CN108866463B - 一种低合金化Al-Mg-Si合金的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有色金属材料制造技术领域，具体涉及一种低合金化Al‑Mg‑Si合金的热处理工艺。本发明针对低合金化Al‑Mg‑Si合金挤压制品，采用“高温挤出”、“三级在线淬火冷却”和先高后低的“双级时效”的特殊热处理制度，使合金获得力学性能与电学性能良好的匹配。通过采用本发明的热处理工艺，低合金化Al‑Mg‑Si合金可获得抗拉强度达到150MPa，伸长率达到14%，电导率达到59%IACS以上的性能匹配；或抗拉强度达到180MPa，伸长率达到12%，电导率达到57%IACS以上的性能匹配，本发明的实施，可有效促进Al‑Mg‑Si合金在电力行业的应用。
Description
技术领域
本发明属于有色金属材料制造技术领域，具体涉及一种低合金化Al-Mg-Si合金的热处理工艺。
背景技术
6×××系Al-Mg-Si合金是典型的轻质中强铝合金结构材料，其挤压制品广泛应用于众多领域。低合金化Al-Mg-Si合金主要指6063、6060、6101等Mg、Si元素质量分数总量低于1%的铝合金，此类合金具有很高的塑性、很好的导电导热及耐蚀性能，以及优异的成形性能，可实现高速挤压、薄壁复杂结构和高挤压比成型，但是，其强度性能通常较低，限制了其应用范围。
一般情况下，铝合金的强度与塑性总是存在矛盾的变化规律，即强度提高的同时合金的塑性将下降；同样，铝合金的强度与电导率、强度与挤压速度等，都是较难调和的矛盾参数，工艺的变化总是造成此消彼长的变化。行业中为了获得好的塑性和高的挤压速度，常常降低Al-Mg-Si合金中的Mg、Si元素含量。Al-Mg-Si合金是典型的热处理可强化的铝合金，通过适当的热处理，使合金获得强度性能的提高，是实现此类合金的主要强化方法。这种合金的主要强化相为Mg2Si相。Mg2Si相由Mg和Si元素按一定原子比结合而成，但如果合金中的Mg和Si含量较低，或者没有得到充分利用，热处理将难以使合金获得足够的强度增量。该系列合金优异的导电导热性能是依靠自由电子的运动而实现的，当合金中Mg2Si强化相与基体形成共格或半共格结构时，合金可获得很高的强度性能，但这些强化相引起的晶格畸变区对自由电子的定向运动阻碍作用显著，因而合金的电导率和热导率较低。因此，如何通过科学的热处理工艺的创新改进，使低合金化的Al-Mg-Si合金获得良好的综合性能，成为铝型材挤压行业亟待解决的关键技术问题之一。
发明内容
本发明针对低合金化Al-Mg-Si合金的强度与电导率之间的矛盾，提供的一种低合金化Al-Mg-Si合金的热处理工艺，该工艺是不影响常规生产操作的简便易行的热处理工艺。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种低合金化Al-Mg-Si合金的热处理工艺，其中，包括如下步骤：
步骤S1，挤压：采用常规正向热挤压方法加工成形，控制锭坯加热温度和挤压速度，使挤出模口的合金温度为530~560℃；
步骤S2，淬火：采用分级冷却方式进行在线淬火处理，即控制挤压速度和冷却系统，使挤压合金半制品先在空冷区行进5~10s，随后进入强风快速冷却区，行进时间为20~40s，冷却速度为6~10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温；
步骤S3，时效：采用双级人工时效处理，即对经过在线淬火的合金半制品进行矫直和切定尺后，放入已升温至220~280℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温0.5~1.5小时；然后将合金快速转入已升温至100~140℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温2.5~6.5小时，出炉后空冷。
进一步地，所述挤出模口的合金温度为540~555℃。
进一步地，所述挤压合金半制品先在空冷区行进5~10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为25~35s，冷却速度为8~10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温。
进一步地，所述一级时效热处理，温度为240~270℃，保温时间为0.5~1.0小时；所述二级时效热处理，温度为110~130℃，保温时间3.5~5.5小时，出炉后空冷；两级时效之间转移时间不大于12秒。
更进一步地，所述挤出模口的合金温度为545℃。
更进一步地，所述挤出模口的合金温度为550℃。
更进一步地，所述挤压合金半制品先在空冷区行进5~10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为30s，冷却速度为8~10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温。
更进一步地，所述一级时效热处理，温度为230℃，保温时间为1小时；所述二级时效热处理，温度为110℃，保温时间4小时，出炉后空冷；两级时效之间转移时间不大于12秒。
更进一步地，所述一级时效热处理，温度为260℃，保温时间为1小时；所述二级时效热处理，温度为110℃，保温时间4小时，出炉后空冷；两级时效之间转移时间不大于12秒。
更进一步地，所述一级时效热处理，温度为235℃，保温时间为1小时；所述二级时效热处理，温度为110℃，保温时间4小时，出炉后空冷；两级时效之间转移时间不大于12秒。
本发明的优点是：
1.本发明主要采用“高温挤出”、“三级在线淬火冷却”和先高后低的“双级时效”的热处理工艺，使合金获得的力学性能与电学性能得到良好的匹配。
2.为了使合金中的Mg、Si元素得到充分利用，采取高温强化固溶工艺，即通过提高锭坯加热温度和挤压速度，使挤出模口的合金温度达到530℃以上，并在进入强风淬火前处于空冷，以保持较高温度；在线强风淬火一方面可保持合金的过饱和状态，抑制第二相脱溶，另一方面可减少制品的强冷变形，并保持良好的表面质量；淬火冷却至250℃以下时，合金中的第二相析出过程将变得非常缓慢，此时可再次进行空冷；采用先高后低的“双级时效”工艺，首先是通过高温时效使合金中的第二相均匀弥散析出，并达到过时效状态，然后降低时效温度以抑制第二相的聚集长大。适当的过时效状态虽然使合金强度稍有降低，但可获得很高电导率，并保持较高的塑性，因为过时效使第二相由与基体共格和半共格转变为与基体不共格结构，显著降低了晶格畸变程度，因而提高合金的导电导热性能。随后降低时效温度抑制第二相粗化，是为了减少合金强度降低幅度，因为粗大第二相对合金强化作用较小，且降低合金的塑性和耐腐蚀性能。
3.（1）本发明采用530~560℃的挤出温度，而常规技术一般采用低于530℃的挤出温度。因为低合金化Al-Mg-Si合金中的合金元素含量较低，为了使其充分固溶，所以本发明采用较高的挤出温度。（2）对于低合金化Al-Mg-Si合金，因为其淬火敏感性低，通常挤压时采用在线空冷淬火或一般速度的风冷淬火，而本发明采用“空冷+强风淬火+空冷”的工艺，主要是为了抑制第二相高温脱溶。而这种工艺并不改变常规操作流程。（3）对于Al-Mg-Si合金合金的人工时效处理，一般采用200℃以下的单级时效或先低后高的双级时效，而本发明采用先高后低的双级时效工艺，且时效温度达220℃以上，既快速实现过时效，同时有效抑制了第二相粗化。
4.通常，铝合金的电导率要达到55%以上，其抗拉强度一般低于150MPa；纯铝的电导率可达60%以上，但抗拉强度只能达到60~70MPa。可见，强度性能与电导率的矛盾非常突出。而通过采用本发明的热处理工艺，低合金化Al-Mg-Si合金可获得抗拉强度达到150MPa，伸长率达到14%，电导率达到59%IACS以上的性能匹配；或抗拉强度达到180MPa，伸长率达到12%，电导率达到57%IACS以上的性能匹配，从而拓展了该系铝合金的应用，尤其在电力行业的应用。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
（1）挤压：采用常规正向热挤压方法加工成形，控制锭坯加热温度和挤压速度，使挤出模口的合金温度为530~560℃，优选地，挤出模口的合金温度为530℃、535℃、540℃，最佳为545℃；
（2）淬火：采用分级冷却方式进行在线淬火处理，即控制挤压速度和冷却系统，使挤压合金半制品先在空冷区行进5~10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为20~40s，优选地，行进时间为30s，冷却速度为6~10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温；
（3）时效：采用双级人工时效处理，即对经过在线淬火的合金半制品进行矫直和切定尺后，放入已升温至220~280℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温0.5-1.5小时；然后将合金快速转入已升温至100~140℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温2.5~6.5小时，出炉后空冷。两级时效之间转移时间不大于12秒。
优选地，放入已升温至220℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温0.5小时，然后将合金快速转入已升温至100℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温2.5小时，出炉后空冷。
更优地，放入已升温至2800℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温1.5小时，然后将合金快速转入已升温至140℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温6.5小时，出炉后空冷。
最佳地，放入已升温至230℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温1小时，然后将合金快速转入已升温至110℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温4小时，出炉后空冷。
本实施例的低合金化Al-Mg-Si合金经配料、熔炼、铸造、挤压、在线淬火、人工时效等工序，然后对热处理工艺下的合金取样进行室温性能检测分析。相关热处理参数及产品性能见表1。
根据表1的室温性能分析可以看出，采用本实施例先高后低的“双级时效”工艺，高温时效使合金中的第二相均匀弥散析出，并达到过时效状态，降低时效温度抑制第二相的聚集长大，减少合金强度降低幅度。通过采用本实施例的热处理工艺，低合金化Al-0.47%Mg-0.49%Si合金可获得抗拉强度达到182.1MPa，伸长率达到12.6%，电导率达到57.2%IACS以上的性能匹配，从而拓展了该系铝合金的应用，尤其在电力行业的应用。
实施例2
（1）挤压：采用常规正向热挤压方法加工成形，控制锭坯加热温度和挤压速度，使挤出模口的合金温度为540~555℃；
优选地，挤出模口的合金温度为540℃、545℃；
最佳地，挤出模口的合金温度为545℃。
（2）淬火：采用分级冷却方式进行在线淬火处理，即控制挤压速度和冷却系统，使挤压合金半制品先在空冷区行进5~10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为25~35s，可以为25s、30s、35s；冷却速度为8~10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温；
优选地，挤压合金半制品先在空冷区行进5s、6s、7s、8s、9s、10s；
优选地，进入强风快速冷却区，行进时间为30s；
（3）时效：采用双级人工时效处理，即对经过在线淬火的合金半制品进行矫直和切定尺后，放入已升温至250℃~270℃，优选地，可以为260℃或270℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温0.5小时或1小时或1.5小时；然后将合金快速转入已升温至110℃~130℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温3.5~5.5小时，出炉后空冷。两级时效之间转移时间不大于12秒。
优选地，放入已升温至260℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温1小时；
优选地，将合金快速转入已升温至110℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温4小时或5小时，出炉后空冷，最佳保温4小时；
本实施例的低合金化Al-Mg-Si合金经配料、熔炼、铸造、挤压、在线淬火、人工时效等工序，然后对热处理工艺下的合金取样进行室温性能检测分析。相关热处理参数及产品性能见表1。
根据表1的室温性能分析可以看出，采用本发明的“双级时效”工艺，高温时效使合金中的第二相均匀弥散析出，并达到过时效状态，降低时效温度抑制第二相的聚集长大，适当的过时效状态虽然使合金强度稍有降低，但可获得很高电导率，并保持较高的塑性，因为过时效使第二相由与基体共格和半共格转变为与基体不共格结构，显著降低了晶格畸变程度，因而提高合金的导电导热性能。通过采用本发明的热处理工艺，低合金化Al-0.47%Mg-0.49%Si合金可获得抗拉强度达到157.5MPa，伸长率达到15.2%，电导率达到59.3%IACS以上的性能匹配，从而拓展了该系铝合金的应用，尤其在电力行业的应用。
实施例3
（1）挤压：采用常规正向热挤压方法加工成形，控制锭坯加热温度和挤压速度，使挤出模口的合金温度为550℃；
（2）淬火：采用分级冷却方式进行在线淬火处理，即控制挤压速度和冷却系统，使挤压合金半制品先在空冷区行进5~10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为30s，冷却速度为6~10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温；
（3）时效：采用双级人工时效处理，即对经过在线淬火的合金半制品进行矫直和切定尺后，放入已升温至230℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温1小时；然后将合金快速转入已升温至100℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温4小时，出炉后空冷。两级时效之间转移时间不大于12秒。
本实施例的低合金化Al-Mg-Si合金经配料、熔炼、铸造、挤压、在线淬火、人工时效等工序，然后对热处理工艺下的合金取样进行室温性能检测分析。相关热处理参数及产品性能见表1。
根据表1的室温性能分析可以看出，通过采用本发明的热处理工艺，低合金化Al-0.41%Mg-0.46%Si合金可获得抗拉强度达到180MPa，伸长率达到13%，电导率达到58%IACS以上的性能匹配，从而拓展了该系铝合金的应用，尤其在电力行业的应用。
实施例4
（1）挤压：采用常规正向热挤压方法加工成形，控制锭坯加热温度和挤压速度，使挤出模口的合金温度为550℃；
（2）淬火：采用分级冷却方式进行在线淬火处理，即控制挤压速度和冷却系统，使挤压合金半制品先在空冷区行进5~10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为30s，冷却速度为6~10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温；
（3）时效：采用双级人工时效处理，即对经过在线淬火的合金半制品进行矫直和切定尺后，放入已升温至260℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温1小时；然后将合金快速转入已升温至100℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温4小时，出炉后空冷。两级时效之间转移时间不大于12秒。
本实施例的低合金化Al-Mg-Si合金经配料、熔炼、铸造、挤压、在线淬火、人工时效等工序，然后对热处理工艺下的合金取样进行室温性能检测分析。相关热处理参数及产品性能见表1。
根据表1的室温性能分析可以看出，通过采用本发明的热处理工艺，低合金化Al-0.41%Mg-0.46%Si合金可获得抗拉强度达到151.2MPa，伸长率达到14.3%，电导率达到59.5%IACS以上的性能匹配，从而拓展了该系铝合金的应用，尤其在电力行业的应用。
实施例5
（1）挤压：采用常规正向热挤压方法加工成形，控制锭坯加热温度和挤压速度，使挤出模口的合金温度为550℃或555℃或560℃；
（2）淬火：采用分级冷却方式进行在线淬火处理，即控制挤压速度和冷却系统，使挤压合金半制品先在空冷区行进5~10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为20s或30s或40s，冷却速度为6~10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温；
（3）时效：采用双级人工时效处理，即对经过在线淬火的合金半制品进行矫直和切定尺后，放入已升温至225℃或235℃或245℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温1小时；然后将合金快速转入已升温至110℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温4小时，出炉后空冷。两级时效之间转移时间不大于12秒。
本实施例的低合金化Al-Mg-Si合金经配料、熔炼、铸造、挤压、在线淬火、人工时效等工序，然后对热处理工艺下的合金取样进行室温性能检测分析。相关热处理参数及产品性能见表1。
根据表1的室温性能分析可以看出，通过采用本发明的热处理工艺，低合金化Al-0.44%Mg-0.43%Si合金可获得抗拉强度达到185.2MPa，伸长率达到12.8%，电导率达到57.4%IACS以上的性能匹配，从而拓展了该系铝合金的应用，尤其在电力行业的应用。
实施例6
（1）挤压：采用常规正向热挤压方法加工成形，控制锭坯加热温度和挤压速度，使挤出模口的合金温度为530℃；
（2）淬火：采用分级冷却方式进行在线淬火处理，即控制挤压速度和冷却系统，使挤压合金半制品先在空冷区行进5~10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为36s，冷却速度为6~10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温；
（3）时效：采用双级人工时效处理，即对经过在线淬火的合金半制品进行矫直和切定尺后，放入已升温至260℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温1小时；然后将合金快速转入已升温至110℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温4小时，出炉后空冷。两级时效之间转移时间不大于12秒。
本实施例的低合金化Al-Mg-Si合金经配料、熔炼、铸造、挤压、在线淬火、人工时效等工序，然后对热处理工艺下的合金取样进行室温性能检测分析。相关热处理参数及产品性能见表1。
根据表1的室温性能分析可以看出，通过采用本发明的热处理工艺，低合金化Al-0.44%Mg-0.43%Si合金可获得抗拉强度达到155.3MPa，伸长率达到14.6%，电导率达到59.3%IACS以上的性能匹配，从而拓展了该系铝合金的应用，尤其在电力行业的应用。
表1 各实施例与对比例工艺参数及产品室温性能
| 编号 | 合金 | 热处理工艺 | 电导率（%IACS） | 抗拉强（MPa） | 伸长率（%） |
| 实施例1 | Al-0.47%Mg-0.49%Si | 挤出温度545℃，在线风冷淬火30s，人工时效：230℃×1h+110℃×4h | 57.2 | 182.1 | 12.6 |
| 实施例2 | Al-0.47%Mg-0.49%Si | 挤出温度545℃，在线风冷淬火30s，人工时效：260℃×1h+110℃×4h | 59.3 | 157.5 | 15.2 |
| 对比例1 | Al-0.47%Mg-0.49%Si | 挤出温度545℃，在线风冷淬火30s，人工时效：220℃×5h | 56.5 | 191.6 | 12.3 |
| 实施例3 | Al-0.41%Mg-0.46%Si | 挤出温度550℃，在线风冷淬火30s，人工时效：230℃×1h+100℃×4h | 58.1 | 180.2 | 13.5 |
| 实施例4 | Al-0.41%Mg-0.46%S | 挤出温度550℃，在线风冷淬火30s，人工时效：260℃×1h+100℃×4h | 59.5 | 151.2 | 14.3 |
| 对比例2 | Al-0.41%Mg-0.46%S | 挤出温度550℃，在线风冷淬火30s，人工时效：180℃×12h | 55.9 | 198.7 | 13.1 |
| 实施例5 | Al-0.44%Mg-0.43%Si | 挤出温度550℃，在线风冷淬火30s，人工时效：235℃×1h+110℃×4h | 57.4 | 185.2 | 12.8 |
| 实施例6 | Al-0.44%Mg-0.43%Si | 挤出温度530℃，在线风冷淬火36s，人工时效：260℃×1h+110℃×4h | 59.3 | 155.3 | 14.6 |
| 对比例3 | Al-0.44%Mg-0.43%Si | 挤出温度510℃，在线风冷淬火40s，人工时效：200℃×5h | 55.6 | 194.5 | 13.6 |
| 对比例4 | 6063 | T6（峰值时效） | 43.0 | 241.0 | 12.0 |
| 对比例5 | 1060 | H18（冷加工） | 61.0 | 131.0 | 6.0 |
由表1中的数据可见，采用本发明的热处理工艺，几种低合金化的Al-Mg-Si合金均获得较高电导率，同时保持较好的力学性能。对比例1因采用220℃×5h的单级时效工艺，力学性能较好，但电导率稍低于本发明的实施例1和实施例2；对比例2因采用180℃×12h的单级低温长时时效工艺，力学性能较好，但电导率明显低于本发明的实施例3和实施例4；对比例3挤出温度较低，且采用200℃×5h的单级时效工艺，力学性能较好，但电导率明显低于本发明的实施例5和实施例6；普通6063铝合金挤压材经峰值时效（T6）处理后，强度性能高，但电导率远低于本发明的实施例；工业纯铝1060的电导率虽然超过60%IACS，但即使在冷加工状态下，其强度也未达到150MPa，且此状态下其塑性较差。可见，采用本发明的热处理工艺，使低合金化的Al-Mg-Si合金稳定达到较佳的综合性能，从而为新产品开发提供了有效的技术途径。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种低合金化Al-Mg-Si合金的热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，挤压：采用常规正向热挤压方法加工成形，控制锭坯加热温度和挤压速度，使挤出模口的合金温度为545℃；
步骤S2，淬火：采用分级冷却方式进行在线淬火处理，即控制挤压速度和冷却系统，使挤压合金半制品先在空冷区行进5～10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为25～35s，冷却速度为8～10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温；
步骤S3，时效：采用双级人工时效处理，即对经过在线淬火的合金半制品进行矫直和切定尺后，放入已升温至220～280℃的电阻炉内进行一级时效热处理，保温0.5～1.5小时；然后将合金快速转入已升温至100～140℃的电阻炉内进行二级时效处理，保温2.5～6.5小时，出炉后空冷。
2.根据权利要求1所述热处理工艺，其特征在于，所述挤压合金半制品先在空冷区行进5～10s，随后合金进入强风快速冷却区，行进时间为30s，冷却速度为8～10℃/s；合金经强风淬火冷却至250℃以下，再空冷至室温。
3.根据权利要求1所述热处理工艺，其特征在于，所述一级时效热处理，温度为230℃，保温时间为1小时；所述二级时效热处理，温度为110℃，保温时间4小时，出炉后空冷；两级时效之间转移时间不大于12秒。
4.根据权利要求1所述热处理工艺，其特征在于，所述一级时效热处理，温度为260℃，保温时间为1小时；所述二级时效热处理，温度为110℃，保温时间4小时，出炉后空冷；两级时效之间转移时间不大于12秒。
5.根据权利要求1所述热处理工艺，其特征在于，所述一级时效热处理，温度为235℃，保温时间为1小时；所述二级时效热处理，温度为110℃，保温时间4小时，出炉后空冷；两级时效之间转移时间不大于12秒。
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