一种消除铝合金工件残余应力的新方法
【专利摘要】一种消除铝合金工件残余应力的新方法，主要针对传统残余应力消除方法中存在的成本高、操作复杂、要求高、降低工件机械性能、破坏工件表面、使用具有局限性等缺陷，通过深冷处理、上坡淬火技术与传统热处理有机结合，达到消除残余应力和细化晶粒的双重效果。具体操作步骤为：固溶处理、深冷处理、上坡淬火、时效处理。其特点是，工艺方法简单、环保、操作成本低、效果优于传统残余应力消除方法，并且在消除残余应力同时能提高工件综合力学性能等，可实现工业化规模生产。
【专利说明】一种消除铝合金工件残余应力的新方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属加工和深冷处理与热处理领域，特别提供了一种消除铝合金工件残余应力的新方法。
【背景技术】
[0002]铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。同时，铝合金广泛的被应用在工程结构上。然而铝合金工件在制作过程中经常会产生不均匀变形和受热作用等，难免在工件内部产生残余应力。残余应力的存在会带来很多不良后果，使工件在后续机械加工时出现变形、翘曲、扭曲或波浪等异常现象，严重影响其应用。同时，残余应力还能引起材料应力腐蚀开裂。可以明显地缩短构件的使用寿命，加速构件断裂。工程上发生的许多意外的破坏事故，其原因除了材料本身的结构和强度之外，多数是由于残余应力直接或间接造成的，残余应力对材料疲劳强度的影响就最为重要。因此，在铝合金工件服役之前应该尽量消除或减少其内部残余应力。
[0003]工业上常用的残余应力消除方法主要有机械法、退火法、模冷压法等。上述方法均能一定程度上消除工件的残余应力，但同时也存在着一些缺陷，如:
(I)机械法。由于机械法所使用的设备常常为大吨位机器或加工工具，常常对工件表面进行碾压、锤击等操作，很大可能会破坏工件的表面质量，造成对工件的附加损伤，该种方法仅适合于形状简单的零件 ，对复杂界面的工件不适用，且对拉伸前铝合金的组织均匀性要求较高，多用于原材料生产厂家。用这种方法对残余应力的消除程度基本在60%~80%之间，消除效果十分有限，往往只是把应力消除和重新分布调整作为主要目的。与此同时机械法过程中重型工具转移和安放需要消耗大量的劳动力，也增大了加工成本。
[0004](2)退火法。在采取去应力退火工艺降低残余应力时，必须保证构件降温过程非常缓慢和均匀，该过程操作要求极高，否则，将在材料内部产生新的残余应力。一般加热温度越高，保温时间越长，残余应力消除的越明显。但与此同时也使材料的力学性能，如强度、硬度等将发生变化。并且因热作用而导致材料的显微组织改变、金属氧化等问题，反而取得适得其反的结果。由于铝合金材料对温度非常敏感，时效温度的提高，必然明显降低强度及其他机械性能指标。
[0005](3)模冷压法。模冷压法是在一个特制的精整模具中，通过严格控制的限量冷整形来消除复杂形状铝合金模锻件中的残余应力。该种方法是调整而不是消除零件的整体应力水平，它使铝合金模锻件上某些部位的残余应力得到释放的同时，有可能使其他部位的残余应力增大。一方面，鉴于铝合金模锻件本身已存在很大的残余应力，模压变形量过大将可能引起冷作硬化、裂纹和断裂；而变形过小则使应力消除效果不佳，因此需要精确控制，操作要求极高。另一方面，模冷压法所需的模具制作成本很高，使用该方法消除残余应力是不经济的选择。
[0006]总之，上述三种工业上常用铝合金残余应力的消除方法均存在着一些缺点和应用的局限性。
【发明内容】
[0007]本发明旨在克服现有技术之不足，提供一种工艺方法简单环保、操作成本低、在消除残余应力同时能提高工件综合力学性能的消除铝合金工件残余应力新方法。
[0008]为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为:
第一步:固溶
将铝合金工件在410°C飞90°C下保温，保温时间:0.5小时小时后，水冷至室温，固溶处理；
第二步:深冷 将上一步所得试件放入深冷处理装置，以(3°C~12°C)/min的速度冷却至_85°C~-225°C后保温，保温时间:2小时~30小时，进行深冷处理；
第三步:上坡淬火
将第二步所得试件从深冷处理装置中迅速取出放入沸水或其他热介质后保温，转移时间不超过70s，保温温度:80°C ~250°C，保温时间:1分钟~30分钟，进行上坡淬火；
第四步:时效
将第三步处理的铝合金工件放入加热保温装置以(3~12°C) /min的速度加热至90°C~200°C后保温，保温时间:4小时~30小时后，关闭电源，随装置冷却至室温，进行时效处理。
[0009]重复上述第二、三、四步操作I个或数个循环后取出试件即可。
[0010]本发明的积极效果有:①晶粒细化效果。固溶+深冷组合工艺最大化地保留了固溶处理后的过饱和固溶体组织，此外深冷处理过程中，位错在内部压应力作用下发生增殖，同时位错又与溶质原子相互作用致使沉淀物弥散析出，这些增殖位错和弥散析出的沉淀物在随后的时效处理中严重阻碍了晶粒长大的趋势，起到了细化晶粒的作用，提高了材料的强韧性。②残余应力消除。深冷处理后配合上坡淬火工艺，工件内部急速受热膨胀而产生微塑性变形，生成的内部拉应力抵消了由于铝合金工件高温加工后急速冷却产生的原始内部残余压应力，该组合对工件原始内部残余应力起到减小和消除的积极作用，经过多次循环操作，工件内部残余应力基本可以消除。
[0011]经本发明方法(即:固溶-深冷-上坡淬火-时效组合)处理后所制备的铝合金工件残余应力消除效果优异且组织细化，强度塑性等综合力学性能均得到提高:硬度可提升8%~?7%、抗拉强度可提升9%~?6%、屈服强度可提升11%~20%，延伸率可提升7%~?4%，残余应力基本消除84%~95%。
[0012]本发明的优点是:①环保。采用液氮为深冷源，不腐蚀工件，化学性能稳定、无毒、无污染，对环境零危害；②低成本。液氮为制氧工业的副产品，来源广，价格低廉，容易运输和存储等特点，且该方法处理过程不需要多余劳动力；③工艺简单。本发明方法工艺简单，易于操作，适合于工业化的推广和使用强化效果理想。采用本发明所述方法处理后的工件，在保证制品表面质量的同时既能达到几乎完全消除残余应力的目的，还能细化晶粒，提高工件的强度和塑性等指标，有利于提高工件的综合力学性能，一举多得，同时兼顾了获得较佳机械性能与减少残余应力的目的。【专利附图】
【附图说明】
[0013]附图1为本发明实施例1的的总体工艺流程图。
[0014]附图2为本发明实施例1的试件经本发明方法处理前后残余应力对比图。
[0015]附图3为本发明实施例1的试件的铸态金相能谱图。
[0016]附图4为本发明实施例1的试件经本发明方法处理后都金相组织图。
[0017]附图5为本发明实施例1的试件经本发明方法处理后的拉伸断口组织图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例，对本发明做详细介绍: 实施例1
将120 mmX 120 mmX4 mm的6082-T6铝合金板材经540°C固溶Ih，水冷至室温后，放入程序控制深冷箱中(转移时间不超过5s)，以6°C /min的速度从室温冷却至_190°C后保温4h ;然后取出试样迅速放入100°C沸水中保温20min，转移时间不超过5s ;从沸水中取出试件放入马弗炉中以8°C /min的速度加热至175°C后保温7h，关闭电源；待炉温及试件冷却至室温后取出试件重复固溶处理后的三步操作2次后即得本发明之6082板材。经该方法处理后的试件平均硬度由初始120HV提高至135HV (试验力0.98N，保持15s);平均抗拉强度由初始363MPa提高到419MPa ;断后延伸率由10.74%提高到13.93% ;参见附图2可知:经本发明方法处理后板材距中心处各点的残余应力由初始的7(Tl20MPa减少至5~15MPa，消除程度高达88%~93% ;参见附图3和附图4可知:经本发明方法处理后试件的晶粒得到明显细化；参见附图5可知:经本发明方法处理后的试件认为明显的塑性断裂。
[0019]实施例2
将100 mmXIOO mmX 2mm的汽车车身结构件用6061-T6铝合金挤压“T”型材经530°C固溶IOOmin,水冷至室温后,放入程序控制深冷箱中(转移时间不超过5s),以7V /min的速度从室温冷却至_175°C后保温12h ;然后取出试样迅速放入250°C盐浴炉保温15min，转移时间不超过5s ;从盐浴炉中取出试件放入电热干燥箱中以5°C /min的速度加热至170°C后保温8h，关闭电源；待炉温及试件冷却至室温后取出试件重复固溶处理后的三步操作2次后即得本发明之6061 T型材。
【权利要求】
1.一种消除铝合金工件残余应力的新方法，其特征在于:同时结合深冷处理和热处理技术来实现。
2.按照权利要求1所述的新方法，其特征在于:包括以下工艺步骤: (1)将铝合金工件在410°C~590°C，保温时间:0.5小时~4小时后，水冷至室温，固溶处理； (2)将上一步所得试件放入深冷处理装置，以(3°C~12°C)/min的速度冷却至_85°C~-225°C后保温，保温时间:2小时~30小时，进行深冷处理； (3)将第二步所得试件从深冷处理装置中迅速取出放入沸水或其他热介质后保温，保温温度:80°C~250°C，保温时间:1分钟~30分钟，进行上坡淬火； (4)将第三步处理的铝合金工件放入加热保温装置以(3~12°C)/min的速度加热至90°C~200°C后保温，保温时间:4小时~30小时后，关闭电源，随装置冷却至室温，进行时效处理。
3.(5)重复上述第(2)、(3)、(4)步操作I个或数个循环后取出试件。
4.按照权利要求1所述的新方法，其特征在于:深冷处理所用的介质可以是酒精、干冰和液氮。
5.按照权利要求1所述的新方法，其特征在于:上坡淬火所用的热介质可以是沸水、盐浴、油浴和高温有机介质。
【文档编号】C22F1/04GK103628007SQ201310636148
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2013年12月3日
【发明者】葛鹏, 易上琪 申请人:葛鹏