一种提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种提高7000系铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法，具体实施步骤如下：(1)固溶处理步骤；(2)冷轧变形步骤；(3)保温和连续轧制变形步骤；(4)短时再结晶处理步骤。采用该处理方法可以将铝合金的晶粒尺寸从200μm以上细化到10μm及以下，细晶组织经过峰时效处理后可使铝合金板材室温强度与传统热轧工艺获得的板材相当，而延伸率获得大幅提高。与传统热轧工艺相比，经本工艺加工的淬火态板材室温成形性能有一定提高，退火态板材室温成形性获得巨大提高，峰时效态板材的温成形性能也获得巨大提高。本发明中提高7000系铝合金板材成形性的细晶处理方法，过程简单、周期短、能耗低，在工业化生产中具有很大应用潜力和价值。
【专利说明】一种提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种改善高强铝合金塑性和成形性的形变热处理方法，特别涉及一种 铝合金材料的晶粒细化处理方法，属于金属材料形变热处理工艺【技术领域】。
【背景技术】
[0002] Al-Zn-Mg-Cu(7000)系合金是一类重要的轻质高强结构材料，与Al-Mg-Si(6000) 系合金相比强度高，但其塑性和成形性差。细晶组织7000系铝合金的塑韧性以及腐蚀性能 也会有所改善，因此细化晶粒成为改善铝合金综合性能的方法。铝合金堆垛层错能较高，再 结晶比较困难，铝合金晶粒细化主要通过不连续再结晶来实现。
[0003] 中间形变热处理（ITMT)可以通过不连续再结晶实现铝合金晶粒细化。目前用于 7000系错合金晶粒细化的ITMT工艺是1982年J. Wert等人（J. Wert, et al. Metallurgical Transactions A，1981，12A :1267)开发的相对简单的RI-ITMT工艺，工艺步骤包括：固溶淬 火，400°C /8小时过时效，中温变形以及固溶再结晶处理。他们用这种工艺将7075铝合金 晶粒细化到10 μ m，延伸率获得明显提高。RI-ITMT工艺的核心理念就是通过高温长时处理 获得大颗粒，获得大颗粒后继续室温或者中温变形在大颗粒周围形成变形带，后续再结晶 处理时利用粒子诱导再结晶形核来实现组织细化。但是，RI-ITMT工艺需要长时间的高温 过时效处理，工艺周期长，能耗大，不能连续生产，因此，开发一种操作简单、工艺周期短、能 实现工业化生产并提高7000系铝合金塑性和成形性的新的中间形变热处理工艺具有重要 意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有工艺之不足而开发一种方法简单、操作方便、生产周 期短的固溶处理-冷轧变形-保温+连续变形-短时再结晶的7000系铝合金形变热处理 组织细化处理方法。固溶态铝合金经冷轧变形后再保温可以大大加速析出相析出、粗化而 获得大尺寸沉淀相，后续中温、室温变形后在大尺寸析出相（〇.5μπι)周围形成的变形带， 有利于在后续再结晶处理时激发再结晶形核。该工艺利用冷轧与保温相结合的方式来代替 单纯的过时效，大大缩短了经典的RI-ITMT工艺的周期，可在简单操作下获得细晶组织，大 大提高高强铝合金的塑韧性，并显著改善强度和塑性各向异性，大大提高其成形性能，可广 泛应用于沉淀强化型7000系铝合金。
[0005] 本发明涉及一种提高7000系铝合金板材塑性和成形性的晶粒细化处理方
[0006] 法，包括下述步骤：
[0007] (1)固溶
[0008] 7000系铝合金进行固溶处理，固溶温度460-500°C，保温时间0. 5-24h，室温水淬；
[0009] (2)冷轧
[0010] 变形方式为冷轧，其中，R1变形量控制在30-80%
[0011] ⑶保温+连续变形
[0012] 通过第二步得到的板材，进行保温和连续变形处理，保温温度T为200-450°C，保 温时间t固定为30min ;R2连续变形方式为轧制，变形量为40-90%，变形过程不回炉；
[0013] (4)短时再结晶
[0014] 将第三步获得的板材快速加热至460-490°C进行再结晶处理，保温时间 10-60min，冷却方式为空冷或室温水淬。
[0015] 其中，步骤2中冷轧变形量控制在40-70%。
[0016] 其中，步骤3中保温温度控制在250-400°C，保温时间为30min，连续变形量 50-90%，或者保温温度控制在350-400°C，保温时间为30min，变形量控制在50-90%。
[0017] 其中，步骤2与步骤3相互配合的较佳条件为：步骤2冷轧变形量40% -70%， 步骤3保温温度350°C _450°C，保温时间30min，连续变形量60% -80%。最佳条件为：步 骤2冷轧变形量50% -60%，步骤3保温温度350°C -400°C，保温时间30min，连续变形量 60% -80%。
[0018] 其中，步骤4中，再结晶时的升温速率彡1°C /s。
[0019] 其中，对步骤4获得的短时再结晶并水淬的板材进行T6、T76、T74、T73或T77时 效处理。
[0020] 其中，将所得到的最终板材进行室温成形性或温成形测试，测试方法采用国标GB/ Τ4156-2007描述的方法。
[0021] 采用以上形变热处理方法对7000系铝合金板材进行处理，利用冷变形与保温相 结合的方式代替单纯的过时效加速大尺寸沉淀相颗粒的析出，从而获得能激发再结晶的核 心，实例操作中，第三步短时保温处理后即获得一定数量的沉淀相（平均尺寸〇. 5 μ m)，从 而代替了 RI-ITMT的长时过时效处理，大大缩短整套工艺的时间。将再结晶水淬后的板材 进行T6时效处理后，板材强度与传统热轧工艺相当，但延伸率能获得大幅提高，从而成形 性也获得提1?。
[0022] 通过上述形变热处理工艺，即通过冷轧与保温相结合的方式获得大尺寸沉淀相 MgZn2颗粒，在随后的连续变形中在大颗粒周围可以形成变形带，而在短时再结晶阶段再结 晶晶粒就会以沉淀相为核心形核，从而获得细小再结晶组织。
[0023] 实验表明，7000系铝合金通过上述的固溶处理-冷轧变形-保温+连续变形-短 时固溶再结晶工艺与常规的形变热处理工艺相比，本发明提供的工艺大大缩短了制备时 间，降低操作难度，在获得良好的细晶组织后时效态7000系铝合金板材保持良好强度的同 时延伸率得到了极大的提高，淬火态、退火态板材室温成形性能提高明显，淬火态板材峰时 效后温成形性能得到大幅提高。兼具良好的强度和塑韧性的材料对航空航天、交通运输等 领域的发展有重要意义，适于工业化应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明工艺流程不意图。
[0025] 图2是初始态7075合金再结晶并水淬的组织。
[0026] 图3是实施例1中固溶态合金经冷变形和短时保温处理后的MgZn2分布图。
[0027] 图4是实施例1中合金经再结晶并水淬的组织。
[0028] 图5是实施例1中对比例I合金经再结晶并水淬的组织。
[0029] 图6是实施例1中对比例II传统热轧合金经再结晶并水淬的组织。
[0030] 图7是实施例2中合金经再结晶水淬的组织。
[0031] 图8a、b是实施例3中不同工艺的合金经再结晶并水淬的组织。
[0032] 图9是实施例4中合金经固溶再结晶并水淬的组织。。
[0033] 图10是实施例5中7050合金经再结晶并水淬的组织。
【具体实施方式】
[0034] 实施例1
[0035] 根据图1所示工艺，采用7075铝合金为轧制材料。为使溶质原子固溶到基体中， 对板材进行了 475°C /1. 5h的固溶处理，室温水淬，图2为未变形的初始淬火态7075合金的 金相组织。变形在普通二辊轧机上实现，将15mm厚固溶态7075合金板材进行冷轧变形，变 形量30 %，将冷轧态合金在400°C保温30min后继续在轧机上对板材进行80 %的连续轧制， 连续轧制过程不回炉。将最终轧制板材进行480°C /30min的再结晶处理，再结晶完成后冷 却方式分别采用水淬（W态）和空冷（0态）。图4为轧板再结晶水淬后的金相组织，用线 性截距法测得此时合金的平均晶粒尺寸为9.8 μ m。采用两个对比例，I :采用7075铝合金 按J. Wert的工艺处理（RI-ITMT)，即固溶-400°C /8h过时效-温轧变形量90% -再结晶， II :对15mm厚固溶态7075进行400°C传统热轧（HR)，总变形量88%，其他热处理工艺完全 相同，图5、6分别为二者再结晶水淬处理后的金相组织，可见传统热轧得到的仍是拉长的 100 μ m的晶粒。随后对本发明工艺及两个对比工艺水淬的板材进行T6时效处理，并对时效 态板材进行力学性能测试，如表1所示。对三种工艺获得的空冷和水淬的板材进行室温成 形性测试，对三种工艺获得的峰时效的板材进行200°C的温成形测试（T6-200°C )，如表2所 示。从中可看出，本发明的工艺与传统热轧工艺相比，峰时效态板材在获得同样强度的情况 下提高了塑性。本发明的板材三种状态下的成形性均高于传统热轧工艺，且与RI-ITMT工 艺相当，但本发明与RI-ITMT工艺相比大大缩短了工艺时间，非常有利于工业化生产。
[0036] 实施例2
[0037] 根据图1所示机械热处理工艺，采用经475 °C /1. 5h固溶处理的7075合金为轧制 材料（板厚7. 5mm)。将其进行冷轧变形，变形量40%，冷轧态板材经350°C保温30min后继 续在轧机上进行变形量为70%的连续变形，不回炉。将最终轧制板材经过480°C /0. 5h再 结晶水淬处理，图7为所获得的细晶组织。最终轧板经480°C /0. 5h固溶和T6时效处理，此 时板材强度与实施例1中相当，板材延伸率为16. 6% (表1)，200°C杯突值高于传统热轧工 艺。
[0038] 实施例3
[0039] 根据图1所示机械热处理工艺，采用经475 °C /1. 5h固溶处理的7075合金为轧制 材料（板厚7. 5mm)。将两块材料在二辊轧机上实现50%变形量，之后两块冷轧板分别在 350°C、400°C保温30min后继续在轧机上进行变形量70%的连续变形，不回炉。将最终轧制 板材经480°C /0. 5h再结晶水淬和120°C /24h处理，可获得细晶组织分别如图8a、b所示， 此时板材强度与实施例1中相当，板材延伸率分别为16. 5%、16. 7%，可见该条件也能实现 晶粒细化并提高板材的塑性（表1)和温成形性（表2)。
[0040] 实施例4
[0041] 根据图1所示机械热处理工艺，采用经475 °C /1. 5h固溶处理的7075合金为轧制 材料（板厚7. 5mm)。将其进行冷轧变形60%，随后经350°C保温30min，之后继续在轧机上 进行变形量为60%的连续变形，不回炉。将轧后的板材经过480°C /0. 5h再结晶水淬处理， 所获得的细晶组织如图9所示，60%冷轧变形后保温并连续变形60%的板材经再结晶和T6 处理后延伸率达到16. 6 % (表1)，温成形性能仍好于传统热轧板（表2)。
[0042] 实施例5
[0043] 根据图1所示机械热处理工艺，采用7050铝合金为轧制材料（板厚15mm)，
[0044] 对其进行475°C /1. 5h的固溶处理，室温水淬。对固溶态7050进行冷轧变形50% 至7. 5臟，将7. 5mm板材在400°C保温30min后进行变形量70%的连续变形，连续变形过程 不回炉。将最终轧制板材经过480°C /0. 5h和120°C /24h处理，
[0045] 所获得组织的平均晶粒尺寸为9.6 μ m(图10)，此时合金的塑性得到了极大的提 高，延伸率高达20. 9 %，且温成形性能优异。
[0046] 表1本发明制备的合金T6态室温力学性能
[0047]
【权利要求】
1. 一种提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法，其特征在于：该方法包 括以下步骤： (1)固溶处理步骤；（2)冷轧变形步骤；（3)保温和连续轧制变形步骤；（4)短时再结晶 处理步骤；其中， 步骤（1)中，对7000系铝合金进行固溶处理，使溶质原子充分固溶到基体中，其中，固 溶温度为460-500°C，保温时间为0. 5-24h，固溶后室温水淬； 步骤（2)中，对固溶态板材进行冷轧变形，其中，冷轧变形量控制在30-80% ; 步骤（3)中，对步骤⑵得到的板材进行保温和连续轧制变形，其中，保温温度为 200-450°C，保温时间30min，保温之后的连续轧制变形量控制在40-90%，不回炉； 步骤（4)中，将步骤（3)获得的板材快速加热到460-490°C进行再结晶处理，保温时间 10-60min，随后空冷或者立即室温水淬。
2. 根据权利要求1所述的提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法，其特 征在于，步骤（2)中冷轧变形量控制在40-70%。
3. 根据权利要求1所述的提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法，其特 征在于，步骤（3)中保温温度控制在250-400°C，保温时间30min。
4. 根据权利要求1所述的提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法，其特 征在于，步骤（3)中保温温度控制在350-400°C，保温时间30min。
5. 根据权利要求1所述的提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法，其特 征在于，步骤（3)中连续变形量为50-90%。
6. 根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（2)与步骤（3)相互配合的条件 为：步骤⑵冷轧变形量40%-70%，步骤⑶保温温度35(rC-45(rC，保温时间30min，连 续变形量60 % -80%。
7. 根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，步骤（2)与步骤（3)相互配合的条件 为：步骤⑵冷轧变形量50%-60%，步骤⑶保温温度35(rC-40(rC，保温时间30min，连 续变形量60 % -80%。
8. 根据权利要求1所述的提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法，其特 征在于，步骤（4)中，再结晶处理时的升温速率彡1°C/s，再结晶完成后空冷或者室温水淬。
9. 根据权利要求8所述的提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法，其特 征在于，对步骤（4)获得的短时再结晶并淬火后的板材进行时效处理。
10. 根据权利要求9所述的提高高强铝合金板材塑性和成形性的形变热处理方法，其 特征在于，所述时效处理指T6、T76、T74、T73或T77时效处理。
【文档编号】C22F1/053GK104046933SQ201410223778
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月26日 优先权日:2014年5月26日
【发明者】张济山, 庄林忠, 霍望图, 侯陇刚, 崔华, 刘君城, 郭明星 申请人:北京科技大学