CN106521380A - 一种大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，该工艺对大规格高强铝合金锻件依次进行固溶处理、淬火处理、自然时效、一级时效处理、二级时效处理，并优化了关键工艺参数，保证大规格高强铝合金锻件的组织与性能均匀性更好，大大减少了淬火锻件的变形和开裂倾向。

Description

一种大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺及应用

技术领域

本发明属于合金领域，更具体地，涉及一种大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺及应用。

背景技术

近年来，铝合金在航空、航天、兵器和交通等行业等领域得到了广泛应用。特别是对轻量化程度要求高的重要结构件，大多数采用变形铝合金制造，并对其进行热处理以获得高的强韧性。对于热处理时效强化型铝合金来说，淬火的目的就是通过快速冷却确保过饱和固溶体被固定下来不分解，防止强化相的析出影响淬火时效后合金材料的机械性能。

目前，就淬火介质而言，铝合金的常规淬火是水淬，水温越低，冷却速率越快；水温越高，冷却速率越慢，为了达到最佳的固溶饱和效果，淬火时的冷却速率越快越好，但是冷却速率越大，淬火制品的残余应力和残余变形也越大。不同形状结构、规格大小的淬火制品，一般采用不同的冷却速率，而冷却速率的控制通常依靠调整淬火介质水的温度来实现。一般而言，对于形状简单、中小型、棒材可用室温水淬火，对于形状复杂、壁厚差别较大的型材，可用40～50℃的水淬火。而对于特别易产生变形的制品，甚至可以将水温升至75～85℃进行淬火。但是，随着水温升高，淬火制品的力学性能和抗腐蚀性能均会有所降低。

目前，为了加强对淬火冷却速率的控制，采用有机聚合物的水溶液作为淬火介质成为一种可供选择的新淬火方式。当高温制品淬入介质时，制品周围的液温剧烈上升，聚合物从水中析出，介质混浊、粘度上升，并在制品表面形成连续均匀的薄膜，随着制品的冷却，膜又逐渐溶解，使制品低温时加快冷却，这样使制品在高温和低温时都具有比较均匀的冷却速率，从而减少淬火制品由于冷却不均匀而造成变形开裂现象。对于那些厚度不匀，结构复杂的制品，由于这种冷却自调节过程都可使其各部趋近均匀冷却防止变形。一般聚合物的冷却特性与其在水中的浓度有关。浓度大，冷却速率缓慢；浓度小，冷却速率快。可以调节聚合物水溶液的冷却特性，以适应大小与厚度不同的制品淬火。

目前，国内对高强铝合金淬火工艺的研究已经比较广泛而深入，淬火工艺的改进、水温的精确调控以及淬火冷却速率的影响机制等方面的研究也都比较成熟。

四川大学张晓敏通过淬火水温对Al-Cu-Mg高强铸造合金性能的影响的研究，发现60℃水温淬火可以获得实验中最高的拉伸强度和最大的伸长率，实验以水为淬火介质，试棒在540℃固溶保温16h，分别在30℃、40℃、60℃和100℃水中进行淬火处理，空中转移时间控制在15s以内，然后置于干燥箱内175℃时效8h。随着淬火水温从30℃上升到60℃，试样拉伸强度从338MPa增加到464MPa，当淬火水温为100℃时，拉伸强度又下降至363MPa，伸长率的变化规律不明显，但还是以60℃水温淬火时升长率最高，达到7.8﹪，其余水温下淬火的均较低。

南昌航空大学马雨在研究淬火水温对ZL210A合金显微组织和力学性能的影响时发现，淬火水温为50℃时合金的力学性能最好，实验采用砂型浇注合金拉伸试棒，固溶处理工艺：540℃±3℃保温11h，淬火水温分别为30℃、50℃、70℃和90℃；时效处理工艺：180℃±3℃保温6h，空冷。随淬火水温的升高，合金的抗拉强度和屈服强度都先增加后减少，但变化幅度不大。ZL210A合金在30℃、50℃、70℃、90℃时的抗拉强度1为476MPa、477MPa、471MPa、466MPa，屈服强度值分别为360MPa、363MPa、354MPa、347MPa。当淬火水温为50℃时，合金的抗拉强度和屈服强度达到最大值，分别为477MPa和363MPa。

核工业理化工程研究院张蓉在研究水温对7075高强铝合金模锻件淬火应力场的影响时发现，淬火水温不同，锻件的淬火应力场均呈环状分布，随淬火水温的升高，淬火终冷时间缩短，淬火应力的最高值降低，最优的淬火水温为35℃。研究采用金属成形与热处理专用数值模拟软件DEFORM对7075铝合金锻件的淬火过程进行数值模拟，重点分析水温对其淬火应力场的影响，淬火水温分别为15℃、25℃和35℃。随水温的升高，7075锻件的淬火终冷时间分别为9.6s、8.8s、7.0s，淬火应力的极大值逐渐下降，当水温为35℃时，锻件淬火应力极值最小，边部圆环处内外表面的应力差最小，盘体处的平均应力也不高。

桂林电子科技大学李淑明通过淬火温度对7075铝合金厚板残余应力的影响的研究发现，随淬火水温的升高，浸没淬火与喷淋淬火引入的表面残余压应力水平与表面显微硬度值迅速下降，试验材料为7075铝合金轧制板，板材尺寸为1200mm×220mm×40mm，长度方向为轧向。轧板在480℃固溶保温2h后淬火，空中转移时间小于10s，淬火水温分别为25℃、50℃和80℃。随淬火介质温度的升高，浸没淬火与喷淋淬火对铝合金厚板引入的残余应力水平迅速下降，相应的力学性能也发生大幅下降。与室温相比，80℃水淬厚板的残余应力水平降低了50﹪左右，但其表面显微硬度的降幅也超过了12﹪。

成都飞机工业集团公司吴瑞豪主要开展了B-757飞机铝合金零件聚合物淬火方面的相关研究，试验材料为7075薄板(1.3mm×25.4mm×230mm)、7050中厚板(6.4mm×50mm×200mm)、7075锻坯(38mm×76mm×150mm)和7050锻坯(50mm×76mm×150mm)。试验选择UconA聚合物淬火剂，试样分两组，一组淬水，另一组淬Ucon A。研究结果表明，7075薄板、7050中厚板材料及7075、7050锻件试样用32％Ucon A溶液淬火，最终电导率、硬度、力学性能与水淬相比无甚差别，均处于同一水平，说明32％Ucon A溶液能满足各类材料的性能要求。但水淬与Ucon A溶液淬火后比较，发现前者弯曲变形，而后者几乎无畸变，可见聚合物淬火能消除畸变。

无论是水淬还是有机聚合物溶液淬火，试验材料是板材或是锻件等，均是通过调节淬火介质温度来控制淬火速率，从而进一步影响合金材料的强度、硬度、伸长率、电导率及残余应力分布等性能指标参数。淬火冷却速率越快，后续时效处理合金材料基本力学性能更好，但制品变形开裂的概率也越大，这就形成了高强铝合金淬火的矛盾关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的高强铝合金锻件热处理之后淬火锻件变形开裂概率大、淬火制品质量均匀性和稳定性不佳的问题。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，该工艺对大规格高强铝合金锻件依次进行固溶处理、淬火处理、自然时效处理、一级时效处理、二级时效处理、空冷至室温，所述淬火处理过程淬火介质水的温度为25～100℃。

优选地方案之一，所述淬火处理过程淬火介质水的温度为25℃、40℃或100℃。

优选的方案之二，所述淬火处理过程淬火介质水的温度为60～80℃；更为优选地，所述淬火处理过程淬火介质水的温度为60℃或80℃。

优选地，所述淬火处理过程中，空中转移时间不超过10s；优选空中转移时间不超过5s。

优选地，所述固溶处理的工艺参数为：温度450～480℃，时间50～70min；自然时效处理的工艺参数为：温度为室温，时间小于2h或大于24h；一级时效处理的工艺参数为：温度100～150℃，时间22～26h；二级时效处理的工艺参数为：温度150～200℃，时间14～18h。

进一步优选地，固溶处理的工艺参数为：温度470℃，时间60min；自然时效处理的工艺参数为：温度为室温，时间1.5h；一级时效处理的工艺参数为：温度120℃，时间24h；二级时效处理的工艺参数为：温度170℃，时间16h。

优选地，一级时效处理和二级时效处理在循环鼓风干燥箱中进行。

优选地，固溶处理过程、一级时效处理和二级时效处理过程的升温速率10～15℃/min。

本发明同时提供所述大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺在处理大规格Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金锻件中的应用。

优选地，所述大规格Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金锻件的成分(wt.％)为：Zn6.5～7.3％、Mg 1.6～2.2％、Cu 0.8～1.2％、Fe 0.2～0.4％、Si 0.2％、Al余量。

进一步优选地，所述大规格Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金锻件的成分(wt.％)为：Zn7.0％、Mg 1.8％、Cu 0.8％、Fe 0.4％、Si 0.2％、Al余量。

相对现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明科学确定淬火温度，简单易行地解决现有大规格高强铝合金锻件高温淬火处理过程中的技术缺陷。本发明方法与低温淬火相比，可确保基本力学性能不损失的情况下，高强铝合金锻件的组织与性能均匀性更好，基本消除了锻件的淬火残余应力，大大减少了淬火锻件的变形和开裂倾向。

(2)本发明进一步采用更为科学合理的固溶温度，保证高强铝合金较小的晶粒度，改善锻件的塑性和韧性，随后进行高温淬火，使锻件合金性能在各个方向上有很好的均匀性，同时无明显的强度损失，也保证了足够的伸长率和电导率，淬火后进行自然时效、一级时效处理和二级时效处理，锻件经过时效处理后，保持了高温淬火得到高均匀性的合金性能，同时硬度和强度有所增加。

(3)通过步骤和工艺参数的优化结合，本发明大规格高强铝合金锻件高温淬火处理效果优良，与有机聚合物淬火相比，本发明的高温水淬方法的优点在于：水的热容量大，冷却能力强，而且使用非常方便、经济；聚合物淬火剂富含有机养料，容易滋生细菌，淬火时有可能加大对流阶段的冷却速率，从而使得淬火制品的淬火质量难以稳定，而本发明不会产生细菌，从而确保淬火锻件质量的稳定性；聚合物淬火时有可能产生一定的异味或刺激近距离操作人员的皮肤，产生皮炎等，从而影响作业环境，危害工作人员的身体健康，而本发明的淬火介质为水，不会带来环境和健康方面的问题；淬火冷却速率不受淬火溶液浓度的影响，从而能确保淬火制品质量的均匀性和稳定性。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明。下述实施例仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。除非特别说明，下述实施例中使用的原材料和设备为本领域常规使用的原材料和设备。

实施例1

本实施例所涉及的材料为大规格Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金锻件，其尺寸规格为200mm×500mm×1500mm，各元素的化学成分(wt.％)为：Zn 7.0％，Mg1.8％，Cu 0.8％，Fe0.4％，Si 0.2％，Al余量。该大规格Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金锻件的制备工艺流程为：熔炼铸造均火—锯切车皮—加热—挤压—锯切锻造毛料—加热—锻造，锻件的显微组织为比较均匀的部分再结晶组织，且再结晶晶粒占多数。

本实施例首先对锻件进行固溶处理，固溶处理在热处理炉中进行，锻件随炉升温，等炉内温度达到设定温度并稳定后开始计时，固溶温度为470℃，保温时间为60min；对锻件固溶处理后即时进行淬火处理，淬火介质水的温度为25℃，空中转移时间不超过5s；对锻件淬火处理后在室温进行自然时效处理，时间为1.5h；对锻件自然时效处理后进行一级时效处理，一级时效处理在循环鼓风干燥箱内进行，当循环鼓风干燥箱内的温度达到120℃且稳定后，保温时间为24h；对锻件一级时效处理后进行第二级时效处理，二级时效处理在循环鼓风干燥箱内进行，二级时效处理之前，重新设置二级时效处理工艺参数，锻件随炉升温170℃，时间为16h，二级时效处理结束后，取出锻件空冷至室温。

实施例2

本实施例采用的材料和步骤与实施例1一致，实验参数与实施例1基本相同，不同之处在于实施例2淬火处理中淬火介质水的温度为40℃。

实施例3

本实施例采用的材料和步骤与实施例1一致，实验参数与实施例1基本相同，不同之处在于实施例4淬火处理中淬火介质水的温度为60℃。

实施例4

本实施例采用的材料和步骤与实施例1一致，实验参数与实施例1基本相同，不同之处在于实施例4淬火处理中淬火介质水的温度为80℃。

实施例5

本实施例采用的材料和步骤与实施例1一致，实验参数与实施例1基本相同，不同之处在于实施例2淬火处理中淬火介质水的温度为100℃。

实施例6性能测试实验

本实施例从实施例1至5处理后合金锻件中随机选取，经纵向、横向、高向分别取样进行基本力学性能和电导率测试，其测试结果基本如表1所示。

表1热处理后合金锻件基本力学性能

从表1看出，淬火水温从室温25℃提高到80℃时，对材料的强度性能影响很小，甚至在沸水中淬火，合金锻件的强度均无显著降低，且各个方向上的性能也非常接近。总体而言，随着淬火水温的升高，合金的韧性和电导率大致是逐渐升高的，但是，当淬火水温升高至100℃时，合金的伸长率和电导率出现了一定程度的下降，在60℃～80℃范围内水淬，合金锻件能获得很好的综合性能，是最适宜的水淬温度。由此可见，本发明的淬火处理工艺能提高淬火制品的淬火质量，确保淬火锻件的质量的均匀性、稳定性和综合性能，同时也大大减少了淬火锻件的变形和开裂倾向。

本发明中的Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金是典型的锻造铝合金，它不同于其他锻造合金，在其成分中不含有锰、铬、锆以及能引起挤压效应的类似元素。由于锰、铬、锆等元素的添加，加快了铜和镁在铝中的过饱和固溶体的分解过程，从而在热水和沸水中淬火缓慢冷却的情况下引起合金强度的下降。正是由于这种情况，该锻造合金性能在各个方向上才有高的均匀性，以及在高温水淬时强度损失小。不含锰、铬等元素Al-Zn-Mg-Cu系合金可以在热水中淬火，且无明显的强度损失，而其相应的制品比如锻件等，也就可以有很低的内应力。本发明为了大大减小内应力和消除淬火及随后机械加工时产生的翘曲，在沸水中淬火是最理想的。但是，为了保证足够高的伸长率和电导率，淬火水温选择在60℃～80℃范围内是比较适宜的。

Claims (10)

1.一种大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，其特征在于，包括固溶处理、淬火处理、自然时效处理、一级时效处理、二级时效处理和空冷至室温步骤；所述淬火处理过程淬火介质水的温度为25~100℃。

2.根据权利要求1所述的大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，其特征在于，所述淬火处理过程淬火介质水的温度为25℃、40℃或100℃。

3.根据权利要求1所述的大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，其特征在于，所述淬火处理过程淬火介质水的温度为60~80℃；优选所述淬火处理过程淬火介质水的温度为60℃或80℃。

4.根据权利要求1至3任一项所述的大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，其特征在于，所述淬火处理过程中，空中转移时间不超过10s；优选空中转移时间不超过5s。

5.根据权利要求1所述的大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，其特征在于，所述固溶处理的工艺参数为：温度450~480℃，时间50~70min；所述自然时效处理的工艺参数为：温度为室温，时间小于2h或大于24h；所述一级时效处理的工艺参数为：温度为100~150℃，时间为22~26h；所述二级时效处理的工艺参数为：温度为150~200℃，时间为14~18h。

6.根据权利要求5所述的大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，其特征在于，所述固溶处理的工艺参数为：温度为470℃，时间为60min；所述自然时效处理的工艺参数为：温度为室温，时间为1.5h；所述一级时效处理的工艺参数为：温度为120℃，时间为24h；所述二级时效处理的工艺参数为：温度为170℃，时间为16h。

7.根据权利要求5所述的大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，其特征在于，所述一级时效处理和二级时效处理在循环鼓风干燥箱中进行。

8.根据权利要求5所述的大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，其特征在于，所述固溶处理、一级时效处理和二级时效处理过程的升温速率10~15℃/min。

9.一种根据权利要求1~8任意一项所述新工艺在处理大规格Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金锻件方面的应用。

10.根据权利要求9所述的大规格高强铝合金锻件的高温淬火新工艺，其特征在于，所述大规格Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金锻件的成分（wt.%）为：Zn 6.5~7.3%、Mg 1.6~2.2%、Cu0.8~1.2%、Fe 0.2~0.4%、Si 0.2%、Al余量；优选所述大规格Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金锻件的成分（wt.%）为：Zn 7.0%、Mg 1.8%、Cu 0.8%、Fe 0.4%、Si 0.2%、Al余量。