一種消除鋁合金工件殘餘應力的新方法
2023-05-30 10:36:01
一種消除鋁合金工件殘餘應力的新方法
【專利摘要】一種消除鋁合金工件殘餘應力的新方法，主要針對傳統殘餘應力消除方法中存在的成本高、操作複雜、要求高、降低工件機械性能、破壞工件表面、使用具有局限性等缺陷，通過深冷處理、上坡淬火技術與傳統熱處理有機結合，達到消除殘餘應力和細化晶粒的雙重效果。具體操作步驟為：固溶處理、深冷處理、上坡淬火、時效處理。其特點是，工藝方法簡單、環保、操作成本低、效果優於傳統殘餘應力消除方法，並且在消除殘餘應力同時能提高工件綜合力學性能等，可實現工業化規模生產。
【專利說明】一種消除鋁合金工件殘餘應力的新方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金屬加工和深冷處理與熱處理領域，特別提供了一種消除鋁合金工件殘餘應力的新方法。
【背景技術】
[0002]鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械製造、船舶及化學工業中已大量應用。同時，鋁合金廣泛的被應用在工程結構上。然而鋁合金工件在製作過程中經常會產生不均勻變形和受熱作用等，難免在工件內部產生殘餘應力。殘餘應力的存在會帶來很多不良後果，使工件在後續機械加工時出現變形、翹曲、扭曲或波浪等異常現象，嚴重影響其應用。同時，殘餘應力還能引起材料應力腐蝕開裂。可以明顯地縮短構件的使用壽命，加速構件斷裂。工程上發生的許多意外的破壞事故，其原因除了材料本身的結構和強度之外，多數是由於殘餘應力直接或間接造成的，殘餘應力對材料疲勞強度的影響就最為重要。因此，在鋁合金工件服役之前應該儘量消除或減少其內部殘餘應力。
[0003]工業上常用的殘餘應力消除方法主要有機械法、退火法、模冷壓法等。上述方法均能一定程度上消除工件的殘餘應力，但同時也存在著一些缺陷，如:
(I)機械法。由於機械法所使用的設備常常為大噸位機器或加工工具，常常對工件表面進行碾壓、錘擊等操作，很大可能會破壞工件的表面質量，造成對工件的附加損傷，該種方法僅適合於形狀簡單的零件 ，對複雜界面的工件不適用，且對拉伸前鋁合金的組織均勻性要求較高，多用於原材料生產廠家。用這種方法對殘餘應力的消除程度基本在60%~80%之間，消除效果十分有限，往往只是把應力消除和重新分布調整作為主要目的。與此同時機械法過程中重型工具轉移和安放需要消耗大量的勞動力，也增大了加工成本。
[0004](2)退火法。在採取去應力退火工藝降低殘餘應力時，必須保證構件降溫過程非常緩慢和均勻，該過程操作要求極高，否則，將在材料內部產生新的殘餘應力。一般加熱溫度越高，保溫時間越長，殘餘應力消除的越明顯。但與此同時也使材料的力學性能，如強度、硬度等將發生變化。並且因熱作用而導致材料的顯微組織改變、金屬氧化等問題，反而取得適得其反的結果。由於鋁合金材料對溫度非常敏感，時效溫度的提高，必然明顯降低強度及其他機械性能指標。
[0005](3)模冷壓法。模冷壓法是在一個特製的精整模具中，通過嚴格控制的限量冷整形來消除複雜形狀鋁合金模鍛件中的殘餘應力。該種方法是調整而不是消除零件的整體應力水平，它使鋁合金模鍛件上某些部位的殘餘應力得到釋放的同時，有可能使其他部位的殘餘應力增大。一方面，鑑於鋁合金模鍛件本身已存在很大的殘餘應力，模壓變形量過大將可能引起冷作硬化、裂紋和斷裂；而變形過小則使應力消除效果不佳，因此需要精確控制，操作要求極高。另一方面，模冷壓法所需的模具製作成本很高，使用該方法消除殘餘應力是不經濟的選擇。
[0006]總之，上述三種工業上常用鋁合金殘餘應力的消除方法均存在著一些缺點和應用的局限性。
【發明內容】
[0007]本發明旨在克服現有技術之不足，提供一種工藝方法簡單環保、操作成本低、在消除殘餘應力同時能提高工件綜合力學性能的消除鋁合金工件殘餘應力新方法。
[0008]為了達到上述目的，本發明提供的技術方案為:
第一步:固溶
將鋁合金工件在410°C飛90°C下保溫，保溫時間:0.5小時小時後，水冷至室溫，固溶處理；
第二步:深冷 將上一步所得試件放入深冷處理裝置，以(3°C~12°C)/min的速度冷卻至_85°C~-225°C後保溫，保溫時間:2小時~30小時，進行深冷處理；
第三步:上坡淬火
將第二步所得試件從深冷處理裝置中迅速取出放入沸水或其他熱介質後保溫，轉移時間不超過70s，保溫溫度:80°C ~250°C，保溫時間:1分鐘~30分鐘，進行上坡淬火；
第四步:時效
將第三步處理的鋁合金工件放入加熱保溫裝置以(3~12°C) /min的速度加熱至90°C~200°C後保溫，保溫時間:4小時~30小時後，關閉電源，隨裝置冷卻至室溫，進行時效處理。
[0009]重複上述第二、三、四步操作I個或數個循環後取出試件即可。
[0010]本發明的積極效果有:①晶粒細化效果。固溶+深冷組合工藝最大化地保留了固溶處理後的過飽和固溶體組織，此外深冷處理過程中，位錯在內部壓應力作用下發生增殖，同時位錯又與溶質原子相互作用致使沉澱物彌散析出，這些增殖位錯和彌散析出的沉澱物在隨後的時效處理中嚴重阻礙了晶粒長大的趨勢，起到了細化晶粒的作用，提高了材料的強韌性。②殘餘應力消除。深冷處理後配合上坡淬火工藝，工件內部急速受熱膨脹而產生微塑性變形，生成的內部拉應力抵消了由於鋁合金工件高溫加工後急速冷卻產生的原始內部殘餘壓應力，該組合對工件原始內部殘餘應力起到減小和消除的積極作用，經過多次循環操作，工件內部殘餘應力基本可以消除。
[0011]經本發明方法(即:固溶-深冷-上坡淬火-時效組合)處理後所製備的鋁合金工件殘餘應力消除效果優異且組織細化，強度塑性等綜合力學性能均得到提高:硬度可提升8%~?7%、抗拉強度可提升9%~?6%、屈服強度可提升11%~20%，延伸率可提升7%~?4%，殘餘應力基本消除84%~95%。
[0012]本發明的優點是:①環保。採用液氮為深冷源，不腐蝕工件，化學性能穩定、無毒、無汙染，對環境零危害；②低成本。液氮為制氧工業的副產品，來源廣，價格低廉，容易運輸和存儲等特點，且該方法處理過程不需要多餘勞動力；③工藝簡單。本發明方法工藝簡單，易於操作，適合於工業化的推廣和使用強化效果理想。採用本發明所述方法處理後的工件，在保證製品表面質量的同時既能達到幾乎完全消除殘餘應力的目的，還能細化晶粒，提高工件的強度和塑性等指標，有利於提高工件的綜合力學性能，一舉多得，同時兼顧了獲得較佳機械性能與減少殘餘應力的目的。【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]附圖1為本發明實施例1的的總體工藝流程圖。
[0014]附圖2為本發明實施例1的試件經本發明方法處理前後殘餘應力對比圖。
[0015]附圖3為本發明實施例1的試件的鑄態金相能譜圖。
[0016]附圖4為本發明實施例1的試件經本發明方法處理後都金相組織圖。
[0017]附圖5為本發明實施例1的試件經本發明方法處理後的拉伸斷口組織圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合實施例，對本發明做詳細介紹: 實施例1
將120 mmX 120 mmX4 mm的6082-T6鋁合金板材經540°C固溶Ih，水冷至室溫後，放入程序控制深冷箱中(轉移時間不超過5s)，以6°C /min的速度從室溫冷卻至_190°C後保溫4h ;然後取出試樣迅速放入100°C沸水中保溫20min，轉移時間不超過5s ;從沸水中取出試件放入馬弗爐中以8°C /min的速度加熱至175°C後保溫7h，關閉電源；待爐溫及試件冷卻至室溫後取出試件重複固溶處理後的三步操作2次後即得本發明之6082板材。經該方法處理後的試件平均硬度由初始120HV提高至135HV (試驗力0.98N，保持15s);平均抗拉強度由初始363MPa提高到419MPa ;斷後延伸率由10.74%提高到13.93% ;參見附圖2可知:經本發明方法處理後板材距中心處各點的殘餘應力由初始的7(Tl20MPa減少至5~15MPa，消除程度高達88%~93% ;參見附圖3和附圖4可知:經本發明方法處理後試件的晶粒得到明顯細化；參見附圖5可知:經本發明方法處理後的試件認為明顯的塑性斷裂。
[0019]實施例2
將100 mmXIOO mmX 2mm的汽車車身結構件用6061-T6鋁合金擠壓「T」型材經530°C固溶IOOmin,水冷至室溫後,放入程序控制深冷箱中(轉移時間不超過5s),以7V /min的速度從室溫冷卻至_175°C後保溫12h ;然後取出試樣迅速放入250°C鹽浴爐保溫15min，轉移時間不超過5s ;從鹽浴爐中取出試件放入電熱乾燥箱中以5°C /min的速度加熱至170°C後保溫8h，關閉電源；待爐溫及試件冷卻至室溫後取出試件重複固溶處理後的三步操作2次後即得本發明之6061 T型材。
【權利要求】
1.一種消除鋁合金工件殘餘應力的新方法，其特徵在於:同時結合深冷處理和熱處理技術來實現。
2.按照權利要求1所述的新方法，其特徵在於:包括以下工藝步驟: (1)將鋁合金工件在410°C~590°C，保溫時間:0.5小時~4小時後，水冷至室溫，固溶處理； (2)將上一步所得試件放入深冷處理裝置，以(3°C~12°C)/min的速度冷卻至_85°C~-225°C後保溫，保溫時間:2小時~30小時，進行深冷處理； (3)將第二步所得試件從深冷處理裝置中迅速取出放入沸水或其他熱介質後保溫，保溫溫度:80°C~250°C，保溫時間:1分鐘~30分鐘，進行上坡淬火； (4)將第三步處理的鋁合金工件放入加熱保溫裝置以(3~12°C)/min的速度加熱至90°C~200°C後保溫，保溫時間:4小時~30小時後，關閉電源，隨裝置冷卻至室溫，進行時效處理。
3.(5)重複上述第(2)、(3)、(4)步操作I個或數個循環後取出試件。
4.按照權利要求1所述的新方法，其特徵在於:深冷處理所用的介質可以是酒精、乾冰和液氮。
5.按照權利要求1所述的新方法，其特徵在於:上坡淬火所用的熱介質可以是沸水、鹽浴、油浴和高溫有機介質。
【文檔編號】C22F1/04GK103628007SQ201310636148
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】葛鵬, 易上琪 申請人:葛鵬