CN118048587A - 一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，包括选用铸造铝合金棒料，加热至第一预设温度，保温时间为第一预设时间；将保温后的铸造铝合金棒料在第二预设温度的模具上锻造，得到特定产品形状的铝合金锻件；将铝合金锻件放入温度为第三预设温度的保温炉；对保温后的铝合金锻件进行水淬；对水淬后的铝合金锻件进行时效处理。本发明的有益效果是：采用复合工艺对铸造棒料进行强化处理，后续终锻后无需再进行固溶热处理，只需要进行时效处理，不仅显著降低了热锻温度与能耗，形变强化与相变强化显著提高力学性能，还有效防止了现行锻造产生粗晶组织，减少锻造过程中产生残余应力，提高锻件强韧性和服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金成形技术领域，尤其是涉及一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺。
背景技术
随着我国航空、航天、航海、汽车和高铁等运载装备的快速发展，对装备高性能、轻量化的需求不断提高。铝合金比强度高、密度低，是实现运载装备轻量化理想的材料。现行的高强铝合金锻造工艺主要包括以下步骤（如图1）：先加热至400℃，然后将加热后的铝坯置入热模（>200℃），锻造，锻件进行后续固溶热处理（>470℃，>1h）、淬火和人工时效（>120℃，>24h），得到T6态零件。现行铝合金锻造工艺在锻造成形后需要进行固溶淬火，锻件容易发生变形，从而影响锻件的成形精度，同时锻件产生粗晶，降低了零件强韧性和服役寿命；而且工艺效率低，能耗高。挤压铝棒是锻造行业常用的铝合金材料。从原材料成本层面来看，铸造铝棒的成本相对较低，一般采用回收铝和铝合金废料熔化得到；而挤压棒则需要将铸造铝锭进行连续挤压成形；因此，锻造如采用铸造铝合金棒材成本更低。
发明内容
本发明提供了一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，包括：
S1、选用铸造铝合金棒料，加热至第一预设温度，保温时间为第一预设时间；
S2、将保温后的铸造铝合金棒料在第二预设温度的模具上锻造，得到特定产品形状的铝合金锻件，所述第二预设温度低于所述第一预设温度，以利用模具较低的温度对铸造铝合金棒料进行表面淬火并定型；
S3、将铝合金锻件放入温度为第三预设温度的保温炉，保温第二预设时间，以使铝合金锻件的表层的温度与芯部的温度一致；
S4、对保温后的铝合金锻件进行水淬；
S5、对水淬后的铝合金锻件进行时效处理，时效处理的温度为第四预设温度，时效处理的时间为第三预设时间，时效处理后即可得到满足特定技术要求的铝合金锻件产品。
在一些实施例中，在步骤S1中，还需要对铸造铝合金棒料的成分进行检测，根据成分检测结果，确定铸造铝合金棒料的铝合金类型，根据铝合金类型，确定第一预设温度的大小。
在一些实施例中，对于7系铸造铝合金棒料，第一预设温度为340℃~390℃；对于6系铸造铝合金棒料，第一预设温度为400℃~450℃；对于2系铸造铝合金棒料，第一预设温度为376℃~407℃。
在一些实施例中，在步骤S1中，根据铸造铝合金棒料的直径确定第一预设时间，铸造铝合金棒料的直径越大，第一预设时间越长。
在一些实施例中，第一预设时间与铸造铝合金棒料的直径的关系为：
T1=K1*D
其中，T1为第一预设时间，K1为转换系数，转换系数K1由铸造铝合金棒料的铝合金类型确定； D为坯料的直径。
在一些实施例中，在步骤S2中，产品形状包括盘形和杆形。
在一些实施例中，在步骤S2中，第二预设温度为100℃~200℃。
在一些实施例中，在步骤S3中，第三预设温度为350℃~500℃。
在一些实施例中，在步骤S3中，第二预设时间为：
T2=K2*D
其中，T2为第一预设时间，K2为转换系数，转换系数K2由铸造铝合金棒料的铝合金类型确定； D为坯料的直径
在一些实施例中，在步骤S5中，将锻件进行时效处理，第四预设温度及第三预设时间为根据铸造铝合金棒料的成分和第三预设温度确定。
与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：采用铸造棒料，原材料价格低，采用复合工艺对铸造棒料进行强化处理，后续终锻后无需再进行固溶热处理，只需要进行时效处理，不仅显著降低了热锻温度与能耗，形变强化与相变强化显著提高力学性能，还有效防止了现行锻造产生粗晶组织；本工艺将锻造加热与热处理固溶复合获得固溶态坯料，通过模具锻压使固溶态坯料成形为复杂构件，在模内分段淬火保障构件几何精度，同时热锻获得变形细晶组织，出模后时效强化叠加变形细晶强化，获得高精度高强韧构件，彻底解决了现行工艺先锻压后热处理存在的精度低、晶粒组织粗大、强韧性差的难题。采用模具锻造淬火表面定型，再进入保温炉中保温，接着入水二次淬火，从而可以降低淬火时的温差，减小锻件的变形，从而提高锻件的成形精度。采用铸造原材料以及锻造工艺相结合的方式大大降低了生产成本。通过采用铸造铝棒结合调整热处理工艺能够改善铝合金的晶粒结构，减少晶界的缺陷和微观组织的不均匀性，减少锻造过程中产生残余应力，提高锻件强韧性和服役寿命。
附图说明
图1是现行铝合金锻造成形的流程图和本工艺流程图对比；
图2是本发明提供的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺的流程示意图；
图3是本工艺获得的材料微观组织图；
图4是本工艺热处理工艺曲线图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1和图2，本发明提供了一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，包括：
S1、选用铸造铝合金棒料，加热至第一预设温度，保温时间为第一预设时间；
步骤S1中，加热保温的目的是让材料软化，使材料更有利于变形。加热保温过程中，材料的温度升高，有利于晶粒的生长和再结晶，晶界迁移速率增加，晶粒尺寸增大，从而改善材料的塑性和韧性。并且高温有利于溶解和清除晶界的杂质、氧化物和其他不良相，这有助于提高材料的纯度和均匀性。
进一步地，在步骤S1中，还需要对铸造铝合金棒料的成分进行检测，根据成分检测结果，确定铸造铝合金棒料的铝合金类型，根据铝合金类型，确定第一预设温度的大小；
具体地，对于7系铸造铝合金棒料，第一预设温度为340℃~390℃；对于6系铸造铝合金棒料，第一预设温度为400℃~450℃；对于2系铸造铝合金棒料，第一预设温度为376℃~407℃。
进一步地，在步骤S1中，根据铸造铝合金棒料的直径确定第一预设时间，铸造铝合金棒料的直径越大，第一预设时间越长；
具体地，第一预设时间与铸造铝合金棒料的直径的关系为：
T1=K1*D(1)
其中，T1为第一预设时间，K1为转换系数，转换系数K1由铸造铝合金棒料的铝合金类型确定； D为坯料的直径。
S2、将保温后的铸造铝合金棒料在第二预设温度的模具上锻造，得到特定产品形状的铝合金锻件，所述第二预设温度低于所述第一预设温度，以利用模具较低的温度对铸造铝合金棒料进行表面淬火并定型；
步骤S2中，通过冷模淬火可以通过快速冷却铝合金锻件的表层，使表层的晶粒细化并固定在一定的尺寸，从而调整和控制材料的组织结构；冷模淬火过程中的快速冷却可以形成强化相或高硬度的组织结构，提高材料的硬度和强度；冷模淬火可以通过形成细小的晶粒和均匀的组织结构，改善铝合金锻件的韧性和可塑性，步骤S2中，对和模具接触的棒料表层进行淬火，保留其表面组织结构，产生少量的强化相，为后续保温步骤做准备。
进一步地，在步骤S2中，产品形状包括但不限于盘形和杆形；
进一步地，在步骤S2中，第二预设温度为100℃~200℃；
S3、将铝合金锻件放入温度为第三预设温度的保温炉，保温第二预设时间，以使铝合金锻件的表层的温度与芯部的温度一致；
步骤S3中，通过较短时间的保温的目的是给铝合金锻件的表层补温，使铝合金锻件的表层通过加热的方式和铝合金锻件的芯部的温度保持一致，从而使得铝合金锻件的表层和芯部的组织结构保持一致，以防在后续淬火时表层和芯部保留下来的组织结构不一致。
优选地，第二预设时间与冷模淬火的时间需要进行匹配，即冷模淬火的时间越长，第二预设时间越长。通常，第二预设时间为：
T2=K2*D(2)
其中，T2为第二预设时间，K2为转换系数，转换系数K2由铸造铝合金棒料的铝合金类型确定； D为坯料的直径；
进一步地，在步骤S3中，第三预设温度为350℃~500℃；
S4、对保温后的铝合金锻件进行水淬；
步骤S4中，水淬的目的是对整个铝合金锻件进行淬火，使铝合金锻件内产生大量的强化相，保留整个铝合金锻件的组织结构；
进一步地，在步骤S4中，水淬时间根据行业标准《YS∕T 591-2017变形铝及铝合金热处理》来确定，优选地，水淬时间为15~20s；
优选地，转移时间（锻件从保温炉转移到水淬池中的时间）与第二预设温度需要进行匹配，即第二预设温度越高，水淬转移时间可以越长。
需要指出的是，本发明中，采用模具锻造淬火表面定型，再进入保温炉中保温，接着入水二次淬火，从而可以降低淬火时的温差，减小锻件的变形，从而提高锻件的成形精度。
S5、对水淬后的铝合金锻件进行时效处理，时效处理的温度为第四预设温度，时效处理的时间为第三预设时间，时效处理后即可得到满足特定技术要求的铝合金锻件产品；
步骤S5中，时效处理的目的是通过形成细小的强化相和析出相或固溶体的析出来提高铝合金的强度和硬度；时效处理可以增加晶界和位错阻碍，从而提高材料的韧性和延展性；由于本工艺锻造变形后没有后续的固溶处理，因此通过时效处理对锻件的强度提高至关重要。
进一步地，在步骤S5中，将锻件进行时效处理，第四预设温度及第三预设时间为根据铸造铝合金棒料的成分确定，可以参照行业标准《YS∕T 591-2017变形铝及铝合金热处理》。
步骤S5处理后得到的铝合金锻件产品的微观结构特征如图3所示，整个工艺过程中，铝合金棒料/锻件的微观结构变化过程如图4所示。
本发明中，采用铸造棒料，原材料价格低，采用复合工艺对铸造棒料进行强化处理，后续终锻后无需再进行固溶热处理，只需要进行时效处理，不仅显著降低了热锻温度与能耗，形变强化与相变强化显著提高力学性能，还有效防止了现行锻造产生粗晶组织；本工艺将锻造加热与热处理固溶复合获得固溶态坯料，通过模具锻压使固溶态坯料成形为复杂构件，在模内分段淬火保障构件几何精度，同时热锻获得变形细晶组织，出模后时效强化叠加变形细晶强化，获得高精度高强韧构件，彻底解决了现行工艺先锻压后热处理存在的精度低、晶粒组织粗大、强韧性差的难题。采用模具锻造淬火表面定型，再进入保温炉中保温，接着入水二次淬火，从而可以降低淬火时的温差，减小锻件的变形，从而提高锻件的成形精度。通过采用铸造铝棒结合调整热处理工艺能够改善铝合金的晶粒结构，减少晶界的缺陷和微观组织的不均匀性，减少锻造过程中产生残余应力，提高锻件强韧性和服役寿命。
因此本工艺采用铸造铝合金结合高性能的模锻工艺，降低模锻工艺的综合成本，保障国防工业建设需求，加快轻量化建设历程具有重要意义。
下面将更具体地描述本发明的优选实施方式，阐述本发明的多个优选实施例，使其技术得到更加清楚地展示以及便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施实例来得以体现，而不应被以下介绍的实施方式所限制。
实施例一
一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形技术，其特征在于：
包括如下步骤：
S1、选用7075铸造铝合金棒料，加热至一定温度340℃~390℃，保温一段时间，保温时间根据棒料直径公式（1）来决定，
T1=K1*D(1)
其中，T1为第一预设时间，K1为转换系数，转换系数K1取K1=3mm/min； D为坯料的直径。
S2、产品的形状主要为盘类和饼类，将步骤S1获得的棒料在温度100~200℃的模具上锻造，利用模具较低的温度进行表面淬火并定型；
S3、将步骤S2获得的锻件放回温度为350~500℃的保温炉中保温一定时间；
T2=K2*D(2)
其中，T2为第一预设时间，K2为转换系数，转换系数K2由铸造铝合金棒料的铝合金类型确定； D为坯料的直径。
S4、将步骤S3获得的锻件取出后进行水淬，水淬时间为15~20s；
S5、将步骤S4获得的锻件进行时效处理，时效温度为106~117℃,时效时间为11~12h，时效后即为满足特定技术要求的锻件；
在锻造加工后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达597MPa，屈服强度可达494MPa。
实施例二
一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形技术，具体方法同实施例一，不同的工艺条件为：步骤S4中，水淬时间少于10s。
在锻造加工后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达584MPa，屈服强度可达488MPa。
实施例三
一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形技术，具体方法同实施例一，不同的工艺条件为：
步骤S1中，选用材料为6082铸造铝合金棒料，加热至一定温度400℃~450℃，转换系数K1取K1=1.5mm/min；
步骤S5中，时效温度为161~172℃，时效时间为4~5小时；
在锻造加工后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达394MPa，屈服强度可达363MPa。
实施例四
一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形技术，具体方法同实施例三，不同的工艺条件为：步骤S4中，水淬时间少于10s；
在锻造加工后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达392MPa，屈服强度可达354MPa。
实施例五
一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形技术，具体方法同实施例一，不同的工艺条件为：
步骤S1中，选用材料为2014铸造铝合金棒料，加热至376℃~407℃；
步骤S5中，时效温度为156~167℃，时效时间为4~5小时；
在锻造加工后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达572MPa，屈服强度可达533MPa。
实施例六
一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形技术，具体方法同实施例五，不同的工艺条件为：步骤S4中，水淬时间少于10s；
在锻造加工后的零件上切取拉伸试样，进行单向拉伸试验测试其成形后力学性能，多个拉伸试样取平均值，其抗拉强度可达566MPa，屈服强度可达521MPa。
表1：不同实施例得到的铝合金锻件的力学性能
通过上述实施例可以看出，本发明提供的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺对于2系、6系、7系铸造铝合金棒料的锻造具有良好效果，锻压成型后得到的铝合金产品的抗拉强度及屈服强度均能达到较佳的水平，同时本发明显著降低了热锻温度与能耗。
此外，根据各实施例之间的对比可以看出，水淬时间15~20s得到的铝合金产品的抗拉强度和屈服强度整体上略高于水淬时间少于10s得到的铝合金产品。
本发明所提出的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，采用铸造棒料，原材料价格低，后续终锻后无需再进行固溶热处理，采用复合工艺，将保温温度、变形和转移时间、时效温度时间进行匹配，不仅显著降低了热锻温度与能耗，形变强化与相变强化显著提高力学性能，还有效防止了现行锻造产生粗晶组织。
本发明要解决技术问题是现行铝合金模锻工艺生产周期长，成本高，先锻压后热处理存在的精度低、晶粒组织粗大、强韧性差的难题，本发明的目的在于提供高性能铝合金构件高效节能锻造技术，采用复合工艺，将保温温度、变形和转移时间、时效温度时间进行匹配, 该工艺能够降低生产周期和降低成本。目前国内汽车零部件公司主要集中采用挤压铝合金棒材进行锻造，而在如何采用铸造棒材结合合适的锻造工艺来降低其加工制造成本，国内外却鲜有报道，因此迫切需要开发铸造铝合金的锻造加工问题，解决铝合金材料成本高的难题，满足航空航天和汽车交通锻件应用需求，本发明提供的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺可以为铸造铝合金的锻造提供一个可行的技术方案。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，包括：
S1、选用铸造铝合金棒料，加热至第一预设温度，保温时间为第一预设时间；
S2、将保温后的铸造铝合金棒料在第二预设温度的模具上锻造，得到特定产品形状的铝合金锻件，所述第二预设温度低于所述第一预设温度，以利用模具较低的温度对铸造铝合金棒料进行表面淬火并定型；
S3、将铝合金锻件放入温度为第三预设温度的保温炉，保温第二预设时间，以使铝合金锻件的表层的温度与芯部的温度一致；
S4、对保温后的铝合金锻件进行水淬；
S5、对水淬后的铝合金锻件进行时效处理，时效处理的温度为第四预设温度，时效处理的时间为第三预设时间，时效处理后即可得到满足特定技术要求的铝合金锻件产品。
2.根据权利要求1所述的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，在步骤S1中，还需要对铸造铝合金棒料的成分进行检测，根据成分检测结果，确定铸造铝合金棒料的铝合金类型，根据铝合金类型，确定第一预设温度的大小。
3.根据权利要求2所述的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，对于7系铸造铝合金棒料，第一预设温度为340℃~390℃；对于6系铸造铝合金棒料，第一预设温度为400℃~450℃；对于2系铸造铝合金棒料，第一预设温度为376℃~407℃。
4.根据权利要求2所述的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，在步骤S1中，根据铸造铝合金棒料的直径确定第一预设时间，铸造铝合金棒料的直径越大，第一预设时间越长。
5.根据权利要求4所述的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，第一预设时间与铸造铝合金棒料的直径的关系为：
T1=K1*D
其中，T1为第一预设时间，K1为转换系数，由铸造铝合金棒料的铝合金类型确定； D为坯料的直径。
6.根据权利要求1所述的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，在步骤S2中，产品形状包括盘形和杆形。
7.根据权利要求1所述的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，在步骤S2中，第二预设温度为100℃~200℃。
8.根据权利要求1所述的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，在步骤S3中，第三预设温度为350℃~500℃。
9.根据权利要求1所述的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，在步骤S3中，第二预设时间为：
T2=K2*D
其中，T2为第二预设时间，K2为转换系数，由铸造铝合金棒料的铝合金类型确定； D为坯料的直径。
10.根据权利要求1所述的高强铝合金构件锻压热处理复合高强韧精确成形工艺，其特征在于，在步骤S5中，将锻件进行时效处理，第四预设温度及第三预设时间为根据铸造铝合金棒料的成分和第三预设温度确定。
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