CN110872674A - 一种适用于铝铜合金的双级均匀化热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于铝铜合金的双级均匀化热处理方法，属于铝合金热处理技术领域。处理步骤如下：将铝铜合金坯料在470‑490℃加热炉(如空气炉)中保温8‑60h进行第一级均匀化处理，然后以1‑5℃/min的升温速度加热到495‑513℃保温10‑40h进行第二级均匀化处理，完成均匀化后坯料可进行水冷、空冷或炉冷处理。本发明提供的双级均匀化热处理方法能有效消除铝铜合金坯料中的元素偏析并充分溶解网状共晶组织，其均匀化效果明显优于单级均匀化热处理工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝铜合金的双级均匀化热处理方法，属于铝合金热处理技术领域。
技术背景
铝铜合金是可热处理强化合金，具有锻造性好、强度高、耐热性能好等优异性能特点，广泛用于航空航天、交通运输等领域。均匀化热处理工艺是变形加工及后续热处理强化的预备工艺，合理的均匀化处理工艺可以降低或消除铸坯凝固过程中所产生的内应力，降低铸坯的开裂倾向并改善其可加工性；消除非平衡共晶相，改善枝晶偏析，使合金元素充分扩散，为后续固溶时效强化创造条件，改善合金的硬度、强度、疲劳等性能。
铝合金在凝固过程中常形成树枝晶组织，且合金元素会发生严重偏析，晶界处往往存在大量非平衡共晶组织，从而严重影响合金坯料的加工性能及最终力学性能。对于铝铜合金而言，晶界处常存在含Al2Cu相的网状组织，同时还有大量形状不规则的富Fe相以及少量AlMgSiCu相。由于富Fe相、AlMgSiCu相的溶解温度较高，故其在热处理过程中较难溶解或回溶。因此，铝铜合金的均匀化需尽可能的消除晶界处的网状组织，使更多Al2Cu相溶解到铝基体中。
高温下，铝合金的均匀化热处理过程或所含金属间相的溶解会进行的更快，而含有Cu或Cu+Mg的铝合金，由于存在含Cu相局部熔化的风险，且随Cu含量增加，合金的过烧温度会不断降低，故此类合金不宜在过高温度下进行均匀化处理。例如，Cu含量在3.9～4.8之间的铝铜系合金经常规均匀化热处理后(490℃保温处理24h)，较难消除晶界处的网状结构和明显降低成分偏析，且当温度高于490℃时容易发生过烧。因此，常规的单级均匀化热处理效果不佳，导致粗大网状结构残留并影响合金的加工及最终性能。因而在常规均匀化处理工艺基础上开发新的均匀化热处理工艺不仅要使低熔点非平衡共晶相的充分溶解，还要确保合金坯料不发生过烧和消除元素偏析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于铝铜合金的双级均匀化热处理方法，本方法可有效降低或消除合金组织中的网状结构，解决铝铜合金中Al2Cu相在均匀化过程中无法充分溶解的难题，以改善铝铜合金的加工性能和最终使用性能。
一种适用于铝铜合金坯料的双级均匀化热处理方法，其特征在于将铝铜合金坯料分两级进行均匀化热处理，均匀化处理的合金坯料通过水冷、空冷、炉冷至室温。
进一步地，所述第一级均匀化热处理温度为470-490℃，处理时间8-60h。
进一步地，所述第二级均匀化热处理温度为495-513℃，处理时间10-40h。
优选地，在上述铝铜合金均匀化处理方法中，第一级均匀化热处理温度在480～485℃之间，保温时间在8-24h之间。
优选地，在上述铝铜合金均匀化处理方法中，由第一级均匀化温度向第二级均匀化温度的升温为1～5℃/min。
优选地，在上述铝铜合金均匀化处理方法中，第二级均匀化热处理温度在505～510℃之间，保温时间在12-24h之间。
按照本发明提供的双级均匀化处理方法，在第一级均匀化热处理后，原始合金晶界上的网状结构局部分解破碎，金属间相的宽度减小，低熔点非平衡共晶相部分溶解。在第二级均匀化处理之后，网状结构基本消失，Al2Cu相大部分溶解，剩余Al2Cu相呈细小球状不规则分布于基体中。枝晶间合金元素可充分扩散均匀，从而使均匀化态合金的显微硬度明显提高，确保基体中第二相含量最低。
本发明有效解决了铝铜合金中含Cu相在均匀化过程中难以有效回溶的问题，在保证合金不过烧前提下，通过双级均匀化热处理工艺能更充分的溶解含Cu相，为后续变形、热处理强化等创造良好条件。
本发明的方法可用于但不限于2014、2214、2A14、2124、2224、2324等铝铜合金的均匀化热处理，对于Cu含量较高的铝铜合金均匀化热处理也具有指导意义。
附图说明
图1a是本发明对比例中经单级均匀化485℃-24h处理后的2A14铝合金的金相组织；
图1b是本发明对比例中经单级均匀化485℃-24h处理后的2A14铝合金的SEM微观组织；
图2a是本发明实施例1中经双级均匀化485℃×24h+510℃×24h处理后的2A14铝合金的金相组织；
图2b是本发明实施例1中经双级均匀化485℃×24h+510℃×24h处理后的2A14铝合金的SEM微观组织；
图3a是本发明实施例2中经双级均匀化485℃×12h+500℃×24h处理后的2A14铝合金的金相组织；
图3b是本发明实施例2中经双级均匀化485℃×12h+500℃×24h处理后的2A14铝合金的SEM微观组织；
图4是本发明中2A14铝合金经不同均匀化处理工艺后的硬度对比图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加明确和利于技术人员操作，以下参照附图并举实例对本发明做进一步说明。
本发明采用2A14铝合金坯料，其成分质量百分比为：Cu：4.44，Si:1.04，Mg:0.53，Mn:0.88，Fe:0.20，Ti:0.025，Ni＜0.10，Zn＜0.20，单个杂质元素＜0.05，杂质元素合计＜0.10，余量为Al。
本发明所提供的铝铜合金均匀化热处理方法包含以下步骤：
(1)铝铜合金坯料在470-490℃加热炉中保温8-60h，完成第一级均匀化热处理；
(2)将第一级均匀化处理的坯料以1-5℃/min的升温速率随炉加热至第二级均匀化热处理温度495-513℃，保温时间为10-40h，完成第二级均匀化处理；
(3)均匀化处理的合金坯料可通过水冷、空冷、炉冷至室温。
本发明可在第一级均匀化热处理时充分溶解低熔点共晶相，避免合金在升温时发生过烧。在第一级均匀化热处理后，合金中部分低熔点共晶相已溶入基体，残余共晶相的熔化温度较高，因而可利用第二级均匀化来进一步溶解这些剩余的共晶相，并避免过烧组织产生。经本发明的双级均匀化工艺处理后，铝铜合金中的Al2Cu相几乎全部溶解，解决了2A14铝合金中Al2Cu相难以在均匀化过程中充分溶解的问题。在实际生产中，技术人员可根据实际需要灵活调整加热温度及时间，不限于本发明所提供的时间区间。
对比例
对2A14铝合金坯料进行单级均匀化处理：首先将合金坯料分别在480℃、485℃、490℃、510℃的空气炉中保温24h，为避免合金在炉冷、空冷等缓慢冷却过程中析出的第二相对相统计结果的影响，在保温完成后将合金坯料直接水淬。为探究保温时间对第二相溶解的影响，将2A14铝合金在485℃分别保温8h、12h、24h、36h、48h、100h，保温完成后水淬。对不同均匀化工艺处理后的试样进行组织观察和相分析，结果见表1：合金的最高单级均匀化温度为485℃，超过该温度存在过烧风险。将合金坯料在485℃保温100h后，发现合金中第二相含量依然高于510℃-24h均匀化处理后的第二相含量，这表明均匀化处理温度对第二相含量影响显著。图1(a)、(b)为单级均匀化工艺485℃-24h处理之后的微观组织图，其显示2A14铝合金并未发生过烧，但基体内仍存大量未溶第二相，成分分析表明图1(b)中亮白色为Al2Cu相、灰色为含Fe相。
表1 2A14铝合金坯料经不同均匀化工艺处理后的组织分析
*注：残留相基本为难溶含Fe相。
实施例1
采用本发明提供的方法对2A14铝合金坯料进行不同工艺的双级均匀化处理，从第一级均匀化温度升高到第二级均匀化温度的升温速率为1℃/min,均匀化完成后水淬，不同双级均匀化处理后的组织分析见表2。总体而言，双级均匀化处理后第二相含量明显低于单级均匀化处理，且保温时间越长，第二相含量越低。热处理总时长在30h左右的双级均匀化处理工艺11#、13#、14#的最终第二相含量在1.70％左右，工艺15#使第二相含量降低至1.64％。为节约能源、提高生产率，本发明推荐采用11#、13#、14#工艺进行均匀化处理，也可根据实际均匀化处理需求选择其中某一工艺进行均匀化处理即可。
图2(a)、(b)为双级均匀化工艺485℃×24h+510℃×24h处理后2A14铝合金的微观组织，由图可见，虽然合金被加热到了510℃，但未发生过烧，这体现了双级均匀化处理工艺的优势。含Fe相未发生明显改变(图2(b)中灰色所示)，虽然基体中仍有Al2Cu相存在(图2(b)中亮白色所示)，但采取本发明所提供的双级均匀化处理工艺可使2A14铝合金获得较单级均匀化处理工艺更好的均匀化效果，即均匀化后Al2Cu相残余量更少。在基体中均匀分布的Cu元素为后续固溶时效强化提供了有利条件，有助于提升合金的综合性能。
表2 2A14铝合金经不同双级均匀化工艺处理后的组织分析
| 工艺编号 | 工艺参数 | 是否过烧 | 第二相含量/％ | 总时长 |
| 10# | 485℃-8h+510℃-12h | 否 | 2.19* | 20h |
| 11# | 485℃-8h+510℃-24h | 否 | 1.72* | 32h |
| 12# | 485℃-12h+510℃-12h | 否 | 1.91* | 24h |
| 13# | 485℃-12h+510℃-24h | 否 | 1.70* | 36h |
| 14# | 485℃×24h+510℃×12h | 否 | 1.73* | 36h |
| 15# | 485℃×24h+510℃×24h | 否 | 1.64* | 48h |
*注：残留相基本为难溶含Fe相。
实施例2
采用本发明提供的方法对2A14铝合金坯料进行不同工艺的双级均匀化处理，从第一级均匀化温度升高到第二级均匀化温度的升温速率为5℃/min，均匀化完成后水淬，不同双级均匀化处理后的组织分析见表3。结合图3可知，当第二级均匀化温度为500℃时，合金并未发生过烧，而且分布在晶界上的Al2Cu相大量溶解，网状结构消失，基体中只剩难溶含Fe相和少量Al2Cu相。虽然本处理制度基本达到了均匀化处理要求，但由于第二级均匀化温度较实施例1单级均匀化处理温度510℃降低了10℃，且总保温时间较短，其均匀化效果并未达到图2所示级别，残留的Al2Cu相依然偏多，总体第二相含量偏高，但与对比例相比，低的处理温度和短的处理时间可有效节约能源，提高生产效率。
表3 2A14铝合金经不同双级均匀化工艺处理后的组织分析
| 工艺编号 | 工艺参数 | 是否过烧 | 第二相含量/％ | 总时长 |
| 16# | 485℃-12h+500℃-12h | 否 | 2.07* | 24h |
| 17# | 485℃-12h+500℃-24h | 否 | 1.83* | 36h |
*注：残留相基本为难溶含Fe相。
为更清晰反映本发明均匀化工艺的优势，测量了对比例、实施例1及实施例2中典型均匀化工艺处理后的显微硬度，结果如图4。合金经均匀化热处理后，合金元素固溶进入基体而产生固溶强化，使合金硬度提高。2A14铝合金经单级均匀化处理后硬度明显提升，且硬度随单级均匀化温度升高而呈上升趋势，其硬度低于120HV，而合金经双级均匀化热处理后硬度约125HV。合金经485℃-8h+510℃-12h双级均匀化处理后，基体内残留Al2Cu相较少，主要为含Fe相，因此延长均匀化保温时间未发现硬度有明显升高。在具体实施均匀化过程中，可根据实际需要合理调整均匀化时间，从而实现材料性能与工业生产的有效结合。
Claims (6)
1.一种适用于铝铜合金的双级均匀化热处理方法，其特征在于将铝铜合金坯料分两级进行均匀化热处理，均匀化处理的合金坯料通过水冷、空冷、炉冷至室温。
2.根据权利要求1所述的适用于铝铜合金坯料的双级均匀化热处理方法，其特征在于，在470-490℃温区进行第一级均匀化热处理，处理时间8-60h。
3.根据权利要求1所述的适用于铝铜合金的双级均匀化热处理方法，其特征在于，在495-513℃温区进行第二级均匀化热处理，处理时间10-40h。
4.根据权利要求1所述的适用于铝铜合金的双级均匀化热处理方法，其特征在于，合金坯料经第一级均匀化热处理后随炉加热至第二级均匀化热处理温度，加热速率为1-5℃/min。
5.根据权利要求1或2所述的适用于铝铜合金的双级均匀化热处理方法，其特征在于，第一级均匀化热处理时间为8-24h。
6.根据权利要求1或3所述的适用于铝铜合金的双级均匀化热处理方法，其特征在于，第二级均匀化热处理时间为10-24h。
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