CN114107753A - 一种无停放效应6082铝合金的设计方法 - Google Patents

一种无停放效应6082铝合金的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铝合金的生产领域，特别是涉及一种无停放效应6082铝合金的设计方法。采用新的成分设计理念，并基于对铸造态6082铝合金的均匀化处理、锻造变形以及固溶处理，再经过一定时间的自然时效后完成6082铝合金的人工时效。所述6082铝合金的成分按质量百分比计：0.7wt％≤Si≤1.3wt％；Mg/Si质量比：0.4≤Mg/Si≤1.7。本发明设计方法获得的6082铝合金，自然时效7天后人工时效峰值状态的屈服强度可达300MPa，与不经过自然时效的峰值强度相当，消除了停放效应，解决了6082铝合金部件在制备过程中遇到的强度损失问题，从而实现在高速列车、汽车等领域的大规模应用。

Description

一种无停放效应6082铝合金的设计方法
技术领域
本发明涉及铝合金的生产领域，特别是涉及一种无停放效应6082铝合金的设计方法。
背景技术
根据GB/T3190-1996，按元素质量百分比计，6082铝合金化学成分为：硅Si：0.7～1.3％，铁Fe≤0.5％，铜Cu≤0.1％，锰Mn：0.4～1.0％，镁Mg：0.6～1.2％，铬Cr≤0.25％，锌Zn≤0.2％，钛Ti≤0.1％，铝Al：余量。
6082铝合金由于具有良好的成形性、耐蚀性、焊接性，易着色，烘烤后表面质量良好等优点被认为是最具前景的汽车车身材料。在实际生产过程中，合金经过固溶处理之后需要经过运输、成型再进行人工时效。合金在运输和成型过程中会发生自然时效，而对于6082铝合金来说，自然时效往往会使合金峰值强度损失20％～30％，即发生停放效应，这对6082铝合金的应用构成了巨大的挑战。在过去的几十年里，国内外的研究人员对停放效应进行了大量的研究，目前认同度较高的机制为：合金经过固溶处理后，在自然时效过程中会形成一定数量的团簇，而且团簇数量会随着自然时效时间的增加迅速增加。这些团簇分两种，一种是不稳定团簇，在后续的人工时效过程中会发生溶解；另一种是稳定团簇，可以直接作为强化相的形核质点。通常情况下，团簇中大部分为不稳定团簇。人工时效开始后，稳定团簇开始直接形核长大，成为强化相。而不稳定团簇则会在一定时间内发生溶解，溶质原子回溶到基体中。随着溶质原子的不断溶解，基体中溶质原子浓度达到形核条件，强化相会重新形核长大，但这需要一定的时间。在达到形核条件之前，回溶到基体的溶质原子将主要用于稳定团簇的长大，从而发生强化相的优先生长，使得稳定团簇所形成的强化相变得异常粗大。这种强化相的优先生长导致了用于形核的溶质原子数量变少，从而减少了强化相的总体数量，最终使合金中强化相的总体数密度变低，合金强度下降。
理论上，将自然时效时间控制得越短，使合金中形成的自然时效团簇越少，那么合金的强度损失就会越小。但在固溶处理后，产品的成型和运输过程时间并不可控，且相对来说时间都比较长(一般超过4h)，这个时间足以使得合金的峰值强度较无自然时效情况下降20％左右。目前除加快中间进程外，国内外减轻停放效应普遍采取的措施是添加微量元素，主要为稀土元素和过渡族元素。该类元素比Mg、Si元素具有更高空位结合能，在自然时效过程中可以占据合金中的空位，减少溶质原子Mg、Si的扩散与聚集，减少自然时效过程中团簇的析出从而一定程度减轻停放效应。但是该类元素通常价格昂贵，并且会使后续人工时效过程中需要更多的能量和时间去释放占据的空位以用于强化相的析出长大，这大大增加了生产成本，不利于提高企业竞争力。因此，设计一种兼具经济性和可操作性的无停放效应6082铝合金具有重要实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无停放效应6082铝合金的设计方法，采取新的成分设计理念，优化合金制备工艺，改善时效析出过程，进而消除6082铝合金的停放效应。
本发明提供以下技术方案：
一种无停放效应6082铝合金的设计方法，对6082铝合金中的Si含量以及Mg/Si比进行限定，其中：Si元素质量百分含量0.7wt％≤Si≤1.3wt％，Mg/Si质量比0.4≤Mg/Si≤1.7；在合金制备过程中，首先对铸造态6082铝合金铸锭在520℃～580℃保温6～15小时进行均匀化处理，然后对经均匀化处理的6082铝合金铸锭在375℃～475℃的温度范围内进行锻造比4:1～12:1的锻造过程，再对6082铝合金锻件进行510℃～540℃保温2～6小时的固溶处理；对固溶处理后的6082铝合金锻件进行自然时效，最后在155℃～185℃保温4～12小时完成人工时效。
所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，优选的，Si元素质量百分含量：1.1wt％≤Si≤1.3wt％，Mg/Si质量比：0.4≤Mg/Si≤0.8。
所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，优选的，均匀化处理温度为550℃，保温时间为10小时。
所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，优选的，锻造温度420℃，锻造比9：1。
所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，优选的，固溶处理温度为525℃，保温时间为4小时。
所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，自然时效时间在7天以上。
所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，优选的，人工时效温度为175℃，保温时间为8小时。
所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，优选的，6082铝合金晶内棒状析出相长轴尺寸范围为20～50nm，晶内析出相数密度范围为4000～5000/μm2，合金长时间自然时效后峰值强度范围290～300MPa。
本发明的设计思想：
本发明通过调控自然时效团簇类型，使不稳定团簇转化为稳定团簇，实现自然时效过程中显著增加强化相形核质点的目的，保证合金长时间自然时效后进行人工时效时仍析出高数密度强化相。成为强化相形核质点必须同时满足两个条件：(1)成分或结构与强化相相似；(2)尺寸大于临界尺寸rc。6082合金中的主要强化相富含Si且其形核生长是通过双Si原子柱来引导的，因此高含量的Si可以促进强化相更快更多的形成。此外，富Si环境会降低形核能垒和临界半径rc，使团簇更易形核且更加稳定。由此，富Si团簇即可认为是强化相的形核质点。采取新的成分设计理念，将合金Mg/Si控制在一定范围内，使6082铝合金在长时间自然时效之后形成大量的强化相形核质点，保证后续人工时效过程中析出高数密度强化相，使得合金强度不损失，从而消除合金的停放效应。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明采用新的成分设计理念，并基于对铸造态6082铝合金的均匀化处理、锻造变形以及固溶处理，再经过一定时间的自然时效后完成6082铝合金的人工时效。本发明简化了6082铝合金抑制停放效应的工艺，降低了能耗，提高了可操作性。
2、本发明调控自然时效团簇类型，大量提高强化相的形核质点数量。
3、本发明使合金在长时间自然时效后获得了尺寸细小数密度高的晶内析出相，消除了停放效应。
附图说明
图1为实施例1合金自然时效7天之后人工时效峰值状态的TEM形貌。
图2为对比例2合金自然时效7天之后人工时效峰值状态的TEM形貌。
具体实施方式
下面将结合实施例与对比例对本发明的具体实施方式进行清晰完整地描述。
实施例1
本实施例中，无停放效应6082铝合金的实施过程如下：
1)对6082铝合金中的Si含量以及Mg/Si比进行限定，其中：Si元素质量百分含量0.7wt％≤Si≤1.3wt％，Mg/Si质量比0.4≤Mg/Si≤1.7；按元素质量百分比计，设计的6082铝合金化学成分为：硅Si：1.25％，铁Fe：0.14％，铜Cu：0.015％，锰Mn：0.5％，镁Mg：0.65％，铬Cr：0.003％，锌Zn：0.047％，钛Ti：0.013％，铝Al：余量，Mg/Si质量比：0.52。在合金制备过程中，首先将6082铝合金原料在电阻炉中熔炼后浇注6082铝合金铸锭。
2)将制备的6082铝合金铸锭在箱式电阻炉中加热至550℃，保温10小时，空冷至室温，完成均匀化处理。
3)将均匀化后的6082铝合金铸锭进行锻造，锻造温度为420℃，锻造比为9:1。
3)将锻造完成的6082铝合金锻件在525℃进行4小时的固溶处理，随后立即水冷至室温。
4)将固溶处理完成的6082铝合金锻件在室温进行不同时间的自然时效，最长时间为2个月。
5)将不同自然时效后的6082铝合金在175℃保温4～12小时不同的时间。
本实施例的技术指标如下：自然时效7天后6082铝合金人工时效峰值强度～300MPa，与不经过自然时效的峰值强度相当。平均析出相的数密度为4600～5000/μm2，晶内析出相的平均长轴尺寸20～30nm。
实施例2
冶炼过程与实施例1完全相同，与实施例1不同之处在于：
对6082铝合金中的Si含量以及Mg/Si比进行限定，按元素质量百分比计，设计的6082铝合金化学成分为：硅Si：1.0％，铁Fe：0.20％，铜Cu：0.07％，锰Mn：0.5％，镁Mg：0.65％，铬Cr：0.094％，锌Zn：0.09％，钛Ti：0.074％，铝Al：余量，Mg/Si质量比：0.65。
本实施例的技术指标如下：自然时效7天后6082铝合金人工时效峰值强度～290MPa，与不经过自然时效的峰值强度相当，平均析出相的数密度为4000～4300/μm2，晶内析出相的平均长轴尺寸30～50nm。
对比例1
冶炼过程与实施例1完全相同，与实施例1不同之处在于：
对6082铝合金中的Si含量以及Mg/Si比进行限定，按元素质量百分比计，设计的6082铝合金化学成分为：硅Si：0.87％，铁Fe：0.05％，铜Cu：0.01％，锰Mn：0.47％，镁Mg：1.05％，铬Cr：0.080％，锌Zn：0.025％，钛Ti：0.085％，铝Al：余量，Mg/Si质量比：1.2。
本对比例的技术指标如下：6082铝合金人工时效峰值强度最高280MPa，峰值强度随着自然时效时间增加而降低，最大下降了21％。平均析出相的数密度为2200～3000/μm2，晶内析出相的平均长轴尺寸70～100nm。
对比例2
冶炼过程与实施例1完全相同，与实施例1不同之处在于：
对6082铝合金中的Si含量以及Mg/Si比进行限定，按元素质量百分比计，设计的6082铝合金化学成分为：硅Si：0.7％，铁Fe：0.16％，铜Cu：0.05％，锰Mn：0.51％，镁Mg：1.19％，铬Cr：0.008％，锌Zn：0.09％，钛Ti：0.078％，铝Al：余量，Mg/Si质量比：1.7。
本对比例的技术指标如下：6082铝合金的峰值强度最高250MPa，峰值强度随着自然时效时间增加而降低，最大下降了28％，平均析出相的数密度为2000～2500/μm2，晶内析出相的平均长轴尺寸100～250nm。
图1为实施例1合金自然时效7天后人工时效峰值状态的TEM组织。由图可见，富Si环境使合金在长时间自然时效后的峰值状态形成尺寸细小数密度高的强化相，为位错运动增加了更多障碍，有效提高合金的力学性能。
图2为对比例2合金自然时效7天后人工时效峰值状态的TEM组织。由图可见，合金长时间自然时效后峰值状态析出相粗大且稀疏，不利于合金的强化。
实施例结果表明，本发明设计方法获得的6082铝合金，自然时效7天后人工时效峰值状态的屈服强度可达300MPa，与不经过自然时效的峰值强度相当，消除了停放效应，解决了6082铝合金部件在制备过程中遇到的强度损失问题，从而实现在高速列车、汽车等领域的大规模应用。
以上所述的实施例仅是对本发明的技术方案进行描述，本发明不受上述实施例的限制。在不脱离本发明的设计精神和范围的前提下，本领域的技术人员对本发明的各种改进和变化，均应落入本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种无停放效应6082铝合金的设计方法，其特征在于，对6082铝合金中的Si含量以及Mg/Si比进行限定，其中：Si元素质量百分含量0.7wt％≤Si≤1.3wt％，Mg/Si质量比0.4≤Mg/Si≤1.7；在合金制备过程中，首先对铸造态6082铝合金铸锭在520℃～580℃保温6～15小时进行均匀化处理，然后对经均匀化处理的6082铝合金铸锭在375℃～475℃的温度范围内进行锻造比4:1～12:1的锻造过程，再对6082铝合金锻件进行510℃～540℃保温2～6小时的固溶处理；对固溶处理后的6082铝合金锻件进行自然时效，最后在155℃～185℃保温4～12小时完成人工时效。
2.根据权利要求1所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，其特征在于，优选的，Si元素质量百分含量：1.1wt％≤Si≤1.3wt％，Mg/Si质量比：0.4≤Mg/Si≤0.8。
3.根据权利要求1所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，其特征在于，优选的，均匀化处理温度为550℃，保温时间为10小时。
4.根据权利要求1所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，其特征在于，优选的，锻造温度420℃，锻造比9：1。
5.根据权利要求1所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，其特征在于，优选的，固溶处理温度为525℃，保温时间为4小时。
6.根据权利要求1所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，其特征在于，自然时效时间在7天以上。
7.根据权利要求1所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，其特征在于，优选的，人工时效温度为175℃，保温时间为8小时。
8.根据权利要求1所述的无停放效应6082铝合金的设计方法，其特征在于，优选的，6082铝合金晶内棒状析出相长轴尺寸范围为20～50nm，晶内析出相数密度范围为4000～5000/μm2，合金长时间自然时效后峰值强度范围290～300MPa。
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