CN109680230B - 一种铝合金构件电磁脉冲快速固溶-时效工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金构件电磁脉冲快速固溶‑时效工艺，包括以下步骤：S1、先将铝合金构件或坯料放置于脉冲电场中通电加热至固溶温度以上，使铝合金构件或坯料第二相快速溶解，再以大于等于80℃/s的速率将铝合金构件或坯料急冷至室温，使其形成过饱和固溶体；S2、将经固溶处理后的铝合金构件或坯料放置于脉冲磁场中进行磁脉冲快速时效处理，时效处理时长为1‑12h，使已固溶的溶质原子从基体形核、析出，形成弥散分布的析出相。本发明可以进行快速固溶‑快速时效处理，使铝合金构件综合性能得到提升，并达到节约能源、保护环境的目的。
Description
技术领域
本发发明涉及一种铝合金构件组织性能强化处理技术，具体涉及一种轻量化铝合金构件电磁脉冲快速固溶-时效工艺。
背景技术
轻量化是国家重大科技需求，也是航空航天、舰船、汽车等交通运输工具的一个重要发展方向。铝合金构件的应用是实现轻量化的主要方法之一。
一般地，铝合金构件成形后还需要通过人工时效来提升强度、改善综合性能。目前铝合金构件成形工序时间仅为几分钟，而时效处理却需要数小时甚至十几个小时以上，成形与时效工序时间差距过大，两者无法同步进行。另外，时效需要高能耗、高污染的热处理炉，导致大规模生产成本高、周期长、设备占地面积大，同时产生能源、环境问题。为了缩短铝合金构件的时效处理时间，达到节能、减排、降耗、降成本的目的，迫切需要开发铝合金构件快速固溶-快速时效工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝合金构件电磁脉冲快速固溶-时效工艺，它将铝合金构件放置于脉冲电磁复合能量场中进行快速固溶-快速时效处理，使得铝合金构件综合性能得到提升，并达到节约能源、保护环境的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种铝合金构件电磁脉冲快速固溶-时效工艺，包括以下步骤：
S1、固溶处理：先将铝合金构件或坯料放置于脉冲电场中通电加热至固溶温度以上，利用脉冲电流产生的电致塑性效应和焦耳热效应使铝合金构件或坯料第二相快速溶解，再以大于等于80℃/s的速率将铝合金构件或坯料急冷至室温，使其形成过饱和固溶体；
S2、时效处理：将经固溶处理后的铝合金构件或坯料放置于脉冲磁场中进行磁脉冲快速时效处理，时效处理时长为1~12h，使已固溶的溶质原子从基体形核、析出，形成弥散分布的析出相。
按上述技术方案，步骤S1中，所述脉冲电场的电流密度为20~400A/mm2，其频率为20~80 Hz，其脉冲数为2~50个。
按上述技术方案，步骤S2中，所述脉冲磁场的磁场强度为5000~30000A/m，其频率为1~100Hz。
本发明产生的有益效果是：本发明利用电磁脉冲复合能量场进行电磁脉冲快速固溶时效处理，利用脉冲电场的电致塑性效应和焦耳热效应使铝合金第二相快速固溶，同时也获得较为细小的晶粒，利用脉冲磁场使不稳定过饱和固溶体中的溶质原子形核、析出，形成弥散分布的析出相，由于弥散分布的析出相有效的阻止了位错的运动，使得铝合金构件的强度和硬度得到提升，其耐磨性、抗应力腐蚀性及其它综合性能也可得到明显的改善；
同时，由于本发明是在脉冲电磁复合能量场中完成的，能够有效缩短第二相粒子的固溶时间，实现了快速固溶，其时效处理时间相比于传统工艺有了大幅度的缩短，并且随着时效处理时间的缩短，析出相形核、长大的时间也相对缩短，因此析出相细小而弥散的分布在铝基体中，另外，由于时效时间大幅缩短，因此不需要配备大规模、高能耗的连续热处理炉，从而使得能源消耗量大幅降低，且不产生废气污染，符合国家绿色发展的战略。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种铝合金构件电磁脉冲快速固溶-时效工艺，包括以下步骤：
S1、固溶处理：选取室温状态下需要处理的铝合金构件或坯料，先将铝合金构件或坯料放置于脉冲电场中通电加热（利用脉冲电流流过铝合金构件或坯料时产生的焦耳热进行加热）至固溶温度以上，利用脉冲电流产生的电致塑性效应和焦耳热效应使铝合金构件或坯料第二相快速溶解，再以大于等于80℃/s的速率将铝合金构件或坯料急冷至室温，使其形成过饱和固溶体；
S2、时效处理：将经固溶处理后的铝合金构件或坯料放置于脉冲磁场中进行磁脉冲快速时效处理，时效处理时长为1~12h，使已固溶的溶质原子从基体形核、析出，形成弥散分布的析出相。
在本发明的优选实施例中，步骤S1中，所述脉冲电场的电流密度为20~400A/mm2，其频率为20~80 Hz，其脉冲数为2~50个。
在本发明的优选实施例中，步骤S2中，所述脉冲磁场的磁场强度为5000~30000A/m，其频率为1~100Hz。
本发明实施例中，铝合金构件或坯料是指构件成形前的坯料，或者是成形过程的某一环节中半成品构件，也可以是成形结束后的构件成品。当试样尺寸较大时，对于脉冲电流处理，可以通过改变电极形状、大小和分布调整电流密度；对于脉冲磁场处理，可以通过分段进行处理，也可以通过使用多个脉冲磁场同时处理。
本发明固溶处理的工作原理是：本发明的固溶处理采用脉冲电流进行固溶处理工艺，其利用电流的电致塑性效应和焦耳热效应使得构件的第二相固溶快速溶解，在脉冲电流固溶处理的过程中，由于金属的焦耳热效应导致系统温度升高，研究表明，脉冲电流固溶处理过程中铝合金的第二相固溶温度低于传统的固溶处理，即脉冲电流处理可有效的加快第二相的固溶，同时较低的固溶温度，可防止板材表面的变形与氧化。
具体的，当电流流经铝合金构件时，电流的电致塑性效应表现为大量电子运动的同时促进合金中溶质原子的扩散，其扩散关系符合阿累尼乌斯方程：,其中，为扩散系数，为扩散常数，为扩散激活能，为常数，为绝对温度。众所周知，在脉冲电流处理时，合金的温度和溶质原子在晶格中的扩散系数均有所提升。当在短时间内温度有巨大的升高时，合金内的溶质原子则可获得巨大的能量因而可轻而易举的完成原子的迁移，因此，溶质原子可迅速的溶入铝合金基体中。由于脉冲电流处理时间很短，铝合金再结晶回复过程则在一个很短的时间内完成，其在高温状态停留时间较短，使得晶粒无充分时间长大。另外，淬火冷却可阻碍晶粒的长大，因此，经脉冲电流固溶处理后可获得比较细小的晶粒组织。
本发明时效处理的工作原理是：本发明的时效处理采用脉冲磁场快速时效处理工艺，其主要特点是在脉冲磁场中完成了铝合金构件的时效过程，放置于脉冲磁场中的铝合金材料内部的运动电荷会受到由磁场引起的洛伦兹力的作用，变化的洛伦兹力在材料内部引起剧烈的振动，该振动作用在溶质原子上可促进溶质原子的形核与析出，同时，由于磁场的作用时间较短，析出的二次相无法继续长大，因而较为细小的弥散分布在铝合金基体中。
以下列举几个具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
采用本发明对T6态7075铝合金中立柱进行脉冲电磁场固溶时效处理，其步骤如下：以T6态7075厚度1.5mm的铝合金板材为原料，选取冷态下的铝合金板材放置于脉冲电场中通电，脉冲电场的工艺参数设置为电流密度25~40A/mm2、频率40~55Hz、脉冲数20~25个，利用脉冲电流产生的电致塑性效应和焦耳热效应使得高强铝合金板材溶质原子完全溶于铝基体中；铝合金板材固溶处理后由人工迅速转移至热冲压成形机冲压成形；热冲压成形后即将中立柱转移至脉冲磁场中进行时效处理，脉冲磁场的工艺参数设置为频率65~95Hz、磁场强度10000~12000A/m，处理时长设定为6~12h；时效处理完成后，将中立柱取出并切样，准备进行后续的性能测试试验。
对时效处理后的中立柱取样，结果显示其力学性能得到一定程度上的提升。
实施例2
采用本发明对6061铝合金Φ10mm销进行脉冲电磁场固溶时效处理，包括以下步骤：以6061铝合金销为处理对象，选取冷态下的铝合金销放置于脉冲电场中通电，脉冲电场的工艺参数设置为电流密度30~45A/mm2、频率10~25Hz、脉冲数25~30个，利用脉冲电流产生的电致塑性效应和焦耳热效应使得铝合金销的第二相完全固溶；铝合金销固溶处理后迅速转移至脉冲磁场中进行时效处理，脉冲磁场的工艺参数设置为频率1~25Hz、磁场强度8000~11000A/m，处理时长设定为8~12h；时效处理完成后，将铝合金销取出，准备进行后续的性能测试试验。
对时效处理后的铝合金销取样，结果显示其力学性能得到一定程度上的提升。
实施例3
采用本发明对7A04铝合金螺栓（M10）进行脉冲电磁场固溶时效处理，包括以下步骤：以7A04铝合金螺栓为材料，选取冷态下的7A04铝合金螺栓放置于脉冲电场中通电，脉冲电场的工艺参数设置为电流密度30~35A/mm2、频率70~85Hz、脉冲数25~30个，利用脉冲电流产生的电致塑性效应和焦耳热效应使得铝合金螺栓的第二相固溶；铝合金螺栓固溶处理后迅速转移至脉冲磁场中进行时效处理，脉冲磁场的工艺参数设置为频率2~50Hz、磁场强度12000~18000A/m，处理时长设定为10~11h；时效处理完成后，将铝合金螺栓取出，准备进行后续的性能测试试验。
对时效处理后的螺栓取样，结果显示其力学性能得到一定程度上的提升。
实施例4
采用本发明对2024铝合金拉伸管进行脉冲电磁场固溶时效处理，包括以下步骤：以2024铝合金拉伸管为材料，选取冷态下的2024铝合金拉伸管放置于脉冲电场中通电，脉冲电场的工艺参数设置为电流密度35~40A/mm2、频率60~80Hz、脉冲数25~30个，利用脉冲电流产生的电致塑性效应和焦耳热效应使得铝合金拉伸管的第二相固溶；铝合金拉伸管固溶处理后迅速转移至脉冲磁场中进行时效处理，脉冲磁场的工艺参数设置为频率30~70Hz、磁场强度20000~26000A/m，处理时长设定为10-12h；时效处理完成后，将铝合金拉伸管取出，准备进行后续的性能测试试验。
对时效处理后的拉伸管取样，结果显示其力学性能得到一定程度上的提升。
实施例5
采用本发明对7001铝合金U型挤压件进行脉冲电磁场固溶时效处理，包括以下步骤：以7001铝合金U型挤压件为材料，选取冷态下的7001铝合金U型挤压件放置于脉冲电场中通电，脉冲电场的工艺参数设置为电流密度20~25A/mm2、频率25~55Hz、脉冲数30~35个，利用脉冲电流产生的电致塑性效应和焦耳热效应使得铝合金U型挤压件的第二相固溶；铝合金U型挤压件固溶处理后迅速转移至脉冲磁场中进行时效处理，脉冲磁场的工艺参数设置为频率55~90Hz、磁场强度25000~30000A/m，处理时长设定为6-12h；时效处理完成后，将U型挤压件取出，准备进行后续的性能测试试验。
对时效处理后的U型挤压件取样，结果显示其力学性能得到一定程度上的提升。
通过上述5个具体实施例可知，采用本发明得到的铝合金构件的组织性能得到明显的改善，其性能更加优异，且节能环保，因此，本发明具有很好的市场应用前景，将有望产生重要的社会效益和经济效益。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种铝合金构件电磁脉冲快速固溶-时效工艺，其特征在于，由以下步骤组成：
S1、固溶处理：先将铝合金构件或坯料放置于脉冲电场中通电加热至固溶温度以上，利用脉冲电流产生的电致塑性效应和焦耳热效应使铝合金构件或坯料第二相快速溶解，再以大于等于80℃/s的速率将铝合金构件或坯料急冷至室温，使其形成过饱和固溶体，其中，所述脉冲电场的电流密度为20~400A/mm2，其频率为20~80 Hz，其脉冲数为2~50个；
S2、时效处理：将经固溶处理后的铝合金构件或坯料放置于脉冲磁场中进行磁脉冲快速时效处理，时效处理时长为1~12h，使已固溶的溶质原子从基体形核、析出，形成弥散分布的析出相，其中，所述脉冲磁场的磁场强度为5000~30000A/m，其频率为1~100Hz。
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