CN113881906A - 一种铝合金材料的快速热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝合金材料的快速热处理工艺，属于铝合金热处理技术领域。本发明公开了一种铝合金材料的快速热处理工艺，所述工艺包括如下步骤：将预热后的铝合金棒料通过辊锻、预锻、终锻、淬火、机加工，再进行T5人工时效处理；T5人工时效处理温度为180‑210℃，时间为100‑150min；所述辊锻、预锻、终锻过程材料温度始终保持在400‑550℃。

Description

一种铝合金材料的快速热处理工艺
技术领域
本发明属于铝合金热处理技术领域，涉及一种铝合金材料的快速热处理工艺。
背景技术
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。热处理是将材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。
热处理的工艺不同，制得的产品的机械性能和内部组织不同。T5和T6热处理是6xxx锻造铝合金常用的两种热处理工艺。T5热处理指的是从高温成型过程冷却，然后进行人工时效。T6热处理是由固溶热处理后，不再进行冷加工，然后人工时效。目前由于对铝合金产品的机械性能要求比较高，通常采用T6的热处理方式，但是获得的产品晶粒尺寸较大、步骤较为繁琐；而现有的T5热处理工艺由于锻造之后产品温度通常较低，且温度不稳定，锻件的机械性能很难满足要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，提出了一种铝合金材料的快速热处理工艺，满足铝合金材料高强度、高稳定性等性能要求并缩短热处理时间。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种铝合金材料的快速热处理工艺，所述工艺包括如下步骤：将预热后的铝合金棒料通过辊锻、预锻、终锻、淬火、机加工，再进行T5人工时效处理；T5人工时效处理温度为180-210℃，时间为100-150min。
本发明的热处理过程采用淬火、T5人工时效处理，舍去了常规的固溶处理，转为通过提高产品锻造温度，使产品锻造成型后仍有较高的温度，有足够多的第二相融入固溶体中，并且锻造完成后锻件立即进行快速水冷，第二相来不及析出，也可以获得过饱和的固溶体，随后进行时效处理使合金强化。因此，通过本发明的工艺能够缩短时效的处理时间。
固溶处理通常是铝合金强化热处理的第一个步骤，但是单独的固溶处理并不能达到合金强化的目的，通常是将固溶、淬火、时效相结合。对第二相在基体相中的固溶度随温度降低而显著减小的合金，将其加热至第二相能全部或最大限度的融入固溶体的温度，保持一定时间后，以快于第二相自固溶体中析出的速度冷却（淬火），即可获得过饱和的固溶体（过饱和的溶质原子和空位）固溶处理后，随即进行第二个步骤—时效，合金即可得到显著强化。材料加热温度越高，融入固溶体的第二相越多，即固溶体的浓度越高，在随后的时效后的强化效果越好。
本发明中将锻造后的材料直接进行淬火，但是刚刚淬完火的变形铝合金材料，其强度只比退火状态的稍高一点，而延伸率却比较高；淬火所得的过饱和固溶体是不稳定的，这种过饱和固溶体有自发分解的趋势。因此需要进行时效处理，把它置于一定的温度下，保持一定的时间，过饱和固溶体便发生分解，从而引起合金的强度和硬度的大幅度增高。此外，时效时间过长会导致硬度降低。
作为优选，所述铝合金棒料的预热温度为510-550℃，时间为20-60min。
铝合金棒料在510-550℃预热20min以上，使得第二相能最大限度的融入铝合金基体里。
作为优选，所述辊锻、预锻、终锻过程材料温度始终保持在400-550℃。
进一步优选，所述辊锻后温度高于预锻温度，预锻温度高于终锻温度。
作为优选，所述辊锻后材料温度为480-520℃。
作为优选，所述预锻温度为450-500℃。
作为优选，所述终锻温度为420-480℃。
进一步优选，所述终锻后的铝合金温度为410-450℃。
在锻造中及锻造后铝合金都处于较高的温度范围，能够保持材料内部组织的状态，并立刻进行淬火、时效，能够在短时间内完成对材料的处理。
作为优选，所述淬火过程淬火过程在30-50℃水中处理5-30min，淬火延迟时间18-22s。
水冷淬火能够使材料获得较大的硬度，但是淬火冷却时间过短会导致材料机械性能不足，变形程度大；时间过长可能使材料发生开裂。
作为优选，所述淬火后进行机加工，机加工包括切边、冲孔、矫正中的一种或多种。
常规的锻造过程采用先切边再进行热处理，而本发明将切边的步骤放到淬火之后。在连续稳定生产过程中，锻件锻造后的温度会在较高温度的范围内保持稳定，锻造后的产品在切边过程处于空冷，降温速度会比较快，约0.7℃/秒，切边之后产品温度会比锻造后低约15℃；即锻造后先切边，温度降低明显，融入固溶体的第二相会减少，在淬火和时效之后产品的强度会降低。但是锻件锻后温度很高，在较低温度的水中快速冷却，锻件容易发生变形，变形后的锻件轮廓度接近3.0，因此本发明对切边模进行特殊设计，在切边的同时对产品进行矫正，可以把锻件的轮廓度降低至1.5以内。
作为优选，所述T5人工时效处理后还需进行表面处理，表面处理包括酸洗、探伤、抛丸。
进一步优选，所述酸洗过程的溶剂为浓度为20%-40%的硝酸，时间为70-100s，温度为20-30℃。
进一步优选，所述探伤过程为超声波探伤、荧光渗透探伤中的一种或多种。
酸洗的目的一方面可以去除锻件表面的脏污，还有利于对产品外观缺陷进行检查，有缺陷的地方经过酸洗会产生荧光液渗透的毛细现象，在黑光灯的照射下能显像。
作为优选，所述抛丸过程所用的钢丸直径为0.4-0.7mm，抛丸时间为4-7分钟。
作为优选，所述铝合金为6063铝合金。
6063铝合金中的主要合金元素为镁与硅，其加工性能极佳、优良的可焊接性及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性。由于锻件成品后续需要进行机加工、摩擦焊接等工序，且需要有良好的耐腐蚀性，本发明中优选6063铝合金综合考虑了机械性能、延伸率和晶粒尺寸等因素。
进一步优选，所述6063铝合金成品的硬度＞70HB、抗拉强度＞230MPa、屈服强度＞190Mpa、延伸率＞20%、晶粒尺寸＜215μm。
现有的T5工艺多用于挤压铝合金，并且时效时间较长；而本发明的铝合金在锻造结束后仍能保持较高的温度，因此能够缩短时效时间，并增加机械性能，对延伸率和晶粒尺寸也有一定的改善作用。晶粒尺寸是影响材料强度特性的重要因素，随着晶粒尺寸的减小，变形性能、疲劳极限逐渐增加，机械性能也略有提升。本发明相比于现有的T6工艺，舍去了固溶，优化热处理工序，通过预热铝合金棒料使得第二相能最大限度的融入铝合金基体里，同样达到固溶的效果；通过本发明的工艺能大幅度降低了晶粒尺寸，并较大程度地增加了延伸率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
1、本发明通过结合锻造工艺和T5热处理相结合，相比于现有的T5工艺，获得的产品硬度、强度稍有提高；相比于现有的T6工艺，工艺耗时更短、晶粒尺寸更小、延伸率增加。
2、通过本发明的锻造及热处理工艺，材料内部的微观组织均匀、细化，使锻件的延伸率、稳定性大幅提升。
3、本发明采用切边后淬火的工艺，避免锻件因为切边过程温度降低过大而导致强度下降。
4、本发明制得的成品具有较小的平均晶粒尺寸、较好的延伸率、较小的变形，产品轮廓度≤1.5。
5、本发明的工艺机械化程度高，减少人工步骤，适用于产业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中锻造后未进行T5时效处理的产品的宏观组织图。
图2为本发明实施例1中锻造后未进行T5时效处理的产品的微观组织图。
图3为本发明实施例1中锻造后未进行T5时效处理的产品的晶粒尺寸图。
图4为本发明实施例1制得的成品的宏观组织图。
图5为本发明实施例1制得的成品的微观组织图。
图6为本发明实施例1制得的成品的晶粒尺寸图。
图7为本发明对比例1制得的成品的宏观组织图。
图8为本发明对比例1制得的成品的微观组织图。
图9为本发明对比例1制得的成品的晶粒尺寸图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
将6063铝合金棒料在540℃预热30min后进行辊锻，接着在480℃进行预锻后再在450℃进行终锻，锻造过程连续，温度始终保持在450-540℃；将锻造后的铝合金置于30℃水中淬火20min，从炉门打开至产品完全浸没水中的动作在20s之内完成；淬火后的产品进行切边、冲孔，并对淬火导致的产品变形进行矫正；再进行T5人工时效处理，温度为185℃，时间为110min；待冷却后在浓度为30%的硝酸中酸洗80s；然后进行荧光渗透探伤；抛丸6min后获得成品。获得的成品进行性能测试，结果如表1所示；锻造后未进行T5时效处理的产品的宏观组织图、微观组织图、晶粒尺寸图如图1-3所示；成品的宏观组织图、微观组织图、晶粒尺寸图如图4-6所示，并且平均晶粒尺寸为211μm。
实施例2
将6063铝合金棒料在530℃预热40min后进行辊锻，接着在460℃进行预锻后再在450℃进行终锻，锻造过程连续，温度始终保持在450-530℃；将锻造后的铝合金置于35℃水中淬火18min，从炉门打开至产品完全浸没水中的动作在18s之内完成；淬火后的产品进行切边、冲孔，并对淬火导致的产品变形进行矫正；再进行T5人工时效处理，温度为180℃，时间为120min；待冷却后在浓度为20%的硝酸中酸洗85s；然后进行荧光渗透探伤；抛丸5min后获得成品。获得的成品进行性能测试，结果如表1所示。
实施例3
将6063铝合金棒料在520℃预热30min后进行辊锻，接着在470℃进行预锻后再在450℃进行终锻，锻造过程连续，温度始终保持在450-520℃；将锻造后的铝合金置于30℃水中淬火8min，从炉门打开至产品完全浸没水中的动作在19s之内完成；淬火后的产品进行切边、冲孔，并对淬火导致的产品变形进行矫正；再进行T5人工时效处理，温度为180℃，时间为120min；待冷却后在浓度为20%的硝酸中酸洗85s；然后进行荧光渗透探伤；抛丸5min后获得成品。获得的成品进行性能测试，结果如表1所示。
实施例4
将6063铝合金棒料在520℃预热40min后进行辊锻，接着在480℃进行预锻后再在430℃进行终锻，锻造过程连续，温度始终保持在430-520℃；将锻造后的铝合金空冷60min；然后进行切边、冲孔、矫正；再进行T5人工时效处理，温度为200℃，时间为120min；待冷却后在浓度为20%的硝酸中酸洗90s；然后进行荧光渗透探伤；抛丸6min后获得成品。获得的成品进行性能测试，结果如表1所示。
对比例1
与实施例1相比，区别在于将6063铝合金棒料在520℃预热40min后进行辊锻，接着在470℃进行预锻后再在420℃进行终锻，锻造过程连续，温度始终保持在420-520℃；然后将锻造后的6063铝合金进行热处理，在530℃下固溶4h后产品自动进入水温为30℃的水槽内进行淬火，从炉门打开至产品完全浸没水中的动作在20s之内完成，产品在水槽停留15min后进行切边、冲孔、矫正；然后进行T6时效处理，时效温度170℃，保温时间8h；再进行酸洗探伤、抛丸。获得的成品进行性能测试，结果如表1所示；成品的宏观组织图、微观组织图、晶粒尺寸图如图7-9所示，并且平均晶粒尺寸为789μm。
对比例2
与实施例1相比，区别在于将6063铝合金棒料通过辊锻、弯曲、压扁、二次加热、预锻、终锻的工序进行常规的锻造，锻造过程不连续，温度变化大；然后将锻造后的铝合金置于30℃水中淬火18s；接着进行切边、冲孔、矫正；再进行常规的T5人工时效处理，温度为190℃，时间为260min；待冷却后在浓度为30%的硝酸中酸洗80s；然后进行荧光渗透探伤；抛丸5min后获得成品。获得的成品进行性能测试，结果如表1所示。
对比例3
与实施例1相比，区别在于将6063铝合金棒料在520℃预热40min后进行辊锻，接着在470℃进行预锻后再在420℃进行终锻，锻造过程连续，温度始终保持在420-520℃；然后将锻造后的铝合金置于34℃水中淬火12min；接着进行切边、冲孔、矫正；再进行常规的T5人工时效处理，温度为190℃，时间为260min；待冷却后在浓度为30%的硝酸中酸洗80s；然后进行荧光渗透探伤；抛丸5min后获得成品。获得的成品进行性能测试，结果如表1所示。
对比例4
与实施例1相比，区别在于将6063铝合金棒料通过辊锻、弯曲、压扁、二次加热、预锻、终锻的工序进行常规的锻造，锻造过程不连续，温度变化大；锻造后的6063铝合金进行切边后在35℃水中淬火18min，取出后冲孔；再进行T5人工时效处理，温度为200℃，时间为140min；待冷却后在浓度为30%的硝酸中酸洗90s；然后进行荧光渗透探伤；抛丸7min后获得成品。获得的成品进行性能测试，结果如表1所示。
表1、性能数据表。
Figure 38839DEST_PATH_IMAGE001
实施例1、2中通过锻造工艺与T5热处理工艺相结合工艺耗时更短、机械化程度更高，适用于产业化生产；实施例3中锻件锻造后空冷再切边，机械性能下降；对比例1中通过现有的T6工艺结合本发明的锻造工艺，获得的成品的晶粒尺寸较大、延伸率略低；对比例2中将现有的T5热处理工艺与现有的锻造工艺相结合，晶粒尺寸略大、机械性能略低；对比例3中采用现有的T5热处理结合本发明的锻造工艺的方式，由于产生过时效导致成品硬度降低；对比例4中采用常规的锻造方法晶粒尺寸变大，且锻件切边后淬火，产品强度降低；锻造后先切边，温度降低明显，融入固溶体的第二相减少，产品强度降低。
综上所述，通过本发明的工艺，材料内部的微观组织均匀、细化，使锻件的延伸率、稳定性大幅提升，制得的成品具有较好的力学性能、稳定性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种铝合金材料的快速热处理工艺，其特征在于，所述工艺包括如下步骤：将预热后的铝合金棒料通过辊锻、预锻、终锻、淬火、机加工，再进行T5人工时效处理；T5人工时效处理温度为180-210℃，时间为100-150min。
2.根据权利要求1所述的快速热处理工艺，其特征在于，所述铝合金棒料的预热温度为510-550℃，时间为20-60min。
3.根据权利要求1所述的快速热处理工艺，其特征在于，所述辊锻、预锻、终锻过程材料温度始终保持在400-550℃。
4.根据权利要求1或3所述的快速热处理工艺，其特征在于，所述辊锻温度高于预锻温度，预锻温度高于终锻温度。
5.根据权利要求1所述的快速热处理工艺，其特征在于，所述辊锻温度为480-520℃，预锻温度为450-500℃，终锻温度为420-480℃。
6.根据权利要求1所述的快速热处理工艺，其特征在于，所述终锻后的铝合金温度为400-450℃。
7.根据权利要求1所述的快速热处理工艺，其特征在于，所述淬火过程在30-50℃水中处理5-30min，淬火延迟时间18-22s。
8.根据权利要求1所述的快速热处理工艺，其特征在于，所述淬火后进行机加工，机加工包括切边、冲孔、矫正中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的快速热处理工艺，其特征在于，所述T5人工时效处理后还需进行表面处理，表面处理包括酸洗、探伤、抛丸。
10.根据权利要求9所述的快速热处理工艺，其特征在于，所述酸洗过程的溶剂为浓度为20%-40%的硝酸，时间为70-100s，温度为20-30℃。
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