CN113234974A - 一种降低Er微合金化7000系铝合金热塑性变形抗力的方法 - Google Patents

一种降低Er微合金化7000系铝合金热塑性变形抗力的方法 Download PDF

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Abstract

一种降低Er微合金化7000系铝合金热塑性变形抗力的方法，属于铝合金热处理和铝合金塑性加工领域。合金组分为(重量百分比)：1.20‑1.9Cu，2.0‑2.9Mg,≤0.20Mn,≤0.25Si,≤0.35Fe,7.2‑8.2Zn,0.05‑0.2Er，0.05‑0.1Zr，不可避免杂质≤0.15,余量为Al；工艺流程为：铸造→均匀化→铸锭高温预析出→热塑性变形。其高温预析出处理：先在420℃保温6h，然后在210℃保温4h，出炉水淬。铸锭高温预析出处理工序通过使沉淀相以过时效状态(平均尺寸≥1μm)均匀析出，可以降低Er微合金化7000系铝合金热塑性变形抗力。

Description

一种降低Er微合金化7000系铝合金热塑性变形抗力的方法
技术领域
本发明属于铝合金热处理和铝合金塑性加工领域，特别涉及一种通过热塑性变形前的铸锭预析出热处理工艺来降低Er微合金化7000系Al-Zn-Mg-Cu铝合金热塑性变形抗力的方法。
背景技术
7000系Al-Zn-Mg-Cu合金属于可热处理强化的变形铝合金，由于其具有高比强度，较优异的韧性、热加工性以及耐腐蚀性的特点，广泛应用于航天航空等领域。在工业应用上，Al-Zn-Mg(-Cu)合金挤压速度慢，挤压力大，一直是其挤压制品生产的一个重要问题。Al-Zn-Mg-Cu合金属于可热处理强化铝合金。铸态合金到最终合金的型材产品，传统生产工艺流程按时间先后顺利包括“均匀化→热塑性加工(例如轧制、挤压、锻造等)→固溶→时效”。每个工艺流程都赋予合金不同的微观组织并直接影响到合金最终的显微组织与性能。
均匀化后的不同冷却制度会严重影响均匀化后的显微组织，进而影响后续的合金热塑性变形行为。工业上，Al-Zn-Mg(-Cu)合金典型工艺流程中均匀化后的冷却制度为随炉冷却或空冷，这样的冷却方式会使冷却速度随铸锭尺寸及环境温度变化很大，进而导致均匀化后的显微组织特征差别很大。均匀化后快速冷却会形成固溶体，导致热变形过程动态析出大量细小弥散相，进而使热变形过程有很高的初始峰值应力，表现在热加工过程(例如：挤压、轧制、锻造等)中，会出现很高的初始变形抗力。铸锭均匀化后的缓慢冷却可以使沉淀以大颗粒状析出，能解决初期由于细小弥散相动态析出导致的高挤压力问题。但这种均匀化后缓慢冷却的方式只是在热塑性加工条件不苛刻(例如：低挤压比和低挤压速度)的工况下有效。这是由于在普通均匀化后缓慢冷却过程中，初生一次相颗粒周围会析出的大块共晶沉淀相，当热塑性变形条件变得苛刻(例如：大挤压比和高的挤压速度)时，这些大块析出相会发生共晶熔化，使挤压制品出现热裂。所以，有必要通过工艺流程优化，降低塑性变形抗力，并且确保制品不发生热裂。
微量Er添加到铝合金中，由于形成弥散分布的L12结构的Al3Er纳米相，有显著强化效果，这使发展新型工业化规模的含铒高性能铝合金具有了广阔前景。但是，与不添加Er的铝合金相比，Er微合金化铝合金中会形成弥散分布的L12结构的Al3Er纳米相，这种L12结构的 Al3Er相和位错交互作用导致需要的挤压力更大，挤压速度更慢。因而，有必要对Er微合金化铝合金的加工工艺进行改进，以降低挤压力提高挤压速度，进而减小变形功消耗，降低对压力加工设备吨位的要求，提高设备生产效率。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种新型降低Er微合金化7000系Al-Zn-Mg-(Cu)铝合金变形抗力的热处理及热塑性变形方法，并且这种方法能减小铝合金挤压开裂的倾向，提高产品质量，提高设备生产效率，降低能耗，是一种绿色节能减排工艺方法。这种新型工艺适用于可热处理强化的Er微合金化7000系Al-Zn-Mg-(Cu)铝合金。
本发明的技术方案如下：
本发明提出了一种新型降低Er微合金化Al-Zn-Mg-(Cu)铝合金变形抗力的热处理及热塑性变形工艺，其工艺适合合金各组分为(重量百分比)：1.20-1.9Cu，2.0-2.9Mg,≤0.20 Mn,≤0.25Si,≤0.35Fe,7.2-8.2Zn,0.05-0.2Er，0.05-0.1Zr，不可避免杂质≤0.15,余量为Al的铝合金铸锭。其成分优选为7.6％Zn、2.5％Mg、1.5％Cu、0.1％Er、0.1％Zr，余量为铝。
本发明提出了一种降低Er微合金化7000系Al-Zn-Mg(-Cu)铝合金变形抗力的热处理及热变形方法，其特征在于，其工艺流程为：铸造→均匀化→铸锭高温预析出→热塑性变形。
其工艺流程具体包括以下步骤：
(1)均匀化处理：将上述成分合金放入热处理炉，由室温经过10h升温至465℃，在465℃下保温24h，出炉水淬；
(2)铸锭高温预析出处理：将均匀化后的样品，放入热处理炉中进行高温预析出(过时效) 处理，高温预析出处理工艺为：先在420℃保温6h，然后在210℃保温4h，出炉水淬。
(3)加热：将上述过时效处理后的样品加热到变形温度，保温5min。
(4)热塑性变形：将步骤3加热后的合金放在压力机上，进行压缩热变形，变形温度： 200-450℃；变形速度：0.001-30S-1，总变形量大于60％。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明可以降低Er微合金化7000系Al-Zn-Mg(-Cu)铝合金热塑性变形抗力，进而减小变形功消耗，降低对压力加工设备吨位的要求。
2.本发明提出的技术方案，与Al-Zn-Mg(-Cu)系变形铝合金传统生产工艺流程(按时间先后顺利包括铸造→均匀化→热塑性变形→固溶→时效)相比，本发明在热塑性变形工序之前增加了“铸锭高温预析出处理”工序。本发明“铸锭高温预析出处理”工序使沉淀相以过时效状态(平均尺寸≥1μm)在晶粒内部及晶界上均匀析出，这样一方面，相比较传统生产工艺流程均匀化后快速冷却直接热塑性变形的材料而言，可以降低热塑性变形初期由于动态析出的弥散细小颗粒(平均尺寸10nm-200nm间)导致的变形抗力增加现象。另一方面，对于均匀化后缓慢冷却的材料，可以消除初生一次相颗粒周围析出的大块共晶沉淀相，进而避免产品中由于变形温升导致的共晶熔化和热裂缺陷。
3.本发明工艺简单，操作方便，使用现有设备，不增加成本。
附图说明
图1的a是优选成分(Al-7.6Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.1Er-0.1Zr)合金峰值时效时析出相的显微组织TEM照片,显示此时析出相尺寸≤7nm；b是优选成分 (Al-7.6Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.1Er-0.1Zr)合金在经过本发明实施例1或实施例2中所述的“铸锭预析出处理”后析出相的显微组织SEM照片，显示此时析出相平均尺寸≥1μm,尺寸远大于峰值时效时的尺寸，为典型的过时效显微组织，这样尺寸的析出相会显著降低合金塑性变形的变形抗力。
图2中a为实施例1中Al-7.6Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.1Er0.1Zr合金在250℃热压缩变形的应力应变曲线，b为对比例1的应力应变曲线。
图3中a为实施例2中Al-7.6Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.1Er0.1Zr合金在300℃热压缩变形的应力应变曲线，b为对比例2的应力应变曲线。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明做进一步描述，但本发明不限于以下实施例。
实施例1：
将Al-7.6Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.1Er0.1Zr铝合金在均匀化处理(465℃/24h，出炉水淬)，然后铸锭高温预析出处理(先在420℃保温6h，然后在210℃保温4h，出炉水淬)，接着加热到250℃保温5min，在250℃进行热塑性变形，变形速度：0.001-30S-1，总变形量大于60％，图2中a为所得的应力应变曲线。
实施例2：
将Al-7.6Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.1Er0.1Zr铝合金在均匀化处理(465℃/24h，出炉水淬)，然后铸锭高温预析出处理(先在420℃保温6h，然后在210℃保温4h，出炉水淬)，接着加热到300℃保温5min，在300℃进行热塑性变形，变形速度：0.001-30S-1，总变形量大于60％，图3中a为所得的应力应变曲线。
以下对比例1及对比例2为传统工艺(均匀化后直接热塑性变形)热塑性变形的示例：
对比例1：
将Al-7.6Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.1Er0.1Zr铝合金均匀化处理(465℃/24h，出炉空冷)，然后加热到250℃保温5min，在250℃进行热塑性变形，变形速度：0.001-30S-1，总变形量大于60％，所得的应力应变曲线见图2中b。
对比例2：
将Al-7.6Zn-2.5Mg-1.5Cu-0.1Er0.1Zr铝合金均匀化处理(465℃/24h，出炉空冷)，然后加热到300℃保温5min，在300℃进行热塑性变形，变形速度：0.001-30S-1，总变形量大于60％，所得的应力应变曲线见图3中b。
表1为实施例1与对比例1的峰值应力值及的在相同变形条件下(相同温度、相同应变速率)峰值应力降低的百分率。可见实施例1与对比例1比较，表明在塑性变形温度为250℃时，在各种不同的应变速率下，塑性加工的变形抗力均有降低。峰值应力降低的绝对值大于 48MPa，最高可达79MPa。实施例1与对比例1的峰值应力降低百分率大于18％，最高可达41％。
表2为实施例2与对比例2的峰值应力值及的在相同变形条件下(相同温度、相同应变速率)峰值应力降低的百分率。可见实施例2与对比例2比较，表明在塑性变形温度为300℃时，峰值应力降低的绝对值大于21MPa，最高可达30MPa。实施例2与对比例2的峰值应力降低百分率大于11％，最高可达30％。
表1实施例1与对比例1峰值应力对比
Figure BDA0003054784820000041
表2实施例2与对比例2峰值应力对比
Figure BDA0003054784820000042

Claims (2)

1.一种降低Er微合金化7000系铝合金热塑性变形抗力的方法，其特征在于，合金各组分为(重量百分比)：1.20-1.9Cu，2.0-2.9Mg,≤0.20Mn,≤0.25Si,≤0.35Fe,7.2-8.2Zn,0.05-0.2Er，0.05-0.1Zr，不可避免杂质≤0.15,余量为Al的铝合金铸锭；
其工艺流程为：铸造→均匀化→铸锭高温预析出→热塑性变形；
其工艺流程具体包括以下步骤：
(1)均匀化处理：将上述成分合金放入热处理炉，由室温经过10h升温至465℃，在465℃下保温24h，出炉水淬；
(2)铸锭高温预析出处理：将均匀化后的样品，放入热处理炉中进行高温预析出即过时效处理，高温预析出处理工艺为：先在420℃保温6h，然后在210℃保温4h，出炉水淬；
(3)加热：将上述过时效处理后的样品加热到变形温度，保温5min；
(4)热塑性变形：将步骤3加热后的合金放在压力机上，进行压缩热变形，变形温度：200-450℃；变形速度：0.001-30S-1，总变形量大于60％。
2.按照权利要求1所述的方法得到的7000系铝合金。
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