一種提高鋁合金力學性能的形變時效方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于材料加工技術領域，具體涉及一種提高鋁合金力學性能的形變時效方 法。
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【背景技術】
[0003] 能源危機和環境污染的日益嚴重促進了結構輕量化的發展，以鋁合金替代鋼鐵材 料應用在各種結構產品中已經成為大的趨勢。其中，6000系鋁合金由于具有中等強度、高耐 蝕性、無應力腐蝕破裂傾向、焊接性能良好、焊接區腐蝕性能不變、成形性和工藝性能良好 等優點，在建筑、交通等方面的應用逐漸增加，尤其是在汽車制造業，鋁合金的推廣應用成 為當前行業內的重要主題。隨著鋁合金應用范圍的擴大，對其力學性能和加工性能也有更 高的要求。
[0004] 6000系鋁合金最主要的強化方式是時效強化，其析出序列為：過飽和固溶體一鎂 /硅團簇一鎂/硅聯合團簇一GP-I區一β〃一 β' - β。由于上述時效析出過程中會 有不同類型和尺寸的析出物析出，它們彌散分布在鋁合金基體當中，對位錯起到釘扎作用， 阻礙位錯運動，從而實現對強度的提高。不同析出產物對合金的強化作用有很大差別，其中 β "相具有最大的強化作用，是合金時效達到最高強度時（峰時效）基體中主要存在的強化 相。6000系鋁合金板材一般采用熱軋、冷軋、固溶、時效加工流程，而汽車車身上使用的鋁合 金板材是在固溶后作短時間的預時效處理，這樣能減小自然時效的影響，使板材在沖壓前 有較低的屈服強度，提高沖壓成形性，而后在烤漆過程進一步發生時效強化，提高板材的服 役強度。但是相比鋼材而言，6000系鋁合金的強度還較低，成形性能較差，尤其是時效處理 后的合金板材其塑性更低，因此6000系鋁合金在汽車上還只能用做車身覆蓋件，難以大 量用在結構件上。如何綜合提高合金板材強度和塑性是研宄者追求的目標，這將對6000系 鋁合金的推廣和應用產生重大影響。
[0005] 目前，大多研宄者主要著手于時效過程，通過優化時效工藝改進6000系鋁合金性 能，在6000系鋁合金中，由于整個時效過程會有不同類型及不同尺寸的析出物析出，他們 會對位錯產生不同的反應，一般來說位錯通過尺寸較大的析出物時是位錯繞過機制，通過 尺寸較小的析出物時是位錯切過機制，而強化機制的不同使得合金有不同的強化表現，所 以析出物的類型、尺寸及分布對合金力學性能有著重要的影響。但是由于6000系鋁合金的 合金含量較少，時效過程中的可控參數較小，僅通過時效工藝對鋁合金強度的提高顯得十 分有限，通常不能達到400MPa的極限抗拉強度。也有人通過一些不同尋常的方法，如通過 劇烈塑性變形(如等通道擠壓、高壓扭轉等）獲得細晶材料的方法，實現了 6000系鋁合金強 度的大幅度提高，但是這種方法需要鋁合金產生巨大的變形量，技術難度大，很難制造大尺 寸的產品，且與目前工業生產設備所能達到的加工能力差距大，其加工成本高，因此難以推 廣應用。尋找既能提高6000系鋁合金板材綜合力學性能，又能適應現代工業設備的使用， 同時降低生產成本的方法是十分有意義的。
[0006] 軋制是工業上常用且技術成熟的材料加工工藝，但由于鋁合金層錯能較高，在室 溫下軋制時容易發生動態回復，減弱了加工硬化作用；如果在非常低的溫度下軋制，則可以 抑制動態回復，這樣變形之后就會得到更多的位錯及更高的畸變能，而大量位錯和高的畸 變能正是6000系鋁合金后續處理時所期望的；低溫軋制只需要相對較小的變形量就能產 生與劇烈塑性變形相同的強化效果，并且在工業生產中很容易實現。但是，低溫軋制后，由 于加工硬化的存在，高的強度必然會犧牲合金的塑性，這在生產實際中也是不能容忍的，因 此為了改善合金塑性，通過時效對位錯和析出物的類型、尺寸及分布進一步調控是十分必 要的。由于低溫軋制后形成高密度的位錯對材料的回復和再結晶有很強的驅動力，再時效 時可發生回復和部分再結晶，同時促進GP-I區向β "的轉變，進而獲得彌散的β "相，而 這正是兼顧合金強度和塑性的理想的微觀結構特征。時效溫度對時效后的微觀結構有重要 影響，時效溫度過高，就會得到粗大的晶粒和β "相，并且β "相密度也會減小，這種微觀 結構對力學性能是不利的。時效溫度偏低，只能析出強化效果較弱的原子團簇，很難析出 β "相，時效強化效果較差。
[0007]
【發明內容】
[0008] 針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的是提供一種提高鋁合金力學性能的 形變時效方法，提升鋁合金包括強度和塑性在內的綜合力學性能。
[0009] 為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種提高鋁合金力學性能的 形變時效方法，包括如下步驟： 1) 固溶處理：將鋁合金在520~560°C保溫20~60 min，進行固溶處理；將合金加熱到溶 解度曲線以上溫度，從而可以使合金中的合金元素溶入到鋁基體當中，實現均勻分布； 2) 淬火：將步驟1)固溶后的鋁合金材料水冷淬火至室溫；固溶后的材料快速冷卻，由 于冷卻速度快，鋁基體中的合金元素來不及擴散，而是被保留下來，形成了與高溫狀態類似 的組織，即過飽和固溶體； 3) 預時效處理：將步驟2)淬火后的鋁合金材料在150~180°C進行預時效處理，處理時 間為10~30 min，使鋁合金材料處于欠時效狀態；淬火后通過對預時效的溫度和時間控制， 使過飽和固溶體中的溶質元素部分析出，形成一種過渡強化相，在時效硬化曲線上，表現為 在達到時效峰值前的狀態； 4) 低溫軋制：將步驟3)處理后的鋁合金材料在液氮中浸泡20~30 min后，進行多道次 低溫軋制，每道次軋制后將鋁合金材料浸于液氮中8~10 min，再進行下一道次軋制，使鋁合 金材料在軋制過程中溫度保持在_150°C ~ -180°C ;其中，每道次軋制變形量7%~10%，總變 形量 80~90% ; 5) 再時效處理：將步驟4)軋制后的鋁合金材料在100~130°C進行低溫再時效處理 85~100 h，進一步強化鋁合金；低溫軋制后的板材進行低溫時效，是為了不使晶粒粗化且形 成強化效果更大的強化相，使合金進一步強化。
[0010] 相比現有技術，本發明具有如下有益效果： 1、要想得到理想的微觀結構，使鋁合金（6000系鋁合金)包括強度和塑性在內的綜合力 學性能均有所提升，低溫軋制前進行固溶和預時效處理是關鍵步驟，因為預時效可以在基 體中預先形成大量的彌散的GP區，這些GP區在低溫軋制能釘扎位錯，提高變形產生的位錯 數量；乳制后在較低溫度下再時效，高密度位錯促進了回復和再結晶的發生，加之預時效產 生的GP區可以直接轉化成細小彌散的β "相，這樣就得到了理想的微觀結構，使鋁合金具 有很高的強度和塑性。因此本發明中采用固溶、淬火、預時效、低溫軋制和再時效的處理方 法，可以使鋁合金獲得優異的力學性能。
[0011] 2、本發明方法有效提高了 6000系鋁合金的抗拉強度和屈服強度，使處理后 的鋁合金抗拉強度達到471MPa、屈服強度達到428MPa，進一步使得處理后的鋁合金可以用 于大型結構件如汽車的結構件上，在保證力學強度的基礎上，發揮鋁合金的優點。 3、本發明工藝流程簡單，操作難度不大，普通工業生產設備即可進行相關步驟處 理，加工成本低廉，具有良好的可推廣性。
[0012] 4、相比于現有技術，本發明方法不僅限于中小尺寸產品的制造，還可以用于 制造大尺寸的產品，具有良好的適用性。
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【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明方法工藝流程中的溫度示意圖； 圖2為拉伸曲線圖； 圖3為實施例1斷口形貌的SEM圖。
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【具體實施方式】
[0016] 下面結合具體實施例和說明書附圖對本發明作進一步詳細說明。本實施案例在以 本發明技術為前提下進行實施，現給出詳細的實施方式和具體的操作過程，來說明本發明 具有創造性，但本發明的保護范圍不限于以下的實施例。
[0017] 下述實施例中，采用的鋁合金材料為牌號為6016、6061、6063、6082的鋁合金，均 勾化板材厚度均為6 mm。
[0018] 圖1為本發明方法工藝流程中的溫度示意圖，包括五個階段：固溶處理階段的處 理溫度520~560°C，保溫20~60 min，以保證溶質原子充分溶解到鋁基體中且不出現過燒 現象；淬火階段采用水冷淬火的方式，淬火至室溫，獲得較大的冷卻速率，以保證合金處 于過飽和狀態；預時效處理階段于150°C ~180°C進行預時效處理，保溫時間為10~30min， 使合金材料處于欠時效狀態，以使合金中的粒子處于最佳的尺寸狀態；低溫軋制階段是 在-150°C ~ _180°C下軋制，總的軋制量為80%~90%，為保證合金不開裂，每道次軋制變形量 7~1〇% ;再時效階段在100~130°C下保溫85~100 h的低溫再時效，使合金達到峰值狀態，進 一步強化合金。
[0019] 實施例1 一種提高鋁合金力學性能的形變時效方法，包括如下步驟： 1) 采用6016鋁合金進行熱處理，將6016鋁合金在520°C于空氣爐中保溫60 min進行 固溶處理； 2) 將步驟1)固溶后的鋁合金在水中水冷淬火至室溫； 3) 將步驟2)淬火后的鋁合金材料在180°C進行預時效處理，保溫10 min，使鋁合金材 料處于欠時效狀態； 4) 將步驟3)處理后的鋁合金材料在液氮中浸泡30 min后，進行多道次低溫軋制，每 道次軋制后立即將鋁合金材料放回液氮中浸泡8 min，再進行下一道次軋制，使鋁合金材 料在軋制過程中溫度保持在_150°C ~ -180°C ;其中，每道次軋制量為7~10%，最終軋制量 80~90% ; 5) 低溫軋制后的合金再于100°C保溫96h進行低溫再時效處理，進一步強化鋁合金。
[0020] 按照GB/T 288. 1-2010的方法，在AG-X50KN拉伸機上進行拉伸試驗，試驗方向為 軋口，通過掃描電鏡觀察斷口形貌。結果顯示：經本實施例方法處理后的6016鋁合金板材 抗拉強度為458MPa，屈服強度為428MPa，總伸長率為12. 7%。其拉伸曲線如圖2所示，斷口 形貌如圖3所示，由圖2和