CN109207884A - 一种低残余应力的铝合金板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低残余应力的铝合金板材及其制备方法,所述制备方法具体为:对7xxx系铝合金挤压板材以挤压速度2~15m/min进行多级淬火,其中:第一级弱冷喷淋淬火:将所述挤压板材从490~540℃冷却至400~450℃;第二级强冷喷淋淬火:将第一级淬火结束的挤压板材冷却至200℃~250℃;第三级强风淬火:将第二级淬火结束的挤压板材冷却至30℃~50℃;对淬火后的铝合金板材进行拉伸和时效处理,然后以0.5~5℃/h降温,最后得到所述低残余应力的铝合金板材。本发明的制备方法在确保材料强度不损失的前提下,使板材的淬火残余应力降低至‑10.7MPa~‑43.0Mpa,最低仅为常规产品的1/6左右。
Description
技术领域
本发明属于铝合金制备技术领域,具体涉及一种低残余应力的铝合金板材及其制备方法。
背景技术
7xxx系铝合金在航空航天、军事工业、民用工业等领域的应用十分广泛。航空工业的发展对高强航空铝材的性能提出了越来越高的要求,例如要求获得极高的比强度和比刚度、均匀的挤压板材组织和机械性能、较小的残余应力等。特别是在航空工业中,航空整体结构件通常采用高强度铝合金厚板直接铣削加工而成。淬火及时效作为一种综合热处理工艺,可用来提高铝合金的强度性能。
淬火的冷却强度大虽然能够大大提高铝合金板材的机械性能,但同时不可避免地使板材内部产生较高残余应力。残余应力的存在对材料的机械性能和材料抗疲劳、抗腐蚀特性产生极大影响,降低了材料的寿命和稳定性,这直接影响了板材的后续再加工稳定性,必须加以消除或调整。通过淬火工艺的调整和拉伸可以大幅降低残余应力,增大拉伸量可以减小应力,但塑性变形增大,因此,在保证消除效果的同时,应取较小拉伸量;材料越厚,施加的拉伸率越大。
目前,铝合金板材基本是采用单级淬火工艺,为了获得高的强度,就采用加大冷却强度,这样会导致铝合金板材淬火过程中发生严重的变形,淬火结束后残余应力显著增加。为了降低淬火变形和淬火残余应力,减小冷却强度,这样会造成强度的损失。铝合金板材淬火后采用单步拉伸工艺,拉伸量太小,淬火残余应力消除效果不显著,拉伸量太大,导致塑性损失严重,同时还有可能造成应力增加。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处,本发明的目的在于提供一种低残余应力的铝合金板材及其制备方法。
针对现有技术的缺陷,本发明根据7xxx系铝合金淬火敏感区间,在其区间内进行快速淬火,区间外进行慢速淬火的原理,利用在线分级淬火技术,通过对每级淬火工艺的优化,淬火后残余应力较低。淬火后采用多步骤慢速率拉伸工艺和时效工艺优化,可以很好的释放淬火残余应力,从而获得很低的残余应力,后续机械加工不变形。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,包括如下步骤:
对7xxx系铝合金挤压板材进行在线分级淬火,其中:第一级弱冷喷淋淬火:将所述挤压板材从490~540℃冷却至400~450℃;第二级强冷喷淋淬火:将第一级淬火结束的挤压板材冷却至200℃~250℃;第三级强风淬火:将第二级淬火结束的挤压板材冷却至30℃~50℃;对淬火后的铝合金板材进行拉伸和时效处理,然后降温得到所述低残余应力的铝合金板材。
优选的,所述第一级弱冷喷淋淬火工艺中冷却速率为3~15℃/s;所述第二级强冷喷淋淬火工艺中冷却速率为40~100℃/s;所述第三级强风淬火工艺中,冷却速率为2~10℃/s。
优选的,所述第一级弱冷喷淋淬火工艺中,淬火水压上下均为2~4bar,淬火水温为20~30℃,喷嘴高度为60~100mm;所述第二级强冷喷淋淬火工艺中,淬火水压上下均为5~15bar,淬火水温为20~30℃,喷嘴高度为60~100mm;所述第三级强风淬火工艺中,风速为40~70m/s,风嘴高度为50~150mm。
优选的,所述拉伸具体步骤为:
在所述多级淬火结束后间隔0.5~6h后将所述淬火后的挤压板材预拉伸至材料屈服,然后第一步拉伸至0.5~1.5%,保压停留30~120s;第二步拉伸至1.5~2.5%,保压停留30~120s;第三步拉伸至2.5~3.5%,保压停留30~120s。
更优选的,所述拉伸速率均为0.5~2mm/min。
更优选的,所述时效处理具体步骤为:
将拉伸后的挤压板材放置24~96h后进行人工时效,第一级在50~130℃下进行4~18h的时效处理,第二级在140~180℃下进行2~36h的时效处理;
然后以0.5~5℃/h的速度进行所述降温。
一种低残余应力的铝合金板材,由上述方法制得,其淬火残余应力为-10.7MPa~-43.0Mpa。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
本发明的制备方法在确保材料强度不损失的前提下,大大降低了板材的淬火残余应力。从表1的测试结果可以看出,本发明制得的铝合金板材相比常规板材,在拉伸性能基本一致的情况下,从淬火残余应力消除比例上看,最高可从61.7%提高到89.8%;从残余应力的绝对值来看,最多可从-61.7MPa下降至-10.7MPa。采用在线分级淬火工艺或者多步骤慢速率拉伸工艺均可以提升淬火残余应力消除效果,而这两种技术协同作用时,淬火残余应力消除效果最为显著。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例中采用的挤压板材均为7046铝合金板材,宽度为600mm,长度为12000mm,制备流程为:配料→熔炼→铸造→均匀化→锯切、车皮→感应加热→挤压;上述流程可以通过本领域常规的步骤实现,而具体在本发明的实施例中,具体制备步骤如下:
(a)按重量取各金属材料,各金属材料的成分组成和重量百分比为:Zn6.6~7.6wt%,Mg 1.0~1.6wt%,Cu 0.1~0.25wt%,Zr 0.1~0.18wt%,Fe≤0.1,Si≤0.05,Cr≤0.1,余量为Al和不可避免的元素,每种不可避免的元素都低于0.05且总量小于0.15;
(b)将各种原料按照重量百分比混合,加热至740~760℃,使物料熔化,保温3~7h;
(c)熔炼铝合金,经除气、过滤后,进行半连续铸造,铸出直径为582mm的圆锭。
(d)经过以上工序后,铸造出铝合金圆锭并进行均匀化。
(e)将锭坯切头尾,锯切成直径582mm,长度1000~2000mm的挤压坯料并车皮。
(f)将铸棒在感应炉下加热至500℃。
(g)感应炉内加热完成后,将铸锭等温挤压成厚度为20mm,宽度为600mm的挤压板材。
实施例1
一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,包括如下步骤:
(1)对挤压板材进行步骤(g)的挤压后,进行在线分级淬火,其中:第一级弱冷喷淋淬火工艺:将挤压出口温度从520℃冷却至425℃,淬火水压上下均为3bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为10℃/s;第二级强冷喷淋淬火工艺:将第一级淬火结束的挤压板材料冷却至240℃,淬火水压上下均为15bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为80℃/s;第三级强风淬火工艺:将第二级淬火结束的挤压板材料冷却至40℃,风速50m/s,风嘴高度为60mm,冷却速率为5℃/s;
该步骤根据7xxx系铝合金淬火敏感区间,利用多种介质的分级淬火技术,在其区间内增大淬火冷却强度,确保强度不损失,区间外降低淬火冷却强度,减小淬火残余应力,通过对每级淬火工艺的优化,使得淬火后残余应力较低;
(2)在线分级淬火后,直接将所得挤压板材转至拉伸机拉伸,单步拉伸,总拉伸量为2%,拉伸速率0.8mm/min;
(3)将拉伸后的挤压板材在室温下停放72h后进行人工时效,其中第一级在105℃下进行6h的时效处理,第二级在165℃下进行12h的时效处理,时效结束后挤压板材随炉冷却,降温速率为2℃/h,最后得到所述低残余应力的铝合金板材。
实施例2
一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,包括如下步骤:
(1)对挤压板材进行步骤(g)的挤压后,进行在线分级淬火,其中:第一级弱冷喷淋淬火工艺:将挤压出口温度从520℃冷却至425℃,淬火水压上下均为3bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为10℃/s;第二级强冷喷淋淬火工艺:将第一级淬火结束的挤压板材料冷却至240℃,淬火水压上下均为7bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为55℃/s;第三级强风淬火工艺:将第二级淬火结束的挤压板材料冷却至40℃,风速50m/s,风嘴高度为60mm,冷却速率为5℃/s;
(2)与实施例1的步骤(2)相同;
(3)与实施例1的步骤(3)相同。
实施例3
一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,包括如下步骤:
(1)对挤压板材进行步骤(g)的挤压后,进行在线分级淬火,其中:第一级弱冷喷淋淬火工艺:将挤压出口温度从540℃冷却至440℃,淬火水压上下均为3bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为10℃/s;第二级强冷喷淋淬火工艺:将第一级淬火结束的挤压板材料冷却至250℃,淬火水压上下均为5bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为42℃/s;第三级强风淬火工艺:将第二级淬火结束的挤压板材料冷却至40℃,风速50m/s,风嘴高度为60mm,冷却速率为5℃/s;
(2)与实施例1的步骤(2)相同;
(3)与实施例1的步骤(3)相同。
实施例4
一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,包括如下步骤:
(1)对挤压板材进行步骤(g)的挤压后,进行在线分级淬火,其中:第一级弱冷喷淋淬火工艺:将挤压出口温度从520℃冷却至425℃,淬火水压上下均为3bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为10℃/s;第二级强冷喷淋淬火工艺:将第一级淬火结束的挤压板材料冷却至240℃,淬火水压上下均为7bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为55℃/s;第三级强风淬火工艺:将第二级淬火结束的挤压板材料冷却至40℃,风速50m/s,风嘴高度为60mm,冷却速率为5℃/s;
(2)将淬火后的挤压板材转至拉伸机拉伸,总拉伸量为1.5%,先预拉伸至材料屈服(160MPa),然后第一步拉伸至0.5%,保压停留60s;第二步拉伸至1.0%,保压停留60s;第三步拉伸至1.5%,保压停留120s后开始卸载;其中拉伸速率0.8mm/min;
淬火后进一步采用多步骤慢速率拉伸工艺和时效工艺优化,可以很好地释放淬火残余应力,从而获得很低的残余应力,且在后续机械加工时产品不变形;
(3)与实施例1的步骤(3)相同。
实施例5
一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,包括如下步骤:
(1)对挤压板材进行步骤(g)的挤压后,进行在线分级淬火,其中:第一级弱冷喷淋淬火工艺:将挤压出口温度从520℃冷却至425℃,淬火水压上下均为3bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为10℃/s;第二级强冷喷淋淬火工艺:将第一级淬火结束的挤压板材料冷却至240℃,淬火水压上下均为7bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为55℃/s;第三级强风淬火工艺:将第二级淬火结束的挤压板材料冷却至40℃,风速50m/s,风嘴高度为60mm,冷却速率为5℃/s;
(2)将淬火后的挤压板材转至拉伸机拉伸,总拉伸量为2.5%,先预拉伸至材料屈服(160MPa),然后第一步拉伸至1%,保压停留60s;第二步拉伸至1.5%,保压停留60s;第三步拉伸至2.5%,保压停留120s后开始卸载;其中拉伸速率0.8mm/min;
(3)与实施例1的步骤(3)相同。
实施例6
一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,包括如下步骤:
(1)对挤压板材进行步骤(g)的挤压后,进行在线分级淬火,其中:第一级弱冷喷淋淬火工艺:将挤压出口温度从520℃冷却至425℃,淬火水压上下均为3bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为10℃/s;第二级强冷喷淋淬火工艺:将第一级淬火结束的挤压板材料冷却至240℃,淬火水压上下均为7bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm,冷却速率为55℃/s;第三级强风淬火工艺:将第二级淬火结束的挤压板材料冷却至40℃,风速50m/s,风嘴高度为60mm,冷却速率为5℃/s;
(2)将淬火后的挤压板材转至拉伸机拉伸,总拉伸量为3.5%,先预拉伸至材料屈服(160MPa),然后第一步拉伸至1.5%,保压停留60s;第二步拉伸至2.5%,保压停留60s;第三步拉伸至3.5%,保压停留120s后开始卸载;其中拉伸速率0.8mm/min;
(3)与实施例1的步骤(3)相同。
对比例1
挤压成品规格厚度为20mm的7046铝合金板材,宽度为600mm,长度为12000mm,工序如下:
(1)按重量取各金属材料,各金属材料的成分组成和重量百分比为:Zn6.6~7.6wt%,Mg 1.0~1.6wt%,Cu 0.1~0.25wt%,Zr 0.1~0.18wt%,Fe≤0.1,Si≤0.05,Cr≤0.1,余量为Al和不可避免的元素,每种不可避免的元素都低于0.05且总量小于0.15;
(2)将各种原料按照重量百分比混合,加热至740~760℃,使物料熔化,保温3~7h;
(3)熔炼铝合金,经除气、过滤后,进行半连续铸造,铸出直径为582mm的圆锭。
(4)经过以上工序后,铸造出铝合金圆锭并进行均匀化。
(5)将锭坯切头尾,锯切成直径582mm,长度1000~2000mm的挤压坯料并车皮。
(6)将铸棒在感应炉下加热至460~500℃。
(7)感应炉内加热完成后,将铸锭等温挤压成厚度为20mm,宽度为600mm的板材。
(8)板材挤压出口温度510℃,挤压板材速度为7m/min。随后进行在线单级喷淋淬火,喷淋淬火工艺:淬火水压上下均为6bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70mm。
(9)挤压在线淬火后,直接将挤压板材转至拉伸机拉伸,单步拉伸,总拉伸量为2.5%,拉伸速率0.8mm/min。
(10)将挤压板材在室温下停放72h后进行人工时效,第一级105℃进行6h的时效处理,第二级165℃进行12h的时效处理,时效结束后挤压板材随炉冷却,降温速率为2℃/h。
检测实施例1-6和对比例1的制备得到的铝合金板材的拉伸性能和残余应力状况,测试结果如表1。
表1铝合金板材的拉伸性能和残余应力
注:力学性能检测标准:GB/T 228金属材料室温拉伸试验方法;
应力的检测方法:ASTM E837-81用钻孔应变测量决定残余应力的标准方法。
由上表可见:
实施例1-3是仅使用了在线分级淬火工艺,而未使用多步骤慢速率拉伸工艺的方案。可以看到,得到的产品相比对比例1所得的常规产品在维持力学性能的前提下大大减少了淬火残余应力,最多可降低至常规产品的1/3左右,表明本发明的在线分级淬火工艺具有出色的残余应力消除效果。而实施例1-3之间相比较可以看到,淬火水压对产品的性能同样有重要影响,当水压过高时会使工艺的残余应力消除效果有所减弱。
而实施例4-6是在线分级淬火工艺配合多步骤慢拉伸工艺的方案,当选择合适的参数相配合时,产品的淬火残余应力能得到进一步的降低。由实施例4-6之间相比较可知,总拉伸量在2.5%时产品的残余应力最佳,仅为-10.7MPa,是常规产品的1/6左右,而当拉伸量增加或减少时,产品残余应力消除效果会有所降低;当超出本发明优选的拉伸范围时,虽然最终残余应力仍比常规产品低,但拉伸量偏低的多步骤慢拉伸工艺效果还不如拉伸量合适的单步骤拉伸工艺,具体参见实施例4的数据。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
对7xxx系铝合金挤压板材进行在线分级淬火,其中:第一级弱冷喷淋淬火:将所述挤压板材从490~540℃冷却至400~450℃;第二级强冷喷淋淬火:将第一级淬火结束的挤压板材冷却至200℃~250℃;第三级强风淬火:将第二级淬火结束的挤压板材冷却至30℃~50℃;对淬火后的铝合金板材进行拉伸和时效处理,然后降温得到所述低残余应力的铝合金板材。
2.根据权利要求1所述的一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,其特征在于,所述第一级弱冷喷淋淬火工艺中冷却速率为3~15℃/s;所述第二级强冷喷淋淬火工艺中冷却速率为40~100℃/s;所述第三级强风淬火工艺中,冷却速率为2~10℃/s。
3.根据权利要求1所述的一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,其特征在于,所述第一级弱冷喷淋淬火工艺中,淬火水压上下均为2~4bar,淬火水温为20~30℃,喷嘴高度为60~100mm;所述第二级强冷喷淋淬火工艺中,淬火水压上下均为5~15bar,淬火水温为20~30℃,喷嘴高度为60~100mm;所述第三级强风淬火工艺中,风速为40~70m/s,风嘴高度为50~150mm。
4.根据权利要求1所述的一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,其特征在于,所述拉伸具体步骤为:
在所述多级淬火结束后间隔0.5~6h后将所述淬火后的挤压板材预拉伸至材料屈服,然后第一步拉伸至0.5~1.5%,保压停留30~120s;第二步拉伸至1.5~2.5%,保压停留30~120s;第三步拉伸至2.5~3.5%,保压停留30~120s。
5.根据权利要求4所述的一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,其特征在于,所述拉伸速率均为0.5~2mm/min。
6.根据权利要求1所述的一种低残余应力的铝合金板材的制备方法,其特征在于,所述时效处理具体步骤为:
将拉伸后的挤压板材放置24~96h后进行人工时效,第一级在50~130℃下进行4~18h的时效处理,第二级在140~180℃下进行2~36h的时效处理;
然后以0.5~5℃/h的速度进行所述降温。
7.一种低残余应力的铝合金板材,其特征在于,由权利要求1~6任一项所述制备方法制得,其淬火残余应力为-10.7MPa~-43.0MPa。
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