CN109402538A - 一种自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺 - Google Patents
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Abstract
一种自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，将自然时效态铝合金迅速加热至150‑280℃之间，保温20秒内，并在保温过程中冲压成形，或者在保温后不降温立即冲压成形，本发明可以使长时间室温存储的铝合金在保证材料性能的同时提高其成形性和加工效率，在较低温度下显著提高合金冲压成形性，成形后的构件具有很好的时效强化效果，该一体化工艺有利于高强合金的形/性协同控制。
Description
技术领域
本发明属于金属板材成型加工技术领域，涉及可热处理强化的高强铝合金板材的冲压热处理复合成形，特别涉及一种自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺。
背景技术
铝合金密度低且强度高，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。一些变形铝合金可通过热处理强化获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能(例如2xxx系、6xxx系和7xxx系铝合金)，广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造、船舶及建筑领域。高强铝合金的热加工工艺决定最终产品使用性能，合金固溶淬火后在进行后续处理之前，不可避免的要在室温下停留一段时间。自然时效后的合金硬度升高非常明显，后续冲压成形制造难度增大，且成形后零件回弹严重，成形精度低，同时自然时效会对后续的人工时效强化造成不利影响。由于高温可以大大改善成形性能，热冲压成形是高强铝合金尤其是复杂铝合金零部件的重要成形加工方法，在生产中逐渐得到应用。传统的热冲压方法为了保证良好的可成形性及零件的强度，工序较为繁琐，一般先将坯料加热至比较高的温度(比如固溶温度)并保温一定时间，转移至成形模具进行热成形，然后立即使用液体喷雾或在模具内设置冷却管道进行冷却。冷却速度低时高淬火敏感性的合金会在冷却过程形成很多粗大析出相进而降低后续人工时效的析出强化效果。此过程工序较多，生产周期长，模具复杂，成形零件的强度和精度难以保证，生产成本较高。因此，需寻求一种可降低成本、提高成形效率且可保持铝合金冲压件性能的制造工艺。
为了改善高强铝合金的冲压成形性，目前的解决方案主要是通过加热到较高温度下成形。例如国内公开号为CN105215122A的发明专利“一种自然时效态铝合金薄板的成形方法”提出一种铝合金自然时效态冲压成形工艺，该发明在清洗模具后，首先将柔性隔热垫固定于下模具上，并用干冰清洗上模具至-20℃～-10℃的表面温度，之后采用感应加热方法将2024-T4态铝合金板坯加热至490～500℃，保温2～3min后撤去隔热垫，接着进行冲压成形并保压130～180s。该工艺虽然可以实现复杂构件成形，但其工艺流程繁琐，成型模具需配备隔热和冷却装置。成形过程中加热温度较高，温度精度难以控制，可能会造成晶粒粗化影响后续性能。冷却过程控制不当易于形成粗大析出相，造成时效强化效果损失，难以获得足够的强度。
授权公告号为CN104117562B的发明专利“铝合金板材冲压成型方法”提出一种铝合金冲压成型方法，该发明首先将板材加热至495-500℃，保温30-60分钟后迅速水淬，并在8小时内在250-290℃范围内完成冲压成型。该方法可在一定程度上降低冲压成型过程中温度高引起的擦伤、变形和开裂问题。但该工艺步骤繁琐，需要将工件先加热到较高温度水淬冷却后再成型，能耗较高。国内公开号为CN10768695A的发明专利“一种提高7075铝合金冲压成形性的热处理方法”公开了一种在7075铝合金最佳成形温度区间冲压成形方法，在常规固溶处理步骤和冷模具成形步骤之间添加空冷或喷雾冷却的强制冷却步骤，当冷却至410℃时迅速转移至模具进行成形，保证板料变形的初始温度为400-420℃。该方法可以在提高材料成形性的同时保证材料的最终力学性能。但是其增加的强制冷却步骤使得成形工艺繁琐，并且成形温度区间难以精确控制。
在现有铝合金板材的冲压成形生产中，基本都需要将板材先加热到较高温度保温一定时间，再通过冷却装置冷却到一定温度成形，在此高温下成形可能会造成板材开裂、变形、晶粒粗化、性能降低等，并且此种工艺效率较低、能耗较大。综上所述，开发工艺简便成本低廉的便于实际应用的提高铝合金成形性的工艺对生产高品质铝合金构件非常重要。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，可以使长时间室温存储的铝合金在保证材料性能的同时提高其成形性和加工效率，在较低温度下显著提高合金冲压成形性，该一体化工艺有利于高强合金的形/性协同控制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，将自然时效态铝合金迅速加热至150-280℃之间，保温20秒内，并在保温过程中冲压成形，或者在保温后不降温立即冲压成形。
本发明所述铝合金为自然时效硬化效应明显的7xxx系、2xxx系和6xxx系合金。
优选地，所述自然时效态铝合金放置于冲压成形模具上，利用电磁感应或导电加热。
优选地，所述迅速加热是加热时间在20秒内。
优选地，在加热温度达到150℃前，加热速度大于20℃/秒。
优选地，所述加热的温度为180℃～200℃。
优选地，所述成形后的构件空冷至室温并在2天内(最好是1天内)进行时效热处理强化，即180℃～200℃下的人工时效处理。
下面对本发明原理做进一步解释和说明：
上述室温放置的铝合金在材料生产厂家经过固溶处理和淬火，使过剩相充分溶解到固溶体中后转移到水中快速冷却，以得到过饱和固溶体。固溶淬火处理工艺是很普通的现有技术，可热处理铝合金都会经过此工艺处理。
锌、铜和镁等元素是高强铝合金如7xxx系和2xxx系添加的主要合金元素，该类合金的时效硬化潜力就与这些元素在热处理过程中的析出有关。这些元素在室温放置过程也会发生偏聚，形成的自然时效团簇可以在加工变形时有效阻碍位错的运动，进而加大成形的难度。另外，自然时效团簇会对后续人工时效的析出行为产生负面影响，降低硬化潜力。为了提高铝合金构件成形能力和最终获得的力学性能，很有必要通过一定工艺使自然时效态合金硬度降低。机械加工厂缺少相应的装备，一般不可能再对铝合金进行重新固溶和淬火。通过高温回归再成形处理的难度也相当大，控制不当铝合金容易过时效，这不仅会使铝合金更难加工，也会抑制后续时效处理强化的效果。
本发明研究了高强铝合金板材中自然时效团簇在各个温度的稳定性以及回溶和再析出的竞争关系，提出了适合室温放置高强铝合金板材回归成形同步的成形方法(本发明的热处理方法)，可以提高上述铝合金加工成形性和后续硬化的潜力。在回归过程中直接成形可以提高铝合金的成形极限和成形效率，回归温度与铝合金常规时效温度相当，冷却过程不易发生析出相粗化，冷却速度不需特别控制，可以利用空气和磨具使铝合金冷却，节省能耗。
因此，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、与传统加热设备相比，电磁感应加热采用非接触式的加热方式，加热速度快，温度容易控制，安全高效，产品质量稳定，温度容易控制，对加热条件限制少，容易实现工厂大规模生产。
2、通过优化升温方式和加热工艺，本发明可以有效地控制自然时效团簇中溶质元素的回溶和再析出过程，在发明所述保温温度和时间内强度较室温低200MPa以上且延伸率提升一倍以上，易于加工成形，此时合金接近固溶淬火态，后续人工时效强化效果好。这样在提升铝合金成形能力的同时又保证了时效强化后构件的力学性能。
3、本发明所述的热处理方法可以在现有的成形装备中进行，不需添加新的热处理装备；适合实际生产高强铝合金冲压件；成形温度较低且有较大温度窗口，工艺可控性强，易于保证产品质量稳定，不会造成晶粒粗化和性能弱化。
4、本发明在铝合金加热保温的同时直接成形，整个过程时间很短且温度较现有方法低很多，还可以利用空气和磨具使铝合金冷却，不需要专门设计带冷却系统的成形模具，缩短制造流程，提高成形效率，能耗降低。
5、本发明提供的工艺可以改善高强铝合金板材的成形能力，便于形性协同控制，提升铝合金制件的品质。
附图说明
图1为对比实施例1室温压缩曲线和实施例1回归同步热压缩曲线的对比示意图。
具体实施方式
以下结合实施案例对本发明方法进一步阐释并进行数据说明，但本发明不局限于这些实施例。本发明所述室温一般为0℃-30℃之间均可。
实施例所用样品为商用7B04高强合金。合金硬度测试在Vickers硬度试验机上进行，实验载荷为4.9N，持续时间为15s。拉伸试验采用标准为：GB/T228-2002。
基于以上考虑设计了以下实施例：
对比实施例1
7B04铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下分别停放2周后进行室温压缩试验。
实施例1
7B04铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下停放2周，然后采用电磁感应加热至180℃，保温10s、30s、2min后进行热压缩试验。
实施例2
7B04铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下停放2周，然后采用电磁感应加热至250℃，保温10s后进行热压缩试验。
实施例3
7B04铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下停放2周，然后采用电磁感应加热至280℃，保温10s后进行热压缩试验。
实施例4
7B04铝合金在空气循环电阻炉中进行固溶处理水淬后，得铝合金板材；再在室温下停放2周，然后采用电磁感应加热至180℃，保温10s后进行热压缩；空冷至室温并放置一天后进行180度30分钟的人工时效处理(模拟烤漆强化效果)然后进行室温压缩试验。
表1是对比实施例1和实施例1不同保温时间工艺处理后的压缩性能测试值，以上实施例均重复3次以上。可见自然时效的合金室温下强度较大，延伸率低。经180℃保温10秒钟回归处理后屈服强度下降近200MPa，延伸率也提高近一倍，加工成形能力显著提升。如果回归保温时间延长，合金屈服强度反而会升高，不易于加工。图1是对比实施例1中铝合金放置2周后的室温压缩曲线和实施例2回归成形同步处理合金的热压缩曲线。结果再次说明本发明提供的工艺在较低的成形温度下强度显著降低，可成形性大幅度提升。
表2是实施例2-4相应工艺处理后的压缩性能。可见如果回归温度升高，强度会进一步降低，但过高的温度控制难度增加，冷却过程易于形成粗大析出相。另外实施例4的压缩测试显示，经本发明工艺成形后的合金短期人工时效处理后强度大幅度提升，屈服强度可达500MPa以上，非常适合汽车工业的烤漆强化工艺。
表1对比实施例1和实施例1不同保温时间后相应工艺处理后的压缩性能
| 10秒钟 | 30秒钟 | 2分钟 | 对比实施例1 | |
| 屈服强度 | 189MPa | 236MPa | 301MPa | 392MPa |
| 极限强度 | 456MPa | 462MPa | 471MPa | 667MPa |
| 断后延伸率 | 68％ | 69％ | 65％ | 36％ |
表2对比实施例1和实施例2-4相应工艺处理后的压缩性能
综上可知，利用本发明提出的回归成形同步处理工艺，回归处理10s后合金屈服强度可以下降200MPa，合金延伸率也有大幅度提升，处理后合金状态接近淬火态，放置一天后快速时效强化效果仍然显著。本发明既可以降低铝合金的强度提升其成形能力，又可以保证后续时效过程的析出强化，因此便于形/性协同控制，提升铝合金制件的品质。
Claims (8)
1.一种自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，其特征在于，将自然时效态铝合金迅速加热至150-280℃之间，保温20秒内，并在保温过程中冲压成形，或者在保温后不降温立即冲压成形。
2.根据权利要求1所述自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，其特征在于，所述自然时效态铝合金放置于冲压成形模具上，利用电磁感应或导电加热。
3.根据权利要求1所述自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，其特征在于，所述迅速加热是加热时间在20秒内。
4.根据权利要求1或3所述自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，其特征在于，在加热温度达到150℃前，加热速度大于20℃/秒。
5.根据权利要求1所述自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，其特征在于，所述加热的温度为180℃～200℃。
6.根据权利要求1所述自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，其特征在于，所述铝合金为自然时效硬化效应明显的7xxx系、2xxx系和6xxx系合金。
7.根据权利要求1所述自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，其特征在于，所述成形后的构件空冷至室温并在2天内进行时效热处理强化。
8.根据权利要求7所述自然时效态高强铝合金回归成形同步工艺，其特征在于，所述时效热处理强化是在180℃～200℃下的人工时效处理。
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- 2018-12-28 CN CN201811627676.8A patent/CN109402538B/zh active Active
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