一種消除Al?Cu?Mg?Si?Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝的制作方法

本發明涉及一種適用于Al-Cu-Mg-Si-Mn合金的均勻化熱處理新工藝，采用該工藝獲得的均勻組織，可提高合金后期加工性能及熱處理強化效果；屬于鋁合金熱處理技術領域。

背景技術：

鋁合金因其具有低密度、高比強度、高剛度、高耐蝕性及可熱處理強化等性能而作為結構材料在航空航天以及汽車工業得到了廣泛的應用。而在現代飛機結構中，諸如機身框、艙門骨架、視窗骨架、各類接頭及飛機起落架輪轂等部位普遍采用了鋁合金加工構件，鋁合金性能的好壞對航空航天業的發展起到了至關重要的作用。

Al-Cu-Mg-Si-Mn合金屬于可熱處理強化變形鋁合金。由于合金中添加的合金元素含量較高，因此鑄造組織中易于產生較多的枝晶偏析。同時由于合金中含有較多的Si、Fe、Mn等元素，鑄造組織中會存在(Fe,Mn)Al₆、(Fe,Mn)₃SiAl₁₂、Mg₂Si、CuMgSi₄Al₄等粗大的脆性第二相粒子，這會導致鑄坯中存在較強的內應力及裂紋傾向，對后續塑性加工和熱處理強化均會造成不良的影響，嚴重損害合金力學性能。因而，一種合理的均勻化熱處理制度對最終產品起著決定性的作用。為了解決鋁合金鑄造組織的不均勻性，目前采用的均勻化熱處理主要有單級均勻化退火、雙級均勻化退火以及多級均勻化退火。通常的均勻化過程均在鋁合金中超過其主要合金元素的溶解度曲線并低于合金共晶溫度及非平衡固相線的溫度下進行，合金中的第二相粒子經歷了溶解、球化及析出三個過程。對于傳統的雙級均勻化或多級均勻化而言，由于高溫均勻化階段是由低溫均勻化階段直接通過升溫達到的，合金元素一直處于活躍狀態，易于在晶界高熔點第二相附近產生偏聚，并且晶粒易于發生長大。因而為了防止晶粒長大，高溫均勻化階段保溫時間均較短，但是較短的保溫時間對于晶間高熔點第二相相含量較多的合金，難以達到完全均勻化的要求。

技術實現要素：

本發明的目的在于實現一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，解決了Si、Fe、Mn含量較高的Al-Cu-Mg系合金鑄造過程中產生的共晶相及高熔點第二相粒子均勻化不完全的問題，并且具有操作簡單、高效的特點。

本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，其特征在于包括下述步驟：

第一步：低溫均勻化熱處理

將半連續鑄造得到的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄錠坯料置入電阻加熱爐中以15～20℃/min的速度加熱到470℃～480℃，并保溫A分鐘；所述A＝鑄錠直徑×(2.5～3.5)min/mm，所述鑄錠直徑的單位為mm；

第二步：一次冷卻

將第一步處理后的坯料隨爐冷卻至250℃～300℃后空冷至室溫；

第三步：高溫均勻化處理

將第二步空冷后的坯料置入510℃～520℃的電阻爐中，保溫18～24小時；

第四步：二次冷卻

將第三步處理后的坯料空冷至室溫，得到成品。

本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，所述Al-Cu-Mg-Si-Mn合金以質量百分比計包括下述組分：

Cu 4.3％～4.5％，

Mg 0.65％～0.75％，

Si 0.6％～0.7％，

Mn 0.45％～0.55％，

Fe 0.1％～0.2％，

余量為Al。

作為優選方案，本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，所述Al-Cu-Mg-Si-Mn合金以質量百分比計包括下述組分：

Cu 4.3％～4.5％，

Mg 0.65％～0.75％，

Si 0.6％～0.7％，

Mn 0.45％～0.55％，

Fe 0.1％～0.2％，

Ga＜0.03％，

P＜0.015％，

Ti＜0.015％，

V＜0.015％，

Zn＜0.01％，

余量為Al和雜質，所述雜質的總量＜0.01％。

作為優選方案，本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，第一步所述的低溫均勻化熱處理的升溫速度為15～20℃/min。

作為優選方案，本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，第一步所述的低溫均勻化熱處理的保溫時間為8～12小時。

本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，所述成品中，合金晶粒尺寸為100～150μm。

本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，所述成品的抗拉強度為合金鑄錠坯料抗拉強度的1.15～1.3倍。

本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，所述成品的抗拉強度為320～340MPa。

本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，所述成品的伸長率為合金鑄錠坯料伸長率的13～1.4倍。

本發明一種消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相的均勻化熱處理工藝，所述成品的伸長率為10.5％～11％。

原理和優勢

本發明通過二次均勻化處理，在低溫均勻化和高溫均勻化之間加入一個冷卻過程，抑制了低溫均勻化過程中已溶解樹枝晶及晶間第二相的元素進一步擴散，使得高溫均勻化階段的保溫時間得以延長而不發生過燒，優化了高熔點第二相含量較多的鋁合金的均勻化效果。

通過本發明提出的均勻化熱處理方法處理后，合金化程度及Si、Fe、Mn含量均較高的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金組織中非平衡第二相基本消除，均勻化程度較為徹底，這很大程度上提高了合金的熱塑性及合金元素在基體中的固溶量。

本發明的優點是：本發明根據低溫相及高溫難溶相在熱處理過程中的演變規律，在雙級均勻化的基礎上指定出了一種新的均勻化制度，即：采用“低溫均勻化+冷卻+高溫均勻化”二次均勻化熱處理，有效解決了Al-Cu-Mg-Si-Mn合金均勻化不完全問題。

綜上所述，本發明為消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄造結晶相，提高鑄造組織均勻性提供了一條簡單高效的有效途徑。同時本發明在熱處理工藝和組分的協同作用下，其所達到的效果遠遠超出了預計。

附圖說明：

附圖1為本發明制定的均勻化熱處理制度示意圖；

附圖2為實施例1所用鑄錠心部均勻化處理前金相照片；

附圖3為實施例1所用鑄錠心部均勻化處理后金相照片；

附圖4為實施例2所用坯料均勻化處理前的金相照片(a)及掃描照片(b)；

附圖5為實施例2所用坯料均勻化處理后的金相照片(a)及掃描照片(b)；

具體實施方式：

實施例1

實驗材料為半連續鑄造的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄錠，其化學成分為：Cu為4.3wt.％～4.5wt.％，Mg為0.65wt.％～0.75wt.％，Si為0.6wt.％～0.7wt.％，Mn為0.45wt.％～0.55wt.％，Fe為0.1wt.％～0.2wt.％，Ga＜0.03wt.％，P＜0.015wt.％，Ti＜0.015wt.％，V＜0.015wt.％，Zn＜0.01wt.％，雜質總量＜0.01wt.％，余量為Al。將所述的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄錠機加工成直徑為200mm的坯料進行二次均勻化處理。先將坯料置入爐膛，以15℃/min的速度隨爐升溫至480℃。根據坯料直徑與保溫時間的關系公式確定保溫時間為12小時，達到保溫時間后隨爐冷卻至300℃，快速從爐膛中取出空冷至室溫；再以15℃/min的速度將爐膛溫度升至515℃，將經過一次均勻化的坯料置入爐膛，坯料保溫24小時后，將坯料從爐膛取出并空冷至室溫。

根據圖2及圖3顯示的均勻化前后組織可以明顯發現，經過本發明所制定的均勻化處理后，即使是直徑為200mm的坯料心部的均勻化過程也較為徹底，晶粒尺寸約為100μm，樹枝晶完全消失，晶間第二相也基本上溶解而只在晶界的局部位置存在少量殘留，對后續加工及熱處理基本無不良影響。

實施例2

實驗材料為半連續鑄造的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄錠，其化學成分為：Cu為4.3wt.％～4.5wt.％，Mg為0.65wt.％～0.75wt.％，Si為0.6wt.％～0.7wt.％，Mn為0.45wt.％～0.55wt.％，Fe為0.1wt.％～0.2wt.％，Ga＜0.03wt.％，P＜0.015wt.％，Ti＜0.015wt.％，V＜0.015wt.％，Zn＜0.01wt.％，雜質總量＜0.01wt.％，余量為Al。將所述的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄錠機加工成直徑為200mm的坯料，將所述坯料進行二次均勻化處理。先將坯料置入爐膛，以15℃/min的速度隨爐升溫到480℃，保溫時間為8小時，達到保溫時間后，坯料隨爐冷卻至300℃，從電阻爐中取出空冷至室溫；再以15℃/min的速度將電阻爐爐膛溫度升至515℃，將經過一次均勻化的坯料置入爐膛，坯料保溫18小時后，將其從爐膛中取出并空冷至室溫，得到成品，成品的力學性能見表1。

圖4及圖5所示為實例2所用的坯料在經本發明制定的均勻化熱處理制度處理前后的金相照片及相應的掃描照片。對比均勻化前后的組織可以發現，樹枝晶完全消失，晶粒成等軸狀，晶粒直徑約為100μm，樹枝晶網胞間的第二相也基本溶解，均勻化效果非常明顯。從掃面照片中可以看出，晶界僅有很少的高溫難溶相殘留。從表1可以看出經本發明所述均勻化制度處理后，合金強度及塑形均有了明顯的提高。可見經本發明所制定的均勻化熱處理制度處理后，合金均勻化過程徹底，提高了后期加工熱處理的潛力。

實施例3

實驗材料為半連續鑄造的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄錠，其化學成分為：Cu為4.3wt.％～4.5wt.％，Mg為0.65wt.％～0.75wt.％，Si為0.6wt.％～0.7wt.％，Mn為0.45wt.％～0.55wt.％，Fe為0.1wt.％～0.2wt.％，Ga＜0.03wt.％，P＜0.015wt.％，Ti＜0.015wt.％，V＜0.015wt.％，Zn＜0.01wt.％，雜質總量＜0.01wt.％，余量為Al。將所述的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金鑄錠機加工成直徑為200mm的坯料，將所述坯料進行二次均勻化處理。先將坯料置入爐膛，以20℃/min的速度隨爐升溫到480℃，保溫時間為10小時，達到保溫時間后，坯料隨爐冷卻至300℃，從電阻爐中取出空冷至室溫；再以15℃/min的速度將電阻爐爐膛溫度升至520℃，將經過一次均勻化的坯料置入爐膛，坯料保溫18小時后，將其從爐膛中取出并空冷至室溫，得到成品，成品的力學性能見表1。

表1

對比例1(常規雙級均勻化)

組分和實施例2完全一致，其它步驟和工藝參數和實施例3完全一致，不同之處在于：先將坯料置入爐膛，以15℃/min的速度隨爐升溫到480℃，保溫時間為10小時，達到保溫時間后，再以5℃/h的速度將電阻爐爐膛溫度升至520℃后保溫24小時，隨后將其從爐膛中取出并空冷至室溫，得到成品，成品的力學性能見表1。

對比例2(最常規單級均勻化)

組分和實施例2完全一致，其它步驟和工藝參數和實施例2完全一致，不同之處在于：先將坯料置入爐膛，以15℃/min的速度隨爐升溫到520℃，保溫時間為24小時，達到保溫時間后，坯料隨爐冷卻至室溫，得到成品，成品的力學性能見表1。

由實施例和對比例可以看出，本發明所設計的均勻優化熱處理制度取得了意想不到的效果，尤其在伸長率和強度的提升方面，本發明所達到的效果尤為突出。