CN109055875A - 一种提高铝合金型材强度的热处理工艺 - Google Patents

一种提高铝合金型材强度的热处理工艺 Download PDF

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张允�
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Abstract

本发明公开了一种提高铝合金型材强度的热处理工艺，属于铝型材加工技术领域，本发明采用二级固溶处理和三级时效处理相结合，二级固溶处理有利于提高空位能与固溶体的均匀结合，为时效处理过程中溶质通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相析出提供基础，从而提升热处理的均匀性，克服现有技术中单级固溶处理和时效处理的带来材料性能的不足。

Description

一种提高铝合金型材强度的热处理工艺
技术领域
本发明属于铝型材加工技术领域，具体涉及一种提高铝合金型材强度的热处理工艺。
背景技术
铝是继钢之后当今在工业生产和日常生活中使用最多的金属结构材料，铝材具有良好的材料性能，强度适宜、化学稳定性好、易于保持清洁、导电率高，辐射性能良好，适合于阳极氧化，且容易加工。随着时代的进步，人们对铝合金的要求也越来越高，不仅要保持原有的轻质的特点，同时还要具有一定的强度，尤其是在汽车零部件和工业的生产上，更是需要多功能性，金属合金由于其成分和内部原子排列的变化，会带来不同的缺陷，如具备轻质，耐腐蚀，但强度不够，热处理是提升铝合金型材强度的有效手段，但由于铝合金型材的成分差异，热处理的步骤也不同，目前的热处理大多采用一级固溶处理和一级或者二级时效处理，一级固溶处理若要将过剩相充分溶解，需要高的温度，耗能大，时间长，增加处理成本，一级和二级的时效处理由于直接采用较高温度进行处理，不利于各相态的相互转化和脱溶的均匀进行，造成合金机械性能的不均匀。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种提高铝合金型材强度的热处理工艺，采用二级固溶处理和三级时效处理相结合，二级固溶处理有利于提高空位能与固溶体的均匀结合，为时效处理过程中溶质通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相析出提供基础，从而提升热处理的均匀性，克服现有技术中单级固溶处理和时效处理的带来材料性能的不足。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种提高铝合金型材强度的热处理工艺，该工艺包括两级固溶处理，退火处理、三级时效处理，具体步骤如下：
1)两级固溶处理：将铝合金型材在温度495-505℃下进行一级固溶处理，在530-540℃进行二级固溶处理；将固溶处理后铝合金型材冷却至室温，固溶处理是为了溶解铝合金中至室温下超量存在额合金元素，先进行一级固溶处理，加速合金内部的分子逐渐蠕动，有利于过剩相的充分溶解得到均匀的过饱和固溶体，同时快速升温到二级固溶处理温度，有利于获得细晶粒组织并防止晶粒长大，有利于后续时效第二相沿晶界较均匀析出，同时二级固溶处理采用高温，固溶温度愈高，空位浓度愈大，时效时溶质扩散愈快，有利于溶质与空位存在结合力，使空位能稳定处于固溶体中，时效时溶质可通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相，提高时效处理效率；
2)三级时效处理：将步骤(1)处理后的铝合金型材在温度40-75℃进行一级时效处理，在95-130℃进行二级时效处理，在160-190℃进行三级时效处理，经过固溶处理后的合金首先会在晶面上出现溶质簇聚为G.P区，此时没有独立的晶体结构，与基体共格，过饱和固溶体分解初期形成，形核能小、速度快，一般在母相中均匀形核，不需要高温即可形成，采用低温有利于节省能源，同时G.P的形成合金硬度会上升，对于同一种合金，在溶质浓度相同的情况下，随着时效温度的增加，固溶体过饱和的浓度减少，析出物晶核减少，采用从低温到高温的时效处理，低温有利于获得弥散度较大析出物，随着温度的增加固溶体析出达到足够的程度，并有利于析出物长大到一定尺寸，形成分布较密切均匀的析出物，有利于提高合金的机械强度。
优选的，所述一级固溶处理的时间为5-15min，二级固溶处理的时间为3-20min，且一级固溶处理温度到二级固溶处理温度的升温的速率为8-18℃/min，
优选的，所述步骤(1)中的冷却至室温的操作如下：先进行干冰降温，时间2-8s，然后采用浓度5-8％的碱水进行降温至室温，在高温区的冷却能力强，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留空位越多，有利于增加G.P的数量并使其尺寸减小，有利于后续均匀性的增加，同时可以减少合金产生大的残余应力变形。
优选的，所述一级时效处理的时长为8-20h，二级时效处理时长10-16h，三级时效处理2-6h，且一级时效处理温度到二级时效处理温度的升温速率为2-10℃/min，二级时效处理温度到三级时效处理温度的升温速率为1-12℃/min。
优选的，所述铝合金型材为7系铝合金。
优选的，所述铝合金型材包含如下重量组分：Zn 4.2-5.1％，Mg 1.4-1.9％，Cu0.5-0.85％，Si 0.08-0.15％，Fe 0.12-0.18％，Mn 0.02-0.035％，Cr 0.05-0.08％，Ti0.04-0.065％，稀土0.08-0.15％，Ag 0.1-0.6％，余量Al，在合金中加入Ag和稀土，Ag添加具有抑制基体合金中G.P.区的析出，加速时效过程，提高合金的硬化能力，稀土与氢结合，形成LaH2、CeH2、LaH3脱氧降低合金中夹杂物含量，起净化作用，降低液态铝合金的表面张力，提高流动性。
与现有技术相比，本发明有益效果是:
1.本发明采用二级固溶处理和三级时效处理相结合，二级固溶处理有利于提高空位能与固溶体的均匀结合，为时效处理过程中溶质通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相析出提供基础，从而提升热处理的均匀性，克服现有技术中单级固溶处理和时效处理的带来材料性能的不足。
2.本发明采用二级固溶处理，固溶处理是为了溶解铝合金中至室温下超量存在额合金元素，先进行一级固溶处理，加速合金内部的分子逐渐蠕动，有利于过剩相的充分溶解得到均匀的过饱和固溶体，同时快速升温到二级固溶处理温度，有利于获得细晶粒组织并防止晶粒长大，有利于后续时效第二相沿晶界较均匀析出，同时二级固溶处理采用高温，固溶温度愈高，空位浓度愈大，时效时溶质扩散愈快，有利于溶质与空位存在结合力，使空位能稳定处于固溶体中，时效时溶质可通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相，提高时效处理效率。
3.本发明采用三级时效处理，经过固溶处理后的合金首先会在晶面上出现溶质簇聚为G.P区，此时没有独立的晶体结构，与基体共格，过饱和固溶体分解初期形成，形核能小、速度快，一般在母相中均匀形核，不需要高温即可形成，采用低温有利于节省能源，同时G.P的形成合金硬度会上升，对于同一种合金，在溶质浓度相同的情况下，随着时效温度的增加，固溶体过饱和的浓度减少，析出物晶核减少，采用从低温到高温的时效处理，低温有利于获得弥散度较大析出物，随着温度的增加固溶体析出达到足够的程度，并有利于析出物长大到一定尺寸，形成分布较密切均匀的析出物，有利于提高合金的机械强度。
4.本发明在合金中加入Ag和稀土，Ag添加具有抑制基体合金中G.P.区的析出，加速时效过程，提高合金的硬化能力，稀土与氢结合，形成LaH2、CeH2、LaH3脱氧降低合金中夹杂物含量，起净化作用，降低液态铝合金的表面张力，提高流动性。
具体实施方式
下面通过对实施例的描述，本发明通过具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
实施例1
本实施例中铝合金型材为77系铝合金，且包含如下重量组分：Zn 4.5％，Mg1.7％，Cu 0.6％，Si 0.12％，Fe 0.16％，Mn 0.025％，Cr 0.06％，Ti 0.05％，稀土0.1％，Ag 0.45％，余量Al。
一种提高铝合金型材强度的热处理工艺，该工艺包括两级固溶处理，退火处理、三级时效处理，具体步骤如下：
1)两级固溶处理：将规格为40×30×2mm的板状铝合金型材在温度500℃下进行一级固溶处理8min，采用逐渐升温的方法以15℃/min的升温速度进行升温至535℃进行二级固溶处理15min；将固溶处理后铝合金型材迅速喷洒干冰进行急剧降温，停留喷洒时间6s，然后采用浓度6.5％的碱水进行降温至室温，降温速度保持在20℃，在高温区的冷却能力强，冷却速度越快，则淬火后固溶体保留空位越多，有利于增加G.P的数量并使其尺寸减小，有利于后续均匀性的增加，同时可以减少合金产生大的残余应力变形，固溶处理是为了溶解铝合金中至室温下超量存在额合金元素，先进行一级固溶处理，加速合金内部的分子逐渐蠕动，有利于过剩相的充分溶解得到均匀的过饱和固溶体，同时快速升温到二级固溶处理温度，有利于获得细晶粒组织并防止晶粒长大，有利于后续时效第二相沿晶界较均匀析出，同时二级固溶处理采用高温，固溶温度愈高，空位浓度愈大，时效时溶质扩散愈快，有利于溶质与空位存在结合力，使空位能稳定处于固溶体中，时效时溶质可通过空位机制扩散，簇聚和形成沉淀相，提高时效处理效率；
2)三级时效处理：将步骤(1)处理后的铝合金型材先置于温度60℃进行一级时效处理16h，然后采用升温速率为6℃/min升温至115℃进行二级时效处理12h，采用升温速率9℃/min升温至在170℃进行三级时效处理4h，经过固溶处理后的合金首先会在晶面上出现溶质簇聚为G.P区，此时没有独立的晶体结构，与基体共格，过饱和固溶体分解初期形成，形核能小、速度快，一般在母相中均匀形核，不需要高温即可形成，采用低温有利于节省能源，同时G.P的形成合金硬度会上升，对于同一种合金，在溶质浓度相同的情况下，随着时效温度的增加，固溶体过饱和的浓度减少，析出物晶核减少，采用从低温到高温的时效处理，低温有利于获得弥散度较大析出物，随着温度的增加固溶体析出达到足够的程度，并有利于析出物长大到一定尺寸，形成分布较密切均匀的析出物，有利于提高合金的机械强度。
实施例2
本实施例同实施例1，不同的是：本实施例中铝合金型材包含如下重量组分：Zn4.2％，Mg 1.4％，Cu 0.5％，Si 0.08％，Fe 0.12％，Mn 0.02％，Cr 0.05％，Ti 0.04％，稀土0.08％，Ag 0.1％，余量Al。
本实施例中步骤(1)中一级固溶处理温度为495℃，时长5min，二级固溶处理温度为530℃，时长3min，升温速率8℃/min，步骤(2)中一级时效处理40℃，时长8h，升温速率2℃/min，二级时效处理95℃，时长10h，升温速率1℃/min，三级时效处理160℃，时长2h。
实施例3
本实施例同实施例1，不同的是：本实施例同实施例1，不同的是：本实施例中铝合金型材包含如下重量组分：Zn 5.1％，Mg 1.9％，Cu 0.85％，Si 0.15％，Fe 0.18％，Mn0.035％，Cr 0.08％，Ti 0.065％，稀土0.15％，Ag 0.6％，余量Al。
本实施例中步骤(1)中一级固溶处理温度为505℃，时长15min，二级固溶处理温度为540℃，时长20min，升温速率18℃/min，步骤(2)中一级时效处理75℃，时长20h，升温速率10℃/min，二级时效处理130℃，时长16h，升温速率12℃/min，三级时效处理190℃，时长6h。
实施例4
本实施例同实施例1，不同的是：步骤(1)中的冷却至室温的操作如下：先进行干冰降温，时间2s，然后采用浓度5％的碱水进行降温至室温。
实施例5
本实施例同实施例1，不同的是：步骤(1)中的冷却至室温的操作如下：先进行干冰降温，时间8s，然后采用浓度8％的碱水进行降温至室温。
实施例6
本实施例同实施例2，不同的是：步骤(1)中的冷却至室温的操作如下：先进行干冰降温，时间8s，然后采用浓度8％的碱水进行降温至室温。
实施例7
本实施例同实施例3，不同的是：步骤(1)中的冷却至室温的操作如下：先进行干冰降温，时间8s，然后采用浓度8％的碱水进行降温至室温。
将实施1-7的样品和采用一级固溶处理和一级时效处理的样品进行力学性能测试，测试结果如下：
拉伸强度/Mpa 屈服强度/Mpa 断后延伸率/％
实施例1 324.2 319.5 13.5
实施例2 298.1 301.2 10.9
实施例3 335.1 325.2 15.7
实施例4 310.7 296.7 11.5
实施例5 291.5 291 9.7
实施例6 306.7 297.8 10.2
实施例7 294.6 287.2 9.1
对比组 280.1 287.5 8.7
上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种提高铝合金型材强度的热处理工艺，其特征在于，该工艺包括两级固溶处理，退火处理、三级时效处理，具体步骤如下：
1)两级固溶处理：将铝合金型材在温度495-505℃下进行一级固溶处理，在530-540℃进行二级固溶处理；将固溶处理后铝合金型材冷却至室温；
2)三级时效处理：将步骤(1)处理后的铝合金型材在温度40-75℃进行一级时效处理，在95-130℃进行二级时效处理，在160-190℃进行三级时效处理。
2.根据权利要求1所述的提高铝合金型材强度的热处理工艺，其特征在于，所述一级固溶处理的时间为5-15min，二级固溶处理的时间为3-20min，且一级固溶处理温度到二级固溶处理温度的升温的速率为8-18℃/min。
3.根据权利要求1所述的提高铝合金型材强度的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(1)中的冷却至室温的操作如下：先进行干冰降温，时间2-8s，然后采用浓度5-8％的碱水进行降温至室温。
4.根据权利要求1所述的提高铝合金型材强度的热处理工艺，其特征在于，所述一级时效处理的时长为8-20h，二级时效处理时长10-16h，三级时效处理2-6h，且一级时效处理温度到二级时效处理温度的升温速率为2-10℃/min，二级时效处理温度到三级时效处理温度的升温速率为1-12℃/min。
5.根据权利要求1所述的提高铝合金型材强度的热处理工艺，其特征在于，所述铝合金型材为7系铝合金。
6.根据权利要求1-5任一所述的提高铝合金型材强度的热处理工艺，其特征在于，所述铝合金型材包含如下重量组分：Zn 4.2-5.1％，Mg 1.4-1.9％，Cu 0.5-0.85％，Si 0.08-0.15％，Fe0.12-0.18％，Mn 0.02-0.035％，Cr 0.05-0.08％，Ti 0.04-0.065％，稀土0.08-0.15％，Ag 0.1-0.6％，余量Al。
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