CN115852277B - 一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法 - Google Patents
一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法，属于金属板材成形领域，该方法具体为：将7000系铝合金在预设温度下进行固溶处理；然后以大于20℃/s的冷却速度将固溶处理后的铝合金冷却至65～110℃以进行淬火处理；将淬火处理后的铝合金在65～110℃下保温预设时间以进行低温预时效，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。本发明为了降低能源消耗，避免淬火冷却至室温后又重新加热造成的能量浪费，提出淬火时将铝合金冷却至65～110℃而非室温，同时将淬火时的冷却速度控制为大于20℃/s，能够避免淬火过程未冷却至室温对成形后铝合金的强度、断后延伸率以及微观组织产生影响。
Description
技术领域
本发明属于金属板材成形领域，更具体地，涉及一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法。
背景技术
节能减排已经成为目前科技发展的趋势，世界上多个国家均提出了“碳达峰、碳中和”的目标。汽车工业和航空航天领域一直将节能作为重要关注点，而轻量化是实现上述目标最有效、最简单的途径。轻量化可以通过设计或选材实现，前者体现在新技术和新工艺上，而后者则是采用轻质高强的材料。自20世纪以来，铝合金因为其重量轻、强度适中、易于制造、成本相对较低的优点，已经成为轻量化首选材料之一。其中，5000系和6000系铝合金板已广泛应用于制造发动机盖、行李箱盖、车门等汽车覆盖件，而7000(Al-Zn-Mg-Cu)系铝合金虽然在航空航天工业中被广泛用作机体部件，但是由于其成形性远低于5000系和6000系铝合金，因此暂时未在汽车领域获得广泛应用。
研究表明，7000系铝合金的断后延伸率和拉伸极限应变在温热状态下都有显著的提高，因此热成形工艺有利于推动7000系铝合金在汽车领域的应用。通常来说，用于热成形的板料在成形前往往需要一定的热处理保证最终产品具有良好的综合性能，而这势必会增加能源消耗，不利于双碳目标的实现。
英国帝国理工学院的林建国教授开发的热成形-淬火(hot form quench,HFQ)一体化技术是目前铝合金热成形的技术之一。该工艺首先将板材加热至固溶温度并保温获得过饱和固溶体，随后将板材迅速转移至通水冷模中冲压成形，短时内成形、淬火并保压，最后对成形件进行人工时效处理提高其力学性能，但该工艺对冲压模具要求较高，且生产周期较长。CN112264498B公开了一种铝合金预强化热冲压成形方法，该工艺将固溶淬火后W态的铝合金板在较低温度范围内进行预强化处理，获得批量供货的热冲压坯料。将预强化处理后的板料转移到热冲压生产线进行加热，保温30秒～5分钟后进行热冲压过程，但是与传统的固溶-淬火工艺一样，该方法在固溶结束后先将板料冷却至室温，再重新加热至预强化所需温度，而这个过程会增加能源的消耗。CN107022725B公开了一种提高时效强化型Al-Mg-Zn合金晶间腐蚀性能的热处理工艺，将时效强化型Al-Mg-Zn合金固溶淬火处理后，进行高温预时效处理，然后快速淬火至室温，随后进行T6峰时效处理，即两步时效。该发明通过改变合金晶界和晶内微观组织，可改善合金的抗晶间腐蚀性能，但是在该工艺中存在多次加热的步骤，能耗较高，且工序较多不利于提升生产效率。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法，旨在解决现有的预处理工艺能耗较高、工序复杂的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法，该预处理方法包括如下步骤：
S1将7000系铝合金在预设温度下进行固溶处理；
S2以大于20℃/s的冷却速度将固溶处理后的铝合金冷却至65～110℃以进行淬火处理；
S3将淬火处理后的铝合金在65～110℃下保温预设时间以进行低温预时效，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
作为进一步优选的，步骤S1中，固溶处理的温度为380～500℃。
作为进一步优选的，步骤S1中，固溶处理的时间为0.5～2h。
作为进一步优选的，步骤S3中，低温预时效的时间为2～12h。
按照本发明的另一方面，提供了一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法，该预处理方法包括如下步骤：
(a)将7000系铝合金在预设温度下进行固溶处理；
(b)将固溶处理后的铝合金冷却至250～350℃并保温0.5～30min以进行高温预时效；
(c)将高温预时效后的铝合金以大于20℃/s的冷却速度冷却至65～110℃以进行淬火处理；
(d)在65～110℃下保温预设时间以进行低温预时效，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
作为进一步优选的，步骤(a)中，固溶处理的温度为380～500℃。
作为进一步优选的，步骤(a)中，固溶处理的时间为0.5～2h。
作为进一步优选的，步骤(d)中，低温预时效的时间为2～12h。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
有益效果：
1.本发明提供的7000系铝合金热冲压板料预处理方法为了降低能源消耗，提高生产效率，避免淬火冷却至室温后又重新加热造成的能量浪费，提出淬火时将铝合金冷却至65～110℃而非室温，同时为避免淬火过程未冷却至室温对成形后铝合金的强度、断后延伸率以及微观组织产生影响，保证铝合金具有尺寸较大、热稳定性较高的GP区组织以及冲压后优于T6态合金的强塑性，该预处理方法将淬火时的冷却速度控制为大于20℃/s，从而避免在冷却过程中析出粗大的第二相颗粒(粗大的η相和MgZn2)，使得晶体内仅析出极少量细小的第二相颗粒，保证后续有足够的强化相析出，使得铝合金具有良好的强度和塑性，并且该冷却速度还能够避免铝合金处于中温区的时间过长，因中温区内沉淀析出驱动力和过饱和度较大，会导致平衡相的沉淀析出量过大，直接影响到饱和固溶体的饱和程度，并消耗大量的Mg、Zn元素，降低了基体中溶质原子的浓度，抑制了强化相的析出，导致性能下降；
2.同时，本发明对固溶处理的温度和时间进行优化，能够溶解合金中含Mg、Zn元素的结晶相和析出相，为后续预时效提供足量过饱和的Mg和Zn溶质原子；
3.此外，本发明还对低温预时效的温度和保温时间进行优化，有助于在晶粒中析出尺寸较大的GP区，这些GP区能够在热冲压的加热保温工序中作为亚稳定强化相η＇的形核核心，保证在以后的热冲压过程中GP区向亚稳定强化相的转化，使得铝合金板料处于组织稳定状态，不会因自然时效产生组织变化；
4.另外，对铝合金耐腐蚀性能有特殊要求的情况，本发明还提出在固溶处理和淬火之间增加高温预时效，由于在高温区内基体过饱和程度较小，析出驱动力较小，虽然溶质原子扩散速率大，但形核速率较小，相变速度不足以产生过多粗大的第二相，但是可在晶界断续析出稳定的第二相η相，有利于改善铝合金的抗晶间腐蚀性能，且不会对铝合金最终的强度造成太大影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理流程示意图；
图2是本发明另一实施例提供的低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，按照本发明的一方面，提供了一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法，该预处理方法包括如下步骤：
S1将7000系铝合金在预设温度下进行固溶处理；
S2以大于20℃/s的冷却速度将固溶处理后的铝合金冷却至65～110℃以进行淬火处理；
S3将淬火处理后的铝合金在65～110℃下保温预设时间以进行低温预时效，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
本发明提供的预处理方法避免了固溶处理后淬火至室温和重新加热至低温预时效温度所产生的能源消耗问题，对于节能减排具有较大意义，并且有效简化了预处理的工艺流程，提高了生产效率，同时该预处理方法还能够保证铝合金具有尺寸较大、热稳定性较高的GP区组织以及冲压后优于T6态合金的强塑性。为了避免淬火至65～110℃而非室温对成形后铝合金的强度、断后延伸率以及微观组织产生影响，该预处理方法将淬火时的冷却速度控制为大于20℃/s，从而避免在冷却过程中析出粗大的第二相颗粒(粗大的η相和MgZn2)，使得晶体内仅析出极少量细小的第二相颗粒，保证后续有足够的强化相析出，使得铝合金具有良好的强度和塑性，并且该冷却速度还能够避免铝合金处于中温区的时间过长，因中温区内沉淀析出驱动力和过饱和度较大，会导致平衡相的沉淀析出量过大，直接影响到饱和固溶体的饱和程度，并消耗大量的Mg、Zn元素，降低了基体中溶质原子的浓度，抑制了强化相的析出，导致性能下降。
进一步，步骤S1中，固溶处理的温度为380～500℃，固溶处理的时间为0.5～2h，从而能够溶解合金中含Mg、Zn元素的结晶相和析出相，为后续预时效提供足量过饱和固溶的Mg和Zn溶质原子。
进一步，步骤S3中，将淬火处理后的铝合金在65～110℃下保温2～12h以进行低温预时效，有助于在晶粒中析出尺寸较大的GP区，这些GP区能够在热冲压的加热保温工序中作为亚稳定强化相η＇的形核核心，能够保证在以后的热冲压过程中GP区向亚稳定强化相的转化，使得铝合金板料处于组织稳定状态，不会因自然时效产生组织变化。
在上述参数的相互作用下，利用本发明提供方法预处理后的铝合金在冲压成形后可具有优于T6态合金的强度和塑性，其抗拉强度可达到692Mpa及以上，屈服强度可达到620Mpa及以上，塑性可达到13.1％及以上。同时利用本发明提供方法处理后的铝合金成形性能较好，有助于推动室温下难成形的7000系铝合金在汽车和航空航天领域的应用。
如图2所示，按照本发明的另一方面，提供了一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法，该预处理方法包括如下步骤：
(a)将7000系铝合金在预设温度下进行固溶处理；
(b)将固溶处理后的铝合金冷却至250～350℃并保温0.5～30min以进行高温预时效；
(c)将高温预时效后的铝合金以大于20℃/s的冷却速度冷却至65～110℃以进行淬火；
(d)在65～110℃下保温预设时间以进行低温预时效，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
现有技术中对于提升铝合金抗晶间腐蚀性能的热处理工艺属于最终热处理，而本发明创造性地将其安排在预处理过程中，在固溶处理和淬火之间增加了一段高温预时效的步骤，与现有技术相比具有明显差别。其提升铝合金抗晶间腐蚀性能的原理是：在高温区内，基体过饱和程度比较小，析出驱动力较小，虽然溶质原子扩散速率大，但形核率比较小，相变速度不足以产生过多的粗大的第二相，但是可在晶界断续析出稳定的第二相η相，有利于改善合金的抗晶间腐蚀性能，且不会对铝合金最终的强度造成太大影响。
进一步，步骤(a)中，固溶处理的温度为380～500℃，固溶处理的时间为0.5～2h，从而能够溶解合金中含Mg、Zn元素的结晶相和析出相，为后续预时效提供足量过饱和固溶的Mg和Zn溶质原子。
进一步，步骤(d)中，将淬火处理后的铝合金在65～110℃下保温2～12h以进行低温预时效，有助于在晶粒中析出尺寸较大的GP区，这些GP区能够在热冲压的加热保温工序中作为亚稳定强化相η＇的形核核心，能够保证在以后的热冲压过程中GP区向亚稳定强化相的转化，使得铝合金板料处于组织稳定状态，不会因自然时效产生组织变化。
下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案作进一步说明。
在本案的各实施例和对比例中，7000系铝合金铸锭经均匀化热处理后，热轧并冷轧成1mm厚的冷轧板，然后对其进行各实施例和对比例所示的预处理工艺，最后将预处理后的试样加热至200℃，保温5分钟后快速转移至冲压模具进行热冲压，在冲压成形后的零件上切取拉伸试样进行拉伸测试和晶间腐蚀测定。同时，各实施例和对比例选用的7000系铝合金的化学成分如表1所示。
表1 7000系铝合金的化学成分
实施例1
(1)475℃下将7000系铝合金保温1h，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将7000系铝合金冷却至85℃；
(2)在85℃下将7000系铝合金保温12h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
实施例2
(1)475℃下将7000系铝合金保温1h，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将7000系铝合金冷却至85℃；
(2)在85℃下将7000系铝合金保温6h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
实施例3
(1)475℃下将7000系铝合金保温1h，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将7000系铝合金冷却至65℃；
(2)在65℃下将7000系铝合金保温12h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
实施例4
(1)380℃下将7000系铝合金保温2h，然后在控制冷却速度为30℃/s的条件下采用油冷的方式将7000系铝合金冷却至110℃；
(2)在110℃下将7000系铝合金保温12h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
实施例5
(1)500℃下将7000系铝合金保温0.5h，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将7000系铝合金冷却至110℃；
(2)在110℃下将7000系铝合金保温2h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
实施例6
(1)475℃下将7000系铝合金保温1h，然后随炉冷却至350℃；
(2)在350℃条件下保温0.5min，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将7000系铝合金冷却至85℃；
(3)在85℃下将7000系铝合金保温12h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
实施例7
(1)380℃下将7000系铝合金保温2h，然后随炉冷却至250℃；
(2)在250℃条件下保温30min，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将7000系铝合金冷却至110℃；
(3)在110℃下将7000系铝合金保温6h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
实施例8
(1)500℃下将7000系铝合金保温0.5h，然后随炉冷却至300℃；
(2)在300℃条件下保温10min，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将7000系铝合金冷却至65℃；
(3)在65℃下将7000系铝合金保温12h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
实施例9
(1)500℃下将7000系铝合金保温0.5h，然后随炉冷却至300℃；
(2)在300℃条件下保温10min，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将7000系铝合金冷却至85℃；
(3)在85℃下将7000系铝合金保温2h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
实施例10
(1)500℃下将7000系铝合金保温0.5h，然后随炉冷却至300℃；
(2)在300℃条件下保温10min，然后在控制冷却速度为30℃/s的条件下采用油冷的方式将7000系铝合金冷却至65℃；
(3)在65℃下将7000系铝合金保温12h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程。
对比例1
(1)将7000系铝合金固溶加热至475℃，保温2h后水淬至室温；
(2)10min内将W态铝合金板加热到85℃，并保温12h。
对比例2
(1)将7000系铝合金固溶加热至475℃，保温2h后水淬至室温；
(2)将W态铝合金板加热到400℃并保温1h，然后取出用水淬火至室温；
(3)10min内将铝合金板加热至65℃，保温12h；
(4)将铝合金板加热至100℃，保温25h。
对比例3
(1)在475℃下将7000系铝合金保温1min，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将铝合金冷却至85℃；
(2)在85℃下将7000系铝合金保温12h。
对比例4
(1)在475℃下将7000系铝合金保温2h，然后在控制冷却速度为1℃/s的条件下采用油冷的方式将7000系铝合金冷却至85℃；
(2)在85℃下将7000系铝合金保温12h。
对比例5
(1)在475℃下将7000系铝合金保温2h，然后随炉冷却至450℃；
(2)铝合金在450℃条件下保温30min，然后在控制冷却速度为60℃/s的条件下采用水冷的方式将7000系铝合金冷却至85℃；
(3)在85℃下将7000系铝合金保温12h。
分别将实施例1-10和对比例1-5预处理后的铝合金加热至200℃，保温5分钟后快速转移至冲压模具进行热冲压，在冲压成形后的零件上切取拉伸试样进行拉伸测试和晶间腐蚀测定，结果如表2所示。
表2拉伸测试和晶间腐蚀测定结果比较
实施例1-10满足本发明要求，对比例1和对比例2分别为现有的用于热冲压板料的预处理方法和提升铝合金抗晶间腐蚀性能的热处理工艺，对比例3-5不满足本发明的工艺范围。
比较实施例1-5和对比例1可知，实施例1-5相较于对比例1，最大腐蚀深度较为接近，但是耗电量降低10.5％-33.2％，且抗拉强度、屈服强度以及延伸率降低幅度均小于3％，其中实施例2的抗拉强度和屈服强度略高于对比例1，实施例1和实施例3的延伸率较对比例1也更高，因此相对于现有的热冲压板料的预处理方法，本发明的技术方案能在保证铝合金强度和塑性的同时，有效降低预处理过程中的能耗。
比较实施例6-10和对比例2可知，实施例6-10相较于对比例2，最大腐蚀深度虽然会增加3％～7％，但是抗拉强度和屈服强度可增加4％～10％，耗电量可降低48.6％～61.6％，且实施例4的延伸率高于对比例2。因此相对于现有的提升铝合金抗晶间腐蚀性能的热处理工艺，本发明的技术方案能在提升铝合金抗晶间腐蚀性能的同时，保证其具有良好的力学性能，且降低预处理过程中的能耗。
对比例3-5因不满足本发明的工艺范围，导致如下结果：
对比例3因为固溶处理时间太短，导致板材中的Mg、Zn原子未能完全固溶，导致板材强度较低；
对比例4因为固溶处理后的冷却过程中冷却速度过慢，导致析出粗大的η相，不利于后续时效的时效强化效果，削弱合金的强度；
对比例5因为高温预时效温度过高，使晶内和晶界均无析出相析出，无法改善合金的抗晶间腐蚀性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法，其特征在于，该预处理方法包括如下步骤：
（a）将7000系铝合金在预设温度下进行固溶处理；
（b）将固溶处理后的铝合金冷却至300～350℃并保温0.5～30 min以进行高温预时效，以在晶界断续析出稳定的第二相η相，改善铝合金的抗晶间腐蚀性能；
（c）将高温预时效后的铝合金以大于20 ℃/s且小于等于30℃/s的冷却速度冷却至65～85℃以进行淬火处理；
（d）在65～85℃下保温预设时间以进行低温预时效，低温预时效的时间为2～12 h，进而完成7000系铝合金热冲压板料的预处理过程，以保证铝合金具有尺寸较大、稳定性较高的GP区组织以及冲压后优于T6态合金的强塑性，并改善合金的抗晶间腐蚀性能。
2.如权利要求1所述的低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法，其特征在于，步骤（a）中，固溶处理的温度为380～500℃。
3.如权利要求1所述的低能耗的7000系铝合金热冲压板料预处理方法，其特征在于，步骤（a）中，固溶处理的时间为0.5～2 h。
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