CN114951520A - 一种高强铝合金的高效低耗锻造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强铝合金的高效低耗锻造方法，包括如下步骤：步骤S1：将铝合金坯料固溶保温处理；步骤S2：将固溶保温处理后的铝合金坯料进行预锻成形，预锻锻造温度为515℃～550℃，预锻结束后得到铝合金预锻件；步骤S3：将铝合金预锻件冷却至235℃～250℃，进行终锻成形，终锻结束后得到铝合金终锻件；步骤S4：将铝合金终锻件冷却至165℃～180℃后，时效处理4h～6h，之后自然冷却，得到铝合金锻造件。本锻造方法将固溶工序提前至预锻之前，在锻造后快速冷却，由于快速冷却后无需进行固溶，且终锻温度和时效温度均未达到再结晶温度，防止了锻造组织因再结晶发生长大，抑制了锻件表面粗晶的产生。
Description
技术领域
本发明属于材料加工领域，特别涉及一种高强铝合金的高效低耗锻造方法。
背景技术
为了满足汽车和航天工业对轻量化部件日益增长的需求，Al-Mg-Si系合金锻件以其优异的比强度、耐腐蚀性和抗疲劳性能得到了广泛的应用，而且可以通过锻造的成形方式获得形状复杂、工况恶劣的关键保安结构部件，如汽车转向零件和底盘零件。
Al-Mg-Si系合金属于可热处理强化铝合金，由该系铝合金成形制成的锻件的主要强化方式为析出强化。在传统的Al-Mg-Si系合金锻造工艺中，锻件主要需经过成形—热处理两大工艺。使用传统锻造方法成形得到的Al-Mg-Si系合金锻件表面在热处理后易出现晶粒异常长大(毫米级)、粗晶层深度超过标准等问题，导致锻件的抗疲劳性能、抗冲击韧性、抗腐蚀性和延展性能大幅降低。在成形和热处理过程中，采用传统Al-Mg-Si系合金锻造工艺批量生产锻件至少需要三台加热炉(分别用于预加热、固溶处理和人工时效)和一台锻压机。其中，加热炉消耗的能量普遍占整体成形-热处理过程能量消耗的50％以上。使用传统锻造工艺能量消耗巨大，产业化成本较高，生产效率低下。
由于Al-Mg-Si系合金的固溶温度普遍在515℃以上，坯料在此温度下也具有良好的可锻性，Zhao等人[2022]提出了一种固溶和成形一体化Al-Mg-Si系合金锻造工艺，即将Al-Mg-Si系合金加热至固溶温度并保温充分的时间，然后立即转移至热模具内进行锻造成形，锻后立即进行淬火处理，淬火后直接进行人工时效处理。使用此种锻造工艺生产的Al-Mg-Si系合金锻件的粗晶层深度、抗冲击韧性得到了极大改善，同时锻件的抗拉强度、屈服强度和延伸率与使用传统工艺达到峰值时效的锻件产品相等。但铝合金只有在高温成形时成形性较好，导致热加工窗口期较短，如果锻件需要进行多道次成形可能导致温度损耗过大，进而导致淬火后过饱和固溶度降低，强化原子以粗大第二相颗粒的形式析出，影响锻件性能。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种高强铝合金的高效低耗锻造方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高强铝合金的高效低耗锻造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：锻前固溶保温
将铝合金坯料固溶保温处理；
步骤S2：预锻
将固溶保温处理后的铝合金坯料进行预锻成形，预锻锻造温度为515℃～550℃，预锻结束后得到铝合金预锻件；
步骤S3：终锻
将铝合金预锻件冷却至235℃～250℃，进行终锻成形，终锻结束后得到铝合金终锻件；
步骤S4：时效处理
将铝合金终锻件冷却至165℃～180℃后，时效处理4h～6h，之后自然冷却，得到铝合金锻造件。
进一步，所述铝合金为国际铝业协会(AA)注册的AA6006、AA6016、AA6110、AA6151、AA6351、AA6061、AA6063、AA6081、AA6082或AA6091。
进一步，步骤S1中，固溶保温处理温度为530℃～550℃，固溶保温时长为0.5h～3h。
再进一步，步骤S1中，固溶保温时长由铝合金坯料厚度确定：当铝合金坯料厚度范围为(0,10mm]时，固溶保温时长范围为[0.5h,1h]；当铝合金坯料厚度范围为(10mm,100mm]时，固溶保温时长范围为(1h,1.5h]；当铝合金坯料厚度范围为(100mm,150mm]时，固溶保温时长范围为(1.5h,2h]；当铝合金坯料厚度大于150mm时，固溶保温时长范围为(2h,3h]。
进一步，步骤S3中，铝合金预锻件的冷却速度不低于40℃/s。
进一步，预锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例大于或等于90％，终锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例小于或等于10％。
与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
(1)预锻之后，采用阶梯降温，根据DSC曲线中最佳强化相β”相的析出区间，先将温度降至235℃～250℃进行终锻，再降温至165℃～180℃进行时效处理。预锻后冷却至235℃～250℃以及终锻后冷却至165℃～180℃过程中，保留了变形引入的大部分位错，位错促使析出相形核率的提高和析出相的快速生长，加快强化相的时效析出和长大，提高热处理的效率。同时，锻件中保留有较高的位错密度，通过位错强化的方式提升了锻件的强度。
(2)将固溶工序提前至预锻之前，在锻造后快速冷却，由于快速冷却后无需进行固溶，且终锻温度和时效温度均未达到再结晶温度，防止了锻造组织因再结晶发生长大，抑制了锻件表面粗晶的产生。
(3)本锻造方法，一次加热到最高温度(固溶温度)，之后，前一工序完成后降温至下一工序的加工温度进行处理，没有现有工艺的反复冷却、加热过程，从而降低了能耗。
附图说明
图1是本发明技术方案的工艺流程示意图；
图2是实施例1得到的铝合金锻造件的金相图；
图3是对比例1得到的铝合金锻造件的金相图。
具体实施方式
实施例1
步骤S1：锻前固溶保温
将直径为φ110mm的圆柱形AA6082铝合金坯料由室温加热至535℃，固溶保温2h；
步骤S2：预锻
将固溶保温后的铝合金坯料转移至锻压机模具内，进行预锻成形，锻造温度为515℃～535℃，预锻结束后得到铝合金预锻件；
步骤S3：终锻
以不低于40℃/s的冷却速度将铝合金预锻件冷却至235℃，进行终锻成形，终锻结束后得到铝合金终锻件；
步骤S4：时效处理
将铝合金终锻件冷却至175℃后，时效处理6h，之后自然冷却，得到铝合金锻造件；
预锻和终锻总的变形量为60％，其中，预锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例为90％，终锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例为10％。
实施例1得到的铝合金锻造件抗拉强度为350MPa，屈服强度为320MPa，延伸率为11％，维氏硬度为120HV，无显著粗晶，获得了密度较高的析出相，其截面金相图如图2所示。
实施例2
步骤S1：锻前固溶保温
将直径为φ110mm的圆柱形AA6061铝合金坯料由室温加热至540℃，固溶保温2h；
步骤S2：预锻
将固溶保温后的铝合金坯料转移至锻压机模具内，进行预锻成形，锻造温度为515℃～540℃，预锻结束后得到铝合金预锻件；
步骤S3：终锻
以不低于40℃/s的冷却速度将铝合金预锻件冷却至240℃，进行终锻成形，终锻结束后得到铝合金终锻件；
步骤S4：时效处理
将铝合金终锻件冷却至165℃后，时效处理6h，之后自然冷却，得到铝合金锻造件；
预锻和终锻总的变形量为60％，其中，预锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例为90％，终锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例为10％。
实施例2得到的铝合金锻造件抗拉强度为321MPa，屈服强度为300MPa，延伸率为13.2％，维氏硬度为116HV，无显著粗晶，获得了密度较高的析出相。
实施例3
步骤S1：锻前固溶保温
将直径为φ110mm的圆柱形AA6016铝合金坯料由室温加热至550℃，固溶保温2h；
步骤S2：预锻
将固溶保温后的铝合金坯料转移至锻压机模具内，进行预锻成形，锻造温度为515℃～550℃，预锻结束后得到铝合金预锻件；
步骤S3：终锻
以不低于40℃/s的冷却速度将铝合金预锻件冷却至250℃，进行终锻成形，终锻结束后得到铝合金终锻件；
步骤S4：时效处理
将铝合金终锻件冷却至180℃后，时效处理5h，之后自然冷却，得到铝合金锻造件。
预锻和终锻总的变形量为60％，其中，预锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例为90％，终锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例为10％。
实施例3得到的铝合金锻造件抗拉强度为330MPa，屈服强度为304MPa，延伸率为8.7％，维氏硬度为116HV，无显著粗晶，获得了密度较高的析出相。
对比例1
步骤S1：预锻、终锻
将直径为φ110mm的圆柱形AA6082铝合金坯料由室温加热至500℃，保温0.5h，之后将铝合金坯料转移至锻压机模具内，进行预锻、终锻，锻造温度为450℃～500℃，终锻结束后得到铝合金终锻件；
步骤S2：固溶处理
将铝合金终锻件加热至535℃，固溶保温2h，之后冷却至室温；
步骤S3：时效处理
将铝合金终锻件由室温加热至175℃后，时效处理8h，之后自然冷却，得到铝合金锻造件；
预锻和终锻总的变形量为60％，其中，预锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例为90％，终锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例为10％。
对比例1得到的铝合金锻造件抗拉强度为329MPa，屈服强度为307MPa，延伸率为10％，维氏硬度为108HV，粗晶层厚度约1500μm(图中较白区域)，其截面金相图如图3所示。
实施例1、实施例2和实施例3采用本发明技术方案，对比例1采用现有传统锻造工艺，实施例1、实施例2和实施例3均无显著粗晶，对比例1粗晶层厚度达1500μm。实施例1和对比例1，两者的区别在于固溶处理和锻造处理的顺序颠倒。实施例1先进行固溶处理，后进行锻造，终锻温度低，略高于时效处理温度，在终锻时，同时也是在对锻件进行高温时效处理，从而减少了步骤S4的时效处理时间，整体工艺效率高；对比例1没有类似于实施例1的高温时效过程，使得其时效处理时间较长，整体锻造耗时长。另一方面，实施例1-实施例3采用本发明技术方案，一次加热到最高温度(固溶温度)，之后，前一工序完成后降温至下一工序的加工温度进行处理，没有对比例1锻造工艺中的反复冷却、加热过程，从而降低了能耗。
同时，对比图2和图3，可以看到实施例1得到的铝合金锻造件，其无显著粗晶，而对比例1的粗晶层厚度达1500μm，实施例1的铝合金锻造件性能也优于对比例1的，说明本发明技术方案有效抑制了锻件表面粗晶的产生，铝合金锻造件各方面的性能也大有提高。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种高强铝合金的高效低耗锻造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：锻前固溶保温
将铝合金坯料固溶保温处理；
步骤S2：预锻
将固溶保温处理后的铝合金坯料进行预锻成形，预锻锻造温度为515℃～550℃，预锻结束后得到铝合金预锻件；
步骤S3：终锻
将铝合金预锻件冷却至235℃～250℃，进行终锻成形，终锻结束后得到铝合金终锻件；
步骤S4：时效处理
将铝合金终锻件冷却至165℃～180℃后，时效处理4h～6h，之后自然冷却，得到铝合金锻造件。
2.根据权利要求1所述的高强铝合金的高效低耗锻造方法，其特征在于，所述铝合金为国际铝业协会(AA)注册的AA6006、AA6016、AA6110、AA6151、AA6351、AA6061、AA6063、AA6081、AA6082或AA6091。
3.根据权利要求1所述的高强铝合金的高效低耗锻造方法，其特征在于，步骤S1中，固溶保温处理温度为530℃～550℃，固溶保温时长为0.5h～3h。
4.根据权利要求3所述的高强铝合金的高效低耗锻造方法，其特征在于，步骤S1中，固溶保温时长由铝合金坯料厚度确定：当铝合金坯料厚度范围为(0,10mm]时，固溶保温时长范围为[0.5h,1h]；当铝合金坯料厚度范围为(10mm,100mm]时，固溶保温时长范围为(1h,1.5h]；当铝合金坯料厚度范围为(100mm,150mm]时，固溶保温时长范围为(1.5h,2h]；当铝合金坯料厚度大于150mm时，固溶保温时长范围为(2h,3h]。
5.根据权利要求1所述的高强铝合金的高效低耗锻造方法，其特征在于，步骤S3中，铝合金预锻件的冷却速度不低于40℃/s。
6.根据权利要求1所述的高强铝合金的高效低耗锻造方法，其特征在于，预锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例大于或等于90％，终锻变形量占预锻和终锻变形总量的比例小于或等于10％。
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|---|---|---|---|---|
| CN117086248A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-11-21 | 武汉理工大学 | 一种高性能铝合金构件粗晶消除锻造工艺 |
| CN117086249A (zh) * | 2023-10-20 | 2023-11-21 | 山西金正达金属制品有限公司 | 一种高强度锻件的加工工艺 |
| CN117086249B (zh) * | 2023-10-20 | 2024-01-05 | 山西金正达金属制品有限公司 | 一种高强度锻件的加工工艺 |
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