CN113046661B - 一种改善7xxx系铝合金组织与性能的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种改善7xxx系铝合金组织与性能的热处理方法，包含：首先对变形态进行单级或分级固溶保温热处理，最终固溶热处理保温温度为T1，其中，460℃≤T1≤485℃；将合金以平均冷却速率V1由T1温度点冷却至温度T2，随后以平均冷却速率V2从T2温度点冷却至室温，其中，150℃≤T2≤190℃，20℃/s≤V1≤60℃/s，3℃/s≤V2≤10℃/s；将淬火态铝合金进行1～5％的冷变形处理，然后在T3温度下保温时间t1进行时效热处理，其中110℃≤T3≤140℃，10h≤t1≤32h。本发明方法可以在控制残余应力的情况下，使7xxx系铝合金得到较理想的析出相组织形态，获得良好的强韧性与耐蚀性的匹配。本方法较现有工艺大幅缩短了热处理时间，具有操作简便，高效可行的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种7xxx系(Al-Zn-Mg-Cu系)铝合金的热处理方法，更具体地说，涉及一种改善7xxx系铝合金组织与性能的热处理方法，属于铝合金热处理技术领域。
背景技术
7xxx系(Al-Zn-Mg-Cu系)铝合金是典型的热处理可强化铝合金，固溶、淬火、预拉伸及时效处理是使合金获得理想均一组织及优良综合性能的关键工艺环节。要获得具有良好综合性能的7xxx系铝合金，要求合金在固溶处理时强化元素充分回溶到基体中；经时效处理后，合金中最终形成尺寸细小、数量众多、分布密集的晶内析出相，以及尺寸粗大、断续分布的晶界析出相。
合金的时效处理有多种方式。一般而言，单级峰时效处理时，合金晶内析出细小的共格及半共格强化相，晶界析出相基本呈连续分布，合金的强度最高，但对应力腐蚀和剥落腐蚀很敏感。双级过时效处理时，第一级采用较低温度(100～120℃)进行预时效，合金中形成数量众多的细小晶内析出相；第二级采用较高温度(145～180℃)处理，合金中晶界析出相呈断续分布，晶内析出相发生长大粗化，合金的耐蚀性能得到显著提高，但会造成其强度明显降低。为了解决合金高强度与耐蚀性的兼顾难题，近年来业界开发了T77等三级时效处理，首先在较低温度(100～120℃)下进行预时效，使合金获得接近峰时效态的微观组织和性能；再继续升温，在较高温度(160～220℃)下进行短时保温处理，使合金中晶界析出相粗化、变得断续分布，晶内析出相发生回溶到基体；经快速冷却后，在较低温度下(100～120℃)进行峰时效，使晶内析出大量细小弥散分布的强化相，晶界析出相进一步长大粗化，合金再次达到峰值强度。由此，该处理综合了峰时效和过时效的优点，合金同时具备了较高的强度和良好的耐蚀性，但时效热处理工艺变得复杂，控制难度增大，生产效率偏低，在实际生产中耗时通常超过48h、甚至达到60h，极易成为生产线上制约生产进度的瓶颈问题。
同时，在实际生产中，7xxx系铝合金经充分固溶处理后，淬火通常采用快速冷却至室温的方式，以将固溶处理高温条件下形成的过饱和固溶体保留至室温，为随后的时效强化处理打好基础。采用尽可能快的淬火冷却速度，有利于获得较高的强度，但同时会带来较大的淬火残余应力，易引起合金结构件机加工变形超差等问题。
因此，如何在确保合金中形成理想的晶内和晶界析出相组织形态、以获得高强韧和耐蚀性匹配的同时，降低残余应力，且简化工艺，提高生产效率，是7xxx系铝合金变形加工材热处理工艺开发所需攻关的关键技术和亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种改善7xxx系铝合金组织与性能的热处理方法，通过调控合金的分级控冷淬火并匹配合适的冷变形和单级时效处理，能显著改善合金的析出相组织形态与综合性能，使7xxx系铝合金兼备高强韧、耐蚀和低残余应力。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种改善7xxx系铝合金组织与性能的热处理方法，主要包含以下工艺步骤：
(1)对变形态铝合金进行单级或分级固溶保温热处理；
(2)完成固溶保温热处理后，将铝合金进行分级控冷淬火，以平均冷却速率V1由T1温度点冷却至温度T2，其中，460℃≤T1≤485℃，150℃≤T2≤190℃，20℃/s≤V1≤60℃/s；然后以平均冷却速率V2从T2温度点冷却至室温(≤30℃)，其中，3℃/s≤V2≤10℃/s；
(3)将淬火态铝合金在室温下进行1～5％的冷变形处理；
(4)冷变形处理后的铝合金由室温升至T3，在T3温度下保温时间t1进行时效热处理，其中，110℃≤T3≤140℃，10h≤t1≤32h。
本发明通过大量研究和工业实践发现，通过采用精细设计的高效热处理方法，可以有效调控7xxx系铝合金在淬火及时效过程中的组织演变。分级控冷淬火分成两个阶段，在第一阶段处理过程中，由于采用合适的冷却速率冷却到200℃以下，合金中仅在晶界处发生一定的脱溶析出，获得满足要求的晶界析出相形态，基体仍保持过饱和固溶体的状态；在第二阶段处理过程中，采用相对较低的冷却速率冷却至室温，在有效抑制晶内发生脱溶析出的同时，显著降低因快速冷却造成的残余应力；再经合适的预拉伸处理后，残余应力得到大幅度消减；在后续的单级时效处理过程中，晶内沉淀析出尺寸细小、分布弥散的强化相，同时晶界析出相进一步长大粗化，断续程度增加。采用该方法，可在操作简便的时效处理工艺下，使合金获得更佳的微观组织和优良的综合性能匹配，在合金强度保持较高水平的情况下，可使合金的断裂韧性、耐蚀性能等得到显著提高。
本发明优选的技术方案为：一种改善7xxx系铝合金组织与性能的热处理方法，其主要包含以下工艺步骤：(1)对变形态铝合金进行单级或分级固溶保温热处理；(2)完成固溶保温热处理后，将铝合金进行分级控冷淬火，以平均冷却速率V1由T1温度点冷却至温度T2，其中，470℃≤T1≤485℃，155℃≤T2≤185℃，25℃/s≤V1≤55℃/s；然后以平均冷却速率V2从T2温度点冷却至室温(≤30℃)，其中，3℃/s≤V2≤8℃/s；(3)将淬火态铝合金在室温下进行1～5％的冷变形处理；(4)冷变形处理后的铝合金由室温升至T3，在T3温度下保温时间t1进行时效热处理，其中，110℃≤T3≤130℃，16h≤t1≤32h。
本发明更优选的技术方案为：一种改善7xxx系铝合金组织与性能的热处理方法，其主要包含以下工艺步骤：(1)对变形态铝合金进行单级或分级固溶保温热处理；(2)完成固溶保温热处理后，将铝合金进行分级控冷淬火，以平均冷却速率V1由T1温度点冷却至温度T2，其中，470℃≤T1≤480℃，160℃≤T2≤175℃，30℃/s≤V1≤50℃/s，；然后以平均冷却速率V2从T2温度点冷却至室温(≤30℃)，其中，4℃/s≤V2≤6℃/s；(3)将淬火态铝合金在室温下进行1～5％的冷变形处理；(4)冷变形处理后的铝合金由室温升至T3，在T3温度下保温时间t1进行时效热处理，其中，120℃≤T3≤130℃，16h≤t1≤24h。
优选地，冷却速率V1和V2满足：3≤V1/V2≤20；更优选地，冷却速率V1和V2满足：6≤V1/V2≤12。
在本发明中，在步骤(2)中，淬火的方式可以采用喷淋淬火。
优选地，在步骤(3)中，冷变形的变形量为2～3％。
优选地，在步骤(4)中，由室温升至T3的升温速率为1～10℃/min；更优选地，由室温升至T3的升温速率为1～5℃/min。
本发明所述方法不仅适用于7xxx系变形铝合金的热处理，还可以用于其他变形铝合金、以及变形镁合金等金属材料。
与现有技术相比，本发明的改善7xxx系铝合金组织与性能的热处理方法的优点在于：
(1)本发明充分考虑了7xxx系变形铝合金的析出规律，通过分级控冷淬火，使合金在晶界处发生充分的脱溶析出，获得有利于提高合金耐蚀性的晶界析出相组织形态，同时有效降低淬火残余应力；并配合适宜的预拉伸冷变形与简便的单级时效处理，使合金获得更佳的微观组织和优良的综合性能匹配，使7xxx系铝合金兼具了高强韧、耐蚀和低残余应力的特点。
(2)本发明的方法准确可靠，可操作性强、经济使用；充分考虑了7xxx系变形铝合金的特性及方法的工业化适用性；可使合金获得与T77等三级时效处理相当的性能水平，但大幅度缩减了热处理时间，显著提高了生产效率。
附图说明
图1本发明的热处理方法中参数控制过程示意图。
图2所示为对比例中7056合金T7751态的显微组织照片。
图3所示为实施例3中7056合金2#工艺的显微组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，图1的纵坐标为温度T，其中T1为分级淬火过程的第一段起始温度，T2为第一段的终了温度(第二段的起始温度)，V1为第一段的平均冷却速率，V2为第二段的平均冷却速率。T3和t1为时效热处理的保温温度和保温时间。如图所示，分级淬火第二段以V2的淬火速率冷却至室温(≤30℃)，经冷变形后升温至T3温度保温处理时间t1，随后空冷至室温。
本发明的热处理方法适用的7xxx系铝合金成分，按质量百分比(wt％)包括：Zn5.1～9.7，Mg 1.2～3.0，Cu 1.2～2.8，Zr 0.05～0.25，余量为Al。
对比例1
该对比例以7055合金(Al-8.0Zn-2.3Cu-2.0Mg-0.16Zr)26mm厚度的板材、7050合金(Al-6.2Zn-2.3Cu-2.2Mg-0.12Zr)78mm厚度的板材、7085合金(Al-7.5Zn-1.6Cu-1.5Mg-0.12Zr)152mm厚度的板材、7056合金(Al-9.2Zn-1.7Cu-1.9Mg-0.11Zr)50mm厚度的板材作为研究对象。合金均经过工业化半连续熔铸制备400mm厚度的大规格铸锭，然后经均匀化热处理及热轧后获得变形态板材。固溶处理后直接快速淬火至室温，预拉伸变形量为2.5％，时效采用典型的T6态和T77态处理制度，其热处理制度如表1所示，性能测试结果如表2所示。
表1
表2
实施例1
该实施例以7055合金(Al-8.0Zn-2.3Cu-2.0Mg-0.16Zr)25mm板材作为研究对象。7055合金热轧态板材的固溶处理制度为470℃/2h+475℃/2h，预拉伸变形量为2.0％，采用不同方案的分级淬火及单级时效热处理，热处理制度如表3所示。对经不同热处理后的板材进行性能测试，结果如表4所示。
表3
表4
实施例2
该实施例以7050合金(Al-6.2Zn-2.3Cu-2.2Mg-0.12Zr)78mm板材作为研究对象。7055合金热轧态板材的固溶处理制度为470℃/3h+480℃/1h，预拉伸变形量为2.3％，采用不同方案的分级淬火及单级时效热处理，热处理制度如表5所示。对经不同热处理后的板材进行性能测试，结果如表6所示。
表5
表6
实施例3
该实施例以7085合金(Al-7.5Zn-1.6Cu-1.5Mg-0.12Zr)152mm板材作为研究对象。7085合金热轧态板材的固溶处理制度为475℃/2h，预拉伸变形量为2.5％，采用不同方案的分级淬火及单级时效热处理，热处理制度如表7所示。对经不同热处理后的板材进行性能测试，结果如表8所示。
表7
表8
实施例4
该实施例以7056合金(Al-9.2Zn-1.7Cu-1.9Mg-0.11Zr)50mm板材作为研究对象。7056合金热轧态板材的固溶处理制度为475℃/4h，预拉伸变形量为2.2％，采用不同方案的分级淬火及单级时效热处理，热处理制度如表9所示。对经不同热处理后的板材进行性能测试，结果如表10所示。
表9
表10
图2所示为对比例中7056合金T7751态的显微组织透射电镜照片，图3所示为实施例4中7056合金4-3#工艺的显微组织透射电镜照片。可以看出，合金中的晶内析出相均呈尺寸细小、数量众多、弥散分布的特点，而晶界析出相则呈尺寸粗大、断续分布的特征；两种热处理方式下，合金的晶内和晶界析出相形态特征无明显差别，两者对应的性能也完全接近，这进一步表明了本发明的热处理方法在获得与T77三级时效热处理相当的组织与性能的基础上，还具备操作简便、高效可行的特点，热处理时间缩短了一半，这对于提高7xxx系铝合金工业化生产效率大有益处。
Claims (9)
1.一种改善7xxx系铝合金组织与性能的热处理方法，其特征在于，主要包含以下工艺步骤：
(1)对变形态铝合金进行单级或分级固溶保温热处理；
(2)完成固溶保温热处理后，将铝合金进行分级控冷淬火，以平均冷却速率V1由T1温度点冷却至温度T2，其中，460℃≤T1≤485℃，155℃≤T2≤190℃，20℃/s≤V1≤60℃/s；然后以平均冷却速率V2从T2温度点冷却至室温，其中，3℃/s≤V2≤10℃/s；
(3)将淬火态铝合金在室温下进行1～5％的冷变形处理；
(4)冷变形处理后的铝合金由室温升至T3，在T3温度下保温时间t1进行时效热处理，其中，110℃≤T3≤140℃，10h≤t1≤32h。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，470℃≤T1≤485℃，155℃≤T2≤185℃，25℃/s≤V1≤55℃/s，3℃/s≤V2≤8℃/s；110℃≤T3≤130℃，16h≤t1≤32h。
3.根据权利要求2所述的热处理方法，其特征在于，470℃≤T1≤480℃，160℃≤T2≤175℃，30℃/s≤V1≤50℃/s，4℃/s≤V2≤6℃/s；120℃≤T3≤130℃，16h≤t1≤24h。
4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，冷却速率V1和V2满足：3≤V1/V2≤20。
5.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于，冷却速率V1和V2满足：6≤V1/V2≤12。
6.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，在步骤(2)中，淬火的方式采用喷淋淬火。
7.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，在步骤(3)中，冷变形的变形量为2～3％。
8.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，在步骤(4)中，由室温升至T3的升温速率为1～10℃/min。
9.根据权利要求8所述的热处理方法，其特征在于，由室温升至T3的升温速率为1～5℃/min。
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