一種提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法
【專利摘要】本發明涉及一種提高7000系鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法，具體實施步驟如下：(1)固溶處理步驟；(2)冷軋變形步驟；(3)保溫和連續軋制變形步驟；(4)短時再結晶處理步驟。采用該處理方法可以將鋁合金的晶粒尺寸從200μm以上細化到10μm及以下，細晶組織經過峰時效處理后可使鋁合金板材室溫強度與傳統熱軋工藝獲得的板材相當，而延伸率獲得大幅提高。與傳統熱軋工藝相比，經本工藝加工的淬火態板材室溫成形性能有一定提高，退火態板材室溫成形性獲得巨大提高，峰時效態板材的溫成形性能也獲得巨大提高。本發明中提高7000系鋁合金板材成形性的細晶處理方法，過程簡單、周期短、能耗低，在工業化生產中具有很大應用潛力和價值。
【專利說明】一種提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種改善高強鋁合金塑性和成形性的形變熱處理方法，特別涉及一種 鋁合金材料的晶粒細化處理方法，屬于金屬材料形變熱處理工藝【技術領域】。
【背景技術】
[0002] Al-Zn-Mg-Cu(7000)系合金是一類重要的輕質高強結構材料，與Al-Mg-Si(6000) 系合金相比強度高，但其塑性和成形性差。細晶組織7000系鋁合金的塑韌性以及腐蝕性能 也會有所改善，因此細化晶粒成為改善鋁合金綜合性能的方法。鋁合金堆垛層錯能較高，再 結晶比較困難，鋁合金晶粒細化主要通過不連續再結晶來實現。
[0003] 中間形變熱處理（ITMT)可以通過不連續再結晶實現鋁合金晶粒細化。目前用于 7000系錯合金晶粒細化的ITMT工藝是1982年J. Wert等人（J. Wert, et al. Metallurgical Transactions A，1981，12A :1267)開發的相對簡單的RI-ITMT工藝，工藝步驟包括：固溶淬 火，400°C /8小時過時效，中溫變形以及固溶再結晶處理。他們用這種工藝將7075鋁合金 晶粒細化到10 μ m，延伸率獲得明顯提高。RI-ITMT工藝的核心理念就是通過高溫長時處理 獲得大顆粒，獲得大顆粒后繼續室溫或者中溫變形在大顆粒周圍形成變形帶，后續再結晶 處理時利用粒子誘導再結晶形核來實現組織細化。但是，RI-ITMT工藝需要長時間的高溫 過時效處理，工藝周期長，能耗大，不能連續生產，因此，開發一種操作簡單、工藝周期短、能 實現工業化生產并提高7000系鋁合金塑性和成形性的新的中間形變熱處理工藝具有重要 意義。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服現有工藝之不足而開發一種方法簡單、操作方便、生產周 期短的固溶處理-冷軋變形-保溫+連續變形-短時再結晶的7000系鋁合金形變熱處理 組織細化處理方法。固溶態鋁合金經冷軋變形后再保溫可以大大加速析出相析出、粗化而 獲得大尺寸沉淀相，后續中溫、室溫變形后在大尺寸析出相（〇.5μπι)周圍形成的變形帶， 有利于在后續再結晶處理時激發再結晶形核。該工藝利用冷軋與保溫相結合的方式來代替 單純的過時效，大大縮短了經典的RI-ITMT工藝的周期，可在簡單操作下獲得細晶組織，大 大提高高強鋁合金的塑韌性，并顯著改善強度和塑性各向異性，大大提高其成形性能，可廣 泛應用于沉淀強化型7000系鋁合金。
[0005] 本發明涉及一種提高7000系鋁合金板材塑性和成形性的晶粒細化處理方
[0006] 法，包括下述步驟：
[0007] (1)固溶
[0008] 7000系鋁合金進行固溶處理，固溶溫度460-500°C，保溫時間0. 5-24h，室溫水淬；
[0009] (2)冷軋
[0010] 變形方式為冷軋，其中，R1變形量控制在30-80%
[0011] ⑶保溫+連續變形
[0012] 通過第二步得到的板材，進行保溫和連續變形處理，保溫溫度T為200-450°C，保 溫時間t固定為30min ;R2連續變形方式為軋制，變形量為40-90%，變形過程不回爐；
[0013] (4)短時再結晶
[0014] 將第三步獲得的板材快速加熱至460-490°C進行再結晶處理，保溫時間 10-60min，冷卻方式為空冷或室溫水淬。
[0015] 其中，步驟2中冷軋變形量控制在40-70%。
[0016] 其中，步驟3中保溫溫度控制在250-400°C，保溫時間為30min，連續變形量 50-90%，或者保溫溫度控制在350-400°C，保溫時間為30min，變形量控制在50-90%。
[0017] 其中，步驟2與步驟3相互配合的較佳條件為：步驟2冷軋變形量40% -70%， 步驟3保溫溫度350°C _450°C，保溫時間30min，連續變形量60% -80%。最佳條件為：步 驟2冷軋變形量50% -60%，步驟3保溫溫度350°C -400°C，保溫時間30min，連續變形量 60% -80%。
[0018] 其中，步驟4中，再結晶時的升溫速率彡1°C /s。
[0019] 其中，對步驟4獲得的短時再結晶并水淬的板材進行T6、T76、T74、T73或T77時 效處理。
[0020] 其中，將所得到的最終板材進行室溫成形性或溫成形測試，測試方法采用國標GB/ Τ4156-2007描述的方法。
[0021] 采用以上形變熱處理方法對7000系鋁合金板材進行處理，利用冷變形與保溫相 結合的方式代替單純的過時效加速大尺寸沉淀相顆粒的析出，從而獲得能激發再結晶的核 心，實例操作中，第三步短時保溫處理后即獲得一定數量的沉淀相（平均尺寸〇. 5 μ m)，從 而代替了 RI-ITMT的長時過時效處理，大大縮短整套工藝的時間。將再結晶水淬后的板材 進行T6時效處理后，板材強度與傳統熱軋工藝相當，但延伸率能獲得大幅提高，從而成形 性也獲得提1?。
[0022] 通過上述形變熱處理工藝，即通過冷軋與保溫相結合的方式獲得大尺寸沉淀相 MgZn2顆粒，在隨后的連續變形中在大顆粒周圍可以形成變形帶，而在短時再結晶階段再結 晶晶粒就會以沉淀相為核心形核，從而獲得細小再結晶組織。
[0023] 實驗表明，7000系鋁合金通過上述的固溶處理-冷軋變形-保溫+連續變形-短 時固溶再結晶工藝與常規的形變熱處理工藝相比，本發明提供的工藝大大縮短了制備時 間，降低操作難度，在獲得良好的細晶組織后時效態7000系鋁合金板材保持良好強度的同 時延伸率得到了極大的提高，淬火態、退火態板材室溫成形性能提高明顯，淬火態板材峰時 效后溫成形性能得到大幅提高。兼具良好的強度和塑韌性的材料對航空航天、交通運輸等 領域的發展有重要意義，適于工業化應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明工藝流程不意圖。
[0025] 圖2是初始態7075合金再結晶并水淬的組織。
[0026] 圖3是實施例1中固溶態合金經冷變形和短時保溫處理后的MgZn2分布圖。
[0027] 圖4是實施例1中合金經再結晶并水淬的組織。
[0028] 圖5是實施例1中對比例I合金經再結晶并水淬的組織。
[0029] 圖6是實施例1中對比例II傳統熱軋合金經再結晶并水淬的組織。
[0030] 圖7是實施例2中合金經再結晶水淬的組織。
[0031] 圖8a、b是實施例3中不同工藝的合金經再結晶并水淬的組織。
[0032] 圖9是實施例4中合金經固溶再結晶并水淬的組織。。
[0033] 圖10是實施例5中7050合金經再結晶并水淬的組織。
【具體實施方式】
[0034] 實施例1
[0035] 根據圖1所示工藝，采用7075鋁合金為軋制材料。為使溶質原子固溶到基體中， 對板材進行了 475°C /1. 5h的固溶處理，室溫水淬，圖2為未變形的初始淬火態7075合金的 金相組織。變形在普通二輥軋機上實現，將15mm厚固溶態7075合金板材進行冷軋變形，變 形量30 %，將冷軋態合金在400°C保溫30min后繼續在軋機上對板材進行80 %的連續軋制， 連續軋制過程不回爐。將最終軋制板材進行480°C /30min的再結晶處理，再結晶完成后冷 卻方式分別采用水淬（W態）和空冷（0態）。圖4為軋板再結晶水淬后的金相組織，用線 性截距法測得此時合金的平均晶粒尺寸為9.8 μ m。采用兩個對比例，I :采用7075鋁合金 按J. Wert的工藝處理（RI-ITMT)，即固溶-400°C /8h過時效-溫軋變形量90% -再結晶， II :對15mm厚固溶態7075進行400°C傳統熱軋（HR)，總變形量88%，其他熱處理工藝完全 相同，圖5、6分別為二者再結晶水淬處理后的金相組織，可見傳統熱軋得到的仍是拉長的 100 μ m的晶粒。隨后對本發明工藝及兩個對比工藝水淬的板材進行T6時效處理，并對時效 態板材進行力學性能測試，如表1所示。對三種工藝獲得的空冷和水淬的板材進行室溫成 形性測試，對三種工藝獲得的峰時效的板材進行200°C的溫成形測試（T6-200°C )，如表2所 示。從中可看出，本發明的工藝與傳統熱軋工藝相比，峰時效態板材在獲得同樣強度的情況 下提高了塑性。本發明的板材三種狀態下的成形性均高于傳統熱軋工藝，且與RI-ITMT工 藝相當，但本發明與RI-ITMT工藝相比大大縮短了工藝時間，非常有利于工業化生產。
[0036] 實施例2
[0037] 根據圖1所示機械熱處理工藝，采用經475 °C /1. 5h固溶處理的7075合金為軋制 材料（板厚7. 5mm)。將其進行冷軋變形，變形量40%，冷軋態板材經350°C保溫30min后繼 續在軋機上進行變形量為70%的連續變形，不回爐。將最終軋制板材經過480°C /0. 5h再 結晶水淬處理，圖7為所獲得的細晶組織。最終軋板經480°C /0. 5h固溶和T6時效處理，此 時板材強度與實施例1中相當，板材延伸率為16. 6% (表1)，200°C杯突值高于傳統熱軋工 藝。
[0038] 實施例3
[0039] 根據圖1所示機械熱處理工藝，采用經475 °C /1. 5h固溶處理的7075合金為軋制 材料（板厚7. 5mm)。將兩塊材料在二輥軋機上實現50%變形量，之后兩塊冷軋板分別在 350°C、400°C保溫30min后繼續在軋機上進行變形量70%的連續變形，不回爐。將最終軋制 板材經480°C /0. 5h再結晶水淬和120°C /24h處理，可獲得細晶組織分別如圖8a、b所示， 此時板材強度與實施例1中相當，板材延伸率分別為16. 5%、16. 7%，可見該條件也能實現 晶粒細化并提高板材的塑性（表1)和溫成形性（表2)。
[0040] 實施例4
[0041] 根據圖1所示機械熱處理工藝，采用經475 °C /1. 5h固溶處理的7075合金為軋制 材料（板厚7. 5mm)。將其進行冷軋變形60%，隨后經350°C保溫30min，之后繼續在軋機上 進行變形量為60%的連續變形，不回爐。將軋后的板材經過480°C /0. 5h再結晶水淬處理， 所獲得的細晶組織如圖9所示，60%冷軋變形后保溫并連續變形60%的板材經再結晶和T6 處理后延伸率達到16. 6 % (表1)，溫成形性能仍好于傳統熱軋板（表2)。
[0042] 實施例5
[0043] 根據圖1所示機械熱處理工藝，采用7050鋁合金為軋制材料（板厚15mm)，
[0044] 對其進行475°C /1. 5h的固溶處理，室溫水淬。對固溶態7050進行冷軋變形50% 至7. 5臟，將7. 5mm板材在400°C保溫30min后進行變形量70%的連續變形，連續變形過程 不回爐。將最終軋制板材經過480°C /0. 5h和120°C /24h處理，
[0045] 所獲得組織的平均晶粒尺寸為9.6 μ m(圖10)，此時合金的塑性得到了極大的提 高，延伸率高達20. 9 %，且溫成形性能優異。
[0046] 表1本發明制備的合金T6態室溫力學性能
[0047]
【權利要求】
1. 一種提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法，其特征在于：該方法包 括以下步驟： (1)固溶處理步驟；（2)冷軋變形步驟；（3)保溫和連續軋制變形步驟；（4)短時再結晶 處理步驟；其中， 步驟（1)中，對7000系鋁合金進行固溶處理，使溶質原子充分固溶到基體中，其中，固 溶溫度為460-500°C，保溫時間為0. 5-24h，固溶后室溫水淬； 步驟（2)中，對固溶態板材進行冷軋變形，其中，冷軋變形量控制在30-80% ; 步驟（3)中，對步驟⑵得到的板材進行保溫和連續軋制變形，其中，保溫溫度為 200-450°C，保溫時間30min，保溫之后的連續軋制變形量控制在40-90%，不回爐； 步驟（4)中，將步驟（3)獲得的板材快速加熱到460-490°C進行再結晶處理，保溫時間 10-60min，隨后空冷或者立即室溫水淬。
2. 根據權利要求1所述的提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法，其特 征在于，步驟（2)中冷軋變形量控制在40-70%。
3. 根據權利要求1所述的提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法，其特 征在于，步驟（3)中保溫溫度控制在250-400°C，保溫時間30min。
4. 根據權利要求1所述的提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法，其特 征在于，步驟（3)中保溫溫度控制在350-400°C，保溫時間30min。
5. 根據權利要求1所述的提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法，其特 征在于，步驟（3)中連續變形量為50-90%。
6. 根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，步驟（2)與步驟（3)相互配合的條件 為：步驟⑵冷軋變形量40%-70%，步驟⑶保溫溫度35(rC-45(rC，保溫時間30min，連 續變形量60 % -80%。
7. 根據權利要求1所述的處理方法，其特征在于，步驟（2)與步驟（3)相互配合的條件 為：步驟⑵冷軋變形量50%-60%，步驟⑶保溫溫度35(rC-40(rC，保溫時間30min，連 續變形量60 % -80%。
8. 根據權利要求1所述的提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法，其特 征在于，步驟（4)中，再結晶處理時的升溫速率彡1°C/s，再結晶完成后空冷或者室溫水淬。
9. 根據權利要求8所述的提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法，其特 征在于，對步驟（4)獲得的短時再結晶并淬火后的板材進行時效處理。
10. 根據權利要求9所述的提高高強鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法，其 特征在于，所述時效處理指T6、T76、T74、T73或T77時效處理。
【文檔編號】C22F1/053GK104046933SQ201410223778
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】張濟山, 莊林忠, 霍望圖, 侯隴剛, 崔華, 劉君城, 郭明星 申請人:北京科技大學