一種提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，包括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，將鋁合金材料冷卻到－196oC的超低溫下保溫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。將深冷處理和超聲場沖擊處理后的鋁合金置于溫度為110oC的烘箱中，保溫時間為2～6h，隨后將烘箱中的鋁合金置于空氣中，自然恢復到室溫。本發明可使鋁合金材料組織致密，殘余應力小，強韌性得到同步大幅提高。
【專利說明】一種提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鋁合金材料的強化處理方法，特別是涉及一種提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法。
【背景技術】
[0002]鋁合金材料作為最輕的金屬合金材料之一，同時具有較高的比強度和比剛度，導熱導電性好，阻尼減振，電磁屏蔽，易于加工成形，所以制備高強韌的鋁合金材料，是材料應用與發展的趨勢。
[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)等方法實現對鋁合金材料進行細晶強化，達到改善材料的力學性能。現有改善鋁合金材料強韌性的中國專利主要有二個: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。以上兩種制備高強韌鋁合金材料的方法，都是通過傳統熱處理工藝的改善，來提高材料的力學性能。傳統熱處理工藝雖然對材料力學性能的提高發揮重要作用，但是繼續提高材料力學性能變的愈發困難，所以對傳統熱處理工藝不僅僅是改善，而是需要對傳統熱處理工藝的突破。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是提`供一種提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，通過該方法處理的鋁合金材料不僅具有高強韌性能，而且突破了傳統的熱處理工藝。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用這樣一種提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，該方法包括對鋁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，對鋁合金材料進行的深冷處理和在深冷處理過程中對鋁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，將鋁合金材料冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12~30h。
[0007]在本發明中，所述對鋁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，所述超聲場的強度優選為I~50Kw/m2，聲場頻率優選為10~40KHZ，超聲場的處理時間優選為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鋁合金材料置于溫度為110°C的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的鋁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鋁合金材料放入18~22°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鋁合金材料在450~540°C的溫度下保溫2~4h。
[0012]在本發明中，所述時效處理的過程包括將鋁合金材料在100~150°C的溫度下保溫12~30h。
[0013]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，當鋁合金材料進行深冷處理時，因超低溫作用，鋁合金材料會發生收縮從而產生微塑性變形，塑性變形導致鋁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，可促使鋁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鋁合金材料內部誘發產生納米孿晶，納米孿晶的產生使鋁合金材料具有納米尺度共格晶面的組織特征，從而使鋁合金材料同時具備高強度和高韌性的力學性能。
[0014]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鋁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鋁合金材料表面的溫度急劇升高又急劇冷卻，這種高頻能量從鋁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，并促使鋁合金材料中高密度位錯的快速運動，使鋁合金材料中產生大量的納米孿晶，從而使鋁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鋁合金材料進行超聲場沖擊處理時，由于在深冷處理的后期，鋁合金材料內部產生的位錯更多，因此在鋁合金材料內部能誘發產生更多的納米孿晶，從而使鋁合金材料具有更高的強韌性。
`[0015]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鋁合金材料置于溫度為110°C的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的鋁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，可使鋁合金材料的力學性能更佳。
【具體實施方式】
[0016]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0017]一種提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，該方法包括對鋁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，對鋁合金材料進行的深冷處理和在深冷處理過程中對鋁合金材料進行的超聲場沖擊處理。
[0018]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，將鋁合金材料冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12~30h。
[0019]本發明對鋁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，所述超聲場的強度優選為I~50Kw/m2，聲場頻率優選為10~40KHZ，超聲場的處理時間優選為60 ~200S。
[0020]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，即在深冷處理結束前的半小時內。[0021]本發明優選將深冷處理和超聲場沖擊處理后的鋁合金材料置于溫度為110°C的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的鋁合金材料置于空氣中，自然恢復到室溫。
[0022]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鋁合金材料放入18~22°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0023]在本發明中，所述固溶處理的過程包括將鋁合金材料在450~540°C的溫度下保溫2~4h。
[0024]在本發明中，所述時效處理的過程包括將鋁合金材料在100~150°C的溫度下保溫12~30h。
[0025]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鋁合金材料上。
[0026]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。
[0027]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。
`[0028]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。
[0029]淬火處理；將固溶處理后的鋁合金棒材放入18°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
[0030]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。
[0031]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。
[0032]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。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]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。
[0039]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。
[0040]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652Mpa，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。
[0041]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。
[0042]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。
[0043]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。
`[0044]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。
[0045]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。
[0046]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。
[0047]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。
[0048]綜上，采用本發明的方法后，可使鋁合金材料組織致密，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】
1.一種提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，該方法包括對鋁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，對鋁合金材料進行的深冷處理和在深冷處理過程中對鋁合金材料進行的超聲場沖擊處理。
2.根據權利要求1所述的提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，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，將鋁合金材料冷卻到一 196°C的超低溫下保溫12~30h。
3.根據權利要求1或2所述的提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:所述對鋁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所述的提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，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所述的提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:將深冷處理和超聲場沖擊處理后的鋁合金材料置于溫度為110°C的烘箱中，保溫時間為2~6h，隨后將烘箱中的鋁合金材料置于空氣中，自然`恢復到室溫。
6.根據權利要求1所述的提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，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鋁合金材料放入18~22°C的水中進行淬火，然后冷卻至室溫。
7.根據權利要求1所述的提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:所述固溶處理的過程包括將鋁合金材料在450~540°C的溫度下保溫2~4h。
8.根據權利要求1所述的提高鋁合金材料強度和韌性的處理方法，其特征在于:所述時效處理的過程包括將鋁合金材料在100~150°C的溫度下保溫12~30h。
【文檔編號】C22F1/04GK103469128SQ201310453860
【公開日】2013年12月25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