一种可热处理铝合金同步淬火热成形工艺

摘要

本发明公开了一种可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，包括制备可热处理铝合金毛坯（非附加热处理状态毛坯）、加热保温、同步淬火成形、外形切割、时效处理的步骤；本发明将同步淬火热成形工艺应用于可热处理铝合金产品的生产，并在成形之后配以适当的时效处理，可以在保证铝合金产品性能的基础上，实现制件的精确成形，从而缩短生产周期，节约能耗、降低生产成本，具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于铝合金冲压成形及热处理工艺，特别是涉及一种可热处理铝合金同步淬火热成形工艺。

背景技术

铝合金具有诸多优点，如密度小，铝的密度只有钢的1/3；具有高的比强度和比刚度；具有良好的弹性和优良的抗冲击性能等,在航空航天领域应用十分广泛。在火箭和航天器上，铝合金主要用于支柱燃料箱、助燃剂箱等；在飞机上，铝合金主要用于结构材料，如蒙皮、壁板和起落架支柱等。目前，民用飞机上70%～80%的材料、军用飞机上40%～60%的材料都是铝合金。铝合金也是解决交通运输业，包括高速铁路、地下铁道运输和汽车客、货运输车辆的等轻量化问题的突破口。铝合金应用于交通运输业最重要的优势就是减重，进而达到节能减排的目的。尤其在汽车工业，此优势体现的更加明显。汽车工业是我国国民经济的支柱产业，而铝合金是促进汽车轻量化最重要的材料之一。有关资料表明，铝的减重和排放效果为1:2.25:20，即汽车每使用1Kg铝，可降低自重2.25Kg，同时在汽车整个使用寿命期内，还可减少废气排放20Kg。铝合金代替钢铁材料制造汽车可使整车质量减轻30%～40%。

铝合金具有诸多优点，其在航空航天领域和交通运输业得到了如此广泛的应用，但其与钢相比室温成形性差，铝合金板材的室温成形性只有深冲钢板的三分之二，延伸率也只有10%左右，大大低于深冲钢板50%的延伸率，而其杨氏模量只有钢板的二分之一左右，故造成零件成形后回弹严重。要使其精确成形出制件，就要改善其成形性能。而目前常用的铝合金温、热成形方法，虽然能提高成形过程中铝合金的成形性能，但也存在诸如：晶粒容易长大最终影响零件的机械性能，能耗高、生产效率低等方面的问题。

铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金，在各行各业的铝合金应用中，以可变形铝合金为主，变形铝合金的分类如图2所示。对于可热处理强化铝合金冲压成形零件，需要在冲压成形完成后进行固溶处理和时效处理，才能满足其使用性能要求。在固溶处理过程中，薄壁冲压成形零件容易产生因热胀冷缩而导致的翘曲变形，从而影响零件的最终尺寸和形状精度，一些复杂形状的零件甚至会出现开裂现象。

因此,寻求一种既改善成形性又降低成本、且可保持高强度的铝合金零件制造工艺对铝合金在制造业中的广泛应用是至关重要的。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，该工艺在保持可热处理铝合金冲压零件使用性能的基础上，同时进行可热处理铝合金的冲压成形和固溶处理，以提高可热处理铝合金的冲压成形性能以及其冲压零件的成形精度，减小零件在固溶处理的淬火过程中翘曲变形，降低制造成本。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，采用以下步骤进行：

（1）制备可热处理铝合金毛坯：利用冲裁、线切割或激光切割的工艺将可热处理铝合金加工成所需形状的成形毛坯；

（2）加热保温：将可热处理铝合金毛坯加热到固溶处理温度并保温10-60分钟，在加热、保温的初期，铝合金的第二相原子溶入铝基体形成过饱和固溶体，得到单相金属组织；在保温后期，铝合金中的合金元素进行扩散运动，均匀分布在铝基体上，形成均匀的高温过饱和固溶体；

在加热炉中将可热处理铝合金成形毛坯加热到固溶处理温度，并保温一段时间，得到单相过饱和固溶体。在加热过程和保温的初期阶段，原始状态下的可热处理铝合金中的第二相原子将溶入铝基体形成过饱和固溶体，得到单相金属组织；而在保温后期铝合金中的合金元素进行扩散运动，均匀分布在铝基体上，形成成分均匀的高温过饱和固溶体，为后续固溶处理获得室温状态下成分均匀的过饱和固溶体作组织准备。同时，高温状态下可以提高可热处理铝合金的塑性，降低变形抗力，为后期的冲压成形作力学性能方面的准备。

（3）同步淬火成形：将加热后的可热处理铝合金毛坯移入带有冷却水道的同步淬火成形模具，进行冲压成形并保压； 

在此过程中，加热后的可热处理铝合金毛坯在模具的作用下发生塑性变形，得到需要的零件形状。由于毛坯在高温状态下进行塑性变形，可热处理铝合金的塑性好、变形抗力小易于成形；此外，变形过程中的加工硬化作用与动态回复、动态再结晶软化作用同时存在，不会出现明显的加工硬化现象。冲压成形和保压过程中利用毛坯与模具之间的热传导，实现对可热处理铝合金毛坯的快速冷却，将溶入基体的合金原子锁定，得到室温状态下成分均匀的过饱和固溶体，为后续时效处理获得弥散分布细小强化相作组织准备。

（4）外形切割：将步骤（3）处理后的铝合金通过进行切边修正，得到最终所需形状的零件；

（5）时效处理：利用自然时效或人工时效的方式，使固溶处理后室温状态下的过饱和固溶体中的合金原子析出，形成均匀分布在基体上的细小强化相。

可热处理铝合金时效的目的是为了将固溶处理后室温状态下的过饱和固溶体中的合金原子析出，形成均匀分布在基体上的细小强化相，提高铝合金的强度和刚度，以满足可热处理铝合金零件的使用要求。时效处理可分为：人工时效和自然时效。自然时效是指：可热处理铝合金中的合金原子在自然条件下析出形成强化相。人工时效是指：可热处理铝合金中的合金原子在加热的条件下析出形成强化相。

所述的可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，步骤（1）中所述的铝合金为2XXX系、6XXX系或7XXX系。

所述的可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，步骤（2）中所述的处理温度为420-540℃。

所述的可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，步骤（3）中所述的移入同步淬火成形模具时间为5-20秒。

所述的可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，步骤（3）中所述的冲压成形的冲压速度大于100mm/s。

所述的可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，步骤（3）所述的保压的时间为30-120秒。

所述的可热处理铝合金同步淬火热成形工艺，步骤（4）所述的外形切割使用冲裁、激光切割或机加工的方法。

同步淬火热成形工艺是一种同时进行可热处理铝合金固溶处理和冲压成形的新工艺，在同步淬火热成形过程中，首先将可热处理铝合金板料加热到固溶处理温度并保温一段时间，使其中的第二相溶入基体得到成分均匀的高温组织；然后将板料送入带有冷却装置的同步淬火热成形模具中进行冲压成形并保压一段时间，利用板料与模具表面之间的热传导对板料进行快速冷却，将合金原子均匀锁在基体内；此后再将成形好的产品取出进行后续的修边处理。可热处理铝合金同步淬火热成形完成以后，再配合相应的时效处理工序，就可以得到需满足使用性能要求的最终产品。

从可热处理铝合金毛坯的制作开始，将可热处理铝合金毛坯加热到固溶处理温度并保温一段时间使其内部成分、组织均匀化；然后在同步淬火热成形模具中对毛坯同时进行冲压成形和固溶处理；并经过修整外形后获得零件最终形状及尺寸；最后进行时效处理。

同步淬火热成形工艺是利用处于固溶处理温度下的可热处理铝合金板料毛坯，塑性和延展性增加而屈服强度下降的特点，利用同步淬火成形模具对其进行冲压成形；同时利用板料毛坯与模具之间的热传导对板料进行快速冷却，从而实现对可热处理铝合金板料毛坯同时进行冲压成形和固溶处理的目的。

本发明提供的可热处理铝合金固溶处理，是将2XXX系、6XXX系、7XXX系铝合金加热到420℃以上，然后快速冷却至室温。而铝合金在200℃以上时，其成形性能相对于室温时有很大的提高，但成形抗力降低。因此，在加热状态下成形出来的铝合金零件精度高，所需的冲压力小。所以，可利用可热处理铝合金在固溶处理开始时温度较高的特点，在可热处理铝合金板料固溶处理的过程中同时进行冲压成形。

同步淬火热成形过程中同时进行可热处理铝合金的固溶处理和冲压成形，与传统的可热处理铝合金板料成形零件的先冷冲压成形后固溶处理工艺相比优势在于：

（1）同步淬火热成形工艺在高温状态下进行可热处理铝合金板料的成形，铝合金成形性能相比室温条件下有明显的提升，变形量大、成形力小、成形精度高；

（2）同步淬火热成形工艺同时进行成形和固溶处理两道工序，没有增加额外的工序，不会增加制造成本，并且在固溶处理的淬火过程中铝合金制品始终与模具接触，不会因热胀冷缩而导致翘曲变形；

（3）由于毛坯的热处理状态会对可热处理铝合金板料成形性能产生影响，所以传统的可热处理铝合金板料冷冲压成形过程中往往采用退火态（O态）毛坯，这就使得非退火态（O态）的可热处理铝合金毛坯在冷冲压成形之前必须进行退火工序，而同步淬火热成形工艺直接将毛坯加热固溶处理温度，毛坯的热处理状态不会对同步淬火成形过程产生影响，可以用直接利用轧制状态的毛坯进行可热处理铝合金冲压零件的生产，所以同步淬火热成形工艺相对传统的可热处理铝合金板料成形零件的先冷冲压成形后固溶处理工艺，具有能耗低、成本低的特点。

（4）可热处理铝合金板料同步淬火热成形过程中，只需要对铝合金板料进行一次加热，无需对模具进行加热，故加热时间短；而传统的可热处理铝合金板料温热成形+固溶处理工艺，需要对板料进行温热成形和固溶处理两次加热，并且可热处理铝合金板料在温热成形过程中需要对模具进行加热。所以，与传统的可热处理铝合金板料温热成形+固溶处理工艺相比，同步淬火热成形工艺能耗低、生产效率高、操作简便，不会发生因晶粒长大而导致的材料力学性能下降。

可见，将同步淬火热成形工艺应用于可热处理铝合金产品的生产，并在成形之后配以适当的时效处理，可以在保证铝合金产品性能的基础上，缩短生产周期，提高制件成形精度，降低生产成本，具有广泛的应用前景。

 

附图说明

图1为可热处理铝合金同步淬火热成形工艺流程图。

图2为变形铝合金的分类图。

图3为同步淬火热成形模具示意图，其中1为模具体，2为冷却水道。

具体实施方式：

    以下实施例中所用的同步淬火热成形模具为图3所示，包括模具体1和冷却水道2。

实施例1：

以西南铝业生产厚度为0.8mm的H18态7075铝合金板料的同步淬火弯曲成形为例，其主要成分如表1所示。根据GB16865-1997《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》中图2及表3的规定，从毛坯上截取试样，按照国标228.1-2010《金属材料 拉伸实验 第一部分：室温实验方法》，测得H18态7075铝合金毛坯力学性能如表2所示。

表1 试验所用H18态7075铝合金成分

SiFeCuMnMgCrZnTiAl0.380.31.60.252.40.265.70.16其余

表2 试验所用H18态7075铝合金力学性能

合金/状态非比例延伸强度（Rp0.2/MPa）抗拉强度（Rm/ MPa）断后伸长率（A%）7075/H18340.86383.336.05

（1）  成形毛坯制作：利用冲裁工艺将7075铝合金加工成长184mm宽80mm弯曲试验毛坯。在具体实施过程中还可以根据条件选用线切割或激光切割等其他方式。

（2）  加热至固溶处理温度并保温：毛坯加热到465℃(460～470℃的中间值)并保温10min以后，得到单相过饱和固溶体。

（3）  同步淬火热成形：将加热后的7075铝合金毛坯在10s内移入同步淬火热成形模具，以100mm/s的速度进行冲压成形，冲压完成以后保压1min，然后打开模具取出制件，得到室温下组织为单相过饱和固溶体，形状为所需零件外形的半成品。

（4）  外形切割：利用冲裁工艺对第3步所得零件进行切边，得到最终所需形状的零件。

（5）  人工时效热处理：将步骤（4）生产的零件加热到120℃，保温24h，然后空冷至室温，最终生产出7075铝合金弯曲零件。

根据GB16865-1997《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》中图2及表3的规定，从零件上截取试样，按照国标228.1-2010《金属材料 拉伸实验 第一部分：室温实验方法》，测得同步淬火成形后7075铝合金零件的力学性能，并与GB3880.2-2012《一般工业用铝及铝合金板、带材 第2部分：力学性能》进行比较，如表3所示。

表3 同步淬火热成形后7075铝合金性能

合金/状态非比例延伸强度（Rp0.2/MPa）抗拉强度（Rm/ MPa）断后伸长率（A%）同步淬火热成形+人工时效553.98635.0814.24传统“冷冲压成形+固溶处理+人工时效”548.35642.2414.167075/T6标准规定（不小于）4605257

由表3可以看出，进过上述过程控制的7075铝合金板料，经历同步淬火热成形及人工时效处理后，材料的抗拉强度、非比例延伸强度及断后伸长率，均已达到并超过T6状态的标准规定值，且与相同工艺参数条件下传统“冷冲压成形+固溶处理+人工时效”工艺下得到的7075零件的力学性能大致相当。

弯曲成形过程中，不同毛坯状态在模具上60°角处弯曲后的回弹量如表4所示：

表4  7075铝合金弯曲成形零件在60°角处的回弹角

合金/状态回弹角（°）7075/H18 同步淬火热成形0.037075/O 1.377075/W （传统固溶处理1小时内）2.667075/H1810.34

由表4相对于传统的“冷冲压成形+固溶处理”工艺，同步淬火热成形工艺条件下可热处理铝合金7075在成形时的弯曲回弹显著降低。并且，在同步淬火热成形过程中，由于是在模具中进行固溶处理的快速冷却过程，7075铝合金板料不会产生翘曲变形。所以，同步淬火热成形工艺得到的零件形状及尺寸精度明显优于传统的“冷冲压成形+固溶处理”工艺制造出的零件。O态和H18态弯曲零件在固溶处理的淬火过程中，由于剧烈的热胀冷缩导致内应力，产生了较大的塑性变形，这两种试验条件下零件的自由形状区域发生了较大的翘曲。而W态弯曲零件，虽然在弯曲过程中能够消除部分毛坯在固溶处理过程中产生的翘曲变形，但回弹导致零件两边的自由形状区域仍有部分翘曲变形保留了下来。相对其他试验条件，同步淬火热成形过程中成形与淬火过程同时进行，在模具的作用下不会产生由于热胀冷缩造成的翘曲变形，所以同步淬火弯曲成形工艺做出的零件外形平整且没有翘曲。

实施例2：

以西南铝业生产厚度为1mm的H18态2024铝合金板料的同步淬火弯曲成形为例，其主要成分如表5所示。根据GB16865-1997《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》中图2及表3的规定，从毛坯上截取试样，按照国标228.1-2010《金属材料 拉伸实验 第一部分：室温实验方法》，测得H18态2024铝合金毛坯力学性能如表6所示。

表5 试验所用H18态2024铝合金成分

SiFeCuMnMgCrZnTiAl0.40.34.10.671.520.030.180.06其余

表6 试验所用H18态2024铝合金力学性能

合金/状态非比例延伸强度（Rp0.2/MPa）抗拉强度（Rm/ MPa）断后伸长率（A%）2024/H18290.69312.104.75

（1）  成形毛坯制作：利用冲裁工艺将H18态2024铝合金加工成长184mm宽80mm弯曲试验毛坯。

（2）  加热至固溶处理温度并保温：毛坯加热到495℃(490～500℃的中间值)并保温10min以后，得到单相过饱和固溶体。

（3）  同步淬火热成形：将加热后的2024铝合金毛坯在10s内移入同步淬火成形模具，以100mm/s的速度进行冲压成形，冲压完成以后保压1min，然后打开模具取出制件，得到室温下组织为单相过饱和固溶体，形状为所需零件外形的半成品。

（4）  外形切割：利用冲裁工艺对第3步所得零件进行切边，得到最终所需形状的零件。

（5）  自然时效热处理：将步骤（4）生产的零件在室温下放置96h，最终生产出7075铝合金弯曲零件。

根据GB16865-1997《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样》中图2及表3的规定，从零件上截取试样，按照国标228.1-2010《金属材料 拉伸实验 第一部分：室温实验方法》，测得同步淬火成形后2024铝合金零件的力学性能，并与GB3880.2-2012《一般工业用铝及铝合金板、带材 第2部分：力学性能》进行比较，如表7所示。

表7 同步淬火成形后2024铝合金性能

合金/状态非比例延伸强度（Rp0.2/MPa）抗拉强度（Rm/ MPa）断后伸长率（A%）H18态2024铝合金毛坯 同步淬火热成形+人工时效311.47470.4319.30O态2024铝合金毛坯 传统“冷冲压成形+固溶处理+自然时效”284.16459.7721.892024/T4标准规定（不小于）27542515

由表7可以看出，进过上述过程控制的2024铝合金毛坯，经历同步淬火热成形及自然时效处理后，材料的抗拉强度、非比例延伸强度及断后伸长率，均已达到并超过T4状态的标准规定值，且强度略高于相同工艺参数条件下传统“冷冲压成形+固溶处理+自然时效”工艺下得到的2024零件的力学性能。

H18态2024铝合金毛坯在传统冷弯曲成形过程中于模具上弯曲半径5mm位置处发生了断裂，说明H18态2024铝合金的最小弯曲半径大于5mm。而在同步淬火热成形工艺下不会出现断裂，最小弯曲半径小于5mm，可见同步淬火热成形工艺能够提高H18态2024铝合金的成形性能。

弯曲成形过程中，不同2024铝合金毛坯状态在模具上60°角处弯曲后的回弹量如表8所示：

表8 2024铝合金弯曲成形零件在60°角处的回弹角

合金/状态回弹角（°）2024/H18 同步淬火成形0.2372024/O 0.652024/W （固溶处理1小时内）3.582024/H18/

由表8相对于传统的“冷冲压成形+固溶处理”工艺，同步淬火热成形工艺条件下可热处理铝合金2024在成形时的弯曲回弹显著降低。并且，在同步淬火热成形过程中，由于是在模具中进行固溶处理的快速冷却过程，2024铝合金板料不会产生翘曲变形。所以，同步淬火热成形工艺得到的零件形状及尺寸精度明显优于传统的“冷冲压成形+固溶处理”工艺制造出的零件。