CN117551949B - 一种铝合金材料的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金材料的处理方法，包括以下步骤：一种铝合金材料的处理方法，包括以下步骤：S1.将铝合金材料固溶温度下保温后于450~480℃下高温成形；S2.将高温成形后的铝合金材料保温进行预析出；S3.将预析出后的铝合金材料冷却至100~200℃后再以100~150℃/s的冷却速率冷却至‑200~‑100℃保温进行位错强化；S4.将步骤S3中保温后的铝合金材料以10~30℃/s的加热速率加热至150~180℃保温后处理得到有色金属材料；所述有色金属材料的应用领域为汽车型材领域。发明提出一种铝合金材料的处理方法与应用，制备得到的铝合金的成形精度、强度、耐腐蚀性能和生产效率均有显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金技术领域，具体涉及一种铝合金材料的处理方法。
背景技术
随着能源、环保压力的不断增大，对汽车轻量化的需求愈发强烈，高比强度铝合金板在车身中普及成为重要发展方向，但铝合金室温下较低的成形性限制了其应用。超塑性成形等特种板材成形技术适于铝合金板车身构件的小批量生产，而冲压技术具有生产效率高、材料利用率高、成形件精度较高、大批量生产时成本低的优点，在构件大批量生产中具有巨大优势。铝合金在室温下成形性差、回弹量大，利用传统的加工方法很难成形复杂的零件，而铝合金高温成形会产生零件强度的下降。为此，热成形后常需要对零件进行热处理，然而在快速淬火过程中，由于零件受热不均，容易导致零件形状发生变化，影响其形状尺寸精度。铝合金热冲压技术是将热成形和热处理过程相结合，依靠同一套模具实现“成形”和“控性”的目的。其成形过程是将固溶后的铝合金板材转移到低温模具上，快速合模成形，成形完成后保持合模状态以完成零件模内保压淬火，进而获得不稳定的过饱和固溶体，最后通过时效处理，使过饱和固溶体分解，析出第二相，提高材料的强度和硬度。与高强钢热冲压技术不同的是，铝合金在热变形-淬火复合成形时的强化机制不同，从而具有不同的工艺参数和实现方法。由于铝合金热传导率大、散热速度快，板材温度会在转移和成形过程中快速降低，从而引起成形性能降低，容易导致成形不能顺利完成。这些都要求加热后坯料快速转移、定位到模具中成形，相对于高强钢热冲压，铝合金复合成形技术成形窗口小，控制要求更高。现有高强铝合金热成形汽车零件存在应力腐蚀开裂倾向严重，引起的材料破坏现象。铝合金热成形人工时效处理时间过长，生产效率低、能耗大，复杂零件尺寸精度不够高，表面质量较差的问题。
因此，需要开发一种铝合金材料的处理方法实现铝合金的成形精度、强度、耐腐蚀性能和生产效率的提升。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的上述技术问题。为此，本发明提出一种铝合金材料的处理方法，制备得到的铝合金的成形精度、强度、耐腐蚀性能和生产效率均有显著的提升。
本发明还提出了一种上述铝合金材料的处理方法制备得到的铝合金在铝合金成型零件中的应用。
根据本发明的一个方面，提出了一种铝合金材料的处理方法，包括以下步骤：
S1.将铝合金材料固溶温度下保温后于450~480℃下高温成形；
S2.将高温成形后的铝合金材料于420~450℃保温进行预析出；
S3.将预析出后的铝合金材料以20~40℃/s的冷却速率冷却至100~200℃后再以100~150℃/s的冷却速率冷却至-200~-100℃保温进行位错强化；
S4.将步骤S3中保温后的铝合金材料以10~30℃/s的加热速率加热至150~180℃后保温后处理得到有色金属材料；
所述有色金属材料的应用领域为汽车型材领域。
本发明的有益效果如下：
本发明中，通过高温成形、高温预析出、快速淬火和急速冷却与加热的协同匹配，实现热成形铝合金的高强度、高韧性、高耐腐蚀性能和高生产效率，后续不再需要时效热处理，大大缩短生产时间。淬火敏感温度区间（210-420℃）；高温成形温度（450~480℃）选取介于固溶温度和淬火敏感温度区间的上限之间，并且在该范围内温度越高成形性能就越好；高温预析出温度（420~450℃）选取介于高温成形温度和淬火敏感温度区间的上限之间，保证晶界处析出平衡相，具体地，420~450℃保温进行预析出控制晶界处的析出相，尤其是点状非连续析出的第二相，从而保证晶界处析出的平衡相为断续的点状相，此时晶界析出相的尺寸较大，相间距较宽，可以有效地限制腐蚀介质的侵入和扩散，可以很好的抑制腐蚀裂纹的扩展，从而提高材料的耐腐蚀性能调控耐腐蚀性能；在淬火敏感温度区间（210-420℃）就需要快速冷却，保障淬火效果；冷却至淬火敏感温度区间的下限以下，就可以取出直接进行急冷急热处理，从而实现时效析出强化和位错强化，具体地，由于温度降低（-200~-100℃保温）；铝合金降温及低温保温过程中，晶格收缩促使合金的微观结构积累大量的弹性应变能，这些能量可以在升温的过程中为第二相析出提供驱动力；在低温下可以增加位错密度，进而提高材料的强度显著提升强度，150~180℃内材料的晶粒细化、位错密度大，析出的强化相细小均匀且数量多，有助于提高材料的强度、韧性和耐蚀性，若温度低于150℃，不利于第二相析出，强化效果不好，温度高于180℃，温度偏高，第二相粗化，强化效果减弱。
本发明的铝合金材料的处理方法显著提高了热成形铝合金材料的强度、伸长率和耐腐蚀性能。本发明热成形铝合金相比常规热成形工艺的铝合金材料，抗拉强度最高从560MPa提高到647MPa，屈服强度最高从520MPa提高到601MPa，伸长率最高从8%提高到14%，应力腐蚀敏感因子从11%下降至3%，晶间腐蚀深度从148μm下降至65μm。抗拉强度和屈服强度均提高了16%，尤其是耐腐蚀性能显著提升，后续不需要进行时效处理，大大缩短生产时间。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述固溶温度为470~540℃。
上述固溶温度下避免了因固溶温度低而导致的固溶不充分，导致后续时效强化效果不好，降低了铝合金材料的强度和塑性，同时避免了因固溶温度过高，导致的晶粒长大，甚至出现过烧，从而可能引起材料变脆。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述保温的时间为5~15min。
上述保温时间下避免了保温时间过短，导致铝合金中的溶质原子没有足够的时间完全固溶到铝基体中，时效之后效果不佳，使得材料的强度、硬度和耐腐蚀性能无法达到预期效果，以及避免了保温时间过长，导致晶粒粗大，同时影响生产效率。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述高温成形的步骤中的保压的时间为5~15s。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述预析出的步骤在热下模中进行。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述保温的时间为2~20min。
在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述冷却在冷下模中进行。
在本发明的一些实施方式中，步骤S3中，所述保温的时间为5~15min。
在本发明的一些实施方式中，步骤S4中，所述保温的时间为10~30min。
在本发明的一些实施方式中，所述铝合金材料包括2系合金、铝锂系合金、6系合金和7系合金中的一种。
在本发明的一些实施方式中，所述7系合金为Al(6~10)Zn(1~3)Mg(1~3)Cu。
在本发明的一些实施方式中，所述7系合金中包括微量合金元素，按重量百分比计，所述微量合金元素包括：0.01≤Cr≤0.25、0.01≤Zr≤0.2、0.01≤Sc≤0.2、0.01≤Co≤0.2。
在本发明的一些实施方式中，按重量百分比计，所述微合金元素含量总和在0.1~0.4%。
本发明中的铝合金材料的淬火敏感温度区间一般为210～420℃。合金元素Zn、Mg和Cu在铝中的溶解度随温度降低而减小，因而固溶体在等温保温过程中会分解析出第二相，一个形核和长大的过程。保温温度较高时(≥420℃)，过饱和度小，相转变的驱动力很小，第二相的形核率很小，因此相变速率很小；保温温度很低时，虽然过饱和度很大，析出驱动力大，形核率较大，但由于温度较低，溶质原子扩散速率小，第二相长大慢，所以相变速率也很小；只有在中温区间(210～420 ℃)，过饱和度较大，且温度较高，溶质原子扩散速率较大，因此相变速率较大。这也是TTP曲线呈“C”形状的原因。因此，在敏感温度区间第二相形核和长大速率最快，尺寸大，不但不起强化作用，反而减小合金中Zn、Mg和Cu元素的浓度，降低后续时效强化效果，因此合金的硬度随保温时间下降很快。因此，在淬火敏感温度区间合金硬度随时间下降很快，在此区间需要快速冷却。
根据本发明的一些实施方式，所述汽车型材包括车身加固型材、汽车车身型材和车窗框架型材中的至少一种。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例中工艺流程图。
图2为本发明实施例2中高温预析出的SEM图。
图3为本发明实施例中时间-温度-析出曲线。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种铝合金材料的处理方法，包括如下步骤：
2mm厚的7075铝合金薄板进行固溶处理，固溶温度480℃、保温时间10min；转移至热下模，实现高温成形，高温成形温度460℃、保压时间10s；在热下模里进行保温，实现高温预析出，温度420℃、保温时间5min；在冷下模中进行快速冷却至150℃，冷却速率30℃/s；取出进行急速冷却至-196℃，保温时间10min，冷却速率120℃/s，急速加热至160℃，保温时间20min，加热速率20℃/s。本发明实施例中工艺流程如图1所示。
实施例中时间-温度-析出曲线如图3所示。本发明中的铝合金材料的淬火敏感温度区间一般为210～420℃。合金元素Zn、Mg和Cu在铝中的溶解度随温度降低而减小，因而固溶体在等温保温过程中会分解析出第二相，一个形核和长大的过程。保温温度较高时(≥420℃)，过饱和度小，相转变的驱动力很小，第二相的形核率很小，因此相变速率很小；保温温度很低时，虽然过饱和度很大，析出驱动力大，形核率较大，但由于温度较低，溶质原子扩散速率小，第二相长大慢，所以相变速率也很小；只有在中温区间(210～420 ℃)，过饱和度较大，且温度较高，溶质原子扩散速率较大，因此相变速率较大。这也是TTP（Time-Temperature-Precipitation）曲线呈“C”形状的原因。因此，在敏感温度区间第二相形核和长大速率最快，尺寸大，不但不起强化作用，反而减小合金中Zn、Mg和Cu元素的浓度，降低后续时效强化效果，因此合金的硬度随时间下降很快。因此，在淬火敏感温度区间合金硬度随时间下降很快，在此区间需要快速冷却。
实施例2
本实施例提供了一种铝合金材料的处理方法，包括如下步骤：
2mm厚的7075铝合金薄板进行固溶处理，固溶温度480℃、保温时间10min；转移至热下模，实现高温成形，高温成形温度460℃、保压时间10s；在热下模里进行保温，实现高温预析出，温度430℃、保温时间5min；在冷下模中进行快速冷却至150℃，冷却速率30℃/s；取出进行急速冷却至-196℃，保温时间10min，冷却速率120℃/s，急速加热至160℃，保温时间20min，加热时间20℃/s。实施例2中高温预析出的SEM图如图2所示，图2中白色的小点为晶界的高温预析出相，可以提高耐腐蚀性能。
实施例3
本实施例提供了一种铝合金材料的处理方法，包括如下步骤：
2mm厚的铝合金薄板进行固溶处理，固溶温度480℃、保温时间10min；转移至热下模，实现高温成形，高温成形温度460℃、保压时间10s；在热下模里进行保温，实现高温预析出，温度450℃、保温时间5min；在冷下模中进行快速冷却至150℃，冷却速率30℃/s；取出进行急速冷却至-196℃，保温时间10min，冷却速率120℃/s，急速加热至160℃，保温时间20min，加热时间20℃/s。
对比例1
本实施例提供了一种铝合金材料的处理方法，包括如下步骤：
2mm厚的7075铝合金薄板进行固溶处理，固溶温度480℃、保温时间10min；转移至在冷模中进行快速冷却至室温，冷却速率30℃/s；取出进行人工时效，时效温度120℃，时效时间24h。
对比例2
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤高温成形的温度为440℃，其余条件相同。
对比例3
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤高温成形的温度为490℃，其余条件相同。
对比例4
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤高温预析出的温度为400℃，其余条件相同。
对比例5
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤高温预析出的温度为470℃，其余条件相同。
对比例6
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤中以30℃/s的冷却速率冷却-196℃保温，其余条件相同。
对比例7
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤中以120℃/s的冷却速率冷却-196℃保温，其余条件相同。
对比例8
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤中加热至130℃保温，其余条件相同。
对比例9
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤中加热至100℃保温，其余条件相同。
对比例10
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤中加热至200℃保温，其余条件相同。
对比例11
本对比例提供了一种铝合金材料的处理方法，本对比例和实施例1的区别在于步骤中加热至250℃保温，其余条件相同。
试验例
实施例和对比例的各组分如表1所示。
力学性能检测标准：GB/T 228 金属材料室温拉伸试验方法；
GB/T 22640-2023铝合金应力腐蚀敏感性评价试验方法；
表1 性能结果
本发明中，通过高温成形、高温预析出、快速淬火和急速冷却与加热的协同匹配，实现热成形铝合金的高强度、高韧性、高耐腐蚀性能和高生产效率，后续不再需要时效热处理，大大缩短生产时间。淬火敏感温度区间（210-420℃）；高温成形温度（450~480℃）选取介于固溶温度和淬火敏感温度区间的上限之间，并且在该范围内温度越高成形性能就越好；高温预析出温度（420~450℃）选取介于高温成形温度和淬火敏感温度区间的上限之间，保证晶界处析出平衡相，调控耐腐蚀性能；在淬火敏感温度区间（210-420℃）就需要快速冷却，保障淬火效果；冷却至淬火敏感温度区间的下限以下，就可以取出直接进行急冷急热处理，从而实现时效析出强化和位错强化，显著提升强度。对比例8~11中，温度低于150℃，温度偏低，不利于第二相析出，强化效果不好，温度高于180℃，温度偏高，第二相粗化，强化效果减弱。
上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (8)
1.一种铝合金材料的处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.将铝合金材料固溶温度下保温后于450~480℃下高温成形；
S2.将高温成形后的铝合金材料于420~450℃保温进行预析出；
S3.将预析出后的铝合金材料以20~40℃/s的冷却速率冷却至100~200℃后再以100~150℃/s的冷却速率冷却至-200~-100℃保温进行位错强化；
S4.将步骤S3中保温后的铝合金材料以10~30℃/s的加热速率加热至150~180℃保温后处理得到有色金属材料；
所述有色金属材料的应用领域为汽车型材领域；
所述铝合金材料包括2系合金、铝锂系合金、6系合金和7系合金中的一种；
所述7系合金中包括微量合金元素，按重量百分比计，所述微量合金元素包括：0.01≤Cr≤0.25、0.01≤Zr≤0.2、0.01≤Sc≤0.2、0.01≤Co≤0.2。
2.根据权利要求1所述的铝合金材料的处理方法，其特征在于：步骤S1中，所述固溶温度为470~540℃。
3.根据权利要求1所述的铝合金材料的处理方法，其特征在于：步骤S1中，所述保温的时间为5~15min。
4.根据权利要求1所述的铝合金材料的处理方法，其特征在于：步骤S1中，所述高温成形的步骤中的保压的时间为5~15s。
5.根据权利要求1所述的铝合金材料的处理方法，其特征在于：步骤S2中，所述保温的时间为2~20min。
6.根据权利要求1所述的铝合金材料的处理方法，其特征在于：步骤S3中，所述保温的时间为5~15min。
7.根据权利要求1所述的铝合金材料的处理方法，其特征在于：步骤S4中，所述保温的时间为10~30min。
8.根据权利要求1所述的铝合金材料的处理方法，其特征在于：所述汽车型材包括车身加固型材、汽车车身型材和车窗框架型材中的至少一种。
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