一種提高鋁合金力學(xué)性能的形變時(shí)效方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高鋁合金力學(xué)性能的形變時(shí)效方 法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003] 能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重促進(jìn)了結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展，以鋁合金替代鋼鐵材 料應(yīng)用在各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中已經(jīng)成為大的趨勢。其中，6000系鋁合金由于具有中等強(qiáng)度、高耐 蝕性、無應(yīng)力腐蝕破裂傾向、焊接性能良好、焊接區(qū)腐蝕性能不變、成形性和工藝性能良好 等優(yōu)點(diǎn)，在建筑、交通等方面的應(yīng)用逐漸增加，尤其是在汽車制造業(yè)，鋁合金的推廣應(yīng)用成 為當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的重要主題。隨著鋁合金應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對其力學(xué)性能和加工性能也有更 高的要求。
[0004] 6000系鋁合金最主要的強(qiáng)化方式是時(shí)效強(qiáng)化，其析出序列為：過飽和固溶體一鎂 /硅團(tuán)簇一鎂/硅聯(lián)合團(tuán)簇一GP-I區(qū)一β〃一 β' - β。由于上述時(shí)效析出過程中會(huì) 有不同類型和尺寸的析出物析出，它們彌散分布在鋁合金基體當(dāng)中，對位錯(cuò)起到釘扎作用， 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)度的提高。不同析出產(chǎn)物對合金的強(qiáng)化作用有很大差別，其中 β "相具有最大的強(qiáng)化作用，是合金時(shí)效達(dá)到最高強(qiáng)度時(shí)（峰時(shí)效）基體中主要存在的強(qiáng)化 相。6000系鋁合金板材一般采用熱軋、冷軋、固溶、時(shí)效加工流程，而汽車車身上使用的鋁合 金板材是在固溶后作短時(shí)間的預(yù)時(shí)效處理，這樣能減小自然時(shí)效的影響，使板材在沖壓前 有較低的屈服強(qiáng)度，提高沖壓成形性，而后在烤漆過程進(jìn)一步發(fā)生時(shí)效強(qiáng)化，提高板材的服 役強(qiáng)度。但是相比鋼材而言，6000系鋁合金的強(qiáng)度還較低，成形性能較差，尤其是時(shí)效處理 后的合金板材其塑性更低，因此6000系鋁合金在汽車上還只能用做車身覆蓋件，難以大 量用在結(jié)構(gòu)件上。如何綜合提高合金板材強(qiáng)度和塑性是研宄者追求的目標(biāo)，這將對6000系 鋁合金的推廣和應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。
[0005] 目前，大多研宄者主要著手于時(shí)效過程，通過優(yōu)化時(shí)效工藝改進(jìn)6000系鋁合金性 能，在6000系鋁合金中，由于整個(gè)時(shí)效過程會(huì)有不同類型及不同尺寸的析出物析出，他們 會(huì)對位錯(cuò)產(chǎn)生不同的反應(yīng)，一般來說位錯(cuò)通過尺寸較大的析出物時(shí)是位錯(cuò)繞過機(jī)制，通過 尺寸較小的析出物時(shí)是位錯(cuò)切過機(jī)制，而強(qiáng)化機(jī)制的不同使得合金有不同的強(qiáng)化表現(xiàn)，所 以析出物的類型、尺寸及分布對合金力學(xué)性能有著重要的影響。但是由于6000系鋁合金的 合金含量較少，時(shí)效過程中的可控參數(shù)較小，僅通過時(shí)效工藝對鋁合金強(qiáng)度的提高顯得十 分有限，通常不能達(dá)到400MPa的極限抗拉強(qiáng)度。也有人通過一些不同尋常的方法，如通過 劇烈塑性變形(如等通道擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)等）獲得細(xì)晶材料的方法，實(shí)現(xiàn)了 6000系鋁合金強(qiáng) 度的大幅度提高，但是這種方法需要鋁合金產(chǎn)生巨大的變形量，技術(shù)難度大，很難制造大尺 寸的產(chǎn)品，且與目前工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備所能達(dá)到的加工能力差距大，其加工成本高，因此難以推 廣應(yīng)用。尋找既能提高6000系鋁合金板材綜合力學(xué)性能，又能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的使用， 同時(shí)降低生產(chǎn)成本的方法是十分有意義的。
[0006] 軋制是工業(yè)上常用且技術(shù)成熟的材料加工工藝，但由于鋁合金層錯(cuò)能較高，在室 溫下軋制時(shí)容易發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，減弱了加工硬化作用；如果在非常低的溫度下軋制，則可以 抑制動(dòng)態(tài)回復(fù)，這樣變形之后就會(huì)得到更多的位錯(cuò)及更高的畸變能，而大量位錯(cuò)和高的畸 變能正是6000系鋁合金后續(xù)處理時(shí)所期望的；低溫軋制只需要相對較小的變形量就能產(chǎn) 生與劇烈塑性變形相同的強(qiáng)化效果，并且在工業(yè)生產(chǎn)中很容易實(shí)現(xiàn)。但是，低溫軋制后，由 于加工硬化的存在，高的強(qiáng)度必然會(huì)犧牲合金的塑性，這在生產(chǎn)實(shí)際中也是不能容忍的，因 此為了改善合金塑性，通過時(shí)效對位錯(cuò)和析出物的類型、尺寸及分布進(jìn)一步調(diào)控是十分必 要的。由于低溫軋制后形成高密度的位錯(cuò)對材料的回復(fù)和再結(jié)晶有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)力，再時(shí)效 時(shí)可發(fā)生回復(fù)和部分再結(jié)晶，同時(shí)促進(jìn)GP-I區(qū)向β "的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而獲得彌散的β "相，而 這正是兼顧合金強(qiáng)度和塑性的理想的微觀結(jié)構(gòu)特征。時(shí)效溫度對時(shí)效后的微觀結(jié)構(gòu)有重要 影響，時(shí)效溫度過高，就會(huì)得到粗大的晶粒和β "相，并且β "相密度也會(huì)減小，這種微觀 結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能是不利的。時(shí)效溫度偏低，只能析出強(qiáng)化效果較弱的原子團(tuán)簇，很難析出 β "相，時(shí)效強(qiáng)化效果較差。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種提高鋁合金力學(xué)性能的 形變時(shí)效方法，提升鋁合金包括強(qiáng)度和塑性在內(nèi)的綜合力學(xué)性能。
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種提高鋁合金力學(xué)性能的 形變時(shí)效方法，包括如下步驟： 1) 固溶處理：將鋁合金在520~560°C保溫20~60 min，進(jìn)行固溶處理；將合金加熱到溶 解度曲線以上溫度，從而可以使合金中的合金元素溶入到鋁基體當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)均勻分布； 2) 淬火：將步驟1)固溶后的鋁合金材料水冷淬火至室溫；固溶后的材料快速冷卻，由 于冷卻速度快，鋁基體中的合金元素來不及擴(kuò)散，而是被保留下來，形成了與高溫狀態(tài)類似 的組織，即過飽和固溶體； 3) 預(yù)時(shí)效處理：將步驟2)淬火后的鋁合金材料在150~180°C進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理，處理時(shí) 間為10~30 min，使鋁合金材料處于欠時(shí)效狀態(tài)；淬火后通過對預(yù)時(shí)效的溫度和時(shí)間控制， 使過飽和固溶體中的溶質(zhì)元素部分析出，形成一種過渡強(qiáng)化相，在時(shí)效硬化曲線上，表現(xiàn)為 在達(dá)到時(shí)效峰值前的狀態(tài)； 4) 低溫軋制：將步驟3)處理后的鋁合金材料在液氮中浸泡20~30 min后，進(jìn)行多道次 低溫軋制，每道次軋制后將鋁合金材料浸于液氮中8~10 min，再進(jìn)行下一道次軋制，使鋁合 金材料在軋制過程中溫度保持在_150°C ~ -180°C ;其中，每道次軋制變形量7%~10%，總變 形量 80~90% ; 5) 再時(shí)效處理：將步驟4)軋制后的鋁合金材料在100~130°C進(jìn)行低溫再時(shí)效處理 85~100 h，進(jìn)一步強(qiáng)化鋁合金；低溫軋制后的板材進(jìn)行低溫時(shí)效，是為了不使晶粒粗化且形 成強(qiáng)化效果更大的強(qiáng)化相，使合金進(jìn)一步強(qiáng)化。
[0010] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果： 1、要想得到理想的微觀結(jié)構(gòu)，使鋁合金（6000系鋁合金)包括強(qiáng)度和塑性在內(nèi)的綜合力 學(xué)性能均有所提升，低溫軋制前進(jìn)行固溶和預(yù)時(shí)效處理是關(guān)鍵步驟，因?yàn)轭A(yù)時(shí)效可以在基 體中預(yù)先形成大量的彌散的GP區(qū)，這些GP區(qū)在低溫軋制能釘扎位錯(cuò)，提高變形產(chǎn)生的位錯(cuò) 數(shù)量；乳制后在較低溫度下再時(shí)效，高密度位錯(cuò)促進(jìn)了回復(fù)和再結(jié)晶的發(fā)生，加之預(yù)時(shí)效產(chǎn) 生的GP區(qū)可以直接轉(zhuǎn)化成細(xì)小彌散的β "相，這樣就得到了理想的微觀結(jié)構(gòu)，使鋁合金具 有很高的強(qiáng)度和塑性。因此本發(fā)明中采用固溶、淬火、預(yù)時(shí)效、低溫軋制和再時(shí)效的處理方 法，可以使鋁合金獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。
[0011] 2、本發(fā)明方法有效提高了 6000系鋁合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，使處理后 的鋁合金抗拉強(qiáng)度達(dá)到471MPa、屈服強(qiáng)度達(dá)到428MPa，進(jìn)一步使得處理后的鋁合金可以用 于大型結(jié)構(gòu)件如汽車的結(jié)構(gòu)件上，在保證力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，發(fā)揮鋁合金的優(yōu)點(diǎn)。 3、本發(fā)明工藝流程簡單，操作難度不大，普通工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備即可進(jìn)行相關(guān)步驟處 理，加工成本低廉，具有良好的可推廣性。
[0012] 4、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法不僅限于中小尺寸產(chǎn)品的制造，還可以用于 制造大尺寸的產(chǎn)品，具有良好的適用性。
[0013]
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明方法工藝流程中的溫度示意圖； 圖2為拉伸曲線圖； 圖3為實(shí)施例1斷口形貌的SEM圖。
[0015]
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合具體實(shí)施例和說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本實(shí)施案例在以 本發(fā)明技術(shù)為前提下進(jìn)行實(shí)施，現(xiàn)給出詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，來說明本發(fā)明 具有創(chuàng)造性，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于以下的實(shí)施例。
[0017] 下述實(shí)施例中，采用的鋁合金材料為牌號為6016、6061、6063、6082的鋁合金，均 勾化板材厚度均為6 mm。
[0018] 圖1為本發(fā)明方法工藝流程中的溫度示意圖，包括五個(gè)階段：固溶處理階段的處 理溫度520~560°C，保溫20~60 min，以保證溶質(zhì)原子充分溶解到鋁基體中且不出現(xiàn)過燒 現(xiàn)象；淬火階段采用水冷淬火的方式，淬火至室溫，獲得較大的冷卻速率，以保證合金處 于過飽和狀態(tài)；預(yù)時(shí)效處理階段于150°C ~180°C進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理，保溫時(shí)間為10~30min， 使合金材料處于欠時(shí)效狀態(tài)，以使合金中的粒子處于最佳的尺寸狀態(tài)；低溫軋制階段是 在-150°C ~ _180°C下軋制，總的軋制量為80%~90%，為保證合金不開裂，每道次軋制變形量 7~1〇% ;再時(shí)效階段在100~130°C下保溫85~100 h的低溫再時(shí)效，使合金達(dá)到峰值狀態(tài)，進(jìn) 一步強(qiáng)化合金。
[0019] 實(shí)施例1 一種提高鋁合金力學(xué)性能的形變時(shí)效方法，包括如下步驟： 1) 采用6016鋁合金進(jìn)行熱處理，將6016鋁合金在520°C于空氣爐中保溫60 min進(jìn)行 固溶處理； 2) 將步驟1)固溶后的鋁合金在水中水冷淬火至室溫； 3) 將步驟2)淬火后的鋁合金材料在180°C進(jìn)行預(yù)時(shí)效處理，保溫10 min，使鋁合金材 料處于欠時(shí)效狀態(tài)； 4) 將步驟3)處理后的鋁合金材料在液氮中浸泡30 min后，進(jìn)行多道次低溫軋制，每 道次軋制后立即將鋁合金材料放回液氮中浸泡8 min，再進(jìn)行下一道次軋制，使鋁合金材 料在軋制過程中溫度保持在_150°C ~ -180°C ;其中，每道次軋制量為7~10%，最終軋制量 80~90% ; 5) 低溫軋制后的合金再于100°C保溫96h進(jìn)行低溫再時(shí)效處理，進(jìn)一步強(qiáng)化鋁合金。
[0020] 按照GB/T 288. 1-2010的方法，在AG-X50KN拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)方向?yàn)?軋口，通過掃描電鏡觀察斷口形貌。結(jié)果顯示：經(jīng)本實(shí)施例方法處理后的6016鋁合金板材 抗拉強(qiáng)度為458MPa，屈服強(qiáng)度為428MPa，總伸長率為12. 7%。其拉伸曲線如圖2所示，斷口 形貌如圖3所示，由圖2和