CN111471945B - 一种提升铝合金构件综合性能和表面质量的热成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提升铝合金构件综合性能和表面质量的热成形制造方法，所述方法通过铝合金坯料在热成形前进行冷预变形处理，然后通过快速加热、快速成形和人工时效达到提升铝合金各项性能协同提升的目的。本发明提出的热成形工艺所生产的构件，与传统方法成形的铝合金构件相比具有更好的表面质量和耐腐蚀性，生产速度更快，生产周期更短，生产效率明显提升，且有利于节约能源。

Description

一种提升铝合金构件综合性能和表面质量的热成形方法
技术领域
本发明涉及有色金属材料加工工程技术领域，特别涉及一种提升铝合金构件综合性能和表面质量的热成形方法。
背景技术
铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好和导电导热性好等许多优点，广泛运用于航空航天、轨道交通以及汽车等领域。近年来，飞机、汽车上所用的构件不断向轻量化、一体化和复杂化的方向发展。冷成形虽然能够通过加工硬化和后续的人工时效强化使铝合金获得足够高的强度，但是在成形过程中塑性不足，容易出现开裂等缺陷，很难加工变形量较大的复杂构件；传统的热成形虽然能够提高铝合金在成形过程中的塑性，使构件的成形性提升，但是由于热加工过程中会不断地发生动态回复作用，成形过程引入的位错会发生位错湮灭，很难在构件中保留足够多的位错密度，所以不能起到很好的位错强化效果，这限制了构件强度的发展。所以单纯的热成形工艺所生产的构件，仅通过析出强化很难在机械性能上有所突破，无法满足构件进一步轻量化的要求。因此，在对铝合金加工时必须考虑多种强化机制共同作用、相互影响，从而进一步提升铝合金的成形性和机械性能。
同时，随着各行各业的发展，人们对表面质量的追求也越来越高，好的表面质量不仅能够提升构件宏观上的整体观感，而且有利于构件之间的有效配合(销、键、轴承的装配)和传动(齿轮、蜗杆等)，汽车用铝合金的喷漆效果与表面质量也密切相关。为了追求更好的整体观感和喷漆效果，铝合金板材进行加工时，会在车身板表面加工出微小且有规律的纹理，在提升喷漆效果的同时，保证表面质量。这意味着，现在工业对铝合金构件的综合性能、成形精度、表面质量均提出了更高的要求。
所以，综合考虑位错强化和析出强化，以及二者之间交互的关系，并且开发一种能够提升铝合金构件综合性能以及表面质量的成形制造方法十分重要。
发明内容
本发明提供了一种提升铝合金构件综合性能和表面质量的热成形方法，其目的是为了在提升铝合金构件综合性能的同时强化其表面质量。
为了达到上述目的，本发明提供了一种提升铝合金构件综合性能和表面质量的热成形方法，所述方法通过铝合金坯料在热成形前进行冷预变形处理，然后通过快速加热、快速成形和人工时效处理来达到提升铝合金各项性能协同提升的目的。
作为优选，具体步骤如下：
步骤一，将铝合金板材在空气循环电阻炉中固溶处理后水淬；
步骤二，将步骤一处理后的板材进行冷变形预处理；
步骤三，将步骤二处理后的板材加热后转移至成形设备进行快速成形制造；
步骤四，将步骤三处理后的板材进行人工时效处理。
作为优选，所述步骤二中冷变形预处理为冷轧处理，所述冷轧处理的变形量为10％-95％。
作为优选，所述步骤二中冷变形预处理在室温下进行。
作为优选，所述步骤三中板材加热具体为电磁感应快速加热，加热速率大于50℃/s，加热后的目标温度范围为150℃-300℃，其中优选为280-300℃。
作为优选，所述步骤三中快速成形过程中的应变速率大于0.1/s。
作为优选，所述步骤四中人工时效具体操作为：将步骤三处理后的板材加热至120℃-160℃，保温5-10h。
本发明通过在热成形前的冷变形处理，引入大量的位错从而提高加工硬化的效果；通过快速加热和快速成形，让具有加工硬化效果的铝合金经历尽可能短的加热过程和保温过程，从而限制位错湮灭的发生，保留足够多的加工硬化效果；通过加热和保温，诱导动态回复的发生，使位错运动较容易被激活，产生大量的可动位错，从而降低变形抗力同时提高延伸率，由此提高了铝合金的成形性，同时，热成形过程位错的运动提高了材料的流动性，有利于表面缺陷的自动修复，从而获得更好的表面质量。通过引入高位错密度，提供大量有利于析出的形核位点，促使主要强化相的析出，使析出相的密度增加、尺寸细化，从而提升析出强化效果。在后续的人工时效过程中，由于热成形后组织中仍保留了大量的位错，这有利于降低人工时效温度，减少人工时效时长，提升了工艺的整体效率。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
1.本发明提出的热成形工艺所生产的构件，与传统T4态的构件相比，能同时具有析出强化和位错强化的强化效果，同时，冷变形预处理所引入的位错提供了许多析出相形核位点，有利于使析出相细化和均匀分布，这能够提高铝合金的析出强化效果，所以能够获得热成形后机械性能更高的最终构件。
2.本发明提出的热成形工艺，与冷成形相比，变形抗力低，塑性高，所以整体的成形性更好，有利于生产变形量较大的复杂构件。
3.本发明提出的热成形工艺中的人工时效，由于在热成形前引入了大量的位错，有利于析出相的形核与演化，加快了后续人工时效过程，降低了人工时效温度。所以本工艺的生产节拍更快，生产周期更短，生产效率明显提升，且有利于节约能源。
4.本发明提出的热成形工艺所生产的构件，与传统方法成形的铝合金构件相比具有更好的表面质量和耐腐蚀性。
附图说明
图1为本发明的整体的温度-时间流程图；
图2为本发明方法人工时效处理过程和2219铝合金T6态处理的硬度-时间曲线；
图3为使用本发明方法生产的最终构件和传统工艺成形2219铝合金的表面质量观察结果；
图4为使用本发明方法生产的最终构件和传统工艺成形2219铝合金的晶间腐蚀实验结果。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的问题，提供了一种提升铝合金构件综合性能和表面质量的热成形方法，实施例所用样品为商用2219铝合金；合金硬度测试在Vickers硬度试验机上进行，实验载荷为4.9N，持续时间为15s；热拉伸实验在自主搭建的热拉伸实验装置上进行；将三思泰捷公司生产的万能拉伸试验机与感应加热装置配合使用；装置的控温精度为±10℃，载荷精度为±3N。
对比例1
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行冷轧80％的变形处理，沿轧制方向取拉伸样，然后在万能拉伸实验机上进行室温拉伸实验，应变率选取0.1/s。
对比例2
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，进行165℃人工时效处理(模拟工业T6态)，然后进行拉伸试验。用Vickers硬度试验机记录人工时效过程中合金的硬度变化过程。
对比例3
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行预拉伸变形5％，然后进行165℃人工时效8h(模拟工业T8态)，然后进行拉伸试验。用金相显微镜观察表面质量。根据GB/T7998-1987铝合金晶间腐蚀测定方法，测定样品的耐腐蚀性。
实施例1
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行冷轧80％的变形处理，沿轧制方向取拉伸样，然后进行热拉伸试验，温度选取150℃，应变率选取0.1/s，样品空冷。
实施例2
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行冷轧80％的变形处理，沿轧制方向取拉伸样，然后进行热拉伸试验，温度选取200℃，应变率选取0.1/s，样品空冷。在变形区取样，进行120℃和160℃人工时效处理，并进行硬度跟踪测试。用金相显微镜观察表面质量。根据GB/T7998-1987铝合金晶间腐蚀测定方法，测定样品的耐腐蚀性。
实施例3
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行冷轧80％的变形处理，沿轧制方向取拉伸样，然后进行热拉伸试验，温度选取250℃，应变率选取0.1/s，样品空冷。
实施例4
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行冷轧80％的变形处理，沿轧制方向取拉伸样，然后进行热拉伸试验，温度选取300℃，应变率选取0.1/s，样品空冷。
实施例5
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行冷轧80％的变形处理，沿轧制方向取拉伸样，然后进行热拉伸变形5％模拟成形加工，温度选取150℃，应变率选取0.1/s，样品空冷。随后进行160℃人工时效至硬度峰值，最后进行拉伸试验。
实施例6
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行冷轧80％的变形处理，沿轧制方向取拉伸样，然后进行热拉伸变形5％模拟成形加工，温度选取200℃，应变率选取0.1/s，样品空冷。随后进行160℃人工时效至硬度峰值，最后进行拉伸试验。
实施例7
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行冷轧80％的变形处理，沿轧制方向取拉伸样，然后进行热拉伸变形5％模拟成形加工，温度选取250℃，应变率选取0.1/s，样品空冷。随后进行160℃人工时效至硬度峰值，最后进行拉伸试验。
实施例8
2219铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，在室温下进行冷轧80％的变形处理，沿轧制方向取拉伸样，然后进行热拉伸变形5％模拟成形加工，温度选取300℃，应变率选取0.1/s，样品空冷。随后进行160℃人工时效至硬度峰值，最后进行拉伸试验。
表1对比实施例1和实施例1-4相应的拉伸实验数据(强度单位：MPa)
对比例1 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
屈服强度 430 328 188 105 66
抗拉强度 488 389 281 203 109
延伸率 6％ 10％ 17％ 23％ 26％
表1是对比实施例1和实施例1-4的拉伸试验数据(屈服强度，抗拉强度，延伸率)。可知，冷预变形处理后，铝合金的强度显著提高，延伸率很低，这种状态不适合成形。随着热成形温度的升高，实施例样品的屈服强度下降至室温屈服强度的76％-15％(150℃-300℃)，延伸率提升至室温延伸率的167％-433％(150℃-300℃)。所以，随着成形温度的升高，冷预变形铝合金成形力大幅下降，塑性大幅提升，成形性大幅度提升。
表2对比实施例2和3和实施例5-8相应工艺处理后力学性能(强度单位：MPa)
对比例2 对比例3 实施例5 实施例6 实施例7 实施例8
屈服强度 280 383 507 488 442 405
抗拉强度 341 445 567 423 483 460
延伸率 12％ 8％ 9％ 10％ 10％ 11％
表2是对比实施例2-3和实施例5-8相应工艺处理后样品的力学性能。可知，本发明提出的工艺所获得的最终构件，与传统的T6、T8态相比，在不损失延伸率的情况下，强度具有明显的提升。屈服强度最高可提升127MPa，抗拉强度最高可提升126MPa。
所以，综合表1和表2，可知本发明所述的方法可以同时有效地提升铝合金的成形性和机械性能，使铝合金获得更加优异的综合性能，如图1和2所示，可知，利用本发明提出的热成形工艺，能够提升构件最终的机械性能，降低人工时效的温度，缩短人工时效的时间，从而节约能源，提高生产效率。图3是使用本发明方法生产的最终构件(a部分)和T8态2219铝合金(b部分)的表面质量观察结果。如图3所示，T8态样品表面有明显的橘皮效应发生，而采用本发明方法所制得的样品表面仅出现细小且规则的滑移带，可知，本发明提出的热成形工艺所生产的构件，具有更好的表面质量。图4是使用本发明方法生产的最终构件(a部分)和T8态2219铝合金(b部分)的晶间腐蚀实验结果，根据测量腐蚀深度可知，本发明提出的热成形工艺所生产的构件，具有更好的耐腐蚀性。以上实验结果证明本发明提出的热成形工艺可以提高铝合金构件的成形性、力学性能以及表面质量，可以使用更低的人工时效温度和更短的人工时效时间对构件进行处理，在提升生产效率的同时降低了成本。本发明所提出的方法，是一个能够提高铝合金构件综合性能、表面质量以及生产效率的热成形制造方法。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种提升铝合金构件综合性能和表面质量的热成形方法，其特征在于,具体步骤如下：
步骤一，将铝合金板材在空气循环电阻炉中固溶处理后水淬；
步骤二，将步骤一处理后的板材进行冷变形预处理；
其中，所述冷变形预处理为冷轧处理，所述冷轧处理的变形量为10％-95％；所述冷变形预处理在室温下进行；
步骤三，将步骤二处理后的板材加热后转移至成形设备进行快速成形制造；
其中，所述板材加热具体为电磁感应快速加热，加热速率大于50℃/s，加热后的目标温度范围为150℃-300℃；所述快速成形过程中的应变速率大于0.1/s；
步骤四，将步骤三处理后的板材进行人工时效处理；
其中，所述人工时效具体操作为：将步骤三处理后的板材加热至120℃-160℃，保温5-10h。
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