輕合金材料強度和韌性的增強處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，該方法包括對輕合金材料依次進行的固溶處理和時效處理，該方法還包括在時效處理后的深冷處理和在深冷處理過程中的超聲場沖擊處理。深冷處理過程包括從室溫開始，冷卻速度1～10oC/min，將輕合金冷卻到－196oC保溫12～30h。超聲場沖擊處理優選在深冷處理的后期進行，超聲場強度1～50Kw/m2，聲場頻率10～40KHZ，超聲場處理時間為60～200S。將深冷處理和超聲場沖擊處理后的輕合金置于溫度為110～170oC烘箱中，保溫2～6h，隨后將輕合金置于空氣中，自然恢復到室溫。本發明可使輕合金材料組織致密，殘余應力小，強韌性得到同步大幅提高。
【專利說明】輕合金材料強度和韌性的增強處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種輕合金材料的強化處理方法，特別是涉及一種輕合金材料強度和韌性的增強處理方法。
【背景技術】
[0002]輕質高強韌的輕合金材料在航空、航天、高客和軍工等機械制造領域都有著廣泛的的應用，制備輕質高強韌的輕合金材料是材料工作者的追求目標，但是從強化機制看，材料的強度和韌性存在著此消彼長的矛盾，因此，亟待研究一種新的材料制備和處理方法，使金屬材料同時兼備高強度和高韌性兩種特性。
[0003]從現有技術看，通常采用傳統的熱處理或等通道轉角擠壓法(ECAP)對輕合金材料進行細晶強化，或者采用在熔煉過程中加入細化劑對晶粒進行細晶強化或通過原位反應生成增強顆粒等方法，達到改善輕合金材料的力學性能。現有改善輕合金材料強韌性的中國專利主要有以下四個:一是專利號為200510037105.5，名稱為一種高強韌擠壓鑄造鋁合金材料的發明專利，其通過擠壓鑄造、淬火和不完全人工時效方法制備的鋁合金材料具有強韌性，通過發揮細晶強化使材料具有高強韌性特征；二是專利號為200410023090.2，名稱為一種改善超高強鋁合金強韌性的熱處理工藝的發明專利，其通過控制鋁合金組織中晶界平衡相發生球化，在保證鋁合金強度不降低或有所提高的基礎上提高合金韌性，原理在于減少合金晶界處脆性相；三是專利號為201110400274.6，名稱為一種超聲場與細化劑復合細化AZ31鎂合金晶粒的方法的發明專利，其通過AZ31鎂合金在熔煉過程中，采用超聲波將SiC陶瓷微粒引入到鎂合金中，利用細化晶粒技術，改善鑄造缺陷，提高合金的強度和韌性；四是專利號為201210580241.9，名稱為一種原位自生Al3BC增強鎂基復合材料及其制備方法的發明專利，該方法通過將A l - A3BC預制合金溶解，靜置保溫，攪拌或超聲波處理后將合金液壓鑄或擠壓鑄造成形，即可得到顆粒增強鎂基復合材料。上述方法都可提高輕合金材料的強度和韌性，但是，采用上述方法來提高輕合金強韌性的能力非常有限，很難制備出高強韌性的輕合金材料來滿足工業生產的需要，因此，迫切需要尋求一種新方法，來大幅提高輕合金材料的強韌性，以滿足日益發展的工業需要。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，通過該方法處理的輕合金材料不僅同時兼備高強度和高韌性兩種特性，而且與現有技術相t匕，強韌性能得到大幅提高，從而能更好地滿足工業需要。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用這樣一種輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，該方法包括對輕合金材料依次進行的固溶處理和時效處理，該方法還包括在時效處理后，對輕合金材料進行的深冷處理和在深冷處理過程中對輕合金材料進行的超聲場沖擊處理。
[0006]在本發明中，所述深冷處理的過程包括，從室溫開始，冷卻速度I~10°C/min，將輕合金材料冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12~30h。
[0007]在本發明中，所述對輕合金材料進行的超聲場沖擊處理優選在深冷處理的后期進行，所述超聲場的強度為I~50Kw/m2，聲場頻率為10~40KHZ，超聲場的處理時間為60~200S。
[0008]在本發明中，所述深冷處理的后期是深冷處理離設定結束時間t < 0.5h。
[0009]在本發明中，可將深冷處理和超聲場沖擊處理后的輕合金材料置于溫度為110~170 oC的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的輕合金材料置于空氣中，自然恢復到室溫。
[0010]本發明的方法還包括在固溶處理后、時效處理前進行的淬火處理，所述淬火處理的過程包括將固溶處理后的輕合金材料放入15~45°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0011]在本發明中，所述固溶處理的過程包括將輕合金材料在400~540°C的溫度下保溫2~7h。
[0012]在本發明中，所述時效處理的過程包括將輕合金材料在100~150°C的溫度下保溫12~30h。
[0013]在本發明中，所述的輕合金材料為鋁、鎂、鈦合金材料。
[0014]采用上述處理方法后，本發明具有以下有益效果:
從組織特征上看，當輕合金材料進行深冷處理時，因超低溫作用，輕合金材料會發生收縮從而產生微塑性變形，塑性變形導致輕合金材料內部產生大量位錯，這樣在深冷處理時產生位錯的基礎上，通過施加一定強度的超聲場沖擊效應，利用超聲場的空化效應和聲流沖擊效應，可促使輕合金材料中高密度位錯實現快速運動，位錯的快速運動可在輕合金材料內部誘發產生納米孿晶，納米`孿晶的產生使輕合金材料具有納米尺度共格晶面的組織特征，從而使輕合金材料同時具備高強度和高韌性的力學性能。
[0015]作為本發明的一種優選實施方式，所述超聲場的強度為I~50Kw/m2，聲場頻率為10~40KHZ，超聲場的處理時間為60~200S，并且在深冷處理的后期對輕合金材料進行超聲場沖擊處理，所述的深冷處理后期優選為深冷處理離設定結束時間t < 0.5h的時間范圍內，即在深冷處理結束前的半小時內。采用這種技術方案后，由于超聲場產生的高速瞬間沖擊能量使輕合金材料表面的溫度急劇升高又急劇冷卻，這種高頻能量從輕合金材料表面導入材料內部，因而引起材料組織不均勻的塑性變形和彈性應變，并促使輕合金材料中高密度位錯的快速運動，使輕合金材料中產生大量的納米孿晶，從而使輕合金材料的強韌性得到了大幅度提高。而且，當在深冷處理的后期對輕合金材料進行超聲場沖擊處理時，由于在深冷處理的后期，輕合金材料內部產生的位錯更多，因此在輕合金材料內部能誘發產生更多的納米孿晶，從而使輕合金材料具有更高的強韌性。
[0016]作為本發明的進一步改進，本發明將深冷處理和超聲場沖擊處理后的輕合金材料置于溫度為110~170 oC的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的輕合金材料置于空氣中，自然恢復到室溫。采用這種技術方案后，利用高低溫處理方法，可使輕合金材料的力學性能更佳。
【具體實施方式】
[0017]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。[0018]一種輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，該方法包括對輕合金材料依次進行的固溶處理和時效處理，該方法還包括在時效處理后，對輕合金材料進行的深冷處理和在深冷處理過程中對輕合金材料進行的超聲場沖擊處理。
[0019]本發明的深冷處理過程包括，從室溫開始，冷卻速度I~10°C/min，將輕合金材料冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12~30h。
[0020]本發明對輕合金材料進行的超聲場沖擊處理優選在深冷處理的后期進行，所述超聲場的強度為1~50Kw/m2，聲場頻率為10~40KHZ，超聲場的處理時間為60~200S。
[0021]在本發明中，所述深冷處理的后期是指深冷處理離設定結束時間t ^ 0.5h，即在深冷處理結束前的半小時內。
[0022]本發明優選將深冷處理和超聲場沖擊處理后的輕合金材料置于溫度為110~170oC的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的輕合金材料置于空氣中，自然恢復到室溫。
[0023]本發明的方法還包括在固溶處理后、時效處理前進行的淬火處理，所述淬火處理的過程包括將固溶處理后的輕合金材料放入15~45°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0024]在本發明中，所述固溶處理的過程包括將輕合金材料在400~540°C的溫度下保溫2~7h。
[0025]在本發明中，所述時效處理的過程包括將輕合金材料在100~150°C的溫度下保溫12~30h。
[0026]本發明所述的輕合金材料包括鋁、鎂、鈦等合金材料。
[0027]在本發明中，實施深冷處理的裝置可采用市售的具有隔熱保溫、不屏蔽超聲場的深冷柜或箱，采用的冷源是液氮。實施超聲場沖擊處理的裝置可采用市售的超聲波發生器，所述超聲波發生器能產生頻率大于IOkHz的振蕩電信號，通過換能器轉換為同頻率的縱波機械振動能量，再通過變幅桿將換能器微小振幅(一般為4 μ m)變換到20~80 μ m,然后借助各種形式的工具頭將振動能量傳遞到輕合金材料上。
[0028]在本發明中，優選將所述深冷處理和深冷處理后期的超聲場沖擊處理，以及深冷處理后的所述烘箱保溫處理，重復循環操作2~3次。
[0029]實施例1:
采用6061鋁合金棒材作為樣品進行強化處理，該鋁合金各成分的重量百分含量為Mg:
0.8 ~1.2%, S1:0.4 ~0.8%, Cu:0.15 ~0.4%, Cr:0.15 ~0.35%, Mn:0.15%, Fe:0.7%, Zn:
0.25%, Ti:0.15%，余量為 Al。
[0030]固溶處理；將所述鋁合金棒材放置在熱處理爐中，在450°C的溫度下保溫3h。
[0031]淬火處理；將固溶處理后的鋁合金棒材放入15°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0032]時效處理；將淬火處理后的鋁合金棒材放置在熱處理爐中，在100°C的溫度下保溫30h，然后將鋁合金棒材自然冷卻到室溫。
[0033]深冷處理和超聲場沖擊處理；將時效處理后的鋁合金棒材放置在深冷箱中，從室溫開始，冷卻速度10°C/min，將鋁合金棒材冷卻到一 196°C的超低溫下保溫30h，在對鋁合金棒材保溫了 29.5~30h時，對鋁合金棒材施加超聲場沖擊處理，超聲場強度50Kw/m2，聲場頻率40KHZ，超聲處理時間60S。
[0034]將經過深冷處理和超聲場沖擊處理后的鋁合金棒材置于溫度為110°C的烘箱中，保溫時間為6h，隨后將烘箱中的鋁合金棒材置于空氣中，自然恢復到室溫。
[0035]對經過處理后的鋁合金棒材進行性能檢試，鋁合金棒材的抗拉強度(Sb)為456Mpa，屈服強度(δ。2)為388Mpa，伸長率(Φ )為20%。從檢測報告中可以得出:鋁合金材料的強韌性得到了同步大幅提高。
[0036]實施例2:
采用7055鋁合金棒材作為樣品進行強化處理，該鋁合金各成分的重量百分含量為Zn:8%，Mg:2.2%, Cu:2.2%, Zr:0.2%, Mn ≤ 0.05%, Fe ≤0.1%，Si ≤0.15%, Ti ≤0.06%,Cr ≤ 0.04%,余量為 Al。
[0037]固溶處理；將所述鋁合金棒材放置在熱處理爐中，在475°C的溫度下保溫2h。
[0038]淬火處理；將固溶處理后的鋁合金棒材放入20°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0039]時效處理；將淬火處理后的鋁合金棒材放置在熱處理爐中，在120°C的溫度下保溫24h，然后將鋁合金棒材自然冷卻到室溫。
[0040]深冷處理和超聲場沖擊處理；將時效處理后的鋁合金棒材放置在深冷箱中，從室溫開始，冷卻速度l°C/min，將鋁合金棒材冷卻到一 196°C的超低溫下保溫24h，在對鋁合金棒材保溫了 23.5~24h時，對鋁合金棒材施加超聲場沖擊處理，超聲場強度30Kw/m2，聲場頻率20KHZ，超聲處理時間150S。
[0041]將經過深冷處理和超聲場沖擊處理后的鋁合金棒材置于溫度為110°C的烘箱中，保溫時間為4h，隨后將烘箱中的鋁合金棒材置于空氣中，自然恢復到室溫。
[0042]對經過處理后的鋁合金棒材進行性能檢試，鋁合金棒材的抗拉強度(Sb)為688Mpa，屈服強度(δ。2)為654Mpa，伸長率(Φ )為18.5%。從檢測報告中可以得出:鋁合金材料的強韌性得到了同步大幅提高。
[0043]實施例3:
采用6高硅(Si)鋁合金棒材作為樣品進行強化處理，該鋁合金各成分的重量百分含量為 Si:20%, Fe:2.0%, Sr:0.12%，余量為 Al。
[0044]固溶處理；將所述鋁合金棒材放置在熱處理爐中，在540°C的溫度下保溫4h。
[0045]淬火處理；將固溶處理后的鋁合金棒材放入22°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0046]時效處理；將淬火處理后的鋁合金棒材放置在熱處理爐中，在150°C的溫度下保溫12h，然后將鋁合金棒材自然冷卻到室溫。
[0047]深冷處理和超聲場沖擊處理；將時效處理后的鋁合金棒材放置在深冷箱中，從室溫開始，冷卻速度5°C/min，將鋁合金棒材冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12h，在對鋁合金棒材保溫了 11.5~12h時,對招合金棒材施加超聲場沖擊處理,超聲場強度lKw/m2,聲場頻率10KHZ，超聲處理時間200S。
[0048]將經過深冷處理和超聲場沖擊處理后的鋁合金棒材置于溫度為110°C的烘箱中，保溫時間為2h，隨后將烘箱中的鋁合金棒材置于空氣中，自然恢復到室溫。
[0049]對經過處理后的鋁合金棒材進行性能檢試，鋁合金棒材的抗拉強度(Sb)為182Mpa，屈服強度(δ 0 2)為156Mpa，伸長率(Φ)為21%。從檢測報告中可以得出:鋁合金材料的強韌性得到了同步大幅提高。[0050]實施例4:
采用ZK61鎂合金棒材作為樣品進行強化處理，該鎂合金各成分的重量百分含量為Al ≤0.05%, Zn:5.0 ~6.0%, Mn ≤0.1%，Zr:0.3 ~0.9%, Si ≤ 0.05%, Fe ≤0.05%,Cu ≤0.05%, Ni ≤ 0.005%，其它:0.31%，余量為 Mg。
[0051]固溶處理；將所述鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在400°C的溫度下保溫3h。
[0052]淬火處理；將固溶處理后的鎂合金棒材放入35°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0053]時效處理；將淬火處理后的鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在100°C的溫度下保溫12h，然后將鎂合金棒材自然冷卻到室溫。
[0054]深冷處理和超聲場沖擊處理；將時效處理后的鎂合金棒材放置在深冷箱中，從室溫開始，冷卻速度l°C/min，將鎂合金棒材冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12h，在對鎂合金棒材保溫了 11.5~12h時,對鎂合金棒材施加超聲場沖擊處理,超聲場強度lKw/m2,聲場頻率10KHZ，超聲處理時間60S。
[0055]將經過深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金棒材置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為2h，隨后將烘箱中的鎂合金棒材置于空氣中，自然恢復到室溫。
[0056]對經過處理后的鎂合金棒材進行性能檢試，鎂合金棒材的抗拉強度(Sb)為338Mpa，屈服強度(δ。2)為221Mpa，伸長率(Φ )為23%。從檢測報告中可以得出:鎂合金材料的強韌性得到了同步大幅提高。
[0057]實施例5:
采用AZ61鎂合金棒材作為樣品進行強化處理，該鎂合金各成分的重量百分含量為Al: 5.5 ~6.5%, Zn: 0.5 ~1.5%, Mn: 0.15 ~0.4%, Si ( 0.10%, Fe ( 0.005%, Cu ( 0.05%,Ni ≤ 0.005%，其它≤ 0.35%，余量:Mg。
[0058]固溶處理；將所述鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在470°C的溫度下保溫7h。
[0059]淬火處理；將固溶處理后的鎂合金棒材放入40°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0060]時效處理；將淬火處理后的鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在150°C的溫度下保溫30h，然后將鎂合金棒材自然冷卻到室溫。
[0061]深冷處理和超聲場沖擊處理；將時效處理后的鎂合金棒材放置在深冷箱中，從室溫開始，冷卻速度10°C/min，將鎂合金棒材冷卻到一 196°C的超低溫下保溫30h，在對鎂合金棒材保溫了 29.5~30h時,對鎂合金棒材施加超聲場沖擊處理,超聲場強度50Kw/m2,聲場頻率40KHZ，超聲處理時間200S。
[0062]將經過深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金棒材置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為6h，隨后將烘箱中的鎂合金棒材置于空氣中，自然恢復到室溫。
[0063]對經過處理后的鎂合金棒材進行性能檢試，鎂合金棒材的抗拉強度(Sb)為298Mpa，屈服強度(δ 0 2)為206Mpa，伸長率(Φ )為20.5%。從檢測報告中可以得出:鎂合金材料的強韌性得到了同步大幅提高。
[0064]實施例6:
首先制備SiC顆粒增強AZ31鎂合金棒材，然后以SiC顆粒增強AZ31鎂合金棒材作為樣品進行強化處理，所述AZ31鎂合金各成分的重量百分含量為Al:3.0~4.0%，Mn:0.15~0.5%, Zn:0.2 ~0.8%, Cu:0.05%, N1:0.005%, S1:0.15%，其它:0.37%，余量為 Mg。
[0065]將AZ31鎂合金鑄錠裝入720°C坩堝中，此間輸入N2作為保護氣體進行保護，待全部融化后，脫氣、扒渣；將SiC粉末研磨成納米顆粒(粒度小于IOOnm)按顆粒增強相理論重量的30%稱量后，充分烘干，然后將烘干的SiC納米顆粒放入坩堝中，并行電磁攪拌和人工攪拌，攪拌時間為5min。攪拌后的熔體靜置2~3min，待溫度再次升到720°C時，澆鑄成直徑IOOmm鑄錠；將所述IOOmm鑄錠進行熱擠壓，擠壓溫度220°C，擠壓比30:1，得到直徑28mm的SiC顆粒增強AZ31鎂合金棒材。
[0066]固溶處理；將所述SiC顆粒增強AZ31鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在420°C的溫度下保溫5h。
[0067]淬火處理；將固溶處理后的鎂合金棒材放入45°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0068]時效處理；將淬火處理后的鎂合金棒材放置在熱處理爐中，在130°C的溫度下保溫20h，然后將鎂合金棒材自然冷卻到室溫。
[0069]深冷處理和超聲場沖擊處理；將時效處理后的鎂合金棒材放置在深冷箱中，從室溫開始，冷卻速度6°C/min，將鎂合金棒材冷卻到一 196°C的超低溫下保溫20h，在對鎂合金棒材保溫了 19.5~20h時,對鎂合金棒材施加超聲場沖擊處理,超聲場強度30Kw/m2,聲場頻率30KHZ，超聲處理時間120S。
[0070]將經過深冷處理和超聲場沖擊處理后的鎂合金棒材置于溫度為170°C的烘箱中，保溫時間為4h，隨后將烘箱中的鎂合金棒材置于空氣中，自然恢復到室溫。
[0071]對經過處理后的鎂合金棒材進行性能檢試，鎂合金棒材的抗拉強度(Sb)為320Mpa，屈服強度(δ。2)為200Mpa，伸長率(Φ )為17%。從檢測報告中可以得出:鎂合金材料的強韌性得到了同步大幅提高。
[0072]綜上，采用本發明的方法后，可使輕合金材料組織致密，殘余應力小，強韌性得到同步大幅提高，本發明將傳統熱處理進行了一種新的延伸和突破。
【權利要求】
1.一種輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，該方法包括對輕合金材料依次進行的固溶處理和時效處理，其特征在于:該方法還包括在時效處理后，對輕合金材料進行的深冷處理和在深冷處理過程中對輕合金材料進行的超聲場沖擊處理。
2.根據權利要求1所述的輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，其特征在于:所述深冷處理的過程包括，從室溫開始，冷卻速度I~10°C/min，將輕合金材料冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12~30h。
3.根據權利要求1或2所述的輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，其特征在于:所述對輕合金材料進行的超聲場沖擊處理在深冷處理的后期進行，所述超聲場的強度為I~50Kw/m2，聲場頻率為10~40KHZ，超聲場的處理時間為60~200S。
4.根據權利要求3所述的輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，其特征在于:所述深冷處理的后期是深冷處理離設定結束時間t ( 0.5h。
5.根據權利要求3所述的輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，其特征在于:將深冷處理和超聲場沖擊處理后的輕合金材料置于溫度為110~170 0C的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的輕合金材料置于空氣中，自然恢復到室溫。
6.根據權利要求1所述的輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，其特征在于:該方法還包括在固溶處理后、時效處理前進行的淬火處理，所述淬火處理的過程包括將固溶處理后的輕合金材料放入15~45°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
7.根據權利要求1所述的輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，其特征在于:所述固溶處理的過程包括將輕合金材料在400~540°C的溫度下保溫2~7h。
8.根據權利要求1所述的輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，其特征在于:所述時效處理的過程包括將輕合金材料在100~150°C的溫度下保溫12~30h。
9.根據權利要求1所述的輕合金材料強度和韌性的增強處理方法，其特征在于:所述的輕合金材料為鋁、鎂、鈦合金材料。
【文檔編號】C22F3/02GK103510028SQ201310453817
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】王占洪, 張勛寅, 朱曉宏 申請人:常州市潤源經編機械有限公司