专利名称：铝合金构件的热处理方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铝合金构件的热处理方法，包括预时效热处理步骤，以及涉及用于该方法的设备。
背景技术：
由可热处理的铝合金制造的铝合金构件用在涉及相对高强度、高韧性和耐蚀性的多种应用中，如飞机机身、车用构件和其他应用中。
为了制造铝合金构件，例如，片材或板，铝合金或者直接冷硬铸造为铸锭，或者连续铸造为厚的带材形式，然后将其热轧和/或冷轧成所需厚度。铝合金构件然后经历固溶热处理。固溶热处理涉及将金属加热至适当高温(如450-580℃)，从而使所有可溶的合金组分溶解在固溶体中，所述合金组分在热轧和/或冷轧过程中从母金属中析出。为了把这些组分保持在固溶物中，金属被快淬到环境温度，以产生过饱和固溶体。通常，然后通过将金属在室温，或者保持在更高的温度来加速效果，保持一段时间来使金属时效硬化或者沉淀硬化，从而通过原子在过饱和固溶体内的扩散来使细小析出物自发形成，由此它们形成微小晶簇或“区”。
还知道，还可通过使铝合金构件在淬火之后再次热处理来进一步改善铝合金构件的特性。在这种所谓的“预时效”热处理过程中，过饱和固溶体中的一些原子从晶格结构出来，并形成微小晶簇形成所用的晶种。这起到使微结构稳定化的作用。
US-3135633披露了这种预时效或者“稳定化”热处理，以改善铝镁硅合金的机械特性。在该工艺中，将锻造的合金产品连续地移动通过第一炉，以使有关合金元素进入固溶体，然后使其移动通过淬火室，并进入第二炉，以经受稳定化的预时效处理。其中提到，淬火和预时效之间的时间间隔应该少于10分钟。为了容许迅速将合金升温，在淬火之后开始几分钟后，通过强制热风循环来加热第二炉。
在EP-0805879-B1中也叙述了预时效热处理。在披露的方法中，金属被直接加热到100至300℃范围内的峰值温度，优选在130至270℃的范围内，并在该峰值温度保持非常短的停留时间，然后直接将其冷却到规定的最终温度之下。这种处理因此在本领域称作温度“尖峰”，这是由于用于这种工艺的温度对时间的曲线图基本类似于三角形、尖的或者稍微钝的尖峰。这种处理据称能在T4状态提高AA6xxx系列合金的延展性，同时使得烤漆效应最大。
在EP-0480402-A1中披露了涉及预时效热处理的另一种工艺。该已知工艺涉及在固溶热处理之后对铝合金板进行淬火，容许仍在室温保持板少于六十分钟，并在50-150℃保持板10-500分钟。
EP-0679199-A1也披露了在固溶热处理后的淬火和时效步骤之间在70至150℃的预时效或者预回火步骤。
发明内容
本发明的目的是进一步改善铝合金构件的热处理方法，以便改善最终产品的特性。
本发明的另一个目的是简化执行热处理所需的设备，该热处理特别是固溶热处理之后的预时效处理。
本发明解决了一个或多个上述目的。在这个说明书中叙述并详细说明了优选实施例。
如下所述，除了另外指出的以外，所有合金名称和状态名称参考的是由铝业协会出版的《在铝标准、数据和登记记录中的铝业协会名称》。
依照本发明的一个方面，提供一种对具有主表面的铝合金构件的热处理方法，该方法包括步骤依次如下a)对铝合金构件进行固溶热处理，b)优选通过喷射淬火或者浸在水或者其他淬火介质中的浸入式淬火，对铝合金构件进行淬火，以及c)在预时效热处理步骤中对淬火后的铝合金构件再加热，并由此通过将铝合金构件的主表面联结到加热板的主表面上，执行预时效热处理。
本发明基于以下的认识，即，如果在铝合金构件的固溶热处理结束时的淬火步骤之后执行预时效热处理，该预时效热处理特别有效，以获得铝合金构件的更稳定的微观结构，而不用进行实质的自然时效硬化。更优选地，预时效热处理在淬火步骤的一个小时内进行，时间延迟通常减少至大约几分钟甚至可能是几秒。为此，在炉内执行热处理将不会产生理想结果，这是因为铝合金构件必须被移动到炉内，且将需要一段时间达到所需温度。本发明因此提出不使用炉来预时效处理铝合金构件的方法，因为预时效处理在任何炉的外部进行。代替炉，铝合金构件被保持紧靠加热板或者联结到加热板，并由此被迅速地加热，从而实现预时效处理。可在几分钟内达到最高预时效温度，这是由于热从加热板传递给铝合金构件。加热板优选已经在预时效步骤之前加热至所需温度。
执行这一方法的铝合金构件优选是轧制产品，通常是厚度至多15mm的薄板或片，且优选厚度在1.5到6mm的范围内。
该方法可用于处理可热处理的铝合金，特别是那些AA6xxx、AA2xxx或者AA7xxx系列的铝合金。最优选的，铝合金构件从由AA6013、AA6056、AA6011、AA6016、AA2024、AA2524、AA2219、AA7074、AA7075、AA7050和AA7055组成的组中选择。
加热板也优选由铝合金制成，其热容量大，并且熔点高于热处理的铝合金构件。特别地，可以使用AA5xxx系列如AA5026和AA3xxx系列的铝合金。在这个实施例中，加热板的厚度至少是铝合金构件的厚度。本领域技术人员能够根据铝合金构件的厚度和所需的预时效处理温度及时间来优化加热板的厚度。
在另一个实施例中，加热板由钢制成。
有几种在预时效步骤之前加热加热板的方式。在一个实施例中，加热板和铝合金构件一起置于用于固溶热处理的炉中。该方法具有不需额外的设备和时间来加热加热板的优点。优选地，铝合金构件和加热板都保持大致水平，在进入固溶热处理所用的炉中之前将铝合金构件简单地置于加热板上。
优选地，在固溶热处理、淬火和预时效这三个步骤中，保持加热板和铝合金构件的主表面相互紧靠。这就意味着，可通过只从一侧喷射或冷却来淬火铝合金构件。然而，这样做的优点是，通过从未淬火的加热板向铝合金构件的热流动，该铝合金构件将在淬火已经完成之后立即被再加热，以实现预时效处理。
可替换地，铝板可在两侧淬火，且其可置于加热板上，以实现所需的预时效处理。
可替换地，加热板可在固溶热处理铝合金构件之前置于固溶热处理所用的炉中。一旦其被加热，在铝合金构件的固溶热处理和淬火过程中，加热板可保持在淬火装置附近。由于预时效处理的最高温度通常低于固溶热处理的温度，甚至有利的是使得加热板在接收铝合金构件之前冷却。在淬火之后，铝合金构件优选被提到加热板之上。
又一个可替换方案涉及用电加热加热板，例如，借助于置于加热板内部的加热线圈。在这个实施例中，优选在进行预时效热处理之前将加热板加热至所需的预时效温度。
用于将铝合金构件的主表面保持靠近加热板的主表面的惯用方式是将其一个在另一个之上地水平放置。然而，铝合金构件和加热板竖直对齐的布置也不从保护范围排除。
为了保护铝合金构件的表面并确保在加热板和铝合金构件之间的小间隙，在每个铝合金构件和每个加热板之间设置保护层，以将它们联结到一起。该层优选厚达5mm，通常厚度大约2mm，并且由隔热材料的布或网制成，所述隔热材料例如是玻璃织物、陶瓷、玻璃棉、矿棉，或者对于较低温度，采用聚合物织物。保护层的使用也导致铝合金构件的再加热有短的时间延迟，这就造成在淬火操作中，容许铝合金构件在从加热板受热以实现预时效热处理之前快速冷却到100℃以下。
也能够使用多于一个加热板。在优选实施例中，铝合金构件在预时效步骤中保持夹在两个加热板之间。这种布置起到矫直该铝合金构件的作用，因此就不需进一步的校平或者拉伸操作。
依照可替换实施例，通过将两个铝合金构件保持紧靠一个加热板的相反两侧，可以同时热处理该两个铝合金构件。
可以在借助于人工时效使铝合金构件达到最终状态之前，来执行依照本发明的预时效处理。通常的最终状态是从由包括T6、T79、T78、T77、T74、T73和T8的组中选择的状态。以示例方式，适当的T73状态将是T7351状态，适当的T74状态将是T7451状态。
在一个实施例中，在预时效处理之后和最终时效处理之前，铝合金构件可选择地进行拉伸或压缩或其他冷加工，从而消除应力或者改善机械特性，例如，对片或薄板产品进行校平。优选地，拉伸操作包括不超过拉伸操作之前长度的8％，优选在1-5％的范围内。特别地，AA6xxx和AA2xxx系列合金的铝合金构件也可受到冷轧操作，冷轧减薄量在高达20％的范围内，从而在最终热处理状态中改善可得的机械特性。
在另一个方面，本发明涉及一种按照本发明的方法所获得的产品。该最终产品例如可用于飞机机身的外壳。
本发明在另一个方面提供一种热处理铝合金构件的设备，其包括a)固溶热处理炉，b)淬火站，c)加热板，其用于通过将铝合金构件的主表面联结到加热板的主表面上，在预时效热处理步骤中再加热该铝合金构件。这种设备的优点是其不需要预时效热处理所用的第二个炉。
依照本发明的热处理方法的上述和其他特征和优点将从以下参考附图对优选实施例的详述中变得更加清楚，其中，图1是依照现有技术的热处理设备的示意图；图2是使用依照本发明的第一实施例的方法的热处理设备的示意图；
图3是依照第一实施例的方法的温度-时间图；图4是依照第一实施例的铝合金构件和加热板的布置的横截面视图；图5是依照第二实施例的两个铝合金构件和一个加热板的布置的横截面视图；图6是使用依照本发明的第三实施例的方法的热处理设备的示意图；图7是依照又一个实施例的铝合金构件/加热板布置的横截面视图。
具体实施例方式
图1示出用于热处理铝合金构件1的现有技术设备。来自轧机的铝合金构件1在连续的卧式炉4中进行固溶热处理。铝合金构件1在滚子6上输送通过炉。在固溶热处理之后，通过喷嘴8a、8b对铝合金构件1进行淬火，其中，所述喷嘴8a、8b将冷却水喷射到铝合金构件的上下表面上。为了对铝合金构件1进行再加热以进行预时效热处理，在生产线的一端设置另一个卧式炉10。因此，现有技术的方法需要两个炉。预时效炉10必须特别备有强制热风循环装置，以确保快速再加热铝合金构件1。
执行依照本发明的第一实施例的方法的设备如图2所示。在卧式炉4中对来自轧机的板1再次进行热处理。然而，该板1在处理过程中置于加热板12上。在固溶热处理之后，铝合金构件1仍在加热板上，同时接受淬火处理。因此，只有上部喷嘴8a用来淬火铝合金构件1。然后在滚子6上继续输送构件/板的组件。由于加热板12与铝合金构件1同样厚或者比铝合金构件1厚，并由热容量高、导热性好的材料制成，因此加热板12在淬火停止之后立即对铝合金构件1进行再加热。加热速率和铝合金构件所达到的最高温度取决于加热板12相对于铝合金构件1的厚度和组分而言的厚度和组分。优选地，加热板大约40mm厚，即比铝合金构件1厚，并优选由AA5xxx或者AA3xxx系列的铝合金制成。
铝合金构件1的温度曲线图如图3所示。在固溶热处理过程中，将铝合金构件1加热到第一温度T1，该温度T1在450℃和580℃之间，通常为大约530℃。如现有技术所知道的，将金属保持该温度一段时间。在淬火过程中，金属被迅速冷却到100℃或更低，优选冷却至室温RT。通过随后将铝合金构件置于加热板12之上，如图2所示，该铝合金构件将立即被再加热到预时效温度T2，T2的范围在100℃到250℃的范围内，优选在150℃到250℃的范围内。该铝合金构件将在几分钟内达到T2并优选保持在这一温度一段获得预期预时效效果所需的时间，所述保持时间通常在高达30分钟的范围内，优选为10到20分钟。选择的预时效温度和保持时间将取决于铝合金构件的合金组分。通过将铝合金构件从加热板上取下，结束预时效处理。然后借助于水冷、强制风冷或者通过留在例如辊台上常规空冷，铝合金构件冷却至环境温度。已经发现，在预时效处理之后的冷却速度并不非常关键。
最优选地，在从固溶热处理淬火之后，在一或两分钟内，优选在0到20秒内开始再加热，以获得预时效效果。加热速度优选在10到50℃/min的范围内，因此，将在1到10分钟内，优选5分钟，达到最终的预时效温度。
图4示出构件/板布置的放大横截面视图。在构件和板之间设置保护层14，从而将铝合金构件1和加热板12相互隔开并且在铝合金构件1和加热板12之间提供了隔热层。优选地，保护层14大约是2mm厚，并由如玻璃织物、玻璃棉、矿棉或者聚合物织物之类的隔热织物制成。然而，也可使用任何其他材料或者任何其他适当型式的隔离物。尽管在图5至7中没有示出，在各个示例中，保护层可设在每个铝合金构件1和每个加热板12之间。
依照第二实施例，一个加热板12将夹在两个铝合金构件1、1’之间，如图5所示。图5的布置容许同时对两个铝合金构件1、1’进行预时效处理。加热板12必须足够厚，以存储用于对两个铝合金构件再加热的足够热量，从而实现所需的预时效处理。
前两个实施例适用于连续热处理，其中，在固溶热处理、淬火和预时效步骤中，保持一个(多个)加热板和一个(多个)铝合金构件相邻。
然而，在一些应用中，加热铝合金构件1之前加热加热板12是有利的。这种布置如图6所示。这儿，在卧式炉4中对铝合金构件1的固溶热处理之前加热加热板12，然后放在一旁。在淬火之后，将铝合金构件1提到加热板12上。这个实施例的优点是，加热板12已在接收铝合金构件1之前冷却至100-250℃范围内的较低预时效温度。可替换地，铝合金构件1可在加热加热板12之前供给通过固溶热处理炉。图6所示的实施例也容许使用例如设有电线圈的自加热加热板12，其不需在炉内加热。
在图7所示的另一个实施例中，在预时效步骤之前加热两个加热板12、12’，且一个加热板12’将置于铝合金构件1上。这将矫直铝合金构件1，因此，就不必进一步拉伸成形。
在铝合金构件冷却到环境温度之后，铝合金构件将经受进一步时效处理，以生产时效硬化的材料，该材料具有用于其应用的期望特性。
权利要求
1.一种对具有主表面的铝合金构件(1)热处理的方法，包括步骤a)对铝合金构件(1)进行固溶热处理，b)对铝合金构件(1)淬火，c)在预时效热处理步骤中，再加热淬火后的铝合金构件(1)，并且其中，通过将铝合金构件(1)的主表面联结到加热板(12)的主表面上来执行预时效热处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在预时效热处理过程中，将铝合金构件(1)和加热板(12)一个在另一个之上地大致保持水平。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，铝合金构件(1)和加热板(12)在所有的(a)至(c)步骤中相互联结。
4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，加热板(2)在预时效步骤之前和/或过程中被电加热。
5.如权利要求1、2或4所述的方法，其特征在于，通过将加热板(12)置于固溶热处理所用的炉(4)中，在预时效步骤之前将其加热。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在淬火步骤之后，将铝合金构件(1)提升到加热板(12)上。
7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，通过在铝合金构件(1)和加热板(12)之间设置保护层，将铝合金构件(1)和加热板(12)相互联结。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，保护层由隔热材料制成，该隔热材料从由玻璃织物、陶瓷、玻璃棉、矿棉和聚合物织物组成的组中选择，并优选厚度达5mm。
9.如权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，铝合金构件(1)在预时效步骤中保持夹在两个加热板(12，12’)之间。
10.如权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，在预时效步骤中，第二铝合金构件(1’)的其中一个主表面紧靠加热板(12)的第二主表面地与之联结。
11.如权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，铝合金构件(1)是轧制产品，其厚度优选至多为15mm，且优选在1.5-6mm的范围内。
12.如权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，铝合金构件(1)由AA2xxx、AA6xxx或者AA7xxx系列的可热处理的铝合金组成。
13.如权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，铝合金构件(1)由从由AA2024、AA2524、AA2219、AA6013、AA6056、AA6011、AA6016、AA7074、AA7075、AA7055和AA7050组成的组中选择的可热处理的铝合金构成。
14.如权利要求1至13之一所述的方法，其特征在于，铝合金构件(1)用于飞机机身的外壳。
15.如权利要求1至14之一所述的方法，其特征在于，加热板(12)至少和铝合金构件一样厚。
16.如权利要求1至15之一所述的方法，其特征在于，加热板(12)相对于铝合金构件(1)具有更大的热容量和更高的熔点。
17.如权利要求1至16之一所述的方法，其特征在于，加热板(12)由从包括AA3xxx、AA5xxx系列的铝合金以及钢的组中选择的材料制成。
18.如权利要求1至17之一所述的方法，其特征在于，在从固溶热处理淬火之后的两分钟内开始步骤(c)，并优选在从固溶热处理淬火之后的20秒内开始步骤(c)。
19.如权利要求1至18之一所述的方法，其特征在于，在淬火之后，在1到10分钟或者更少时间内达到预时效热处理的最高温度。
20.如权利要求1至19之一所述的方法，其特征在于，在100-250℃的温度范围内，优选在150-250℃的温度范围内执行预时效处理。
21.如权利要求1至20所述的方法，其特征在于，在预时效热处理步骤(c)中，将铝合金构件保持在预时效温度30分钟的保持时间。
22.如权利要求1至21之一所述的方法，还包括对已经过预时效热处理步骤(c)的铝合金构件进行人工时效至最终状态，并且最终状态优选从T6、T79、T78、T77、T74、T73和T8组成的组中选择。
23.如权利要求1至22之一所述的方法，还包括从拉伸、压缩和校平组成的组中选择在预时效热处理步骤(c)之后并优选在铝合金构件的人工时效至最终状态之前执行的步骤。
24.如权利要求1至23之一所述的方法，还包括拉伸操作不超过8％，并优选在1-5％的范围内，所述拉伸操作在预时效热处理步骤(c)之后执行。
25.如权利要求1至24之一所述的方法，还包括在铝合金构件的预时效热处理步骤(c)之后且在将其人工时效至最终状态之前，对其冷轧的步骤，冷轧减薄量在高达20％的范围内。
26.一种加热板，其用于通过保持铝合金构件(1)的主表面紧靠加热板(12)的主表面，在预时效热处理步骤中再加热该铝合金构件(1)，该加热板的厚度在20mm到50mm的范围内，并优选包括用于加热该加热板的装置。
27.一种依照权利要求1-25之一所述的方法对铝合金构件(1)热处理的设备，包括a)固溶热处理炉(4)，a)淬火站(8a，8b)，c)加热板(12)，其通过保持铝合金构件(1)的主表面紧靠加热板(12)的主表面，在预时效热处理步骤中对铝合金构件(1)再加热。
全文摘要
本发明涉及一种对具有主表面的铝合金构件(1)热处理的方法，包括步骤(a)对铝合金构件(1)进行固溶热处理，(b)对铝合金构件淬火，以及(c)在预时效热处理步骤中再加热铝合金构件。通过将铝合金构件(1)保持紧靠加热板(12)来进行预时效热处理。本发明也涉及依照这种方法生产的产品，以及用于执行预时效热处理的设备。
文档编号C21D1/04GK101061247SQ200580033964
公开日2007年10月24日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年10月5日
发明者I·G·克勒普夫尔 申请人:阿勒里斯铝业科布伦茨有限公司