一种改善7N01铝合金组织和性能的时效工艺的制作方法

本发明涉及铝合金的生产领域，特别是涉及一种用于改善7n01铝合金组织和性能的时效工艺。

背景技术：

7n01铝合金是一种轨道交通用的al-zn-mg系中强铝合金，该合金挤压型材主要用于高速列车的牵引梁、端梁和门立柱等承载部位。该合金挤压产品的工艺流程主要包括：合金铸造、均匀化、热挤压、在线固溶处理、校直和时效等。

时效工艺对7n01铝合金的力学性能和应力腐蚀敏感性影响很大。7n01铝合金在经过峰值时效后，晶内析出相具有细小弥散且数密度极高的特征，使合金具有较高的力学性能，但是由于此状态下晶界析出相连续，合金的抗应力腐蚀敏感性较高；而7n01铝合金经过过时效处理后，晶界析出相断续分布，合金具有良好的抗应力腐蚀性能，但是晶内析出相严重长大，导致合金力学性能下降明显。相比之下，回归再时效处理制度能使合金在保持高力学性能的同时兼具良好的抗应力腐蚀性能，但是由于回归再时效制度高温回归时间短，因而不适合铝合金大部件的生产。因此，设计一种合理的能够改善7n01铝合金组织和性能的时效工艺成为当前研究的热点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改善7n01铝合金组织和性能的时效工艺，通过在时效过程中引入一个拉应力，改善时效析出过程，进而提高7n01铝合金的综合性能。

本发明的技术方案是：

一种改善7n01铝合金组织和性能的时效工艺，包括以下工艺步骤：

首先，对挤压态或轧制态并经固溶处理的7n01铝合金进行3～120天自然时效；

然后，将7n01铝合金在150℃～170℃下保温2～35小时，并在保温的同时，对其施加一个10～150mpa拉应力。

所述的改善7n01铝合金组织和性能的时效工艺，7n01铝合金成分为，按元素质量百分比计，锌：4.0～5.0％，镁：1.0～2.0％，铜：≤0.20％，锰：0.20～0.70％，铬：≤0.30％，锆：≤0.25％，钛：≤0.20％，钒：≤0.10％，余量为铝和不可避免的杂质。

所述的改善7n01铝合金组织和性能的时效工艺，优选的，自然时效时间为30～90天。

所述的改善7n01铝合金组织和性能的时效工艺，优选的，保温时间为2～15小时，拉应力为75～125mpa。

所述的改善7n01铝合金组织和性能的时效工艺，所获得的7n01铝合金晶内析出相细小弥散分布且数密度高，晶界析出相细小且呈现断续分布。

所述的改善7n01铝合金组织和性能的时效工艺，优选的，7n01铝合金晶内析出相长轴尺寸范围为8～18nm，晶内析出相数密度范围为3500～6000/μm²，晶界析出相宽度范围为15～25nm。

本发明的设计思想是：

本发明通过在时效过程中施加一个外加拉应力，改变7n01铝合金时效析出的热力学和动力学过程。研究结果表明外加应力能够显著增加时效析出过程中的晶内形核数量，大量的核心数量保证在后续时效过程中的析出相数密度，高的析出相数密度有利于提高合金的力学性能；在外加应力的作用下，原子扩散受到抑制，晶界周围溶质原子难以扩散到晶界，晶界析出相不能够从晶界周围获得足够的溶质原子以保证晶界析出相的长大，从而使晶界析出相细小不连续分布，晶界析出相的不连续分布则提高合金的抗应力腐蚀性能；此外，外加应力还能够抑制晶内析出相的长大，使合金在后续时效过程中，晶内析出相长大缓慢，抑制合金在后续时效过程中的软化。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明简化7n01铝合金的热处理工艺，降低热处理能耗。

2、本发明细化晶内析出相，增加晶内析出相数量，提高合金的力学性能。

3、本发明改善晶界析出相分布，有利于降低应力腐蚀敏感性。

附图说明

图1为160℃下应力时效和无应力时效硬度-时间曲线。

图2为经无应力时效处理4小时的7n01铝合金tem形貌。

图3为经应力时效处理12小时的7n01铝合金tem形貌。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明首先对挤压态或是轧制态并经固溶处理的7n01铝合金进行自然时效处理，然后将7n01铝合金在一定温度下保温，并在保温的同时，对其施加一个拉应力。通过以上工艺，7n01铝合金的时效析出进程得以改善。

以下结合实施案例对本工艺方法作进一步的说明，但本发明不局限于这些实施案例。

实施例1

本实施例中，7n01铝合金应力时效的实施过程：

1)将7n01铝合金原料在电阻炉中熔炼，设计的7n01铝合金成分为，按元素质量百分比计，锌：4.13％，镁：1.31％，锰：0.30％，铬：0.21％，锆：0.10％，钛：0.06％，余量为铝和不可避免的杂质。

2)制备的7n01铝合金铸锭在箱式电阻炉中加热至470℃，保温24小时，空冷至室温。

3)将7n01铝合金铸锭在450℃预热1小时，然后进行挤压成型，挤压模具温度为420℃，挤压速度为10m/min，挤压比为22，随后立即水冷至室温。

4)将挤压成型的7n01铝合金板材在室温自然时效60天。

5)将自然时效后的7n01铝合金在160℃保温不同时间，并且在保温的同时施加125mpa拉应力。

本实施例的技术指标如下：硬度范围为105～122hv，晶内析出相平均长轴尺寸范围为10～15nm，平均析出相数密度范围为4200～5300/μm²，晶界析出相平均宽度范围为18～22nm。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

1)将挤压成型的7n01铝合金板材在室温自然时效30天。

2)将自然时效后的7n01铝合金在150℃保温不同时间，并且在保温的同时施加100mpa拉应力。

本实施例的技术指标如下：硬度范围为98～117hv，晶内析出相平均长轴尺寸范围为8～14nm，平均析出相数密度范围为4100～4700/μm²，晶界析出相平均宽度范围为16～22nm。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

1)将挤压成型的7n01铝合金板材在室温自然时效90天。

2)将自然时效后的7n01铝合金在170℃保温不同时间，并且在保温的同时施加75mpa拉应力。

本实施例的技术指标如下：硬度范围为101～127hv，晶内析出相平均长轴尺寸范围为11～17nm，平均析出相数密度范围为4000～5100/μm²，晶界析出相平均宽度范围为16～24nm。

对比例

本对比例中，与实施例1不同之处在于：在实施例的步骤5)中，在160℃保温过程中，未施加拉应力。

本对比例的技术指标如下：硬度范围为87～107hv，晶内析出相平均长轴尺寸范围为30～69nm，平均析出相数密度范围为300～850/μm²，晶界析出相平均宽度范围为21～30nm。

上述实施例及对比例中7n01铝合金经时效不同时间后的硬度-时间曲线如图1所示。由图中可以看出，实施例在时效过程中施加一个外加应力，可以使7n01铝合金获得较高的硬度值，而且在后续时效过程中硬度值降低缓慢。对比例为传统单级时效，其硬度明显低于实施例中7n01铝合金的硬度，而且在后续时效过程中硬度值迅速降低。

图2为无应力时效4小时后7n01铝合金tem形貌。由图可见，无应力时效处理后，晶内析出相较为粗大，并且分布不均匀，晶界析出相粗大连续分布。

图3为应力时效12小时后7n01铝合金tem形貌。由图可见，应力时效处理后，晶内析出相细小弥散分布于基体中，为位错运动增加更多障碍，大大提高合金的力学性能。此外，晶界析出相的到细化，且分布不连续，不利于晶界析出相的连续溶解，而有利于提高合金的抗应力腐蚀性能。

实施例和对比例结果表明，本发明在时效过程中引入一个拉应力，极大地提高了晶内析出相的数密度，细化了晶内析出相和晶界析出相的尺寸，显著提高7n01铝合金的性能。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的技术方案进行描述，本发明不受上述实施例的限制。在不脱离本发明的设计精神和范围的前提下，本领域的技术人员对本发明的各种改进和变化，均应落入本发明的权利要求范围当中。