CN113355613A - 一种提高铝合金板材综合性能的生产工艺 - Google Patents

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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Abstract

本发明公开了一种提高铝合金板材综合性能的生产工艺，其包括以下工艺过程：备料→均匀化处理→多轴自由锻→再结晶退火→锯切铣面→室温冷轧→电脉冲处理→预拉伸→人工时效。本发明操作方便，通过对分级均匀化处理后的方锭进行大塑性变形的多轴自由锻开坯和再结晶退火有效促进粗大残余相的破碎和溶解及晶粒尺寸均匀细化，明显降低了成形后板材的各向异性。再通过对成形后的合金板材进行室温冷轧和预拉伸处理，在合金组织中引入更多的位错和空位等缺陷；其次引入电脉冲处理和人工时效工艺，可有效促进合金时效过程中沉淀相的快速、充分、均匀析出，保证合金热处理后获得了更高的强硬度，也促进了合金晶界处快速发生回复与再结晶。

Description

一种提高铝合金板材综合性能的生产工艺
技术领域
本发明涉及铝合金成形和热处理技术领域，尤其涉及一种提高铝合金板材综合性能的生产工艺。
背景技术
铝合金与其它金属材料相比，具有密度小、比强度、比刚度、比模量较高，导热性能、腐蚀性、塑性加工性能以及抗冲击性能良好等优点，且铝合金材料可回收再利用，能够减少对环境的破坏及资源的浪费，在航空、航天、船舶、交通运输等领域广泛应用。现有的铝合金温、热成形生产工艺，可改善成形过程中材料的成形性能，但仍存在一些问题，比如热量传输速度慢、耗散快，能耗大；热处理过程中容易形成表面氧化层，后续工艺难以去除，影响产品质量；容易引发晶粒异常长大，导致合金内部晶粒粗大和尺寸分布不均匀，严重损害了合金的力学性能；处理工艺要求苛刻，容易产生材料内部温度不均、局部过烧，导致固溶处理后合金组织和性能均匀性、一致性和稳定性差。对于可热处理强化铝合金的成形零件，进行固溶处理后，进行时效处理，再进行加工成形，才可满足产品的使用要求。试件在进行热处理过程中，厚度较薄的成形零件会因为热胀冷缩而产生翘曲变形，导致成形零件的最终尺寸、形状精度受到严重影响。同时单一热效应作用下，溶质原子析出驱动力有限，沉淀析出过程不能充分进行，析出相分布不均匀。
电脉冲处理是一种向材料中输入脉冲电流的工艺方法，由于脉冲电流在材料中产生的诸多物理效应，使得材料的组织发生不同于其他工艺过程中的变化，从而达到改变材料组织的目的。近年来，电脉冲在材料凝固组织改善、塑性加工、固态相变、组织细化和表面处理等领域受到广泛关注。电脉冲处理特有的短时、高效、节能是传统热处理无法比拟的。在电脉冲的作用下，电子和原子的交互作用增强，金属材料中原子的扩散速度加快，从而影响合金中析出相的尺寸、形貌和分布，改善合金的性能。
电脉冲处理作为一种改善固态金属性能的新型技术手段，依靠焦耳热可快速加热制件，同时，电子流与原子间存在的强相互作用使材料热膨胀滞后于温升，形成的瞬时热压应力，利于改善微结构。中国专利申请CN2018113527247公开了一种电脉冲辅助热挤压成形方法。该发明能够显著降低成形压力，细化晶粒，提升产品质量。中国专利申请CN201910812095X将传统加热方式与电脉冲相结合，提出了一种热辅助电脉冲处理方法，该方法可以减少升温过程对金属材料组织的影响，能提供一个相对稳定的温度场。
上述专利均引入了电脉冲，虽然在一定程度上改善了材料微观组织性能，但存在如下技术问题：
1)采用电脉冲辅助的时间、温度与常规热处理时间一致，耗时较长，不仅降低了生产效率，也造成巨大的加热能耗。
2)现有工艺仅能改善一个方向的材料性能，未提及能同时改善两个方向的材料性能。
所以，探索出一种既完善成形性能，又可以减少成本，而且可以精准成形、保持高强度的铝合金产品的生产工艺，对于铝合金在生产制造业中的生产应用是必要的。
发明内容
针对上述现有生产技术中的技术问题，本发明提供一种提高6系铝合金板材综合性能的生产工艺，该生产工艺处理后的6系铝合金板材具有组织性能各向异性小、内应力低、表面质量高和生产周期短等优点。
为实现上述目的，本发明所采用的工艺方案如下。
一种提高铝合金板材综合性能的生产工艺，包括如下步骤：
(1)备料：将H112态铝合金方形坯料锯切至工艺尺寸要求，得原材料；
(2)均匀化处理：所述均匀化热处理为三极均匀化热处理，将原材料室温装炉，按功率升温至545±5℃保温6小时，再以60℃/h升温速度升温至580±5℃后保温0.5小时，随后随炉冷却至460～490℃保温0.5小时，得均热原材料；
(3)多轴自由锻：将均热后的原材料进行多轴自由锻造，保持始锻温度为450～480℃，终锻温度≥430℃，在3600T液压机上进行六镦四拔多轴锻造开坯，所述锻造过程为：先Z向镦粗1次，然后X向镦拔1次，Y向镦拔1次，接着再X向镦拔1次，Y向镦拔1次，最后再Z向镦粗1次，并平整坯料各端面尺寸，得自由锻坯料；
(4)再结晶退火：将自由锻坯料室温装炉，按功率升温至540±5℃保温3小时；
(5)锯切铣面：将再结晶退火后的坯料采用强风和室温水喷淋共同冷却至室温，清理锻坯各表面的锻造缺陷并进行探伤，用精密锯床将再结晶退火后的坯料锯切至工艺尺寸的厚度要求，并预留厚度方向上的铣削余量，铣削后得待冷轧板材坯料；
(6)室温冷轧：将锯切铣面后的待冷轧板材进行两次单道次变形量为4.5％的室温冷轧变形，得冷轧板材；
(7)电脉冲处理：利用电脉冲设备对冷轧板材进行电脉冲处理；
(8)预拉伸：将电脉冲处理后的合金板材在拉伸机上进行预拉伸处理，拉伸变形量为4.0～5.0％，得预拉伸板材；
(9)人工时效：将预拉伸板材放入时效热处理炉中进行人工时效处理，时效温度为160～190℃，保温时间为1～5小时。优选时效温度为175℃，保温时间为3小时。
优选地，
本发明的步骤(3)中，多轴自由锻过程中每次镦拔的变形量为65％～70％，下压速度为25～35mm/s，优选地为30mm/s。
本发明的步骤(5)中，锯切铣面，铣去厚度方向上预留的铣削余量后能够保证Z向上下两个表面的平行度。
本发明的步骤(6)中，室温冷轧，先沿X向进行一次单道次变形量为4.5％的室温冷轧，再沿Y向进行一次单道次变形量为4.5％的室温冷轧。
本发明的步骤(7)中，电脉冲处理输入到铝合金板材试样的加电区域段的电脉冲参数为：频率为300～1200Hz，脉冲宽度为50～500μs，有效电流密度为100～300A/mm2，电脉冲处理时间30～300s；使铝合金板材在空气中快速升温至160～190℃。更优选地，电脉冲参数为：频率为500Hz，脉冲宽度为100μs，有效电流密度为200A/mm2，电脉冲处理时间60s；使铝合金板材在空气中快速升温至175℃。
本发明的步骤(7)中，电脉冲处理，板材与载样台之间放置有耐高温绝缘材料或载样台采用耐高温绝缘材料制作，并将保温隔热罩罩设在载样台外部。
本发明的步骤(8)中，预拉伸，先沿X向进行4.5％变形量的预拉伸变形，再沿Y向进行4.5％变形量的预拉伸变形。
本发明的步骤(9)加工后得到的铝合金板材为6系铝合金板材。
本发明通过对H112态(热加工态)的方形坯料进行多级均匀化处理和多轴自由锻提高锻坯变形的均匀性，减小锻坯组织性能的各向异性，促进晶内和晶界粗大残余相的充分破碎和溶解，并在锻坯组织中积累了大量的位错和细化组织；再通过再结晶退火使锻坯变形组织发生再结晶，改善板材纤维组织的方向性，并促使第二相更多地溶入铝基体中。
通过室温冷轧和预拉伸在合金组织中引入大量位错和空位等缺陷，结合电脉冲处理工艺，在较短的时间内对合金通入瞬时高能脉冲电流，既可以改变板材的组织形态，又可以有效消除变形板材中的残余应力，提高材料的塑性，也避免了由于采用中间退火导致铝合金板材最终晶粒细化程度下降以及强度的降低。利用脉冲电流在合金中同时产生焦耳热效应与电迁移效应，促进合金中金属原子、空位等缺陷的扩散运动，溶质原子的迁移与析出相的形核速度，极大地缩短了传统时效热处理的周期，降低了热处理过程中的能耗，并且使沉淀析出过程更加充分、均匀；其次，电脉冲处理后合金晶界处快速发生回复与再结晶，消除了形变过程部分位错缠结，产生细小的再结晶晶粒或细小的亚结构，使合金板材的强塑性均得到提高。此外，罩设在载样台外部的保温隔热罩，可有效防止热量散失，进一步降低生产成本。对电脉冲处理后的板材依次进行预拉伸和时效处理，使合金元素在铝基体中以细小析出相的形式均匀弥散析出，使合金获得铝基体晶粒细小均匀、高密度位错以及强化相弥散分布的组织，通过细晶强化、应变强化和析出相强化等协同强韧化作用，制备高强高韧铝合金板材。
通过本发明方法一步一步相互作用和影响，能有效控制晶粒尺寸、降低铝合金板材组织性能的各向异性，消除合金板材成形后的内应力，该方法操作简便，节能高效，通过选用适当的合金板材加工状态，合理的利用和调控电脉冲处理工艺，可得到不同的组织结构和强韧性配合，适于工业化生产。
附图说明
图1为本发明的生产工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
实施例1
如图1所示，本发明的提高铝合金板材综合性能的生产工艺所采用的方案如下：
(1)备料：将H112态(热加工态)铝合金方形坯料按照工艺尺寸要求锯切成600(±5mm)×600(±5mm)×1000(±5mm)的坯料，锻造前用记号笔在坯料端面标记，以区分锻造和预拉伸时的三个方向，得原材料；
(2)均匀化处理：将步骤(1)所得原材料室温装炉，按功率升温至545±5℃保温6小时，再以60℃/h升温速度升温至580±5℃保温0.5小时，然后经过3小时随炉冷却至480℃后保温0.5小时，并保证炉温的均匀性，得均热原材料；
(3)多轴自由锻：将步骤(2)所得均热后的原材料进行多轴自由锻造，保持始锻温度为450～480℃(出炉温度是480℃，在转移坯料和锻造过程中温度会降低，但是保持不低于450℃)，终锻温度≥430℃，在3600T液压机上进行六镦四拔多轴锻造开坯，所述锻造过程为：先Z向镦粗至外形尺寸～1010×～1010×(350±3)mm，然后X向镦粗至外形尺寸(350±3)×～1010×～1010mm、X向拔长至外形尺寸(1000±3)×～600×～600mm，Y向拔长至外形尺寸～600×(1000±3)×～600mm、Y向镦粗至外形尺寸～775×(600±3)×～775mm，接着再X向拔长至外形尺寸(1300±3)×～525×～525mm、X向镦粗至外形尺寸(775±3)×～680×～680mm，Y向拔长至外形尺寸～560×(1150±3)×～560mm、Y向镦粗至外形尺寸～730×(680±3)×～730mm，最后再Z向镦粗至外形尺寸～1200×～1200×(250±3)mm，并平整锻坯各端面尺寸，在多轴锻造过程中上砧板的下压速度均为30mm/s左右，得自由锻坯料；
(4)再结晶退火：将步骤(3)所得自由锻坯料室温装炉，按功率升温至540±5℃保温3小时；
(5)锯切铣面：将步骤(4)所得再结晶退火后的坯料采用强风和室温水喷淋共同冷却至室温，清理锻坯各表面的锻造缺陷，如锻坯表面的氧化皮、分层、折叠和裂纹等，并进行着色探伤，用精密锯床将再结晶退火后坯料的Z向锯切至工艺尺寸，铣面并保证Z向上下两个表面的平行度，铣削后得待冷轧板材坯料；
(6)室温冷轧：将步骤(5)所得锯切铣面后的待冷轧板材先沿X向进行一次单道次变形量为4.5％的室温冷轧，再沿Y向进行一次单道次变形量为4.5％的室温冷轧，得冷轧板材；
(7)电脉冲处理：将步骤(6)所得室温冷轧后的板材放置在耐高温绝缘材料(如硬质云母板、耐火纤维砖/板)制作的载样台上，并将保温隔热罩罩设在载样台外部，接着利用电脉冲设备对冷轧板材进行电脉冲处理，输入到铝合金板材试样的加电区域段的电脉冲参数为：频率为500Hz，脉冲宽度为100μs，有效电流密度为200A/mm2，电脉冲处理时间60s；使铝合金板材在空气中快速升温至175℃，电脉冲处理后移开保温隔热罩，空冷。其中升温范围可根据生产用铝合金牌号和板材尺寸实时调节电脉冲参数进行控制；
(8)预拉伸：将步骤(7)所得电脉冲处理后的合金板材在拉伸机上先沿X向进行4.5％变形量的预拉伸变形，再沿Y向进行4.5％变形量的预拉伸变形，得预拉伸板材；
(9)人工时效：将步骤(8)所得预拉伸后的板材放入时效热处理炉中进行人工时效处理，时效温度为175℃，保温时间为3小时，空冷，得到强塑性较高的铝合金板材，得到的铝合金板材为6061铝合金板材。
将经过本发明生产工艺处理后的6061铝合金板材试样进行拉伸力学性能测试，结果如表1所示。
表1
取样方向 抗拉强度/MPa 延伸率/％
X向 374.25 14.13
Y向 378.30 14.50
与本专利中试样相对比的试样，采用常规T6(固溶+人工时效)热处理制度，热处理制度为固溶温度540℃，保温4小时后水冷至室温，时效温度为180℃，保温8小时。常规热处理试样的拉伸性能如下：抗拉强度307.5MPa，延伸率11.3％。
由表1可以看出，经过预变形和电脉冲处理的试样与常规热处理试样的拉伸性能(抗拉强度307.5MPa，延伸率11.3％)相比，抗拉强度和延伸率均明显提高，且X向和Y向力学性能各向异性小。同时，与传统人工时效的峰值时效时间(8小时)相比，本专利处理的试样的峰值时效时间明显缩短，提高了工作效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高铝合金板材综合性能的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（1）备料：将H112态铝合金方形坯料锯切至工艺尺寸要求，得原材料；
（2）均匀化处理：所述均匀化热处理为三极均匀化热处理，将原材料室温装炉，按功率升温至545±5℃保温6小时，再以60℃/h升温速度升温至580±5℃后保温0.5小时，随后随炉冷却至460~490℃保温0.5小时，得均热原材料；
（3）多轴自由锻：将均热后的原材料进行多轴自由锻造，保持始锻温度为450~480℃，终锻温度≥430℃，在3600T液压机上进行六镦四拔多轴锻造开坯，所述锻造过程为：先Z向镦粗1次，然后X向镦拔1次，Y向镦拔1次，接着再X向镦拔1次，Y向镦拔1次，最后再Z向镦粗1次，并平整坯料各端面尺寸，得自由锻坯料；
（4）再结晶退火：将自由锻坯料室温装炉，按功率升温至540±5℃保温3小时；
（5）锯切铣面：将再结晶退火后的坯料采用强风和室温水喷淋共同冷却至室温，清理锻坯各表面的锻造缺陷并进行探伤，用精密锯床将再结晶退火后的坯料锯切至工艺尺寸的厚度要求，并预留厚度方向上的铣削余量，铣削后得待冷轧板材坯料；
（6）室温冷轧：将锯切铣面后的待冷轧板材进行两次单道次变形量为4.5%的室温冷轧变形，得冷轧板材；
（7）电脉冲处理：利用电脉冲设备对冷轧板材进行电脉冲处理；
（8）预拉伸：将电脉冲处理后的合金板材在拉伸机上进行预拉伸处理，拉伸变形量为4.0~5.0%，得预拉伸板材；
（9）人工时效：将预拉伸板材放入时效热处理炉中进行人工时效处理，时效温度为160~190℃，保温时间为1~5小时。
2.根据权利要求1所述的提高铝合金板材综合性能的生产工艺，其特征在于，所述的步骤（3）中，多轴自由锻过程中每次镦拔的变形量为65%~70%，下压速度为25~35mm/s。
3.根据权利要求1所述的提高铝合金板材综合性能的生产工艺，其特征在于，所述的步骤（5）中，锯切铣面，铣去厚度方向上预留的铣削余量后能够保证Z向上下两个表面的平行度。
4.根据权利要求1所述的提高铝合金板材综合性能的生产工艺，其特征在于，所述的步骤（6）中，室温冷轧，先沿X向进行一次单道次变形量为4.5%的室温冷轧，再沿Y向进行一次单道次变形量为4.5%的室温冷轧。
5.根据权利要求1所述的提高铝合金板材综合性能的生产工艺，其特征在于，所述的步骤（7）中，电脉冲处理，输入到铝合金板材试样的加电区域段的电脉冲参数为：频率为300~1200Hz，脉冲宽度为50~500μs，有效电流密度为100~300A/mm2，电脉冲处理时间30~300s；使铝合金板材在空气中快速升温至160~190℃。
6.根据权利要求1所述的提高铝合金板材综合性能的生产工艺，其特征在于，所述的步骤（7）中，电脉冲处理，板材与载样台之间放置有耐高温绝缘材料或载样台采用耐高温绝缘材料制作，并将保温隔热罩罩设在载样台外部。
7.根据权利要求1所述的提高铝合金板材综合性能的生产工艺，其特征在于，所述的步骤（8）中，预拉伸，先沿X向进行4.5%变形量的预拉伸变形，再沿Y向进行4.5%变形量的预拉伸变形。
8.根据权利要求1所述的提高铝合金板材综合性能的生产工艺，其特征在于，所述的步骤（9）加工后得到的铝合金板材为6系铝合金板材。
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