一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁合金的熱處理工藝，特別是指一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝；屬于有色金屬熱處理工藝技術領域。本發(fā)明將鋁鎂硅合金進行固溶水淬處理后，進行軋制；得到軋制后的鋁鎂硅合金；接著對所材料依次進行固溶水淬處理、預時效處理、特種變形處理、二次時效處理；得到綜合性能優(yōu)越的成品；所述特種變形處理為非對稱軋制。本發(fā)明方法簡單，操作安全方便，所的產(chǎn)品性能優(yōu)越，易于工業(yè)化生產(chǎn)和應用。
【專利說明】
一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種鋁合金的熱處理工藝，特別是指一種提高鋁合金綜合性能的熱機 械處理工藝;屬于有色金屬熱處理工藝技術領域。
【背景技術】
[0002] 提高材料強度一直是材料研究的核心問題。材料強化的同時往往伴隨著塑性或韌 性的急劇下降，而高塑韌性材料的強度往往又很低。長期以來這種材料的強韌性"倒置關 系"成為制約材料發(fā)展的瓶頸。為了使鋁合金能進一步滿足更高綜合性能的要求，近年來對 鋁合金綜合性能的改善提升已成了鋁合金界關注的熱點。
[0003] 就當前的鋁合金發(fā)展現(xiàn)狀而言，不僅要求其有較高的靜強度，還要求材料具有良 好服役性能。其性能不僅取決于析出相種類、形貌、尺寸、數(shù)量、形態(tài)，以及晶界組態(tài)，而且取 決于材料在服役時的微結構演變。因此通過熱處理來調(diào)控鋁合金組織結構，以滿足航空航 天等高技術對鋁合金高性能的要求，是材料科學與工程領域的重大課題之一，具有巨大的 實際應用價值。
[0004] 為了滿足高性能鋁合金綜合性能的要求，近年來國際上出現(xiàn)了一些新型加工處理 方法，其中大塑性變形法（SPD，severe plastic deformation)最為顯著，如等徑角擠壓 (ECAP,equal channel angular pressing)、高壓扭車專（HPT,high pressure torsion)、摩 擦攪拌(FSP,friction stir processing)和恪體乳制等。這些方法主要是通過細化組織來 獲得優(yōu)異的強塑性配合，但是目前只有極少數(shù)文獻實現(xiàn)了真正意義上的高強度高塑。 G.Nurislamova等人對6061合金進行了 HPT處理，隨后進行人工時效，使合金屈服強度達到 565MPa，抗拉強度達到585MPa，并保持了 13.5%的延伸率。3.1(.?311丨8抑1^等對41-0.45% Si-0.3 %Mg合金進行液氮溫度深冷乳制，隨后進行100°C_48h低溫人工時效，使合金屈服強 度達到259.5MPa，抗拉強度達到277MPa，并保持了 11 %的延伸率。但這些方法只局限于對小 尺寸試樣的加工且工序復雜、設備要求高，無法實現(xiàn)以大構件應用的鋁合金大構件的生產(chǎn) 需求，或者在液氮溫度環(huán)境下進行極危險生產(chǎn)操作，對生產(chǎn)設備的損傷較大，同時生產(chǎn)成本 也會進一步增大?？偠灾?，這些方法在實際工業(yè)應用的可操作性較差，且其技術路線遠不 能滿足鋁合金大結構件的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術條件下存在的鋁合金材料熱處理后強韌性"倒置關 系"的難題，提供一種工藝方法簡單、操作方便、既可顯著提升鋁鎂硅合金強塑性配合、成型 性能等綜合性能，又能降低板材各向異性，并對該類型合金的耐腐蝕性能、疲勞性能有一定 改善作用的顯著提升鋁鎂硅合金綜合性能的熱處理工藝。
[0006] 本發(fā)明一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，包括下述步驟：
[0007] 步驟一
[0008] 以鋁鎂硅合金為原料，對原料進行固溶水淬處理后，進行乳制，得到一定厚度的鋁 鎂硅合金板材；
[0009] 步驟二
[0010] 步驟一所得乳制后的鋁鎂硅合金依次經(jīng)固溶水淬處理、預時效處理、特種變形處 理、二次時效處理;得到成品；所述特種變形處理為非對稱乳制。
[0011 ]本發(fā)明一種提高錯合金綜合性能的熱機械處理工藝，步驟一中所述原料為冷乳態(tài) 的鋁鎂硅合金。其他狀態(tài)的鋁鎂硅合金以及鋁合金也可采用本發(fā)明。
[0012]本發(fā)明一種提高錯合金綜合性能的熱機械處理工藝，步驟一中所述的起始乳制溫 度為200~350°C，總變形量為50~90%。
[0013]本發(fā)明一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，步驟一中所述乳制是進行溫 乳后直接進行連續(xù)乳制處理;所述溫乳的溫度為200~350°C，變形量為30~70%、優(yōu)選為40 ~60 %、進一步優(yōu)選為45~55 % ;所述連續(xù)乳制的變形量為40 %~80%、優(yōu)選為50~70%、 進一步優(yōu)選為55~65%。
[0014]本發(fā)明一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，步驟一中所述固溶水淬處理 是固溶處理后，出爐水淬;所述固溶處理的溫度為490~560°C、優(yōu)選為500~560°C、進一步 優(yōu)選為520~530 °C，保溫時間為15分鐘~4小時、優(yōu)選為30分鐘~3小時、進一步優(yōu)選為1~2 小時。
[0015]本發(fā)明一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，步驟二中所述固溶水淬處理 是固溶處理后，出爐水淬;所述固溶處理的溫度為490~560°C、優(yōu)選為500~560°C、進一步 優(yōu)選為520~530 °C，保溫時間為15分鐘~4小時。
[0016]本發(fā)明一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，步驟二中所述預時效處理的 溫度為60°C~150°C、優(yōu)選為80~120°C、時間為2小時~120小時、優(yōu)選為10小時~100小時。 [0017]本發(fā)明一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，步驟二中所述非對稱乳制 時，控制異速比為1.05~2.0、優(yōu)選為1.1~1.8,乳制溫度為室溫~250 °C、優(yōu)選為室溫~200 °C，變形量為3 %~25 %、優(yōu)選為5 %~20 %。
[0018]本發(fā)明一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，步驟二中所述二次時效處理 為自然時效處理或低溫人工時效處理，所述自然時效處理的時間為5~20天;所述低溫人工 時效處理的溫度為50°C~150°C，時效時間為2小時~80小時。
[0019]作為優(yōu)選方案，本發(fā)明一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，所述鋁合金 為鋁鎂硅合金，主要合金元素為Mg、Si元素;Mg元素含量范圍：質(zhì)量分數(shù)0.5~2.0 % ; Si元素 含量范圍：質(zhì)量分數(shù)0.2~1.7%。
[0020] 作為優(yōu)選方案，當所述鋁合金為鋁鎂硅合金時，按照本發(fā)明的處理工藝，所得產(chǎn)品 的屈服強度大于等于261. IMPa、抗拉強度大于等357.5MPa、延伸率可達24.4%。
[0021] 原理和優(yōu)勢
[0022] 由于本發(fā)明采用上述工藝方法，可以通過固溶水淬一一溫乳一一連續(xù)乳制一一二 次固溶水淬處理使合金晶粒顯著細化，這是由于在固溶后進行溫乳及連續(xù)乳制可以獲得大 量位錯與空位等缺陷，為后續(xù)再結晶過程提供變形儲能。當所述鋁合金為鎂鋁硅合金時，通 過本發(fā)明所設計的工藝，尤其是通過溫乳過程中變形促進粒子析出的效應，可以獲得大量 MgSi2粒子，這些粒子在二次固溶過程中可以提供大量形核質(zhì)點，從而促進再結晶過程中形 成大量細小的等軸晶，而較為粗大MgSi 2粒子本身在二次固溶過程中將充分溶解，以便在后 續(xù)時效過程中重新偏聚析出。得到細化的晶粒后，針對鋁鎂硅合金時效初期并不直接形成 Mg-Si共同團簇，而是發(fā)生復雜的時效過程(過飽和固溶體-Si-空位對，Mg-空位對及Mg原 子團簇-Mg原子團簇溶解，Si原子團簇形成-游離的Mg原子擴散到Si原子團簇中-Mg-Si 共同團簇)這一特點，對二次固溶處理得到的過飽和固溶體進行人工時效處理。在后續(xù)的特 殊變形過程中，位錯運動受到原子團簇的阻礙，形成網(wǎng)狀的位錯胞，當變形量增加時則形成 亞晶界，在更大的變形下亞晶界則會轉化為大角度晶界使晶粒細化；同時預時效過程中未 析出的溶質(zhì)原子，在后續(xù)特殊變形高剪切應力應變作用下，獲得了空位/原子團簇復合體、 GP區(qū)、微織構、特殊剪切織構（主要由{111}//ND組成）、更高比例的大角度晶界，以及位錯 胞、亞晶界等微細觀復合組織結構。在二次時效過程中，以上微細觀復合組織結構在溫度作 用下產(chǎn)生一系列交互作用，并且一部分細晶在熱激活的作用下借助晶界迀移長大，形成了 雙重晶粒結構，這一系列微觀組織結構的形成，改善了合金的強度-塑性配合，并提高合金 韌性。同時由于控制時效時間與時效溫度，避免了非平衡相的長大，并避免了連續(xù)晶界析出 相的析出與晶界無沉淀帶的形成，而這兩者往往被認為是降低鋁合金抗腐蝕性能和疲勞性 能的重要原因。和普通乳制的織構（主要是β-纖維，包括銅織構{112}〈111>，S織構{123}〈 634>和黃銅織構{011K21D)相比，剪切織構可以顯著改善合金的成型性能，并且可以改善 合金塑性。而較高比例的大角度晶界、扭轉晶界可有效阻礙疲勞裂紋擴展，因而改善了合金 的疲勞性能?？傊?，最終形成的復合組織結構的協(xié)同作用有效改善鋁合金綜合性能，包括提 高合金的強度和塑韌性、成型性能，降低材料各向異性，同時在一定程度上提高了合金的腐 蝕性能和疲勞性能。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：
[0024] 1、與高壓扭轉和深冷乳制等方法相比，具有更大的工業(yè)實際應用價值，能滿足鋁 合金尤其是鋁鎂硅合金大結構件的要求；
[0025] 2、通過控制預時效、特種變形和二次時效中的工藝參數(shù)，取得了傳統(tǒng)熱處理制度 無法達到的效果，大幅度地提高鋁鎂硅合金的強度及塑韌性匹配、成型性能，同時還降低材 料的各向異性。
[0026] 3、通過控制預時效、特種變形和二次時效中的工藝參數(shù)，可以在一定程度上改善 鋁鎂硅合金耐腐蝕性能、疲勞性能。
[0027] 綜上所述，本發(fā)明方法簡單，操作安全方便，易于工業(yè)化，通過特殊預時效、特種變 形和二次時效等工藝來改善合金的微觀組織，有效地提升了合金的綜合性能，是一種很有 應用前景的新型熱處理制度。
【附圖說明】
[0028] 附圖1本發(fā)明實施例1、2、3以及對比例1、2、3處理的Al-1.0Mg-1.0Si-0.9Cu-(h2Zn (質(zhì)量分數(shù)％ )合金強塑韌性匹配圖。
[0029] 圖1中：
[0030] 標號實施例1、標號實施例2、標號實施例3分別為實施例1、實施例2、實施例3所得 產(chǎn)品的延伸率與最大抗拉強度在合金強塑韌性匹配圖中所對應的點值；
[0031] 標號對比例1、標號對比例2、標號對比例3為Al-l.0Mg-l.0Si-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量 分數(shù)％)合金分別經(jīng)過傳統(tǒng)熱處理工藝(T3、T6、T8)處理所得產(chǎn)品的延伸率與最大抗拉強度 在合金強塑韌性匹配圖中所對應的點值。
【具體實施方式】
[0032]下面結合實施例和傳統(tǒng)熱處理制度對比例對本發(fā)明作進一步說明。
[0033] 實施例1:
[0034] 試樣采用厚度為10.0mm的Al-1. OMg-1. OSi-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金冷 乳板。將試樣放入520~530°C的鹽浴爐中進行固溶處理，保溫時間1小時;在300°C進行變形 量為50%的溫乳，溫乳后立即進行變形量為60%的連續(xù)乳制得到薄板;將所得薄板進行520 ~530°C固溶水淬處理，保溫時間1小時；然后放入時效箱中進行預時效處理，時效溫度為 100°C，時效時間為16h;隨后進行非對稱乳制，非對稱乳制的條件為:異速比為1.1，變形量 為5 %，變形溫度為室溫;最后進行15天自然時效，并按GB228-76制成拉伸試樣。本實施例處 理的Al-l.0Mg-l.0Si-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％)鋁合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率性 參數(shù)見表1。
[0035] 實施例2:
[0036] 試樣采用厚度為10 · 0mm的A1-1 · OMg-1 · OSi-O · 9Cu-0 · 2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金冷 乳板。將試樣放入520~530°C的鹽浴爐中進行固溶處理，保溫時間1小時;在300°C進行變形 量為50%的溫乳，溫乳后立即進行變形量為60%的連續(xù)乳制得到薄板;將所得薄板進行520 ~530°C固溶水淬處理，保溫時間1小時;然后放入時效箱中進行預時效處理，時效溫度為60 °C，時效時間為100h;隨后進行非對稱溫乳，非對稱乳制的條件為:變形溫度150°C，異速比 為1.3,變形量為~10%;最后進行60°C_72h人工時效，并按GB228-76制成拉伸試樣。本實施 例處理的Al-l.0Mg-l.0Si-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％)鋁合金的屈服強度、抗拉強度、延伸 率性參數(shù)見表1。
[0037] 實施例3:
[0038] 試樣采用厚度為10.0mm的Al-1. OMg-1. OSi-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金冷 乳板。將試樣放入520~530°C的鹽浴爐中進行固溶處理，保溫時間1小時;在300°C進行變形 量為50%的溫乳，溫乳后立即進行變形量為60%的連續(xù)乳制得到薄板;將所得薄板進行520 ~530°C固溶水淬處理，保溫時間1小時；然后放入時效箱中進行預時效處理，時效溫度為 120°C，時效時間為10h;隨后進行非對稱溫乳處理，非對稱乳制的條件為:變形溫度250°C， 乳輥表面速比為1.8,變形量為~20%;最后進行130°C_4h人工時效，并按GB228-76制成拉 伸試樣。本實施例處理的Al-1.OMg-1.OSi-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金的屈服強度、 抗拉強度、延伸率性參數(shù)見表1。
[0039] 實施例4:
[0040] 試樣采用厚度為20 · 0mm的A1-1 · OMg-1 · OSi-O · 9Cu-0 · 2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金冷 乳板。將試樣放入520~530°C的鹽浴爐中進行固溶處理，保溫時間1小時;在300°C進行變形 量為70%的溫乳，溫乳后立即進行變形量為70%的連續(xù)乳制得到薄板;將所得薄板進行520 ~530 °C固溶水淬處理，保溫時間1小時;然后放入時效箱中進行預時效處理，時效溫度為80 °C，時效時間為60h;隨后進行非對稱溫乳處理，非對稱乳制的條件為:變形溫度150°C，乳輥 表面速比為1.5,變形量為~15%;最后進行100°C_24h人工時效，并按GB228-76制成拉伸試 樣。本實施例處理的Al-l.0Mg-l.0Si-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％)鋁合金的屈服強度、抗拉 強度、延伸率性參數(shù)見表1。
[0041 ] 實施例5:
[0042] 試樣采用厚度為5.0mm的Al-1. OMg-1. OSi-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金冷乳 板。將試樣放入520~530°C的鹽浴爐中進行固溶處理，保溫時間2小時;在250°C進行變形量 為30%的溫乳，溫乳后立即進行變形量為40%的連續(xù)乳制得到薄板;將所得薄板進行520~ 530 °C固溶水淬處理，保溫時間2小時；然后放入時效箱中進行預時效處理，時效溫度為100 °C，時效時間為16h;隨后進行非對稱溫乳處理，非對稱乳制的條件為:變形溫度200°C，乳輥 表面速比為1.3,變形量為~10%;最后進行100°C_48h人工時效，并按GB228-76制成拉伸試 樣。本實施例處理的Al-l.0Mg-l.0Si-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％)鋁合金的屈服強度、抗拉 強度、延伸率性參數(shù)見表1。
[0043] 對比例1:
[0044] 試樣采用厚度為2.0mm的Al-1. OMg-1. OSi-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金冷乳 薄板。按GB228-76制成拉伸試樣。將試樣放入520~530°C的鹽浴爐中進行固溶處理，保溫時 間1小時，取出立即淬火;然后進行冷變形處理，變形方式為乳制，變形量為~10%;最后進 行自然時效，自然時效的時間為15天。本對比例處理的Al-1. OMg-1. OSi-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量 分數(shù)％ )鋁合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率性參數(shù)見表1。
[0045] 對比例2:
[0046] 試樣采用厚度為2.0mm的Al-1. OMg-1. OSi-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金冷乳 薄板。按GB228-76制成拉伸試樣。將試樣放入520~530°C的鹽浴爐中進行固溶處理，保溫時 間1小時，取出立即淬火;然后放入時效箱中進行人工時效處理，時效溫度為175°C，時效時 間為8h。本對比例處理的Al-1. OMg-1. OSi-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金的屈服強度、 抗拉強度、延伸率性參數(shù)見表1。
[0047] 對比例3:
[0048] 試樣采用厚度為2.0mm的Al-1. OMg-1. OSi-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金冷乳 薄板。按GB228-76制成拉伸試樣。將試樣放入520~530°C的鹽浴爐中進行固溶處理，保溫時 間1小時，取出立即淬火;然后進行冷變形處理，變形方式為乳制，變形量為~10%;隨后放 入時效箱中進行人工時效處理，時效溫度為17 5 °C，時效時間為6 h。本對比例處理的八1-1.OMg-1.0Si-0.9Cu-0.2Zn(質(zhì)量分數(shù)％ )鋁合金的屈服強度、抗拉強度、延伸率性參數(shù)見表 1〇
[0049] 實施例1、2、3和對比例1、2、3的性能指標如下表：
[0050] 表 1
【主權項】
1. 一種提高錯合金綜合性能的熱機械處理工藝，其特征在于包括下述步驟： 步驟一 以鋁鎂硅合金為原料，對原料進行固溶水淬處理后，進行乳制，得到一定厚度的鋁鎂硅 合金板材； 步驟二 步驟一所得乳制后的鋁鎂硅合金依次經(jīng)固溶水淬處理、預時效處理、特種變形處理、二 次時效處理;得到成品;所述特種變形處理為非對稱乳制。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，其特征在于:步 驟一中所述原料為冷乳態(tài)的鋁鎂硅合金。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高錯合金綜合性能的熱機械處理工藝，其特征在于:步 驟一中所述的起始乳制溫度為200~350°C，總變形量為50~90%。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高錯合金綜合性能的熱機械處理工藝，其特征在于:步 驟一中所述乳制是進行溫乳后直接進行連續(xù)乳制處理;所述溫乳的溫度為200~350°C，變 形量為30~70 % ;所述連續(xù)乳制的變形量為40 %~80 %。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高錯合金綜合性能的熱機械處理工藝，其特征在于:步 驟一中與步驟二中所述固溶水淬處理是固溶處理后出爐水淬;所述固溶處理的溫度為490 ~560°C，在每一步中所述固溶處理的時間為15分鐘~4小時。6. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高錯合金綜合性能的熱機械處理工藝，其特征在于:步 驟二中所述預時效處理的溫度為60°C~150°C、時間為2小時~120小時。7. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高錯合金綜合性能的熱機械處理工藝，其特征在于:步 驟二中所述非對稱乳制時，控制異速比為1.05~2.0,乳制溫度為室溫~250°C，變形量為 3% ~25%〇8. 根據(jù)權利要求1所述的一種提高錯合金綜合性能的熱機械處理工藝，其特征在于:步 驟二中所述二次時效處理為自然時效處理或低溫人工時效處理，所述自然時效處理的時間 為5~20天;所述低溫人工時效處理的溫度為50°C~150°C，時效時間為2小時~80小時。9. 根據(jù)權利要求1-9任意一項所述的一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，其 特征在于:所述鋁合金為鋁鎂硅合金;所述鋁鎂硅合金中Mg的質(zhì)量分數(shù)為0.5~2.0 %、Si的 質(zhì)量百分數(shù)為〇. 2~1.7%。10. 根據(jù)權利要求9任意一項所述的一種提高鋁合金綜合性能的熱機械處理工藝，其特 征在于：所得成品的屈服強度大于等于261. IMPa、抗拉強度大于等357.5MPa、延伸率可達 24.4%〇
【文檔編號】C22F1/043GK105886976SQ201610249791
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】陳志國, 任杰克
【申請人】湖南人文科技學院