一種低能耗的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理方法

2024-04-12 11:53:05

1.本發明屬於金屬板材成形領域，更具體地，涉及一種低能耗的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理方法。


背景技術：

2.節能減排已經成為目前科技發展的趨勢，世界上多個國家均提出了「碳達峰、碳中和」的目標。汽車工業和航空航天領域一直將節能作為重要關注點，而輕量化是實現上述目標最有效、最簡單的途徑。輕量化可以通過設計或選材實現，前者體現在新技術和新工藝上，而後者則是採用輕質高強的材料。自20世紀以來，鋁合金因為其重量輕、強度適中、易於製造、成本相對較低的優點，已經成為輕量化首選材料之一。其中，5000系和6000系鋁合金板已廣泛應用於製造發動機蓋、行李箱蓋、車門等汽車覆蓋件，而7000(al-zn-mg-cu)系鋁合金雖然在航空航天工業中被廣泛用作機體部件，但是由於其成形性遠低於5000系和6000系鋁合金，因此暫時未在汽車領域獲得廣泛應用。
3.研究表明，7000系鋁合金的斷後延伸率和拉伸極限應變在溫熱狀態下都有顯著的提高，因此熱成形工藝有利於推動7000系鋁合金在汽車領域的應用。通常來說，用於熱成形的板料在成形前往往需要一定的熱處理保證最終產品具有良好的綜合性能，而這勢必會增加能源消耗，不利於雙碳目標的實現。
4.英國帝國理工學院的林建國教授開發的熱成形-淬火(hot form quench,hfq)一體化技術是目前鋁合金熱成形的技術之一。該工藝首先將板材加熱至固溶溫度並保溫獲得過飽和固溶體，隨後將板材迅速轉移至通水冷模中衝壓成形，短時內成形、淬火併保壓，最後對成形件進行人工時效處理提高其力學性能，但該工藝對衝壓模具要求較高，且生產周期較長。cn112264498b公開了一種鋁合金預強化熱衝壓成形方法，該工藝將固溶淬火後w態的鋁合金板在較低溫度範圍內進行預強化處理，獲得批量供貨的熱衝壓坯料。將預強化處理後的板料轉移到熱衝壓生產線進行加熱，保溫30秒～5分鐘後進行熱衝壓過程，但是與傳統的固溶-淬火工藝一樣，該方法在固溶結束後先將板料冷卻至室溫，再重新加熱至預強化所需溫度，而這個過程會增加能源的消耗。cn107022725b公開了一種提高時效強化型al-mg-zn合金晶間腐蝕性能的熱處理工藝，將時效強化型al-mg-zn合金固溶淬火處理後，進行高溫預時效處理，然後快速淬火至室溫，隨後進行t6峰時效處理，即兩步時效。該發明通過改變合金晶界和晶內微觀組織，可改善合金的抗晶間腐蝕性能，但是在該工藝中存在多次加熱的步驟，能耗較高，且工序較多不利於提升生產效率。


技術實現要素：

5.針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種低能耗的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理方法，旨在解決現有的預處理工藝能耗較高、工序複雜的問題。
6.為實現上述目的，按照本發明的一方面，提供了一種低能耗的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理方法，該預處理方法包括如下步驟：
7.s1將7000系鋁合金在預設溫度下進行固溶處理；
8.s2以大於20℃/s的冷卻速度將固溶處理後的鋁合金冷卻至65～110℃以進行淬火處理；
9.s3將淬火處理後的鋁合金在65～110℃下保溫預設時間以進行低溫預時效，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
10.作為進一步優選的，步驟s1中，固溶處理的溫度為380～500℃。
11.作為進一步優選的，步驟s1中，固溶處理的時間為0.5～2h。
12.作為進一步優選的，步驟s3中，低溫預時效的時間為2～12h。
13.按照本發明的另一方面，提供了一種低能耗的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理方法，該預處理方法包括如下步驟：
14.(a)將7000系鋁合金在預設溫度下進行固溶處理；
15.(b)將固溶處理後的鋁合金冷卻至250～350℃並保溫0.5～30min以進行高溫預時效；
16.(c)將高溫預時效後的鋁合金以大於20℃/s的冷卻速度冷卻至65～110℃以進行淬火處理；
17.(d)在65～110℃下保溫預設時間以進行低溫預時效，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
18.作為進一步優選的，步驟(a)中，固溶處理的溫度為380～500℃。
19.作為進一步優選的，步驟(a)中，固溶處理的時間為0.5～2h。
20.作為進一步優選的，步驟(d)中，低溫預時效的時間為2～12h。
21.總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下
22.有益效果：
23.1.本發明提供的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理方法為了降低能源消耗，提高生產效率，避免淬火冷卻至室溫後又重新加熱造成的能量浪費，提出淬火時將鋁合金冷卻至65～110℃而非室溫，同時為避免淬火過程未冷卻至室溫對成形後鋁合金的強度、斷後延伸率以及微觀組織產生影響，保證鋁合金具有尺寸較大、熱穩定性較高的gp區組織以及衝壓後優於t6態合金的強塑性，該預處理方法將淬火時的冷卻速度控制為大於20℃/s，從而避免在冷卻過程中析出粗大的第二相顆粒(粗大的η相和mgzn2)，使得晶體內僅析出極少量細小的第二相顆粒，保證後續有足夠的強化相析出，使得鋁合金具有良好的強度和塑性，並且該冷卻速度還能夠避免鋁合金處於中溫區的時間過長，因中溫區內沉澱析出驅動力和過飽和度較大，會導致平衡相的沉澱析出量過大，直接影響到飽和固溶體的飽和程度，並消耗大量的mg、zn元素，降低了基體中溶質原子的濃度，抑制了強化相的析出，導致性能下降；
24.2.同時，本發明對固溶處理的溫度和時間進行優化，能夠溶解合金中含mg、zn元素的結晶相和析出相，為後續預時效提供足量過飽和的mg和zn溶質原子；
25.3.此外，本發明還對低溫預時效的溫度和保溫時間進行優化，有助於在晶粒中析出尺寸較大的gp區，這些gp區能夠在熱衝壓的加熱保溫工序中作為亞穩定強化相η＇的形核核心，保證在以後的熱衝壓過程中gp區向亞穩定強化相的轉化，使得鋁合金板料處於組織穩定狀態，不會因自然時效產生組織變化；
26.4.另外，對鋁合金耐腐蝕性能有特殊要求的情況，本發明還提出在固溶處理和淬
火之間增加高溫預時效，由於在高溫區內基體過飽和程度較小，析出驅動力較小，雖然溶質原子擴散速率大，但形核速率較小，相變速度不足以產生過多粗大的第二相，但是可在晶界斷續析出穩定的第二相η相，有利於改善鋁合金的抗晶間腐蝕性能，且不會對鋁合金最終的強度造成太大影響。
附圖說明
27.圖1是本發明實施例提供的低能耗的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理流程示意圖；
28.圖2是本發明另一實施例提供的低能耗的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理流程示意圖。
具體實施方式
29.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
30.如圖1所示，按照本發明的一方面，提供了一種低能耗的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理方法，該預處理方法包括如下步驟：
31.s1將7000系鋁合金在預設溫度下進行固溶處理；
32.s2以大於20℃/s的冷卻速度將固溶處理後的鋁合金冷卻至65～110℃以進行淬火處理；
33.s3將淬火處理後的鋁合金在65～110℃下保溫預設時間以進行低溫預時效，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
34.本發明提供的預處理方法避免了固溶處理後淬火至室溫和重新加熱至低溫預時效溫度所產生的能源消耗問題，對於節能減排具有較大意義，並且有效簡化了預處理的工藝流程，提高了生產效率，同時該預處理方法還能夠保證鋁合金具有尺寸較大、熱穩定性較高的gp區組織以及衝壓後優於t6態合金的強塑性。為了避免淬火至65～110℃而非室溫對成形後鋁合金的強度、斷後延伸率以及微觀組織產生影響，該預處理方法將淬火時的冷卻速度控制為大於20℃/s，從而避免在冷卻過程中析出粗大的第二相顆粒(粗大的η相和mgzn2)，使得晶體內僅析出極少量細小的第二相顆粒，保證後續有足夠的強化相析出，使得鋁合金具有良好的強度和塑性，並且該冷卻速度還能夠避免鋁合金處於中溫區的時間過長，因中溫區內沉澱析出驅動力和過飽和度較大，會導致平衡相的沉澱析出量過大，直接影響到飽和固溶體的飽和程度，並消耗大量的mg、zn元素，降低了基體中溶質原子的濃度，抑制了強化相的析出，導致性能下降。
35.進一步，步驟s1中，固溶處理的溫度為380～500℃，固溶處理的時間為0.5～2h，從而能夠溶解合金中含mg、zn元素的結晶相和析出相，為後續預時效提供足量過飽和固溶的mg和zn溶質原子。
36.進一步，步驟s3中，將淬火處理後的鋁合金在65～110℃下保溫2～12h以進行低溫預時效，有助於在晶粒中析出尺寸較大的gp區，這些gp區能夠在熱衝壓的加熱保溫工序中作為亞穩定強化相η＇的形核核心，能夠保證在以後的熱衝壓過程中gp區向亞穩定強化相的
轉化，使得鋁合金板料處於組織穩定狀態，不會因自然時效產生組織變化。
37.在上述參數的相互作用下，利用本發明提供方法預處理後的鋁合金在衝壓成形後可具有優於t6態合金的強度和塑性，其抗拉強度可達到692mpa及以上，屈服強度可達到620mpa及以上，塑性可達到13.1％及以上。同時利用本發明提供方法處理後的鋁合金成形性能較好，有助於推動室溫下難成形的7000系鋁合金在汽車和航空航天領域的應用。
38.如圖2所示，按照本發明的另一方面，提供了一種低能耗的7000系鋁合金熱衝壓板料預處理方法，該預處理方法包括如下步驟：
39.(a)將7000系鋁合金在預設溫度下進行固溶處理；
40.(b)將固溶處理後的鋁合金冷卻至250～350℃並保溫0.5～30min以進行高溫預時效；
41.(c)將高溫預時效後的鋁合金以大於20℃/s的冷卻速度冷卻至65～110℃以進行淬火；
42.(d)在65～110℃下保溫預設時間以進行低溫預時效，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
43.現有技術中對於提升鋁合金抗晶間腐蝕性能的熱處理工藝屬於最終熱處理，而本發明創造性地將其安排在預處理過程中，在固溶處理和淬火之間增加了一段高溫預時效的步驟，與現有技術相比具有明顯差別。其提升鋁合金抗晶間腐蝕性能的原理是：在高溫區內，基體過飽和程度比較小，析出驅動力較小，雖然溶質原子擴散速率大，但形核率比較小，相變速度不足以產生過多的粗大的第二相，但是可在晶界斷續析出穩定的第二相η相，有利於改善合金的抗晶間腐蝕性能，且不會對鋁合金最終的強度造成太大影響。
44.進一步，步驟(a)中，固溶處理的溫度為380～500℃，固溶處理的時間為0.5～2h，從而能夠溶解合金中含mg、zn元素的結晶相和析出相，為後續預時效提供足量過飽和固溶的mg和zn溶質原子。
45.進一步，步驟(d)中，將淬火處理後的鋁合金在65～110℃下保溫2～12h以進行低溫預時效，有助於在晶粒中析出尺寸較大的gp區，這些gp區能夠在熱衝壓的加熱保溫工序中作為亞穩定強化相η＇的形核核心，能夠保證在以後的熱衝壓過程中gp區向亞穩定強化相的轉化，使得鋁合金板料處於組織穩定狀態，不會因自然時效產生組織變化。
46.下面根據具體實施例對本發明提供的技術方案作進一步說明。
47.在本案的各實施例和對比例中，7000系鋁合金鑄錠經均勻化熱處理後，熱軋並冷軋成1mm厚的冷軋板，然後對其進行各實施例和對比例所示的預處理工藝，最後將預處理後的試樣加熱至200℃，保溫5分鐘後快速轉移至衝壓模具進行熱衝壓，在衝壓成形後的零件上切取拉伸試樣進行拉伸測試和晶間腐蝕測定。同時，各實施例和對比例選用的7000系鋁合金的化學成分如表1所示。
48.表1 7000系鋁合金的化學成分
[0049][0050]
實施例1
[0051]
(1)475℃下將7000系鋁合金保溫1h，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將7000系鋁合金冷卻至85℃；
[0052]
(2)在85℃下將7000系鋁合金保溫12h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
[0053]
實施例2
[0054]
(1)475℃下將7000系鋁合金保溫1h，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將7000系鋁合金冷卻至85℃；
[0055]
(2)在85℃下將7000系鋁合金保溫6h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
[0056]
實施例3
[0057]
(1)475℃下將7000系鋁合金保溫1h，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將7000系鋁合金冷卻至65℃；
[0058]
(2)在65℃下將7000系鋁合金保溫12h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
[0059]
實施例4
[0060]
(1)380℃下將7000系鋁合金保溫2h，然後在控制冷卻速度為30℃/s的條件下採用油冷的方式將7000系鋁合金冷卻至110℃；
[0061]
(2)在110℃下將7000系鋁合金保溫12h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
[0062]
實施例5
[0063]
(1)500℃下將7000系鋁合金保溫0.5h，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將7000系鋁合金冷卻至110℃；
[0064]
(2)在110℃下將7000系鋁合金保溫2h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
[0065]
實施例6
[0066]
(1)475℃下將7000系鋁合金保溫1h，然後隨爐冷卻至350℃；
[0067]
(2)在350℃條件下保溫0.5min，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將7000系鋁合金冷卻至85℃；
[0068]
(3)在85℃下將7000系鋁合金保溫12h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
[0069]
實施例7
[0070]
(1)380℃下將7000系鋁合金保溫2h，然後隨爐冷卻至250℃；
[0071]
(2)在250℃條件下保溫30min，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將7000系鋁合金冷卻至110℃；
[0072]
(3)在110℃下將7000系鋁合金保溫6h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
[0073]
實施例8
[0074]
(1)500℃下將7000系鋁合金保溫0.5h，然後隨爐冷卻至300℃；
[0075]
(2)在300℃條件下保溫10min，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將7000系鋁合金冷卻至65℃；
[0076]
(3)在65℃下將7000系鋁合金保溫12h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處
理過程。
[0077]
實施例9
[0078]
(1)500℃下將7000系鋁合金保溫0.5h，然後隨爐冷卻至300℃；
[0079]
(2)在300℃條件下保溫10min，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將7000系鋁合金冷卻至85℃；
[0080]
(3)在85℃下將7000系鋁合金保溫2h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
[0081]
實施例10
[0082]
(1)500℃下將7000系鋁合金保溫0.5h，然後隨爐冷卻至300℃；
[0083]
(2)在300℃條件下保溫10min，然後在控制冷卻速度為30℃/s的條件下採用油冷的方式將7000系鋁合金冷卻至65℃；
[0084]
(3)在65℃下將7000系鋁合金保溫12h，進而完成7000系鋁合金熱衝壓板料的預處理過程。
[0085]
對比例1
[0086]
(1)將7000系鋁合金固溶加熱至475℃，保溫2h後水淬至室溫；
[0087]
(2)10min內將w態鋁合金板加熱到85℃，並保溫12h。
[0088]
對比例2
[0089]
(1)將7000系鋁合金固溶加熱至475℃，保溫2h後水淬至室溫；
[0090]
(2)將w態鋁合金板加熱到400℃並保溫1h，然後取出用水淬火至室溫；
[0091]
(3)10min內將鋁合金板加熱至65℃，保溫12h；
[0092]
(4)將鋁合金板加熱至100℃，保溫25h。
[0093]
對比例3
[0094]
(1)在475℃下將7000系鋁合金保溫1min，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將鋁合金冷卻至85℃；
[0095]
(2)在85℃下將7000系鋁合金保溫12h。
[0096]
對比例4
[0097]
(1)在475℃下將7000系鋁合金保溫2h，然後在控制冷卻速度為1℃/s的條件下採用油冷的方式將7000系鋁合金冷卻至85℃；
[0098]
(2)在85℃下將7000系鋁合金保溫12h。
[0099]
對比例5
[0100]
(1)在475℃下將7000系鋁合金保溫2h，然後隨爐冷卻至450℃；
[0101]
(2)鋁合金在450℃條件下保溫30min，然後在控制冷卻速度為60℃/s的條件下採用水冷的方式將7000系鋁合金冷卻至85℃；
[0102]
(3)在85℃下將7000系鋁合金保溫12h。
[0103]
分別將實施例1-10和對比例1-5預處理後的鋁合金加熱至200℃，保溫5分鐘後快速轉移至衝壓模具進行熱衝壓，在衝壓成形後的零件上切取拉伸試樣進行拉伸測試和晶間腐蝕測定，結果如表2所示。
[0104]
表2拉伸測試和晶間腐蝕測定結果比較
[0105][0106][0107]
實施例1-10滿足本發明要求，對比例1和對比例2分別為現有的用於熱衝壓板料的
預處理方法和提升鋁合金抗晶間腐蝕性能的熱處理工藝，對比例3-5不滿足本發明的工藝範圍。
[0108]
比較實施例1-5和對比例1可知，實施例1-5相較於對比例1，最大腐蝕深度較為接近，但是耗電量降低10.5％-33.2％，且抗拉強度、屈服強度以及延伸率降低幅度均小於3％，其中實施例2的抗拉強度和屈服強度略高於對比例1，實施例1和實施例3的延伸率較對比例1也更高，因此相對於現有的熱衝壓板料的預處理方法，本發明的技術方案能在保證鋁合金強度和塑性的同時，有效降低預處理過程中的能耗。
[0109]
比較實施例6-10和對比例2可知，實施例6-10相較於對比例2，最大腐蝕深度雖然會增加3％～7％，但是抗拉強度和屈服強度可增加4％～10％，耗電量可降低48.6％～61.6％，且實施例4的延伸率高於對比例2。因此相對於現有的提升鋁合金抗晶間腐蝕性能的熱處理工藝，本發明的技術方案能在提升鋁合金抗晶間腐蝕性能的同時，保證其具有良好的力學性能，且降低預處理過程中的能耗。
[0110]
對比例3-5因不滿足本發明的工藝範圍，導致如下結果：
[0111]
對比例3因為固溶處理時間太短，導致板材中的mg、zn原子未能完全固溶，導致板材強度較低；
[0112]
對比例4因為固溶處理後的冷卻過程中冷卻速度過慢，導致析出粗大的η相，不利於後續時效的時效強化效果，削弱合金的強度；
[0113]
對比例5因為高溫預時效溫度過高，使晶內和晶界均無析出相析出，無法改善合金的抗晶間腐蝕性能。
[0114]
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。