CN112725711A - 一种提高高强铝合金疲劳性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及一种提高高强铝合金疲劳性能的方法。在铝合金棒材固溶热处理前，先将铝合金加热到一定温度，一般不高于400℃，使用夹具夹住铝合金棒材两端，进行机械扭转，可以进行一次或者多次的扭转处理，扭转装置有防止扭转过程中挠曲变形的夹持部分。利用扭转对大尺寸的夹杂物或者难熔相进行破碎，达到降低夹杂物或者难熔相尺寸的目的，将夹杂物或者难熔相的尺寸控制在一定范围内，同时利用再结晶细化晶粒，提高最终产品的疲劳性能及力学性能。

Description

一种提高高强铝合金疲劳性能的方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种提高高强铝合金疲劳性能的方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着铝合金强度的不断提高，在交通运输等行业中的应用越来越广泛，例如 Al-Mg-Zn系列铝合金。但是在使用过程发现高合金元素的铝合金结构材料外部环境复杂、高承载、频繁加速减速等恶劣环境服役于中，可能会早产生疲劳失效，从而达不到产品设计寿命。目前的研究结果表明钢的疲劳极限强度随其抗拉强度增大而成线性增大，但是铝合金的为非线性增大，随着铝合金抗拉强度增大，疲劳极限强度增长极其缓慢。工业铝合金中形成疲劳裂纹源的主要位置包括孔洞、夹杂物、大尺寸难熔结晶相、应力集中等部位，以及材料微观组织特征和化学成分不均匀区。一般来说大尺寸的夹杂物或者难熔相往往容易成为疲劳裂纹源，例如一些包含杂质元素的Fe、Si金属间化合物等，特别是尺寸大于5μm以上的夹杂物或者难熔相会极大降低了铝合金基体的疲劳强度。
但是对于难熔相的消除却不是容易的事情，在均匀化过程或者固溶热处理过程中，所采用的温度很难将一些难熔相重新固溶回铝合金基体，目前常用的控制粗大难熔相的措施包括提高原材料的纯度、采用过滤装置以及通过加工变形对粗大难熔物进行破碎成较小粒子等。同时目前的研究结果表明虽然粗大难熔相加速了疲劳裂纹萌生，但铝合金中细小弥散的难熔相对疲劳性能的影响却有利，也就是如果能把夹杂物或者难熔相控制到一定的尺寸范围内，则对于改善疲劳强度是有利的。
发明内容
为改善大尺寸粗大夹杂物或难熔相对铝合金疲劳寿命的影响，本发明提供了一种降低夹杂物或难熔相尺寸分布来提高高强铝合金疲劳性能的方法。在铝合金棒材固溶热处理前，先将铝合金加热到一定温度，一般不高于400℃，使用夹具夹住铝合金棒材两端，进行机械扭转，可以进行一次或者多次的扭转处理。利用扭转对大尺寸的夹杂物或者难熔相进行破碎，达到降低夹杂物或者难熔相尺寸的目的，将夹杂物或者难熔相的尺寸控制在一定范围内提高最终产品的疲劳性能。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种提高高强铝合金疲劳性能的方法，包括：
将铝合金材料进行扭转处理、固溶处理、淬火处理、时效处理，即得，为了便于进行大变形扭转，扭转前铝合金最好进行加热，一般不高于400℃。
本发明利用扭转对大尺寸的夹杂物或者难熔相进行破碎，达到降低夹杂物或者难熔相尺寸的目的，将夹杂物或者难熔相的尺寸控制在一定范围内提高最终产品的疲劳性能。该处理工艺不仅可通过扭转变形挤压破碎夹杂物或者难熔相以降低其尺寸，同时由于高合金铝合金往往铸造过程中还存在不同程度的元素偏析，因此通过该工艺还可以有助于在后续均质化或固溶过程中合金元素的均匀化。
本发明的第二个方面，提供了任一上述的方法制备的高强铝合金。
本发明制备的高强铝合金疲劳性能不但得到有效地提升，大变形过程通过再结晶细化了晶粒，还可以改善铝合金的机械性能，提高强度及韧性。
本发明的第三个方面，提供了上述的高强铝合金在交通运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、机械电器、电子通讯、石油化工、能源动力、文体卫生领域中的应用。
由于本发明的方法能够有效地提升高强铝合金的疲劳性能，因此，有望在交通运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、机械电器、电子通讯、石油化工、能源动力、文体卫生领域中得到广泛的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用扭转对大尺寸的夹杂物或者难熔相进行破碎，达到降低夹杂物或者难熔相尺寸的目的，将夹杂物或者难熔相的尺寸控制在一定范围内提高最终产品的疲劳性能。该处理工艺优点之一，不仅可通过大变形扭转挤压破碎来降低夹杂物或者难熔相的尺寸，同时由于高合金铝合金往往铸造过程中还存在不同程度的元素偏析，因此通过该工艺还可以有助于在后续均质化或固溶处理过程中合金元素的均匀化。
(2)本发明的另外优点是大变形过程通过再结晶细化晶粒，即固溶处理后的铝合金基体晶粒细小，这对最终产品的疲劳性能及力学性能也是有利的。
(3)固溶处理前进行扭转加工温度的选择：温度越低，铝合金的加工硬化越显著，对夹杂物或难熔相的破碎作用越明显，同时在随后的固溶处理过程中通过再结晶细化晶粒的效果越显著。但是由于铸态铝合金里面存在大量的析出相及成分偏析，脆性较大，有可能在旋转过程中断裂，因此推荐加热到一定温度下增加一定塑性后进行大变形扭转处理。太高的温度则对细化晶粒效果不显著。
(4)本发明的制备方法简单、操作方便、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1本发明的扭转装置示意图，其中，1铝棒夹持及扭转装置、2铝棒、3 铝棒外部防止扭转过程中挠曲变形夹具，4防止扭转过程中挠曲变形外部夹具螺栓；
图2是经过工艺处理后的Al-Mg-Zn铝合金的金相组织，其中，图2(a)正常热处理后获得金相组织，图2(b)利用本发明获得的金相组织。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种提高高强铝合金疲劳性能的方法，包括：
将铝合金材料依次进行扭转处理、固溶处理、淬火处理、时效处理，即得。
在一些实施例中，将铝合金材料先加热到25℃～400℃，再进行扭转处理。
本申请中对铝合金材料的类型并不作特殊的限定，可以应用于2系列铝合金Al-Cu系列以及7系列Al-Mg-Zn铝合金，或者其他合金元素含量较高、易于存在大尺寸夹杂物或难熔相的铝合金，在一些实施例中，所述铝合金材料为高合金含量系列铝合金。
在一些实施例中，所述扭转通过夹持铝合金材料两端进行机械扭转，同时，为防止扭转过程中变形失稳，铝合金外面有防止扭转过程中挠曲变形装置。
在一些实施例中，所述扭转进行一次或者多次。
本申请中对固溶处理的具体方式并不作特殊的限定，在一些实施例中，所述固溶处理采用双级固溶处理，应用于合金含量较高的7系列(即：Al-Mg-Zn系列) 具有较好的效果。
本申请中对固溶处理的具体工艺条件并不作特殊的限定，可根据铝合金的体系来决定，在一些实施例中，所述双级固溶处理的具体工艺条件为：在470～475℃保温1～1.5h，然后在485～490℃保温2～2.5h，以更好地处理7系列铝合金。
在一些实施例中，所述淬火处理采用常温水淬。
本发明的时效处理不仅局限于自然时效，在扭转完成后，可适用于自然时效及人工时效的任何铝合金。在一些实施例中，应用于高铁的7N01或者成分接近的铝合金，制造过程中采用的是自然时效，对于合金含量更高的7075、7055等采用人工时效处理的，同样适用。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
以下实施例中，采用的铝合金为Al-Mg-Zn铝合金，实例采用的具体成分如下：Zn4.4wt％，Mg 1.6wt％，Mn0.4wt％，Cr0.2wt％，Zr0.2wt％，Cu0.2wt％， Fe作为杂质控制在0.4wt％以下，铝余量。
实施例1：传统工艺
将上述配比的合金熔化、精炼处理后浇铸，车皮后进行固溶处理，固溶处理多采用双级处理，在470度保温1h，然后在485度保温2h，然后进行室温淬火，然后放置室温进行自然时效，即T4热处理工艺，随着放置时间的延长，合金的强度不断提高，抗拉强度可达到340MPa以上，疲劳强度112MPa左右。图 2(a)是传统制备工艺获得的金相组织。
实施例2：本发明工艺
本发明与实施例1的不同之处在于：在上述固溶热处理前，先将铝合金加热到250℃，待加热均匀后，取出快速继续扭转一周后再放回炉中进行同(1) 一样的固溶工艺，然后常温水淬，然后自然时效。最终产品的抗拉强度可达到 362MPa，疲劳强度提高到120MPa左右。图2(b)是利用本发明获得的金相组织，与(a)对比可以发现晶粒明显细化，这归咎于扭转过程形成大量的位错，以及在后续的热处理过程中产生了大量再结晶细化了晶粒。
实施例3：本发明工艺
跟实施例(2)类似，所不同的是铝合金加热到400℃，待加热均匀后，取出快速继续扭转两周后再放回炉中进行同(1)一样的固溶工艺，然后常温水淬，然后自然时效。最终产品的抗拉强度可达到365MPa，疲劳强度提高到122MPa 左右。
实施例4扭转装置
一种提高高强铝合金疲劳性能的扭转装置，包括：铝棒外部防扭转过程失稳变形夹具3、铝棒夹持及扭转装置1；所述铝棒外部夹具3独立于铝棒夹持及扭转装置1，所述铝棒外部防止扭转过程中挠曲变形夹具3采用螺栓4固定的方式，使用过程中夹具3独立装配于铝棒2外面，扭转装置1夹紧铝棒2进行扭转作业。
上述装置可以有效地防止铝合金在扭转过程中变形失稳。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种提高高强铝合金疲劳性能的方法，其特征在于，包括：
将铝合金材料进行扭转处理、固溶处理、淬火处理、时效处理，即得。
2.如权利要求1所述的提高高强铝合金疲劳性能的方法，其特征在于，所述铝合金材料为高合金含量系列铝合金。
3.如权利要求1所述的提高高强铝合金疲劳性能的方法，其特征在于，所述扭转通过夹持铝合金材料两端进行机械扭转，为防止扭转过程中变形失稳，铝合金外面有防止扭转过程中挠曲变形装置。
4.如权利要求1所述的提高高强铝合金疲劳性能的方法，其特征在于，所述扭转进行一次或者多次；优选的，扭转之前，将铝合金材料加热到25℃～400℃。
5.如权利要求1所述的提高高强铝合金疲劳性能的方法，其特征在于，所述固溶处理采用双级固溶处理。
6.如权利要求5所述的提高高强铝合金疲劳性能的方法，其特征在于，所述双级固溶处理的具体工艺条件为：在470～475℃保温1～1.5h，然后在485～490℃保温2～2.5h。
7.如权利要求1所述的提高高强铝合金疲劳性能的方法，其特征在于，所述淬火处理采用常温水淬。
8.如权利要求1所述的提高高强铝合金疲劳性能的方法，其特征在于，所述时效处理采用自然时效。
9.一种提高高强铝合金疲劳性能的扭转装置，其特征在于，包括：铝棒外部防扭转过程失稳变形夹具3、铝棒夹持及扭转装置1；所述铝棒外部夹具3独立于铝棒夹持及扭转装置1，所述铝棒外部夹具3采用螺栓4紧固。
10.权利要求9所述的高强铝合金在交通运输、包装容器、建筑装饰、航空航天、机械电器、电子通讯、石油化工、能源动力、文体卫生领域中的应用。
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