CN117548603A - 一种基于铝合金成分的高性能锻造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铝合金成分的高性能锻造工艺，包括获取铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量，并根据铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量确定铝合金零件坯料的最优固溶温度、最优时效温度及最优时效时间；按照最优固溶温度对铝合金零件坯料进行固溶加热；锻造成形；时效处理；锻后加工得到最终的铝合金产品。本发明提出的技术方案的有益效果是：通过检测铝合金零件坯料的化学成分，针对性调节热处理参数，因此，锻造厂每次更换铝合金供应商时，可直接通过检测铝合金零件坯料的化学成分确定铝合金坯料的最佳热处理参数，不需要进行大量实验，降低了相应的测试成本，缩短了生产周期。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金锻造技术领域，尤其是涉及一种基于铝合金成分的高性能锻造工艺。
背景技术
铝合金材质零件在工业领域有着非常广泛的应用，制造铝合金材质的零件的工艺非常广泛。对于力学性能要求较高的铝合金材质零件，如汽车控制臂、转向节等，一般采用锻造的方式进行成形，并通过锻后固溶热处理、时效等方式进一步提升铝合金材质零件的组织性能和尺寸稳定性。传统锻造工艺通常能够制备获得整体力学性能优异的铝合金材质零件。但是缺点是这种工艺制备的铝合金材质零件局部容易出现粗晶，需要通过额外切削加工才能够去除。近年来，一种高效短流程锻造工艺被提出，有效解决了传统锻造工艺局部容易产生粗晶的问题。
由于短流程锻造工艺与传统锻造工艺区别较大，传统工艺的热处理参数不能直接套用于短流程锻造工艺。为确定不同厂商生产的铝合金在短流程锻造工艺的热处理参数，现有的方法是进行不同热处理参数的实验，找出针对该厂商提供的铝合金的最佳热处理参数。锻造厂每次更换铝合金供应商都需要重新确定热处理参数，需要进行大量实验，费时费力。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于铝合金成分的高性能锻造工艺，用以解决在确定铝合金零件的最佳热处理参数时，需要进行大量实验，费时费力的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于铝合金成分的高性能锻造工艺，包括：
S1、获取铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量，并根据铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量确定铝合金零件坯料的最优固溶温度、最优时效温度及最优时效时间；
S2、按照最优固溶温度对铝合金零件坯料进行固溶加热，得到包含固溶组织的铝合金零件坯料；
S3、对上述包含固溶组织的铝合金零件坯料进行锻造成形，将锻造成形后的铝合金零件坯料进行淬火处理；
S4、按照最优时效温度及最优时效时间，对淬火处理后的铝合金零件坯料进行时效处理；
S5、对时效处理后的铝合金零件坯料进行锻后加工得到最终的铝合金产品。
在一些实施例中，所述步骤S1中，获取铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量的具体方法为：在铝合金零件坯料上采样，对采集的样品进行成分分析，得到铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量。
在一些实施例中，所述步骤S1中，最优固溶温度的计算公式为：
T1＝525+(ωMn-0.4)×25+ωCr×60+ωFe×20
其中，T1为最优固溶温度，ωMn为铝合金零件坯料中Mn元素的含量，ωCr为铝合金零件坯料中Cr元素的含量，ωFe为铝合金零件坯料中Fe元素的含量。
在一些实施例中，所述步骤S1中，最优时效温度的计算公式为：
T2＝179+ωCr/0.25×6-(ωSi-ωMg/1.73)/0.89×6
其中，T2为最优时效温度，ωCr为铝合金零件坯料中Cr元素的含量，ωSi为铝合金零件坯料中Si元素的含量，ωMg为铝合金零件坯料中Mg元素的含量。
在一些实施例中，所述步骤S1中，最优时效时间的计算公式为：
t＝8+(ωMg-0.6)/0.6-(ωMn-0.4)/1.2-ωFe
其中，t为最优时效温度，ωMg为铝合金零件坯料中Mg元素的含量，ωMn为铝合金零件坯料中Mn元素的含量，ωFe为铝合金零件坯料中Fe元素的含量。
在一些实施例中，所述步骤S2中，对铝合金零件坯料进行固溶加热的时间为根据铝合金零件坯料最大厚度的截面面积确定。
在一些实施例中，所述步骤S3中，对上述包含固溶组织的铝合金零件坯料进行锻造成形，所使用的锻造模具为模锻机或螺旋压力机。
在一些实施例中，所述步骤S3中，将锻造成形后的铝合金零件坯料进行淬火处理的具体方法是将锻造成形后的铝合金零件坯料放入小于50℃的淬火介质中进行冷却，冷却时长小于3h。
在一些实施例中，所述淬火介质为水。
在一些实施例中，所述铝合金零件坯料的型号为6082号挤压件。
与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：将传统工艺的锻前加热—锻造—固溶处理制造步骤优化为固溶加热—锻造成形，节省了制造工序，提高了生产效率。将传统的锻前加热替换为固溶加热，避免了坯料原始组织引起的锻后粗晶，降低了最终产品组织中的粗晶占比，提升了最终产品的性能稳定性。本发明提供的技术方案通过检测铝合金零件坯料的化学成分，针对性调节热处理参数，因此，锻造厂每次更换铝合金供应商时，可直接通过检测铝合金零件坯料的化学成分确定铝合金坯料的最佳热处理参数，不需要进行大量实验，降低了相应的测试成本，缩短了生产周期。
附图说明
图1是本发明提供的基于铝合金成分的高性能锻造工艺的一实施例的流程示意图；
图2是图1中的基于铝合金成分的高性能锻造工艺过程中铝合金零件坯料的温度随时间的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1和图2，本发明提供了一种基于铝合金成分的高性能锻造工艺，包括如下步骤：
S1、获取铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量，并根据铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量确定铝合金零件坯料的最优固溶温度、最优时效温度及最优时效时间；本实施例中，所述铝合金零件坯料的型号为6082号挤压件。
其中，获取铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量的具体方法为：在铝合金零件坯料上采样，对采集的样品进行成分分析，得到铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量。
对采集的样品进行成分分析的具体方法是：在氩气气氛中，将按要求加工好的样品置于激发台上，作为一个电极，光源发生器产生的能量使分析物蒸发、原子化并激发，发射出待测元素的特征谱线，经色散系统进行分光后，对选定的内标线和分析线的强度进行测量，根据分析线对的相对强度，由数据处理系统在工作曲线上直接读出结果，实现对样品中待测元素的定量分析。
最优固溶温度的计算公式为：
T1＝525+(ωMn-0.4)×25+ωCr×60+ωFe×20
其中，T1为最优固溶温度，ωMn为铝合金零件坯料中Mn元素的含量，ωCr为铝合金零件坯料中Cr元素的含量，ωFe为铝合金零件坯料中Fe元素的含量。
最优时效温度的计算公式为：
T2＝179+ωCr/0.25×6-(ωSi-ωMg/1.73)/0.89×6
其中，T2为最优时效温度，ωCr为铝合金零件坯料中Cr元素的含量，ωSi为铝合金零件坯料中Si元素的含量，ωMg为铝合金零件坯料中Mg元素的含量。
最优时效时间的计算公式为：
t＝8+(ωMg-0.6)/0.6-(ωMn-0.4)/1.2-ωFe
其中，t为最优时效温度，ωMg为铝合金零件坯料中Mg元素的含量，ωMn为铝合金零件坯料中Mn元素的含量，ωFe为铝合金零件坯料中Fe元素的含量。
在Al-Mg-Si系合金中，Mg与Si主要形成强化相Mg2Si化合物，它的强化作用与在固态铝的溶解度有关。当镁硅元素的质量比小于1.73时，除形成化合物Mg2Si外，还有过剩的硅元素存在。经实验验证，6082合金中过剩Si可以在人工时效时起到补充强化的作用，同时可细化β‘－Mg2Si，有利于沉淀强化，增加抗拉强度；但过剩的Si可能导致塑性降低，影响锻造效果。在充分形成Mg2Si强化相后，过剩的Mg会导致力学性能下降。故过剩Si含量增加时，时效温度相应降低；Mg2Si含量增加时，固溶温度和时效时间相应增加。
研究表明，Mn固溶于铝中可提高再结晶温度，抑制铝合金的再结晶过程。Cr元素还会使Mg2Si相难以在晶界析出，降低自然时效的影响，并加强人工时效对性能的提升效果。但Mn和Cr总量过高可能形成分别含Mn、Cr的粗大第二相，削弱Mg2Si相的沉淀强化效果。经实验验证，Mn含量提高时，固溶温度相应增加，时效时间相应减少；Cr含量提高时，固溶温度和时效温度相应增加。
Fe在Al-Mg-Si系合金中属于杂质元素。合金中少量铁元素的存在有助于提高铝的再结晶温度，从而使铸态晶粒得到细化；但Fe使铝基体的过饱和度受到影响，Mg2Si相的溶解程度下降。经实验验证，Fe含量提高时，固溶温度相应增加，时效时间相应减少。
S2、按照最优固溶温度对铝合金零件坯料进行固溶加热，得到包含固溶组织的铝合金零件坯料；
其中，对铝合金零件坯料进行固溶加热的时间为根据铝合金零件坯料最大厚度的截面面积确定。
当采用空气循环炉进行固溶热处理时，其保温时间应以工作区内温度最低的一只热电偶达到要求下限温度时开始计时。当采用盐浴炉进行固溶热处理时，应将炉料完全浸入盐液，且当硝盐槽液的温度不低于规定的下限温度时开始计时。
S3、对上述包含固溶组织的铝合金零件坯料进行锻造成形，将锻造成形后的铝合金零件坯料进行淬火处理；
其中，对上述包含固溶组织的铝合金零件坯料进行锻造成形，所使用的锻造模具为模锻机或螺旋压力机。将锻造成形后的铝合金零件坯料进行淬火处理的具体方法是将锻造成形后的铝合金零件坯料放入小于50℃的淬火介质中进行冷却，冷却时长小于3h，本实施例中，所述淬火介质为水。
S4、按照最优时效温度及最优时效时间，对淬火处理后的铝合金零件坯料进行时效处理；
S5、对时效处理后的铝合金零件坯料进行锻后加工得到最终的铝合金产品。本实施例中，最终的铝合金产品为转向节零件。
本发明提供的技术方案，将传统工艺的锻前加热-锻造-固溶处理制造步骤优化为固溶加热-锻造成形，节省了制造工序，提高了生产效率。将传统的锻前加热替换为固溶加热，避免了坯料原始组织引起的锻后粗晶，降低了最终产品组织中的粗晶占比，提升了最终产品的性能稳定性。本发明提供的技术方案通过检测铝合金零件坯料的化学成分，针对性调节热处理参数，因此，锻造厂每次更换铝合金供应商时，可直接通过检测铝合金零件坯料的化学成分确定铝合金坯料的最佳热处理参数，不需要进行大量实验，降低了相应的测试成本，缩短了生产周期。
下面通过具体实施例来对本发明提供的技术方案的具体实施过程进行详细说明。
实施例1(通过本发明提供的方法确定热处理参数)
一种基于铝合金成分的高性能锻造工艺，包括如下步骤：
(1)分析成分
在铝合金零件坯料上取样，进行成分分析，得到Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量如表1：
表1：实施例1中的铝合金零件坯料成分分析结果
| Mg | Si | Fe | Mn | Cr |
| 0.83 | 1.28 | 0.08 | 0.73 | 0.19 |
(2)计算参数
根据Mg、Si、Fe、Mn、Cr的质量分数计算热处理参数，包括固溶温度、时效时间、时效温度。固溶温度为：525+(Mn-0.4)×25+Cr×60+Fe×20，单位为℃，时效时间：8+(Mg-0.6)/0.6-(Mn-0.4)/1.2-Fe，单位为h，时效温度：179+Cr/0.25×6-(Si-Mg/1.73)/0.89×6，单位为℃。
经过计算，得到固溶温度、时效温度、时效时间如表2：
表2：根据坯料成分计算得到的最佳固溶温度、最佳时效温度及最佳时效时间
| 最佳固溶温度/℃ | 最佳时效温度/℃ | 最佳时效时间/h |
| 548.8 | 178.2 | 8.0 |
(3)固溶加热
采用铝合金固溶炉将坯料进行加热，加热后获得包含固溶组织的坯料；
(4)锻造成形
将步骤(2)获得的铝合金零件坯料快速安装在机械压力机上，采用锻造模具进行固溶锻造成形，锻造成形后放入水中直接快速冷却后取出；
(5)时效处理
将步骤(4)中获得的铝合金零件坯料进行时效处理，时效温度与时效时间在步骤(2)得出；
(6)锻后加工
将步骤(5)处理后的坯料进行锻后加工获得最终产品。
对比例2(通过传统方法确定热处理参数)
一种高性能铝合金锻造工艺，包括如下步骤：
(1)固溶加热
采用铝合金固溶炉对铝合金零件坯料进行加热，其中，该铝合金零件坯料与实施例1中的铝合金零件坯料为同一批次产品，固溶时间分别为525℃、535℃、545℃、555℃、565℃，加热后获得包含固溶组织的坯料；
(2)锻造成形
将固溶加热后获得的铝合金零件坯料快速放入并安装在机械压力机上，采用锻造模具进行固溶锻造成形，锻造成形后放入水中直接快速冷却后取出；
(3)时效处理
将步骤(2)中获得的铝合金零件坯料进行时效处理，时效温度分别为173℃、179℃、185℃，时效时间分别为6h、7h、8h；
(4)锻后加工
将步骤(3)处理后的坯料进行锻后加工获得最终产品。
(5)拉伸实验
经过拉伸实验，该批6082铝合金不同热处理参数下抗拉强度(表3)和延伸率(表4)：
表3：对比例1中的铝合金零件坯料在不同的热处理参数条件下得到的最终零件的抗拉强度
表3：对比例1中的铝合金零件坯料在不同的热处理参数条件下得到的最终零件的延伸率
从表3和表4可以看出，通过常规的平行试验方法得出的最佳固溶温度为545℃，最佳时效温度为179℃，最佳时效时间为8h，这与实施例1中得到的最佳固溶温度、最佳时效温度及最佳时效时间很接近，表明通过本发明提供的技术方案确定的铝合金的最佳热处理参数应用效果良好。
综上所述，本发明提供的技术方案，将传统工艺的锻前加热—锻造—固溶处理制造步骤优化为固溶加热—锻造成形，节省了制造工序，提高了生产效率。将传统的锻前加热替换为固溶加热，避免了坯料原始组织引起的锻后粗晶，降低了最终产品组织中的粗晶占比，提升了最终产品的性能稳定性。本发明提供的技术方案通过检测铝合金零件坯料的化学成分，针对性调节热处理参数，因此，锻造厂每次更换铝合金供应商时，可直接通过检测铝合金零件坯料的化学成分确定铝合金坯料的最佳热处理参数，不需要进行大量实验，降低了相应的测试成本，缩短了生产周期。
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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，包括：
S1、获取铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量，并根据铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量确定铝合金零件坯料的最优固溶温度、最优时效温度及最优时效时间；
S2、按照最优固溶温度对铝合金零件坯料进行固溶加热，得到包含固溶组织的铝合金零件坯料；
S3、对上述包含固溶组织的铝合金零件坯料进行锻造成形，将锻造成形后的铝合金零件坯料进行淬火处理；
S4、按照最优时效温度及最优时效时间，对淬火处理后的铝合金零件坯料进行时效处理；
S5、对时效处理后的铝合金零件坯料进行锻后加工得到最终的铝合金产品。
2.根据权利要求1所述的基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，所述步骤S1中，获取铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量的具体方法为：在铝合金零件坯料上采样，对采集的样品进行成分分析，得到铝合金零件坯料中Mg、Si、Fe、Mn、Cr的含量。
3.根据权利要求1所述的基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，所述步骤S1中，最优固溶温度的计算公式为：
T1＝525+(ωMn-0.4)×25+ωCr×60+ωFe×20
其中，T1为最优固溶温度，ωMn为铝合金零件坯料中Mn元素的含量，ωCr为铝合金零件坯料中Cr元素的含量，ωFe为铝合金零件坯料中Fe元素的含量。
4.根据权利要求1所述的基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，所述步骤S1中，最优时效温度的计算公式为：
T2＝179+ωCr/0.25×6-(ωSi-ωMg/1.73)/0.89×6
其中，T2为最优时效温度，ωCr为铝合金零件坯料中Cr元素的含量，ωSi为铝合金零件坯料中Si元素的含量，ωMg为铝合金零件坯料中Mg元素的含量。
5.根据权利要求1所述的基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，所述步骤S1中，最优时效时间的计算公式为：
t＝8+(ωMg-0.6)/0.6-(ωMn-0.4)/1.2-ωFe
其中，t为最优时效温度，ωMg为铝合金零件坯料中Mg元素的含量，ωMn为铝合金零件坯料中Mn元素的含量，ωFe为铝合金零件坯料中Fe元素的含量。
6.根据权利要求1所述的基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，所述步骤S2中，对铝合金零件坯料进行固溶加热的时间为根据铝合金零件坯料最大厚度的截面面积确定。
7.根据权利要求1所述的基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，所述步骤S3中，对上述包含固溶组织的铝合金零件坯料进行锻造成形，所使用的锻造模具为模锻机或螺旋压力机。
8.根据权利要求1所述的基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，所述步骤S3中，将锻造成形后的铝合金零件坯料进行淬火处理的具体方法是将锻造成形后的铝合金零件坯料放入小于50℃的淬火介质中进行冷却，冷却时长小于3h。
9.根据权利要求8所述的基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，所述淬火介质为水。
10.根据权利要求1所述的基于铝合金成分的高性能锻造工艺，其特征在于，所述铝合金零件坯料的型号为6082号挤压件。
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