。结构件中的残余应力大多数表现出很大的危害作用，如降低结构件的强度，降低工件的疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使结构件产生变形，影响了结构件的尺寸精度。例如对于铝合金结构件，特别是对于产品加工精度要求很高的薄壁复杂整体铸造成形的铝合金结构件，在经过热处理强化及机械加工后产品局部经常出现变形导致尺寸超差，造成产品报废。因此，降低和消除铝合金结构件的残余应力，就显得十分必要。
现有技术中，广泛应用的消除残余应力的工艺方法有两种：振动时效处理和热时效处理。振动时效处理，就是使工件在激振力的作用下产生共振，让工件需时效部位产生一定幅度、一定周期的交变运动并吸收能量，使工件内部发生一定的微观塑性变形，从而在一定程度上降低和均化工件内部的残余应力。振动时效处理能够消除残余应力，但其只是单纯地消除残余应力，不能改变材料的金相组织，因而不能有效提高材料力学性能，从而采用该消除残余应力的方法不能得到力学性能达到设计要求的产品。热时效处理，即对铸造铝合金，采用稳定化处理；对于锻造铝合金，则采用退火处理；一般稳定化处理温度达300℃以上，退火温度达330～400℃。热时效处理消除残余应力的方法虽然能够使残余应力得以充分释放，并且应力峰值得以显著降低，但它们在消除应力的同时也会使材料的力学性能，尤其是硬度和抗拉强度显著降低；并且一般处理时间比较长，严重拖延了产品的流转过程，因此，采用热时效处理来充分消除残余应力必将使产品力学性能降低而且降低流转效率而不能满足产品的设计要求。
包括铝合金结构件在内的金属结构件，虽然可以采用振动时效处理或热时效处理消除应力，减小因残余应力导致的局部变形，但经过处理后的产品的力学性能难以满足需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属结构件的加工方法，该方法不仅能消除金属结构件的残余应力，还能提高其力学性能。
本发明还提供了一种采用上述加工方法得到的金属结构件。
为了实现以上目的，本发明的金属结构件的加工方法所采用的技术方案是：
一种金属结构件的加工方法，包括以下步骤：将预加工金属结构件进行第一次振动时效处理，然后进行热处理，再进行第二次振动时效处理。
本发明的金属结构件的加工方法，在对预加工金属结构件进行热处理前后分别进行振动时效处理，能够大大缩短产品的流转时间、降低金属结构件的残余应力，并提高产品的加工精度。
本发明的金属结构件的加工方法，能够使金属结构件的残余应力下降40～60％，并且使产品的尺寸精度得到明显改善，减少加工过程中发生超出允许范围的变形情况，大大降低了残次品率；此外，还能增强金属结构件的力学性能，如采用本发明的金属结构件的加工方法对铝合金铸件进行加工，所得的产品的抗拉强度能够达到385MPa，本发明的加工方法在既要求力学性能又要求应力去除效果的铝合金等有色金属材料领域具有良好的应用前景。
本发明的金属结构件的加工方法，适用于铝合金铸件，特别是薄壁铝合金铸件的加工，此外，还适用于其他预加工金属结构件，如中低碳钢、中低碳合金钢、合金钢、高强度钢、不锈钢、铸铁、其它有色金属及合金等金属结构件。针对不同材质的金属结构件，采用不同的热处理方法，如对于铝合金金属结构件，所述热处理就是对铝合金金属结构件进行固溶和热时效处理。
所述预加工金属件是指机加工后的铸件，如粗加工、半精加工或精加工之后的铸件。
所述预加工金属结构件在进行第一次振动时效处理前，还要进行预振动时效处理。
所述预加工金属结构件在进行第一次振动时效处理前，先进行粗加工，然后依次进行振动时效处理和半精加工。
所述预加工金属结构件的制备方法，包括以下步骤：将铸件先进行粗加工，然后再依次进行预振动时效处理和半精加工，即得。
对于浇铸件，粗加工过程中，在不影响后续振动时效处理的前提下，可保留铸件表面的浇道痕迹。对于复杂薄壁铝合金铸件，可粗加工至单边预留5～8mm的余量。
所述预振动时效处理的时间为40～60min。
对于浇铸件，半精加工过程中，根据浇铸件表面尺寸扫描的要求，对铸件表面进行加工处理至表面平整，无突出铸块。对于复杂薄壁铝合金铸件，可半精加工至单边预留4～6mm的余量。
所述第一次振动时效处理和第二次振动时效处理的时间独立地选自40～60min。
对预加工金属结构件进行预振动时效处理、第一次振动时效处理、第二次振动时效处理时，均可将金属结构件放卡在振动平台上，在所述振动平台上安装激振器和传感器，启动频谱谐波时效、亚共振时效或手动时效的振动模式，通过激振器作间歇或固定频率施振，获得所述预加工金属结构件的振动频率。采用频谱谐波时效、亚共振时效或手动时效的方法进行振动时效处理均可以在不降低材料力学性能的情况下，降低和均化预加工金属结构件内部的残余应力。
进行振动时效处理时，利用激振器产生上述获得的预加工金属结构件的振动频率，使振动有效地分布于预加工金属结构件的各个部分，从而达到消除残余应力的最优效果。所述振动时效处理为频谱谐波时效、亚共振时效或手动时效处理。
所述手动时效可以通过在操作界面上输入一定的转速值，系统以恒定的转速进行振动时效处理，振动时间自行设定。
优选的，所述第一振动时效处理和第二振动时效处理中至少有一个振动时效处理为间歇施振，每阶段振动的时间为6～8min。
优选的，所述预振动时效处理为间歇施振，每阶段振动的时间为6～8min。
优选的，所述热处理为依次进行固溶处理和热时效处理。将人工固溶时效处理与振动时效处理相结合，在满足加工精度的要求下，提高了去除金属结构件内残余应力的效率，并大大提高了产品的流转速度、同时相对于热处理时效去除残余应力降低了能耗。
对于铝合金预加工金属结构件，所述固溶处理是将预加工金属结构件在480～520℃进行第一段保温，然后升温至530～540℃进行第二段保温，然后再升温至545～550℃进行第三段保温，然后淬火；第一段保温的时间为1～3h，第二段保温的时间为1～3h，第三段保温的时间为12～15h。采用三段保温的方法可以减少工件的内外温度差，降低内应力，使内外相变同时进行，避免更大的组织应力。升温到一定温度进行保温处理，可以使得温度均匀升高，避免局部升温过快导致工件开裂。
第一段保温前的升温速率为80～100℃/h，第二段、第三段保温前的升温速率不超过100℃/h。
所述淬火在55～70℃的淬火液中进行。所述淬火液为水。
对于铝合金预加工金属结构件，固溶处理过程中，预加工金属结构件放入用于固溶处理的设备中时，所述设备内温度不大于200℃。固溶处理时的淬火转移时间≤10s。
对于铝合金预加工金属结构件，所述热时效处理是先将预加工金属结构件在150～160℃保温3～5h，再在165～180℃保温4～6h，然后冷却。所述冷却为空冷至室温。采用两段保温的方法进行热时效处理可以在较低温度下使合金获得高密度的原子偏聚区，由于原子偏聚区通常是均匀成核的，当其达到一定的尺寸后，就可以成为随后沉淀相的核心，从而提高组织的均匀性，在稍高的温度下保持一定时间进行最终时效。
优选的，对于铝合金预加工金属结构件，所述热时效处理是将预加工金属结构件以80～100℃/h的速率升温至150～160℃，保温3～5h，然后再以不超过100℃/h的速率升温至在165～180℃，保温4～6h，然后冷却。
对于铝合金金属结构件，热时效处理后还要对预加工金属结构件进行冷却处理。热时效处理后的冷却处理可以采用空冷的方式进行。
对于钛合金预加工金属结构件，所述热处理是将预加工金属结构件在590～610℃保温0.4～0.6h，然后再在640～660℃保温0.4～0.6h，再在710～730℃保温2.5～3.5h，随炉冷却。所述对炉冷却将温度降至300℃以下。
优选的，对于钛合金预加工金属结构件，所述热处理是将预加工金属结构件以80～100℃/h的速率升温至590～610℃，保温0.4～0.6h，然后以不超过100℃/h的速率升温至640～660℃，保温0.4～0.6h，再以不超过100℃/h的速率升温至710～730℃，保温2.5～3.5h，随炉冷却。
对于钛合金金属结构件，进行热处理过程中，放入热处理设备中时，热处理设备内的温度不高于200℃。
本发明的金属结构件所采用的技术方案为：
一种采用上述金属结构件的加工方法得到的金属结构件。
本发明的金属结构件采用上述金属结构件的加工方法得到，应力去除效果明显，残余应力下降40～60％，材料的力学性能够达到产品设计的要求，并且产品的尺寸精度得到明显改善，特别是采用本发明的金属结构件的加工方法制得的铝合金铸件的抗拉强度能够达到385MPa。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例中用于进行加工的薄壁铸造铝合金结构件为ZL114A铝合金；用于加工的薄壁铸造钛合金为ZTC4钛合金。
实施例1
本实施例的金属结构件为薄壁铸造铝合金结构件，金属结构件的加工方法，包括以下步骤：
1)将粗加工后的金属结构件装卡在安装有激振器和传感器的振动平台上，启动激振器的频谱谐波时效模式，通过激振器作间歇式施振，激振器自动识别金属结构件特征，获得金属结构件的振动频率及振动方式：即确定在金属结构件特有的7段不同频率共振动42min，每个频率振动6min；粗加工过程时，在不影响后续振动时效处理的前提下，可保留铸件表面的浇道痕迹；金属结构件粗加工至单边预留8mm的余量；
2)利用获得的金属结构件的振动频率及振动方式，采用激振器的频谱谐波时效模式进行预振动时效处理，使振动有效分布于金属结构件的各个部分；完成预振动时效处理后，将金属结构件进行半精加工，制得预加工金属结构件；半精加工过程中，根据金属结构件表面尺寸扫描的要求，对金属结构件表面进行加工处理至表面平整，无突出铸块；金属结构件半精加工至单边预留6mm的余量；
3)将步骤2)制得的预加工金属结构件按照步骤2)中预振动时效处理的方法进行第一次振动时效处理；将第一次振动时效处理后的预加工金属结构件放入炉内温度为185℃的铝合金固溶处理炉中，以100℃/h的升温速率升温至480℃，保温1h，然后以100℃/h的升温速率升温至540℃，保温1h，再以100℃/h的升温速率升温至548℃，保温12h，然后在10s内转移入65℃的冷却水中进行淬火；
4)再将冷却后的预加工金属结构件放入炉内温度为100℃的铝合金时效处理炉，以100℃/h的升温速率升温至160℃，保温3h，然后再以100℃/h的升温速率升温至165℃，保温5h，然后空冷至室温；
5)将空冷后的预加工金属结构件按照步骤2)中预振动时效处理的方法进行第二次振动时效处理，即得。
本实施例的金属结构件采用上述金属结构件的加工方法制得。
本实施例利用将振动时效与人工固溶时效处理结合在一起按顺序实施的复合去应力处理方法，即通过振动时效处理，采用频谱谐波时效使铸件的残余应力得到部分消除，利于后续加工，减少变形量；通过固溶时效处理，使铸件的力学性能提高，达到产品设计要求；然后再通过振动时效处理，即采用频谱时效使铸件的残余应力进一步降低和均化；从而实现了在有效去除铸件残余应力的同时，使铸件的力学性能达到产品设计要求。
实施例2
本实施例的金属结构件为薄壁铸造铝合金结构件，金属结构件的加工方法，包括以下步骤：
1)将粗加工后的金属结构件装卡在安装有激振器和传感器的振动平台上，启动激振器的亚共振模式，通过激振器作间歇式施振，获得金属结构件的振动频率；粗加工过程时，在不影响后续振动时效处理的前提下，可保留铸件表面的浇道痕迹；金属结构件粗加工至单边预留5mm的余量；
2)利用获得的金属结构件的振动频率，采用激振器的亚共振时效模式进行预振动时效处理，使振动有效分布于金属结构件的各个部分，振动时效处理的时间为60min；完成预振动时效处理后，将金属结构件进行半精加工，制得预加工金属结构件；半精加工过程中，根据金属结构件表面尺寸扫描的要求，对金属结构件表面进行加工处理至表面平整，无突出铸块；金属结构件半精加工至单边预留4mm的余量；
3)将步骤2)制得的预加工金属结构件按照步骤2)中预振动时效处理的方法进行第一次振动时效处理；将第一次振动时效处理后的预加工金属结构件放入炉内温度为100℃的铝合金固溶处理炉中，以80℃/h的升温速率升温至500℃，保温3h，然后以80℃/h的升温速率升温至535℃，保温2h，再以80℃/h的升温速率升温至545℃，保温15h，然后在10s内转移入60℃的冷却水中进行淬火；
4)再将冷却后的预加工金属结构件放入炉内温度为60℃的铝合金时效处理炉，以100℃/h的升温速率升温至150℃，保温5h，然后再以50℃/h的升温速率升温至185℃，保温4h，然后空冷至室温；
5)将空冷后的预加工金属结构件按照步骤2)中预振动时效处理的方法进行第二次振动时效处理，即得。
本实施例的金属结构件采用上述金属结构件的加工方法制得。
实施例3
本实施例的金属结构件为薄壁铸造铝合金结构件，金属结构件的加工方法，包括以下步骤：
1)将粗加工后的金属结构件装卡在安装有激振器和传感器的振动平台上，启动激振器的亚共振模式，通过激振器作间歇式施振，获得金属结构件的振动频率；粗加工过程时，在不影响后续振动时效处理的前提下，可保留铸件表面的浇道痕迹；金属结构件粗加工至单边预留6mm的余量；
2)利用获得的金属结构件的振动频率，采用激振器的亚共振时效模式进行预振动时效处理，使振动有效分布于金属结构件的各个部分，振动时效处理的时间为50min；完成预振动时效处理后，将金属结构件进行半精加工，制得预加工金属结构件；半精加工过程中，根据金属结构件表面尺寸扫描的要求，对金属结构件表面进行加工处理至表面平整，无突出铸块；金属结构件半精加工至单边预留5mm的余量；
3)将步骤2)制得的预加工金属结构件按照步骤2)中预振动时效处理的方法进行第一次振动时效处理；将第一次振动时效处理后的预加工金属结构件放入炉内温度为125℃的铝合金固溶处理炉中，以100℃/h的升温速率升温至520℃，保温2h，然后以100℃/h的升温速率升温至530℃，保温3h，再以100℃/h的升温速率升温至550℃，保温13h，然后在10s内转移入70℃的冷却水中进行淬火；
4)再将冷却后的预加工金属结构件放入炉内温度为45℃的铝合金时效处理炉，以90℃/h的升温速率升温至155℃，保温4h，然后再以60℃/h的升温速率升温至170℃，保温6h，然后空冷至室温；
5)将空冷后的预加工金属结构件按照步骤2)中预振动时效处理的方法进行第二次振动时效处理，即得。
本实施例的金属结构件采用上述金属结构件的加工方法制得。
实施例4
本实施例的金属结构件为薄壁铸造钛合金结构件，金属结构件的加工方法，包括以下步骤：
1)将粗加工后的金属结构件装卡在安装有激振器和传感器的振动平台上，启动激振器的频谱谐波时效模式，通过激振器作间歇式施振，激振器自动识别金属结构件特征，获得金属结构件的振动频率及振动方式：即确定在金属结构件特有的7段不同频率共振动42min，每个频率振动6min；粗加工过程时，在不影响后续振动时效处理的前提下，可保留铸件表面的浇道痕迹；金属结构件粗加工至单边预留8mm的余量；
2)利用获得的金属结构件的振动频率及振动方式，采用激振器的频谱谐波时效模式进行预振动时效处理，使振动有效分布于金属结构件的各个部分；完成预振动时效处理后，将金属结构件进行半精加工，制得预加工金属结构件；半精加工过程中，根据金属结构件表面尺寸扫描的要求，对金属结构件表面进行加工处理至表面平整，无突出铸块；金属结构件半精加工至单边预留6mm的余量；
3)将步骤2)制得的预加工金属结构件按照步骤2)中预振动时效处理的方法进行第一次振动时效处理；将第一次振动时效处理后的预加工金属结构件放入炉内温度180℃的钛合金真空退火炉中，以100℃/h的升温速率升温至600℃，保温0.5h，然后以100℃/h的升温速率升温至650℃，保温0.5h，再以100℃/h的升温速率升温至720℃，保温3h，然后随炉冷却至300℃以下；
4)将冷却后的预加工金属结构件按照步骤2)中预振动时效处理的方法进行第二次振动时效处理，即得。
本实施例的金属结构件采用上述金属结构件的加工方法制得。
对比例1
对比例1的金属结构件为与实施例1完全相同的薄壁铸造铝合金结构件，其加工方法，包括以下步骤：
1)将粗加工后的金属结构件，进一步进行半精加工，然后再将半精加工后的金属结构件放入炉内温度为160℃的铝合金固溶处理炉中，以100℃/h的升温速率升温至480℃，保温1h，然后以100℃/h的升温速率升温至540℃，保温1h，再以100℃/h的升温速率升温至548℃，保温12h，然后在10s内转移入65℃的冷却水中进行淬火；
2)将淬火冷却后的金属结构件放入炉内温度为100℃的铝合金时效处理炉，以100℃/h的升温速率升温至160℃，保温3h，然后再以100℃/h的升温速率升温至165℃，保温5h，然后空冷，即得。
对比例2
对比例2的金属结构件为与实施例4完全相同的薄壁铸造钛合金结构件，其加工方法，包括以下步骤：
将粗加工后的金属结构件，进一步进行半精加工，然后再将半精加工后的金属结构件放入炉内温度170℃的钛合金真空退火炉中，以100℃/h的升温速率升温至600℃，保温0.5h，然后以100℃/h的升温速率升温至650℃，保温0.5h，再以100℃/h的升温速率升温至720℃，保温3h，然后随炉冷却至300℃以下，即得。
对比例3
对比例3的金属结构件为与实施例1完全相同的薄壁铸造铝合金结构件，其加工方法，包括以下步骤：
1)将粗加工后的金属结构件，进一步进行半精加工，然后再将半精加工后的金属结构件放入炉内温度为90℃的铝合金固溶处理炉中，以100℃/h的升温速率升温至480℃，保温1h，然后以100℃/h的升温速率升温至540℃，保温1h，再以100℃/h的升温速率升温至548℃，保温12h，然后在10s内转移入65℃的冷却水中进行淬火；
2)将步骤1)中冷却后的预加工金属结构件装卡在安装有激振器和传感器的振动平台上，启动激振器的亚共振模式，通过激振器作间歇式施振，获得金属结构件的振动频率；
3)利用获得的金属结构件的振动频率，采用激振器的亚共振时效模式进行振动时效处理，即得；振动时效处理过程中，振动有效分布于金属结构件的各个部分，振动时效处理的时间为60min。
对比例4
本对比例的金属结构件为与实施例4完全相同的薄壁铸造钛合金结构件，其加工方法，包括以下步骤：
1)将粗加工后的金属结构件，进一步进行半精加工，然后再将半精加工后的金属结构件放入炉内温度为110℃的钛合金真空退火炉中，以100℃/h的升温速率升温至600℃，保温0.5h，然后以100℃/h的升温速率升温至650℃，保温0.5h，再以100℃/h的升温速率升温至720℃，保温3h，然后随炉冷却至300℃以下；
2)将步骤1)中冷却后的金属结构件装卡在安装有激振器和传感器的振动平台上，启动激振器的亚共振模式，通过激振器作间歇式施振，获得金属结构件的振动频率；
3)利用获得的金属结构件的振动频率，采用激振器的亚共振时效模式进行振动时效处理，即得；振动时效处理过程中，振动有效分布于金属结构件的各个部分，振动时效处理的时间为60min。
实验例
分别测试实施例1～4以及对比例1～4中的加工后的金属结构件的抗拉强度、屈服强度、弹性模量、断后伸长率和残余应力降低百分比，结果见表1。
表1抗拉强度、屈服强度、弹性模量、断后伸长率和残余应力降低百分比
由表1中数据可知，采用本发明的金属结构件的加工方法能够降低金属结构件的残余应力，尤其是降低薄壁铸造铝合金的残余应力。

Claims (4)

1.一种金属结构件的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：进行预振动时效处理，所述预振动时效处理的时间为40~60min；完成预振动时效处理后，将金属结构件进行半精加工，制得预加工金属结构件；将预加工金属结构件进行第一次振动时效处理，然后依次进行固溶处理和热时效处理，再进行第二次振动时效处理；第一次振动时效处理和第二次振动时效处理的时间独立地选自40~60min；所述预加工金属结构件为铝合金预加工金属结构件；所述固溶处理是将预加工金属结构件在480~520℃进行第一段保温，然后升温至530~540℃进行第二段保温，然后再升温至545~550℃进行第三段保温，然后淬火，所述淬火在55～70℃的淬火液中进行；第一段保温的时间为1~3h，第二段保温的时间为1~3h，第三段保温的时间为12~15h；所述热时效处理是先将预加工金属结构件在150~160℃保温3~5h，再在165~180℃保温4~6h，然后冷却。
2.根据权利要求1所述的金属结构件的加工方法，其特征在于：所述第一次振动时效处理和第二次振动时效处理中至少有一个振动时效处理为间歇施振，每阶段振动的时间为6~8min。
3.根据权利要求1所述的金属结构件的加工方法，其特征在于：固溶处理过程中，预加工金属结构件放入用于固溶处理的设备中时，所述设备内温度不大于200℃。
4.一种采用如权利要求1所述的金属结构件的加工方法得到的金属结构件。
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