一種可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，包括制備可熱處理鋁合金毛坯（非附加熱處理狀態(tài)毛坯）、加熱保溫、同步淬火成形、外形切割、時(shí)效處理的步驟；本發(fā)明將同步淬火熱成形工藝應(yīng)用于可熱處理鋁合金產(chǎn)品的生產(chǎn)，并在成形之后配以適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理，可以在保證鋁合金產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)制件的精確成形，從而縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約能耗、降低生產(chǎn)成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋁合金沖壓成形及熱處理工藝，特別是涉及一種可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如密度小，鋁的密度只有鋼的1/3 ;具有高的比強(qiáng)度和比剛度；具有良好的彈性和優(yōu)良的抗沖擊性能等，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。在火箭和航天器上，鋁合金主要用于支柱燃料箱、助燃劑箱等；在飛機(jī)上，鋁合金主要用于結(jié)構(gòu)材料，如蒙皮、壁板和起落架支柱等。目前，民用飛機(jī)上70%~80%的材料、軍用飛機(jī)上40%~60%的材料都是鋁合金。鋁合金也是解決交通運(yùn)輸業(yè)，包括高速鐵路、地下鐵道運(yùn)輸和汽車客、貨運(yùn)輸車輛的等輕量化問題的突破口。鋁合金應(yīng)用于交通運(yùn)輸業(yè)最重要的優(yōu)勢(shì)就是減重，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減排的目的。尤其在汽車工業(yè)，此優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的更加明顯。汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，而鋁合金是促進(jìn)汽車輕量化最重要的材料之一。有關(guān)資料表明，鋁的減重和排放效果為1:2.25:20，即汽車每使用IKg鋁，可降低自重2.25Kg，同時(shí)在汽車整個(gè)使用壽命期內(nèi)，還可減少廢氣排放20Kg。鋁合金代替鋼鐵材料制造汽車可使整車質(zhì)量減輕30% ~40%。
[0003]鋁合金具有諸多優(yōu)點(diǎn)，其在航空航天領(lǐng)域和交通運(yùn)輸業(yè)得到了如此廣泛的應(yīng)用，但其與鋼相比室溫成形性差，鋁合金板材的室溫成形性只有深沖鋼板的三分之二，延伸率也只有10%左右，大大低于深沖鋼板50%的延伸率，而其楊氏模量只有鋼板的二分之一左右，故造成零件成形后回彈嚴(yán)重。要使其精確成形出制件，就要改善其成形性能。而目前常用的鋁合金溫、熱成形方法， 雖然能提高成形過程中鋁合金的成形性能，但也存在諸如:晶粒容易長(zhǎng)大最終影響零件的機(jī)械性能，能耗高、生產(chǎn)效率低等方面的問題。
[0004]鋁合金可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，在各行各業(yè)的鋁合金應(yīng)用中，以可變形鋁合金為主，變形鋁合金的分類如圖2所示。對(duì)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金沖壓成形零件，需要在沖壓成形完成后進(jìn)行固溶處理和時(shí)效處理，才能滿足其使用性能要求。在固溶處理過程中，薄壁沖壓成形零件容易產(chǎn)生因熱脹冷縮而導(dǎo)致的翹曲變形，從而影響零件的最終尺寸和形狀精度，一些復(fù)雜形狀的零件甚至?xí)霈F(xiàn)開裂現(xiàn)象。
[0005]因此，尋求一種既改善成形性又降低成本、且可保持高強(qiáng)度的鋁合金零件制造工藝對(duì)鋁合金在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用是至關(guān)重要的。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，該工藝在保持可熱處理鋁合金沖壓零件使用性能的基礎(chǔ)上，同時(shí)進(jìn)行可熱處理鋁合金的沖壓成形和固溶處理，以提高可熱處理鋁合金的沖壓成形性能以及其沖壓零件的成形精度，減小零件在固溶處理的淬火過程中翹曲變形，降低制造成本。[0008]本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的:
一種可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，采用以下步驟進(jìn)行:
(1)制備可熱處理鋁合金毛坯:利用沖裁、線切割或激光切割的工藝將可熱處理鋁合金加工成所需形狀的成形毛坯；
(2)加熱保溫:將可熱處理鋁合金毛坯加熱到固溶處理溫度并保溫10-60分鐘，在加熱、保溫的初期，鋁合金的第二相原子溶入鋁基體形成過飽和固溶體，得到單相金屬組織；在保溫后期，鋁合金中的合金元素進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，均勻分布在鋁基體上，形成均勻的高溫過飽和固溶體；
在加熱爐中將可熱處理鋁合金成形毛坯加熱到固溶處理溫度，并保溫一段時(shí)間，得到單相過飽和固溶體。在加熱過程和保溫的初期階段，原始狀態(tài)下的可熱處理鋁合金中的第二相原子將溶入鋁基體形成過飽和固溶體，得到單相金屬組織；而在保溫后期鋁合金中的合金元素進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，均勻分布在鋁基體上，形成成分均勻的高溫過飽和固溶體，為后續(xù)固溶處理獲得室溫狀態(tài)下成分均勻的過飽和固溶體作組織準(zhǔn)備。同時(shí)，高溫狀態(tài)下可以提高可熱處理鋁合金的塑性，降低變形抗力，為后期的沖壓成形作力學(xué)性能方面的準(zhǔn)備。
[0009](3)同步淬火成形:將加熱后的可熱處理鋁合金毛坯移入帶有冷卻水道的同步淬火成形模具，進(jìn)行沖壓成形并保壓；
在此過程中，加熱后的可熱處理鋁合金毛坯在模具的作用下發(fā)生塑性變形，得到需要的零件形狀。由于毛坯在高溫狀態(tài)下進(jìn)行塑性變形，可熱處理鋁合金的塑性好、變形抗力小易于成形；此外，變形過程中的加工硬化作用與動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化作用同時(shí)存在，不會(huì)出現(xiàn)明顯的加工硬化現(xiàn)象。沖壓成形和保壓過程中利用毛坯與模具之間的熱傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)可熱處理鋁合金毛坯的快速冷卻，將溶入基體的合金原子鎖定，得到室溫狀態(tài)下成分均勻的過飽和固溶體，為后續(xù)時(shí)效處理獲得彌散分布細(xì)小強(qiáng)化相作組織準(zhǔn)備。
[0010](4)外形切割:將步`驟(3)處理后的鋁合金通過進(jìn)行切邊修正，得到最終所需形狀的零件；
(5)時(shí)效處理:利用自然時(shí)效或人工時(shí)效的方式，使固溶處理后室溫狀態(tài)下的過飽和固溶體中的合金原子析出，形成均勻分布在基體上的細(xì)小強(qiáng)化相。
[0011]可熱處理鋁合金時(shí)效的目的是為了將固溶處理后室溫狀態(tài)下的過飽和固溶體中的合金原子析出，形成均勻分布在基體上的細(xì)小強(qiáng)化相，提高鋁合金的強(qiáng)度和剛度，以滿足可熱處理鋁合金零件的使用要求。時(shí)效處理可分為:人工時(shí)效和自然時(shí)效。自然時(shí)效是指:可熱處理鋁合金中的合金原子在自然條件下析出形成強(qiáng)化相。人工時(shí)效是指:可熱處理鋁合金中的合金原子在加熱的條件下析出形成強(qiáng)化相。
[0012]所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，步驟(1)中所述的鋁合金為2XXX系、6XXX系或7XXX系。
[0013]所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，步驟(2)中所述的處理溫度為420-540 °C。
[0014]所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，步驟(3)中所述的移入同步淬火成形模具時(shí)間為5-20秒。
[0015]所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，步驟(3)中所述的沖壓成形的沖壓速度大于100mm/s。[0016]所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，步驟(3)所述的保壓的時(shí)間為30-120 秒。[0017]所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，步驟(4)所述的外形切割使用沖裁、激光切割或機(jī)加工的方法。
[0018]同步淬火熱成形工藝是一種同時(shí)進(jìn)行可熱處理鋁合金固溶處理和沖壓成形的新工藝，在同步淬火熱成形過程中，首先將可熱處理鋁合金板料加熱到固溶處理溫度并保溫一段時(shí)間，使其中的第二相溶入基體得到成分均勻的高溫組織；然后將板料送入帶有冷卻裝置的同步淬火熱成形模具中進(jìn)行沖壓成形并保壓一段時(shí)間，利用板料與模具表面之間的熱傳導(dǎo)對(duì)板料進(jìn)行快速冷卻，將合金原子均勻鎖在基體內(nèi)；此后再將成形好的產(chǎn)品取出進(jìn)行后續(xù)的修邊處理。可熱處理鋁合金同步淬火熱成形完成以后，再配合相應(yīng)的時(shí)效處理工序，就可以得到需滿足使用性能要求的最終產(chǎn)品。
[0019]從可熱處理鋁合金毛坯的制作開始，將可熱處理鋁合金毛坯加熱到固溶處理溫度并保溫一段時(shí)間使其內(nèi)部成分、組織均勻化；然后在同步淬火熱成形模具中對(duì)毛坯同時(shí)進(jìn)行沖壓成形和固溶處理；并經(jīng)過修整外形后獲得零件最終形狀及尺寸；最后進(jìn)行時(shí)效處理。
[0020]同步淬火熱成形工藝是利用處于固溶處理溫度下的可熱處理鋁合金板料毛坯，塑性和延展性增加而屈服強(qiáng)度下降的特點(diǎn)，利用同步淬火成形模具對(duì)其進(jìn)行沖壓成形；同時(shí)利用板料毛坯與模具之間的熱傳導(dǎo)對(duì)板料進(jìn)行快速冷卻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)可熱處理鋁合金板料毛坯同時(shí)進(jìn)行沖壓成形和固溶處理的目的。
[0021]本發(fā)明提供的可熱處理鋁合金固溶處理，是將2XXX系、6XXX系、7XXX系鋁合金加熱到420°C以上，然后快速冷卻至室溫。而鋁合金在200°C以上時(shí)，其成形性能相對(duì)于室溫時(shí)有很大的提高，但成形抗力降低。因此，在加熱狀態(tài)下成形出來的鋁合金零件精度高，所需的沖壓力小。所以，可利用可熱處理鋁合金在固溶處理開始時(shí)溫度較高的特點(diǎn)，在可熱處理鋁合金板料固溶處理的過程中同時(shí)進(jìn)行沖壓成形。
[0022]同步淬火熱成形過程中同時(shí)進(jìn)行可熱處理鋁合金的固溶處理和沖壓成形，與傳統(tǒng)的可熱處理鋁合金板料成形零件的先冷沖壓成形后固溶處理工藝相比優(yōu)勢(shì)在于:
(O同步淬火熱成形工藝在高溫狀態(tài)下進(jìn)行可熱處理鋁合金板料的成形，鋁合金成形性能相比室溫條件下有明顯的提升，變形量大、成形力小、成形精度高；
(2)同步淬火熱成形工藝同時(shí)進(jìn)行成形和固溶處理兩道工序，沒有增加額外的工序，不會(huì)增加制造成本，并且在固溶處理的淬火過程中鋁合金制品始終與模具接觸，不會(huì)因熱脹冷縮而導(dǎo)致翹曲變形；
(3)由于毛坯的熱處理狀態(tài)會(huì)對(duì)可熱處理鋁合金板料成形性能產(chǎn)生影響，所以傳統(tǒng)的可熱處理鋁合金板料冷沖壓成形過程中往往采用退火態(tài)(O態(tài))毛坯，這就使得非退火態(tài)(O態(tài))的可熱處理鋁合金毛坯在冷沖壓成形之前必須進(jìn)行退火工序，而同步淬火熱成形工藝直接將毛坯加熱固溶處理溫度，毛坯的熱處理狀態(tài)不會(huì)對(duì)同步淬火成形過程產(chǎn)生影響，可以用直接利用軋制狀態(tài)的毛坯進(jìn)行可熱處理鋁合金沖壓零件的生產(chǎn)，所以同步淬火熱成形工藝相對(duì)傳統(tǒng)的可熱處理鋁合金板料成形零件的先冷沖壓成形后固溶處理工藝，具有能耗低、成本低的特點(diǎn)。
[0023](4)可熱處理鋁合金板料同步淬火熱成形過程中，只需要對(duì)鋁合金板料進(jìn)行一次加熱，無需對(duì)模具進(jìn)行加熱，故加熱時(shí)間短；而傳統(tǒng)的可熱處理鋁合金板料溫?zé)岢尚?固溶處理工藝，需要對(duì)板料進(jìn)行溫?zé)岢尚魏凸倘芴幚韮纱渭訜幔⑶铱蔁崽幚礓X合金板料在溫?zé)岢尚芜^程中需要對(duì)模具進(jìn)行加熱。所以，與傳統(tǒng)的可熱處理鋁合金板料溫?zé)岢尚?固溶處理工藝相比，同步淬火熱成形工藝能耗低、生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便，不會(huì)發(fā)生因晶粒長(zhǎng)大而導(dǎo)致的材料力學(xué)性能下降。
[0024]可見，將同步淬火熱成形工藝應(yīng)用于可熱處理鋁合金產(chǎn)品的生產(chǎn)，并在成形之后配以適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理，可以在保證鋁合金產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，縮短生產(chǎn)周期，提高制件成形精度，降低生產(chǎn)成本，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0025]
【專利附圖】

【附圖說明】 [0026]圖1為可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝流程圖。
[0027]圖2為變形鋁合金的分類圖。
[0028]圖3為同步淬火熱成形模具示意圖，其中I為模具體，2為冷卻水道。
[0029]【具體實(shí)施方式】:
以下實(shí)施例中所用的同步淬火熱成形模具為圖3所示，包括模具體I和冷卻水道2。
[0030]實(shí)施例1:
以西南鋁業(yè)生產(chǎn)厚度為0.8mm的H18態(tài)7075鋁合金板料的同步淬火彎曲成形為例，其主要成分如表1所示。根據(jù)GB16865-1997《變形鋁、鎂及其合金加工制品拉伸試驗(yàn)用試樣》中圖2及表3的規(guī)定,從毛還上截取試樣,按照國標(biāo)228.1-2010《金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)第一部分:室溫實(shí)驗(yàn)方法》，測(cè)得H18態(tài)7075鋁合金毛坯力學(xué)性能如表2所示。
[0031]表1試驗(yàn)所用H18態(tài)7075鋁合金成分

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【權(quán)利要求】
1.一種可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，其特征在于，采用以下步驟進(jìn)行: (1)制備可熱處理鋁合金毛坯:利用沖裁、線切割或激光切割的工藝將可熱處理鋁合金加工成所需形狀的成形毛坯； (2)加熱保溫:將可熱處理鋁合金毛坯加熱到固溶處理溫度并保溫10-60分鐘，在加熱、保溫的初期，鋁合金的第二相原子溶入鋁基體形成過飽和固溶體，得到單相金屬組織；在保溫后期，鋁合金中的合金元素進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，均勻分布在鋁基體上，形成均勻的高溫過飽和固溶體； (3)同步淬火成形:將加熱后的可熱處理鋁合金毛坯移入帶有冷卻水道的同步淬火成形模具，進(jìn)行沖壓成形并保壓； (4)外形切割:將步驟(3)處理后的鋁合金通過進(jìn)行切邊修正，得到最終所需形狀的零件； (5)時(shí)效處理:利用自然時(shí)效或人工時(shí)效的方式，使固溶處理后室溫狀態(tài)下的過飽和固溶體中的合金原子析出，形成均勻分布在基體上的細(xì)小強(qiáng)化相。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，其特征在于，步驟Cl)中所述的鋁合金為2XXX系、6XXX系或7XXX系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，其特征在于，步驟(2)中所述的處理`溫度為420-540°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，其特征在于，步驟(3)中所述的移入同步淬火成形模具時(shí)間為5-20秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，其特征在于，步驟(3)中所述的沖壓成形的沖壓速度大于100mm/s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，其特征在于，步驟(3)所述的保壓的時(shí)間為30-120秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可熱處理鋁合金同步淬火熱成形工藝，其特征在于，步驟(4)所述的外形切割使用沖裁、激光切割或機(jī)加工的方法。
【文檔編號(hào)】C21D8/00GK103695817SQ201310672459
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】陳明和, 陳國亮, 謝蘭生 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)