一种铝合金及其淬火后处理方法与流程

本发明属于材料加工技术领域，尤其涉及一种铝合金及其淬火后处理方法。

背景技术：

铝合金是一种十分常见的材料，广泛用于各种工业生产中。而根据铝合金中铝的含量以及添加的微量元素的种类又可以将铝合金分为多种系列，其中不同系列的铝合金具有不同的性能，用途也不尽相同。

7系铝合金是铝合金中的一种十分重要的系列，属于铝镁锌铜合金，是一种可热处理的超硬铝合金，同时具有良好的耐磨性以及抗腐蚀性，因此，7系铝合金被广泛应用于航天航空工业。而随着科技的进步，对该系列的合金的硬度要求也越来越高，常规高强度、高硬度的铝合金已经无法满足工业的需求。但另一方面，现有的常规铝合金制造工艺中，7系铝合金的强度和淬火残余应力是一对相互矛盾的性能指标，为了获得高强度就必须采用高的冷却强度进行淬火，然而冷却强度大会导致淬火残余应力分布不均匀，随着冷却强度的进一步增大，合金的强度在增加，但淬火残余应力也显著增加，然而淬火残余应力的存在，会导致挤压板材的后续机加工变形，加工精度差，同时还会影响其耐应力腐蚀和疲劳性能。

可见，现有的铝合金制备工艺还无法实现在稳定或降低淬火残余应力的同时进一步提高铝合金的强度。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种铝合金淬火后处理方法，旨在解决现有的铝合金制备工艺中还存在的无法实现在稳定或降低淬火残余应力的同时进一步提高铝合金的强度的技术问题。

本发明实施例是这样实现的，一种铝合金淬火后处理方法，应用于7系铝合金，所述铝合金淬火后处理方法包括以下步骤：

将淬火处理后的铝合金板材以100～200℃/s的冷却速度冷却至-150℃～-250℃，并保温0.5～10小时，取出后立即进行第一次深冷轧制；

将第一次深冷轧制后的板材以20～40℃/h的升温速度加热至140～220℃，并保温0.1～1小时，取出后立即进行第一次急热轧制；

将第一次急热轧制后的板材以100～200℃/s的冷却速度冷却至-150℃～-250℃，并保温1～5小时，取出后立即进行第二次深冷轧制；

将第二次深冷轧制后的板材以10～20℃/h的升温速度加热至80～140℃，并保温5～20小时，取出后立即进行第二次急热轧制；

将第二次急热轧制后的板材进行深冷处理；

将深冷处理后的板材进行急热处理；

将急热处理后的板材进行降温时效处理。

本发明实施例的另一目的在于提供一种铝合金，所述铝合金为7系铝合金，所述铝合金的抗拉强度为782～849兆帕，屈服强度为746兆帕～840兆帕，淬火残余应力为-20.6～-5.1兆帕。

本发明实施例提供的一种铝合金淬火后处理方法，应用于7系铝合金，通过将淬火处理后的铝合金板材以100～200℃/s的冷却速度冷却至-150℃～-250℃，保温0.5～10小时，取出后进行第一次深冷轧制，然后再以20～40℃/h的升温速度加热至140～220℃，保温0.1～1小时，取出后进行第一次急热轧制，接着再以100～200℃/s的冷却速度冷却至-150℃～-250℃，保温1～5小时后，取出进行第二次深冷轧制，然后再以10～20℃/h的升温速度加热至80～140℃，保温5～20小时后，取出进行第二次急热轧制，轧制完成后再次依次进行深冷处理、急热处理以及降温时效处理，通过在深冷/急热状态下反复进行轧制在能够消除淬火残余应力的同时有效地提高板材的强度性能，同时轧制结束后，配合后续的深冷、急热以及降温时效处理，能够有效地稳定淬火残余应力，并进一步提高了板材的强度性能，相比于现有的铝合金材料，在显著降低淬火残余应力的同时，还明显提高了铝合金的强度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的铝合金淬火后处理方法中处理温度随时间变化的关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。

首先需要说明的一点是：深冷技术是指将淬火后的含有残余应力的工件浸入到低温的液氮中进行冷却，使得工件与周边介质温度均匀后又迅速对其加热，经过短时间内冷-热冲击效应产生与材料内部初始应力相反方向的热应力，以此将抵消原有的残余应力场，此外，深冷处理还转移了原子间的部分动能，使原子之间的结合更紧密，进一步提高了材料的强度和韧性。在不同的深冷处理工艺条件(冷却速度、冷却温度)下，深冷处理的残余应力消除效果和强度性能提高效果均不同，而目前常规的深冷处理技术方案最好也只能消除约75％的残余应力，而随着科技的进步，对7系铝合金的强度性能要求越来越高，因此在制备7系铝合金过程中，往往需要用到更高的冷却强度进行淬火，然而这样做直接导致了淬火残余应力的增加，而仅仅依赖于现有的深冷处理技术还不能保证处理后的板材的淬火残余应力符合要求。为此，本发明实施例提供一种铝合金淬火后处理方法，应用于7系铝合金，包括以下步骤：

将淬火处理后的铝合金板材以100～200℃/s的冷却速度冷却至-150℃～-250℃，并保温0.5～10小时，取出后立即进行第一次深冷轧制；

将第一次深冷轧制后的板材以20～40℃/h的升温速度加热至140～220℃，并保温0.1～1小时，取出后立即进行第一次急热轧制；

将第一次急热轧制后的板材以100～200℃/s的冷却速度冷却至-150℃～-250℃，并保温1～5小时，取出后立即进行第二次深冷轧制；

将第二次深冷轧制后的板材以10～20℃/h的升温速度加热至80～140℃，并保温5～20小时，取出后立即进行第二次急热轧制；

将第二次急热轧制后的板材进行深冷处理；

将深冷处理后的板材进行急热处理；

将急热处理后的板材进行降温时效处理。

在本发明实施例中，所述铝合金淬火后处理方法中温度与时间的关系如图1所示。

在本发明实施例中，所述铝合金淬火后处理方法主要应用于7系铝合金中，主要是考虑到应用于航天航空的7系铝合金对强度以及残余应力消除的要求较高，而其他种类的铝合金对强度的需求偏低，从成本角度考虑，一般不采用上述处理方法，而并非是不能采用上述处理方法。

在本发明实施例中，所述淬火处理后的铝合金板材可以是通过本领域技术人员熟知的常规技术手段制备出的7系铝合金，例如比较常规的通过如下的流程：配料→熔炼→铸造→均匀化→锯切、车皮→感应加热→挤压→固溶淬火制备得到的铝合金，也可以是采用其他技术方案制备出的淬火后的7系铝合金，本发明对前段制备出淬火后的铝合金材料的工艺流程以及工艺条件不做具体的限制。

在本发明实施例中，通过在深冷/急热处理后对板材进行轧制以使板材的体积收缩，从而使得板材内部产生了大量的位错和亚晶等，在深冷过程中铝合金的晶粒会发生转动，同时由于体积收缩也产生大量亚结构，就能进一步提高了材料的强度性能，并进一步消除了残余应力，使得板材使用寿命、尺寸稳定性得以提高。因此，轧制时的轧制压下率以及轧制速率也会影响到最终制备出的合金的性能。

在本发明实施例中，在经过反复多次深冷轧制/急热轧制后，配合后续的深冷、急热以及降温时效处理，可以进一步稳定亚结构，从而稳定了铝合金的性能。

在本发明实施例中，通过上述淬火后处理方法处理得到的铝合金，相比于常规7系铝合金，抗拉强度达到了782～849兆帕，屈服强度达到了746兆帕～840兆帕，淬火残余应力达到了-20.6～-5.1兆帕，相比于常规的深冷处理制备出的7系铝合金，在抗拉强度性能上提高了6.40％～15.51％，屈服强度性能上提高了7.03％～20.52％，淬火残余应力消除效果提高了17％～23％。

为了更好地体现本发明的技术效果，下面将结合具体的实施例、对比例以及实验数据进行说明。其中各实施例以及对比例所采用的淬火处理后的铝合金板材均由下述制备方法制备得到：

按如下重量百分比称取各原料组分：锌9.0％，镁2.3％，铜2.2％，锆0.15％，铁0.1％，硅0.05％，铬0.04％，铝86.16％，其中每种不可避免的杂质元素的重量百分比都低于0.05％，且总量低于0.15％。

将称取的原料组分混合，加热至750℃，在熔化状态下保温5小时；

熔炼成合金后，经除气、过滤后，进行半连续铸造，铸出直径为582mm的圆锭；

将铝合金圆锭在(条件下)进行均匀化处理；

将均匀化处理后的圆锭锯切成长度为1200毫米的挤压坯料，并车皮；

将车皮后的坯料在感应炉下加热至400℃；

加热完成后，将坯料等温挤压成厚度为20mm，宽度为350mm的挤压板材；

将挤压板材在辊底炉中进行固溶，在475℃条件下保温4h；

保温结束后进行喷淋淬火，得到淬火处理后的铝合金板材。其中喷淋淬火的工艺条件为：淬火水压上下均为7bar、淬火水温为25℃、喷嘴高度为70毫米。

其中，由于实施例与对比例所采用的淬火处理后的铝合金板材来源相同，在一定程度上消除了其他干扰因素对本发明的效果影响。

实施例1：

将上述淬火处理后的铝合金板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时，取出后以8mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温0.5小时，取出后以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为15％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温2小时，取出后以8mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以15℃/h的升温速度加热至120℃，并保温12小时，取出以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时；

将上述深冷处理后的板材以20℃/h的升温速度加热至150℃，并保温5小时；

将上述急热处理后的板材以3℃/h的降温速度进行降温时效处理，并冷却至25℃。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为834兆帕，屈服强度为827兆帕，淬火残余应力为-12.9兆帕。其中，抗拉强度与屈服强度的检测方法是以gb/t228金属材料室温拉伸试验方法中规定的方法进行检测，淬火残余应力的检测方法是以astme837-81用钻孔应变测量决定残余应力的标准方法中规定的方法进行检测，且后续实施例以及对比例中抗拉强度、屈服强度以及残余应力的检测方法均与上述方法一致，后文中不再重复。

实施例2：

将上述淬火处理后的铝合金板材以100℃/s的冷却速度冷却-150℃，并保温10小时，取出后以5mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为5％；

将上述轧制后的板材以20℃/h的升温速度加热至140℃，并保温1小时，取出后以10mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以100℃/s的冷却速度冷却至-150℃，并保温5小时，取出后以5mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为5％；

将上述轧制后的板材以10℃/h的升温速度加热至80℃，并保温20小时，取出以10mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为5％；

将上述轧制后的板材以100℃/s的冷却速度冷却至-150℃，并保温10小时；

将上述深冷处理后的板材以15℃/h的升温速度加热至120℃，并保温8小时；

将上述急热处理后的板材以1℃/h的降温速度进行降温时效处理，并冷却至30℃。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为792兆帕，屈服强度为764兆帕，淬火残余应力为-15.4兆帕。

实施例3:

将上述淬火处理后的铝合金板材以200℃/s的冷却速度冷却-250℃，并保温0.5小时，取出后以10mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为15％；

将上述轧制后的板材以40℃/h的升温速度加热至220℃，并保温0.1小时，取出后以20mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为20％；

将上述轧制后的板材以200℃/s的冷却速度冷却至-250℃，并保温1小时，取出后以10mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为15％；

将上述轧制后的板材以20℃/h的升温速度加热至180℃，并保温5小时，取出以20mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为15％；

将上述轧制后的板材以200℃/s的冷却速度冷却至-250℃，并保温0.5小时；

将上述深冷处理后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温2小时；

将上述急热处理后的板材以5℃/h的降温速度进行降温时效处理，并冷却至20℃。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为849兆帕，屈服强度为840兆帕，淬火残余应力为-9.3兆帕。

实施例4：

将上述淬火处理后的铝合金板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时，取出后以5mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为5％；

将上述轧制后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温0.5小时，取出后以5mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为5％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温2小时，取出后以5mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为5％；

将上述轧制后的板材以15℃/h的升温速度加热至120℃，并保温12小时，取出以5mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为5％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时；

将上述深冷处理后的板材以20℃/h的升温速度加热至150℃，并保温5小时；

将上述急热处理后的板材以3℃/h的降温速度进行降温时效处理，并冷却至25℃。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为782兆帕，屈服强度为746兆帕，淬火残余应力为-20.6兆帕。

实施例5：

将上述淬火处理后的铝合金板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时，取出后以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为15％；

将上述轧制后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温0.5小时，取出后以20mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为20％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温2小时，取出后以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为15％；

将上述轧制后的板材以15℃/h的升温速度加热至120℃，并保温12小时，取出以20mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为20％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时；

将上述深冷处理后的板材以20℃/h的升温速度加热至150℃，并保温5小时；

将上述急热处理后的板材以3℃/h的降温速度进行降温时效处理，并冷却至25℃。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为818兆帕，屈服强度为804兆帕，淬火残余应力为-5.1兆帕。

实施例6：

将上述淬火处理后的铝合金板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时，取出后以20mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为20％；

将上述轧制后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温0.5小时，取出后以20mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为20％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温2小时，取出后以20mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为20％；

将上述轧制后的板材以15℃/h的升温速度加热至120℃，并保温12小时，取出以20mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为20％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时；

将上述深冷处理后的板材以20℃/h的升温速度加热至150℃，并保温5小时；

将上述急热处理后的板材以3℃/h的降温速度进行降温时效处理，并冷却至25℃。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为813兆帕，屈服强度为800兆帕，淬火残余应力为-11.4兆帕。

实施例7：

将上述淬火处理后的铝合金板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时，取出后以8mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温0.5小时，取出后以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为15％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温2小时，取出后以8mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以15℃/h的升温速度加热至120℃，并保温12小时，取出以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以200℃/s的冷却速度冷却至-250℃，并保温0.5小时；

将上述深冷处理后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温2小时；

将上述急热处理后的板材以5℃/h的降温速度进行降温时效处理，并冷却至20℃。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为838兆帕，屈服强度为829兆帕，淬火残余应力为-12.6兆帕。

对比例1：

将上述淬火处理后的铝合金板材在120℃条件下人工时效处理24小时。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为620兆帕，屈服强度为615兆帕，淬火残余应力为-257兆帕。

对比例2：

将上述淬火处理后的铝合金板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时；

将上述深冷处理后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温0.5小时；

将上述急热处理后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温2小时；

将上述深冷处理后的板材以15℃/h的升温速度加热至120℃，并保温12小时；

将上述急热处理后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时；

将上述深冷处理后的板材以20℃/h的升温速度加热至150℃，并保温5小时；

将上述急热处理后的板材以3℃/h的降温速度进行降温时效处理，并冷却至25℃。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为735兆帕，屈服强度为697兆帕，淬火残余应力为-64.3兆帕。

对比例3：

将上述淬火处理后的铝合金板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时；

将上述深冷处理后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温0.5小时，保温结束后以5℃/h的冷却速度冷却至25℃，并在25℃条件下以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为15％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温2小时，取出后以8mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述深冷处理后的板材以15℃/h的升温速度加热至120℃，并保温12小时，保温结束后以5℃/h的冷却速度冷却至25℃，并在25℃条件下，以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时；

将上述深冷处理后的板材以20℃/h的升温速度加热至150℃，并保温5小时；

将上述急热处理后的板材以3℃/h的降温速度进行降温时效处理，并冷却至25℃。

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为750兆帕，屈服强度为709兆帕，淬火残余应力为-30.3兆帕。

对比例4：

将上述淬火处理后的铝合金板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温5小时，取出后以8mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以30℃/h的升温速度加热至180℃，并保温0.5小时，取出后以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为15％；

将上述轧制后的板材以150℃/s的冷却速度冷却至-200℃，并保温2小时，取出后以8mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

将上述轧制后的板材以15℃/h的升温速度加热至120℃，并保温12小时，取出以15mm/s的轧制速率进行轧制，并控制轧制压下率为10％；

在120℃条件下人工时效处理24小时将急热处理后的板材进行降温时效处理

经检测，经上述处理后的铝合金板材的抗拉强度为753兆帕，屈服强度为715兆帕，淬火残余应力为-27.9兆帕。

为便于分析对比，将各实施例以及对比例所采用的工艺流程以及制备出的合金板材的强度性能、淬火残余应力、淬火残余应力消除效果整理如下表1：

表1：各实施例以及对比例的实验数据结果

其中，对比例1、对比例2、对比例3以及对比例4分别采用了与实施例1不同的工艺流程，结合具体的实施方式以及实验结果可以看出：

(1)现有的常规深冷处理仅仅能够将抗拉强度提高至735兆帕，屈服强度提高至697兆帕，残余应力消除仅仅为75％，而本发明采用的重复深冷轧制/急热轧制配合再次深冷/急热和降温时效处理，能够将抗拉强度最大限度提高至849兆帕，屈服强度提高至840兆帕，消除残余应力效果提高至98.0％，相比于现有的深冷处理在制备出的铝合金性能上有很大的提升。

(2)对比例3虽然也采用了相似的轧制手段，但是对比例3所使用的轧制是在深冷/急热处理后恢复至常温状态下再进行轧制，而从技术效果上来看，对比例3虽然在一定程度上提高了铝合金的性能(抗拉强度、屈服强度以及残余应力)，但是效果较为有限。另一方面，对比例4中虽然与实施例一样采用了深冷轧制/急热轧制的工艺手段，但是对比例4在后续的处理中，却没有进一步配合深冷/急热+降温时效处理，从技术效果上来看，对比例4对铝合金的性能的提升也较为有限。可见，实施例1所公开的技术方案正是先利用重复深冷轧制/急热轧制工艺产生大量的亚结构，提高了材料的强度性能，并进一步消除了残余应力，同时配合后续的深冷/急热+降温时效处理，稳定了亚结构，同时析出更多细小均匀弥散的纳米强化相，使得最终制备出的铝合金同时具有较高的强度以及较低的残余应力。

(3)此外，结合实施例1～实施例7的实验结果可以看出，对不不同的工艺条件，制备出的铝合金的性能也不尽相同，其中深冷/急热处理的工艺条件与轧制的工艺条件对铝合金的性能影响较为重要，尤其是轧制过程中，结合实施例1、实施例4、实施例5以及实施例6的轧制速率、轧制压下率以及实验结果数据可以看出，轧制速率、轧制压下率应当控制在合适的范围内，否则反而会一定程度上降低最终制备出的铝合金的性能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。