一種提高高強(qiáng)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(fā)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(shí)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(xù)軋制變形步驟；(4)短時(shí)再結(jié)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(xì)化到10μm及以下，細(xì)晶組織經(jīng)過峰時(shí)效處理后可使鋁合金板材室溫強(qiáng)度與傳統(tǒng)熱軋工藝獲得的板材相當(dāng)，而延伸率獲得大幅提高。與傳統(tǒng)熱軋工藝相比，經(jīng)本工藝加工的淬火態(tài)板材室溫成形性能有一定提高，退火態(tài)板材室溫成形性獲得巨大提高，峰時(shí)效態(tài)板材的溫成形性能也獲得巨大提高。本發(fā)明中提高7000系鋁合金板材成形性的細(xì)晶處理方法，過程簡(jiǎn)單、周期短、能耗低，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有很大應(yīng)用潛力和價(jià)值。
【專利說明】一種提高高強(qiáng)鋁合金板材塑性和成形性的形變熱處理方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種改善高強(qiáng)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(xì)化處理方法，屬于金屬材料形變熱處理工藝【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] Al-Zn-Mg-Cu(7000)系合金是一類重要的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料，與Al-Mg-Si(6000) 系合金相比強(qiáng)度高，但其塑性和成形性差。細(xì)晶組織7000系鋁合金的塑韌性以及腐蝕性能 也會(huì)有所改善，因此細(xì)化晶粒成為改善鋁合金綜合性能的方法。鋁合金堆垛層錯(cuò)能較高，再 結(jié)晶比較困難，鋁合金晶粒細(xì)化主要通過不連續(xù)再結(jié)晶來實(shí)現(xiàn)。
[0003] 中間形變熱處理（ITMT)可以通過不連續(xù)再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)鋁合金晶粒細(xì)化。目前用于 7000系錯(cuò)合金晶粒細(xì)化的ITMT工藝是1982年J. Wert等人（J. Wert, et al. Metallurgical Transactions A，1981，12A :1267)開發(fā)的相對(duì)簡(jiǎn)單的RI-ITMT工藝，工藝步驟包括：固溶淬 火，400°C /8小時(shí)過時(shí)效，中溫變形以及固溶再結(jié)晶處理。他們用這種工藝將7075鋁合金 晶粒細(xì)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(shí)處理 獲得大顆粒，獲得大顆粒后繼續(xù)室溫或者中溫變形在大顆粒周圍形成變形帶，后續(xù)再結(jié)晶 處理時(shí)利用粒子誘導(dǎo)再結(jié)晶形核來實(shí)現(xiàn)組織細(xì)化。但是，RI-ITMT工藝需要長時(shí)間的高溫 過時(shí)效處理，工藝周期長，能耗大，不能連續(xù)生產(chǎn)，因此，開發(fā)一種操作簡(jiǎn)單、工藝周期短、能 實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)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(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有工藝之不足而開發(fā)一種方法簡(jiǎn)單、操作方便、生產(chǎn)周 期短的固溶處理-冷軋變形-保溫+連續(xù)變形-短時(shí)再結(jié)晶的7000系鋁合金形變熱處理 組織細(xì)化處理方法。固溶態(tài)鋁合金經(jīng)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(xù)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(xù)再結(jié)晶處理時(shí)激發(fā)再結(jié)晶形核。該工藝?yán)美滠埮c保溫相結(jié)合的方式來代替 單純的過時(shí)效，大大縮短了經(jīng)典的RI-ITMT工藝的周期，可在簡(jiǎn)單操作下獲得細(xì)晶組織，大 大提高高強(qiáng)鋁合金的塑韌性，并顯著改善強(qiáng)度和塑性各向異性，大大提高其成形性能，可廣 泛應(yīng)用于沉淀強(qiáng)化型7000系鋁合金。
[0005] 本發(fā)明涉及一種提高7000系鋁合金板材塑性和成形性的晶粒細(xì)化處理方
[0006] 法，包括下述步驟：
[0007] (1)固溶
[0008] 7000系鋁合金進(jìn)行固溶處理，固溶溫度460-500°C，保溫時(shí)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(xù)變形
[0012] 通過第二步得到的板材，進(jìn)行保溫和連續(xù)變形處理，保溫溫度T為200-450°C，保 溫時(shí)間t固定為30min ;R2連續(xù)變形方式為軋制，變形量為40-90%，變形過程不回爐；
[0013] (4)短時(shí)再結(jié)晶
[0014] 將第三步獲得的板材快速加熱至460-490°C進(jìn)行再結(jié)晶處理，保溫時(shí)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(shí)間為30min，連續(xù)變形量 50-90%，或者保溫溫度控制在350-400°C，保溫時(shí)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(shí)間30min，連續(xù)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(shí)間30min，連續(xù)變形量 60% -80%。
[0018] 其中，步驟4中，再結(jié)晶時(shí)的升溫速率彡1°C /s。
[0019] 其中，對(duì)步驟4獲得的短時(shí)再結(jié)晶并水淬的板材進(jìn)行T6、T76、T74、T73或T77時(shí) 效處理。
[0020] 其中，將所得到的最終板材進(jìn)行室溫成形性或溫成形測(cè)試，測(cè)試方法采用國標(biāo)GB/ Τ4156-2007描述的方法。
[0021] 采用以上形變熱處理方法對(duì)7000系鋁合金板材進(jìn)行處理，利用冷變形與保溫相 結(jié)合的方式代替單純的過時(shí)效加速大尺寸沉淀相顆粒的析出，從而獲得能激發(fā)再結(jié)晶的核 心，實(shí)例操作中，第三步短時(shí)保溫處理后即獲得一定數(shù)量的沉淀相（平均尺寸〇. 5 μ m)，從 而代替了 RI-ITMT的長時(shí)過時(shí)效處理，大大縮短整套工藝的時(shí)間。將再結(jié)晶水淬后的板材 進(jìn)行T6時(shí)效處理后，板材強(qiáng)度與傳統(tǒng)熱軋工藝相當(dāng)，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(jié)合的方式獲得大尺寸沉淀相 MgZn2顆粒，在隨后的連續(xù)變形中在大顆粒周圍可以形成變形帶，而在短時(shí)再結(jié)晶階段再結(jié) 晶晶粒就會(huì)以沉淀相為核心形核，從而獲得細(xì)小再結(jié)晶組織。
[0023] 實(shí)驗(yàn)表明，7000系鋁合金通過上述的固溶處理-冷軋變形-保溫+連續(xù)變形-短 時(shí)固溶再結(jié)晶工藝與常規(guī)的形變熱處理工藝相比，本發(fā)明提供的工藝大大縮短了制備時(shí) 間，降低操作難度，在獲得良好的細(xì)晶組織后時(shí)效態(tài)7000系鋁合金板材保持良好強(qiáng)度的同 時(shí)延伸率得到了極大的提高，淬火態(tài)、退火態(tài)板材室溫成形性能提高明顯，淬火態(tài)板材峰時(shí) 效后溫成形性能得到大幅提高。兼具良好的強(qiáng)度和塑韌性的材料對(duì)航空航天、交通運(yùn)輸?shù)?領(lǐng)域的發(fā)展有重要意義，適于工業(yè)化應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1是本發(fā)明工藝流程不意圖。
[0025] 圖2是初始態(tài)7075合金再結(jié)晶并水淬的組織。
[0026] 圖3是實(shí)施例1中固溶態(tài)合金經(jīng)冷變形和短時(shí)保溫處理后的MgZn2分布圖。
[0027] 圖4是實(shí)施例1中合金經(jīng)再結(jié)晶并水淬的組織。
[0028] 圖5是實(shí)施例1中對(duì)比例I合金經(jīng)再結(jié)晶并水淬的組織。
[0029] 圖6是實(shí)施例1中對(duì)比例II傳統(tǒng)熱軋合金經(jīng)再結(jié)晶并水淬的組織。
[0030] 圖7是實(shí)施例2中合金經(jīng)再結(jié)晶水淬的組織。
[0031] 圖8a、b是實(shí)施例3中不同工藝的合金經(jīng)再結(jié)晶并水淬的組織。
[0032] 圖9是實(shí)施例4中合金經(jīng)固溶再結(jié)晶并水淬的組織。。
[0033] 圖10是實(shí)施例5中7050合金經(jīng)再結(jié)晶并水淬的組織。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 實(shí)施例1
[0035] 根據(jù)圖1所示工藝，采用7075鋁合金為軋制材料。為使溶質(zhì)原子固溶到基體中， 對(duì)板材進(jìn)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(tài)7075合金的 金相組織。變形在普通二輥軋機(jī)上實(shí)現(xiàn)，將15mm厚固溶態(tài)7075合金板材進(jìn)行冷軋變形，變 形量30 %，將冷軋態(tài)合金在400°C保溫30min后繼續(xù)在軋機(jī)上對(duì)板材進(jìn)行80 %的連續(xù)軋制， 連續(xù)軋制過程不回爐。將最終軋制板材進(jìn)行480°C /30min的再結(jié)晶處理，再結(jié)晶完成后冷 卻方式分別采用水淬（W態(tài)）和空冷（0態(tài)）。圖4為軋板再結(jié)晶水淬后的金相組織，用線 性截距法測(cè)得此時(shí)合金的平均晶粒尺寸為9.8 μ m。采用兩個(gè)對(duì)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(shí)效-溫軋變形量90% -再結(jié)晶， II :對(duì)15mm厚固溶態(tài)7075進(jìn)行400°C傳統(tǒng)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(jié)晶水淬處理后的金相組織，可見傳統(tǒng)熱軋得到的仍是拉長的 100 μ m的晶粒。隨后對(duì)本發(fā)明工藝及兩個(gè)對(duì)比工藝水淬的板材進(jìn)行T6時(shí)效處理，并對(duì)時(shí)效 態(tài)板材進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，如表1所示。對(duì)三種工藝獲得的空冷和水淬的板材進(jìn)行室溫成 形性測(cè)試，對(duì)三種工藝獲得的峰時(shí)效的板材進(jìn)行200°C的溫成形測(cè)試（T6-200°C )，如表2所 示。從中可看出，本發(fā)明的工藝與傳統(tǒng)熱軋工藝相比，峰時(shí)效態(tài)板材在獲得同樣強(qiáng)度的情況 下提高了塑性。本發(fā)明的板材三種狀態(tài)下的成形性均高于傳統(tǒng)熱軋工藝，且與RI-ITMT工 藝相當(dāng)，但本發(fā)明與RI-ITMT工藝相比大大縮短了工藝時(shí)間，非常有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0036] 實(shí)施例2
[0037] 根據(jù)圖1所示機(jī)械熱處理工藝，采用經(jīng)475 °C /1. 5h固溶處理的7075合金為軋制 材料（板厚7. 5mm)。將其進(jìn)行冷軋變形，變形量40%，冷軋態(tài)板材經(jīng)350°C保溫30min后繼 續(xù)在軋機(jī)上進(jìn)行變形量為70%的連續(xù)變形，不回爐。將最終軋制板材經(jīng)過480°C /0. 5h再 結(jié)晶水淬處理，圖7為所獲得的細(xì)晶組織。最終軋板經(jīng)480°C /0. 5h固溶和T6時(shí)效處理，此 時(shí)板材強(qiáng)度與實(shí)施例1中相當(dāng)，板材延伸率為16. 6% (表1)，200°C杯突值高于傳統(tǒng)熱軋工 藝。
[0038] 實(shí)施例3
[0039] 根據(jù)圖1所示機(jī)械熱處理工藝，采用經(jīng)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(jī)上實(shí)現(xiàn)50%變形量，之后兩塊冷軋板分別在 350°C、400°C保溫30min后繼續(xù)在軋機(jī)上進(jìn)行變形量70%的連續(xù)變形，不回爐。將最終軋制 板材經(jīng)480°C /0. 5h再結(jié)晶水淬和120°C /24h處理，可獲得細(xì)晶組織分別如圖8a、b所示， 此時(shí)板材強(qiáng)度與實(shí)施例1中相當(dāng)，板材延伸率分別為16. 5%、16. 7%，可見該條件也能實(shí)現(xiàn) 晶粒細(xì)化并提高板材的塑性（表1)和溫成形性（表2)。
[0040] 實(shí)施例4
[0041] 根據(jù)圖1所示機(jī)械熱處理工藝，采用經(jīng)475 °C /1. 5h固溶處理的7075合金為軋制 材料（板厚7. 5mm)。將其進(jìn)行冷軋變形60%，隨后經(jīng)350°C保溫30min，之后繼續(xù)在軋機(jī)上 進(jìn)行變形量為60%的連續(xù)變形，不回爐。將軋后的板材經(jīng)過480°C /0. 5h再結(jié)晶水淬處理， 所獲得的細(xì)晶組織如圖9所示，60%冷軋變形后保溫并連續(xù)變形60%的板材經(jīng)再結(jié)晶和T6 處理后延伸率達(dá)到16. 6 % (表1)，溫成形性能仍好于傳統(tǒng)熱軋板（表2)。
[0042] 實(shí)施例5
[0043] 根據(jù)圖1所示機(jī)械熱處理工藝，采用7050鋁合金為軋制材料（板厚15mm)，
[0044] 對(duì)其進(jìn)行475°C /1. 5h的固溶處理，室溫水淬。對(duì)固溶態(tài)7050進(jìn)行冷軋變形50% 至7. 5臟，將7. 5mm板材在400°C保溫30min后進(jìn)行變形量70%的連續(xù)變形，連續(xù)變形過程 不回爐。將最終軋制板材經(jīng)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(shí)合金的塑性得到了極大的提 高，延伸率高達(dá)20. 9 %，且溫成形性能優(yōu)異。
[0046] 表1本發(fā)明制備的合金T6態(tài)室溫力學(xué)性能
[0047]

【權(quán)利要求】
1. 一種提高高強(qiáng)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(xù)軋制變形步驟；（4)短時(shí)再結(jié)晶 處理步驟；其中， 步驟（1)中，對(duì)7000系鋁合金進(jìn)行固溶處理，使溶質(zhì)原子充分固溶到基體中，其中，固 溶溫度為460-500°C，保溫時(shí)間為0. 5-24h，固溶后室溫水淬； 步驟（2)中，對(duì)固溶態(tài)板材進(jìn)行冷軋變形，其中，冷軋變形量控制在30-80% ; 步驟（3)中，對(duì)步驟⑵得到的板材進(jìn)行保溫和連續(xù)軋制變形，其中，保溫溫度為 200-450°C，保溫時(shí)間30min，保溫之后的連續(xù)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(jìn)行再結(jié)晶處理，保溫時(shí)間 10-60min，隨后空冷或者立即室溫水淬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高高強(qiáng)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(jù)權(quán)利要求1所述的提高高強(qiáng)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(shí)間30min。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高高強(qiáng)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(shí)間30min。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高高強(qiáng)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(xù)變形量為50-90%。
6. 根據(jù)權(quán)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(shí)間30min，連 續(xù)變形量60 % -80%。
7. 根據(jù)權(quán)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(shí)間30min，連 續(xù)變形量60 % -80%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高高強(qiáng)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(jié)晶處理時(shí)的升溫速率彡1°C/s，再結(jié)晶完成后空冷或者室溫水淬。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的提高高強(qiáng)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(duì)步驟（4)獲得的短時(shí)再結(jié)晶并淬火后的板材進(jìn)行時(shí)效處理。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的提高高強(qiáng)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(shí)效處理指T6、T76、T74、T73或T77時(shí)效處理。
【文檔編號(hào)】C22F1/053GK104046933SQ201410223778
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】張濟(jì)山, 莊林忠, 霍望圖, 侯隴剛, 崔華, 劉君城, 郭明星 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)