CN113621903A - 一种提高铝合金强韧性的热处理方法 - Google Patents

一种提高铝合金强韧性的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种提高铝合金强韧性的热处理方法，属于铝合金制备技术领域，材料为连续铸造铝合金板材，先要在545～555℃进行均匀化处理，处理时间与板材厚度有密切关系并建立模型；然后进行固溶处理，要求在525～535℃下保温40～50min，立即水冷至室温；接着进行拉伸处理以去除应力，拉伸率控制在2.4～2.6％；最后进行时效处理，在160～170℃保温7.5～8.5h后空冷即可。该方法可以显著提升铝合金板材的力学性能，抗拉强度提升5～10％，屈服强度提升10～15％，伸长率提升在50％以上，有效降低板材厚度对性能的不利影响。

Description

一种提高铝合金强韧性的热处理方法
技术领域
本发明属于铝合金强化技术领域，特指一种提高铝合金强韧性的热处理方法。
背景技术
为了应对日益突出的燃油供求矛盾和环境污染问题，世界上主要工业国家纷纷加快部署，引导和推动工业向轻量化方向发展。以新能源汽车为例，汽车质量降低10％，对应续航里程增加5％～10％，节约15％～20％的电池成本以及20％的日常损耗成本。由此可见，轻量化俨然成为新能源汽车等工业领域节能、降耗的重要技术路径和发展核心问题。
铝及其合金由于具有质轻，耐磨，耐腐蚀，弹性好，比强度和比刚度高，抗冲击性能好，易表面着色，良好的加工成形性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性。采用碳纤维复合材料、铝合金、高强度钢这三种材料替代当前的主流材料低碳钢，可分别减重60％、40％、 25％，综合评价其减重效果和生产成本，铝合金是最核心、最可靠、最有应用前景的材料。然而，铝合金与钢铁相变强化机制材料不同，故只能通过固溶强化、沉淀强化、过剩相强化、细晶强化、变形强化的方法来提高铝合金材料的性能。随着工业不断进步，要想满足工业应用对铝合金高强、高韧的性能要求，实际生产通常会采取T6即固溶+时效的热处理强化或者变形+T6的复合强化，容易引起铝合金成分不均、晶粒粗大、残余应力大等问题，导致铝合金板材后续生产加工过程出现开裂现象。基于此，本发明开发出一种提高铝合金强韧性的热处理方法。
发明内容
本发明开发出一种提高铝合金强韧性的热处理方法，按照下述步骤进行：
(1)材料为连续铸造铝合金板材，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.90～0.96％、 Mg为0.6～0.8％、Mn为0.5～0.6％、复合稀土为0.15～0.2％、Ti为0.01～0.03％、Ni为0.00～ 0.05％、Cr为0.00～0.05％、Zn为0.00～0.05％、Cu为0.00～0.04％、B为0.001～0.005％、 Fe为0.15～0.25％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。
其中，复合稀土的化学成分为：Ce为22～27％、Nd为8～12％、Er为8～12％、Sc为5～ 8％、Y为5～8％、Pr为2～5％、Ho为2～5％、Lu为2～5％、余为La。
(2)均匀化处理。545～555℃下保温一定时间后空冷，保温时间(Y，min)与板材厚度(X，mm)应符合如下规律：
①当X∈[8,11]时，Y＝6×X；
②当X∈(11,13]时，Y＝5×X；
③当X∈(13,20]时，Y＝4.5×X；
④当X∈(20,25]时，Y＝4×X；
⑤当X∈(25,38]时，Y＝3.75×X。
(3)固溶处理。525～535℃下保温40～50min，立即水冷至室温。
(4)拉伸处理。目的去除应力，拉伸率控制在2.4～2.6％，拉伸率计算方法：
Figure RE-GDA0003270718080000021
(5)时效处理。160～170℃保温7.5～8.5h后空冷。
其中步骤(1)中，所述的连续铸造铝合金板材的优选化学成分(质量百分比)为：Si为0.93％、Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。
其中步骤(1)中，所述的复合稀土的优选化学成分为：Ce为24％、Nd为10％、Er为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。
其中步骤(2)中所述的均匀化处理温度优选是550℃。
其中步骤(3)中所述的固溶处理温度优选是530℃，保温时间优选是45min。
其中步骤(4)中所述的拉伸处理的拉伸率优选是2.5％。
其中步骤(5)中所述的时效处理温度优选是165℃，保温时间优选是8h。
附图说明
图1拉伸试样形状及尺寸
具体实施方式
力学性能测试在DDL-100型电子万能试验机上进行。拉伸试样如图1所示，采取线切割的方法在板材厚度方向的中间位置取样加工。实验中拉伸速率为2mm/min，每一个试样测量 4次取平均值。
实施例1
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为10mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.90％、 Mg为0.6％、Mn为0.5％、复合稀土为0.15％、Ti为0.01％、Ni为0％、Cr为0％、Zn为0％、 Cu为0％、B为0.001％、Fe为0.15％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～ 0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为22％、Nd为8％、Er为8％、Sc 为5％、Y为5％、Pr为2％、Ho为2％、Lu为2％、余为La。均匀化处理：545℃下保温60min 后空冷。固溶处理：525℃下保温40min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.4％。时效处理：160～170℃保温7.5h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例2
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为10mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.96％、 Mg为0.8％、Mn为0.6％、复合稀土为0.2％、Ti为0.03％、Ni为0.05％、Cr为0.05％、Zn 为0.05％、Cu为0.04％、B为0.005％、Fe为0.25％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为27％、Nd为12％、 Er为12％、Sc为8％、Y为8％、Pr为5％、Ho为5％、Lu为5％、余为La。均匀化处理： 555℃下保温60min后空冷。固溶处理：535℃下保温50min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.6％。时效处理：170℃保温8.5h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例3
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为10mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.93％、 Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn 为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为24％、Nd为10％、Er 为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。均匀化处理：550℃下保温60min后空冷。固溶处理：530℃下保温45min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.5％。时效处理：165℃保温8h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例4
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为16mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.90％、 Mg为0.6％、Mn为0.5％、复合稀土为0.15％、Ti为0.01％、Ni为0％、Cr为0％、Zn为0％、 Cu为0％、B为0.001％、Fe为0.15％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～ 0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为22％、Nd为8％、Er为8％、Sc 为5％、Y为5％、Pr为2％、Ho为2％、Lu为2％、余为La。均匀化处理：545℃下保温72min 后空冷。固溶处理：525℃下保温40min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.4％。时效处理：160～170℃保温7.5h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例5
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为16mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.96％、 Mg为0.8％、Mn为0.6％、复合稀土为0.2％、Ti为0.03％、Ni为0.05％、Cr为0.05％、Zn 为0.05％、Cu为0.04％、B为0.005％、Fe为0.25％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为27％、Nd为12％、 Er为12％、Sc为8％、Y为8％、Pr为5％、Ho为5％、Lu为5％、余为La。均匀化处理： 555℃下保温72min后空冷。固溶处理：535℃下保温50min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.6％。时效处理：170℃保温8.5h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例6
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为16mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.93％、Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn 为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为24％、Nd为10％、Er 为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。均匀化处理：550℃下保温72min后空冷。固溶处理：530℃下保温45min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.5％。时效处理：165℃保温8h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例7
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为22mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.90％、 Mg为0.6％、Mn为0.5％、复合稀土为0.15％、Ti为0.01％、Ni为0％、Cr为0％、Zn为0％、 Cu为0％、B为0.001％、Fe为0.15％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～ 0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为22％、Nd为8％、Er为8％、Sc 为5％、Y为5％、Pr为2％、Ho为2％、Lu为2％、余为La。均匀化处理：545℃下保温88min 后空冷。固溶处理：525℃下保温40min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.4％。时效处理：160～170℃保温7.5h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例8
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为22mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.96％、 Mg为0.8％、Mn为0.6％、复合稀土为0.2％、Ti为0.03％、Ni为0.05％、Cr为0.05％、Zn 为0.05％、Cu为0.04％、B为0.005％、Fe为0.25％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为27％、Nd为12％、 Er为12％、Sc为8％、Y为8％、Pr为5％、Ho为5％、Lu为5％、余为La。均匀化处理： 555℃下保温88min后空冷。固溶处理：535℃下保温50min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.6％。时效处理：170℃保温8.5h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例9
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为22mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.93％、 Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn 为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为24％、Nd为10％、Er 为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。均匀化处理：550℃下保温88min后空冷。固溶处理：530℃下保温45min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.5％。时效处理：165℃保温8h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例10
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为30mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.90％、 Mg为0.6％、Mn为0.5％、复合稀土为0.15％、Ti为0.01％、Ni为0％、Cr为0％、Zn为0％、 Cu为0％、B为0.001％、Fe为0.15％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～ 0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为22％、Nd为8％、Er为8％、Sc 为5％、Y为5％、Pr为2％、Ho为2％、Lu为2％、余为La。均匀化处理：545℃下保温112.5min 后空冷。固溶处理：525℃下保温40min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.4％。时效处理：160～170℃保温7.5h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例11
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为30mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.96％、 Mg为0.8％、Mn为0.6％、复合稀土为0.2％、Ti为0.03％、Ni为0.05％、Cr为0.05％、Zn 为0.05％、Cu为0.04％、B为0.005％、Fe为0.25％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为27％、Nd为12％、 Er为12％、Sc为8％、Y为8％、Pr为5％、Ho为5％、Lu为5％、余为La。均匀化处理： 555℃下保温112.5min后空冷。固溶处理：535℃下保温50min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.6％。时效处理：170℃保温8.5h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实施例12
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为30mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.93％、 Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn 为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为24％、Nd为10％、Er 为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。均匀化处理：550℃下保温112.5min后空冷。固溶处理：530℃下保温45min，立即水冷至室温。拉伸处理：拉伸率控制在2.5％。时效处理：165℃保温8h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
对比例1
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为10mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.93％、 Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn 为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为24％、Nd为10％、Er 为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。固溶处理：530℃下保温45min，立即水冷至室温。时效处理：165℃保温8h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
对比例2
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为16mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.93％、 Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn 为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为24％、Nd为10％、Er 为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。固溶处理：530℃下保温45min，立即水冷至室温。时效处理：165℃保温8h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
对比例3
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为22mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.93％、 Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn 为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为24％、Nd为10％、Er 为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。固溶处理：530℃下保温45min，立即水冷至室温。时效处理：165℃保温8h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
对比例4
材料为连续铸造铝合金板材，厚度为30mm，其化学成分按质量百分比计算，Si为0.93％、 Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn 为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％(其中，单个元素为0.00～0.05％)、余量为Al。其中，复合稀土的化学成分为：Ce为24％、Nd为10％、Er 为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。固溶处理：530℃下保温45min，立即水冷至室温。时效处理：165℃保温8h后空冷。对上述工艺方法制备的铝合金进行力学性能测试，方法详见具体实施方式，实验结果如表1所示。
实验结果如表1所示，与企业现行采用的固溶+时效热处理相比，采取本发明方法可以有效提升铝合金板材的力学性能，抗拉强度提升5～10％，屈服强度提升10～15％，伸长率提升在50％以上，且无论板材厚度变化，性能的稳定性更好更可靠。
表1不同厚度铝合金板材的力学性能
Figure RE-GDA0003270718080000071

Claims (9)

1.一种提高铝合金强韧性的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)材料为连续铸造铝合金板材：
其化学成分按质量百分比计算，Si为0.90～0.96％、Mg为0.6～0.8％、Mn为0.5～0.6％、复合稀土为0.15～0.2％、Ti为0.01～0.03％、Ni为0.00～0.05％、Cr为0.00～0.05％、Zn为0.00～0.05％、Cu为0.00～0.04％、B为0.001～0.005％、Fe为0.15～0.25％、其他元素为0.00～0.15％、余量为Al；
(2)均匀化处理：
在545～555℃下保温一定时间后空冷，保温时间Y与板材厚度X应符合如下模型：
①当X∈[8,11]时，Y＝6×X；
②当X∈(11,13]时，Y＝5×X；
③当X∈(13,20]时，Y＝4.5×X；
④当X∈(20,25]时，Y＝4×X；
⑤当X∈(25,38]时，Y＝3.75×X；
其中，Y，保温时间，单位min；X，板材厚度，单位mm；
(3)固溶处理：
525～535℃下保温40～50min，立即水冷至室温；
(4)拉伸处理：
目的去除应力，拉伸率控制在2.4～2.6％；
(5)时效处理：
160～170℃保温7.5～8.5h后空冷。
2.如权利要求1所述的一种提高铝合金强韧性的热处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述复合稀土的化学成分按质量百分比计算，Ce为22～27％、Nd为8～12％、Er为8～12％、Sc为5～8％、Y为5～8％、Pr为2～5％、Ho为2～5％、Lu为2～5％、余为La。
3.如权利要求1或2所述的一种提高铝合金强韧性的热处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述复合稀土的化学成分按质量百分比计算，Ce为24％、Nd为10％、Er为10％、Sc为6.5％、Y为6.5％、Pr为3％、Ho为3％、Lu为3％、余为La。
4.如权利要求1所述的一种提高铝合金强韧性的热处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述连续铸造铝合金板材的化学成分按质量百分比计算，Si为0.93％、Mg为0.7％、Mn为0.55％、复合稀土为0.17％、Ti为0.02％、Ni为0.02％、Cr为0.02％、Zn为0.02％、Cu为0.02％、B为0.002％、Fe为0.2％、其他元素为0.00～0.15％、余量为Al。
5.如权利要求1或4所述的一种提高铝合金强韧性的热处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述其他元素中，单个元素的质量百分比为0.00～0.05％。
6.如权利要求1所述的一种提高铝合金强韧性的热处理方法，其特征在于，步骤(2)中，所述均匀化处理温度是550℃。
7.如权利要求1所述的一种提高铝合金强韧性的热处理方法，其特征在于，步骤(3)中，所述固溶处理温度是530℃，保温时间是45min。
8.如权利要求1所述的一种提高铝合金强韧性的热处理方法，其特征在于，步骤(4)中，所述拉伸处理的拉伸率是2.5％。
9.如权利要求1所述的一种提高铝合金强韧性的热处理方法，其特征在于，步骤(5)中，所述时效处理温度是165℃，保温时间是8h。
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