一种消除Al‑Cu‑Mg‑Si‑Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺的制作方法

本发明涉及一种适用于Al-Cu-Mg-Si-Mn合金的均匀化热处理新工艺，采用该工艺获得的均匀组织，可提高合金后期加工性能及热处理强化效果；属于铝合金热处理技术领域。

背景技术：

铝合金因其具有低密度、高比强度、高刚度、高耐蚀性及可热处理强化等性能而作为结构材料在航空航天以及汽车工业得到了广泛的应用。而在现代飞机结构中，诸如机身框、舱门骨架、视窗骨架、各类接头及飞机起落架轮毂等部位普遍采用了铝合金加工构件，铝合金性能的好坏对航空航天业的发展起到了至关重要的作用。

Al-Cu-Mg-Si-Mn合金属于可热处理强化变形铝合金。由于合金中添加的合金元素含量较高，因此铸造组织中易于产生较多的枝晶偏析。同时由于合金中含有较多的Si、Fe、Mn等元素，铸造组织中会存在(Fe,Mn)Al₆、(Fe,Mn)₃SiAl₁₂、Mg₂Si、CuMgSi₄Al₄等粗大的脆性第二相粒子，这会导致铸坯中存在较强的内应力及裂纹倾向，对后续塑性加工和热处理强化均会造成不良的影响，严重损害合金力学性能。因而，一种合理的均匀化热处理制度对最终产品起着决定性的作用。为了解决铝合金铸造组织的不均匀性，目前采用的均匀化热处理主要有单级均匀化退火、双级均匀化退火以及多级均匀化退火。通常的均匀化过程均在铝合金中超过其主要合金元素的溶解度曲线并低于合金共晶温度及非平衡固相线的温度下进行，合金中的第二相粒子经历了溶解、球化及析出三个过程。对于传统的双级均匀化或多级均匀化而言，由于高温均匀化阶段是由低温均匀化阶段直接通过升温达到的，合金元素一直处于活跃状态，易于在晶界高熔点第二相附近产生偏聚，并且晶粒易于发生长大。因而为了防止晶粒长大，高温均匀化阶段保温时间均较短，但是较短的保温时间对于晶间高熔点第二相相含量较多的合金，难以达到完全均匀化的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于实现一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，解决了Si、Fe、Mn含量较高的Al-Cu-Mg系合金铸造过程中产生的共晶相及高熔点第二相粒子均匀化不完全的问题，并且具有操作简单、高效的特点。

本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，其特征在于包括下述步骤：

第一步：低温均匀化热处理

将半连续铸造得到的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸锭坯料置入电阻加热炉中以15～20℃/min的速度加热到470℃～480℃，并保温A分钟；所述A＝铸锭直径×(2.5～3.5)min/mm，所述铸锭直径的单位为mm；

第二步：一次冷却

将第一步处理后的坯料随炉冷却至250℃～300℃后空冷至室温；

第三步：高温均匀化处理

将第二步空冷后的坯料置入510℃～520℃的电阻炉中，保温18～24小时；

第四步：二次冷却

将第三步处理后的坯料空冷至室温，得到成品。

本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，所述Al-Cu-Mg-Si-Mn合金以质量百分比计包括下述组分：

Cu 4.3％～4.5％，

Mg 0.65％～0.75％，

Si 0.6％～0.7％，

Mn 0.45％～0.55％，

Fe 0.1％～0.2％，

余量为Al。

作为优选方案，本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，所述Al-Cu-Mg-Si-Mn合金以质量百分比计包括下述组分：

Cu 4.3％～4.5％，

Mg 0.65％～0.75％，

Si 0.6％～0.7％，

Mn 0.45％～0.55％，

Fe 0.1％～0.2％，

Ga＜0.03％，

P＜0.015％，

Ti＜0.015％，

V＜0.015％，

Zn＜0.01％，

余量为Al和杂质，所述杂质的总量＜0.01％。

作为优选方案，本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，第一步所述的低温均匀化热处理的升温速度为15～20℃/min。

作为优选方案，本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，第一步所述的低温均匀化热处理的保温时间为8～12小时。

本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，所述成品中，合金晶粒尺寸为100～150μm。

本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，所述成品的抗拉强度为合金铸锭坯料抗拉强度的1.15～1.3倍。

本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，所述成品的抗拉强度为320～340MPa。

本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，所述成品的伸长率为合金铸锭坯料伸长率的13～1.4倍。

本发明一种消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相的均匀化热处理工艺，所述成品的伸长率为10.5％～11％。

原理和优势

本发明通过二次均匀化处理，在低温均匀化和高温均匀化之间加入一个冷却过程，抑制了低温均匀化过程中已溶解树枝晶及晶间第二相的元素进一步扩散，使得高温均匀化阶段的保温时间得以延长而不发生过烧，优化了高熔点第二相含量较多的铝合金的均匀化效果。

通过本发明提出的均匀化热处理方法处理后，合金化程度及Si、Fe、Mn含量均较高的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金组织中非平衡第二相基本消除，均匀化程度较为彻底，这很大程度上提高了合金的热塑性及合金元素在基体中的固溶量。

本发明的优点是：本发明根据低温相及高温难溶相在热处理过程中的演变规律，在双级均匀化的基础上指定出了一种新的均匀化制度，即：采用“低温均匀化+冷却+高温均匀化”二次均匀化热处理，有效解决了Al-Cu-Mg-Si-Mn合金均匀化不完全问题。

综上所述，本发明为消除Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸造结晶相，提高铸造组织均匀性提供了一条简单高效的有效途径。同时本发明在热处理工艺和组分的协同作用下，其所达到的效果远远超出了预计。

附图说明：

附图1为本发明制定的均匀化热处理制度示意图；

附图2为实施例1所用铸锭心部均匀化处理前金相照片；

附图3为实施例1所用铸锭心部均匀化处理后金相照片；

附图4为实施例2所用坯料均匀化处理前的金相照片(a)及扫描照片(b)；

附图5为实施例2所用坯料均匀化处理后的金相照片(a)及扫描照片(b)；

具体实施方式：

实施例1

实验材料为半连续铸造的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸锭，其化学成分为：Cu为4.3wt.％～4.5wt.％，Mg为0.65wt.％～0.75wt.％，Si为0.6wt.％～0.7wt.％，Mn为0.45wt.％～0.55wt.％，Fe为0.1wt.％～0.2wt.％，Ga＜0.03wt.％，P＜0.015wt.％，Ti＜0.015wt.％，V＜0.015wt.％，Zn＜0.01wt.％，杂质总量＜0.01wt.％，余量为Al。将所述的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸锭机加工成直径为200mm的坯料进行二次均匀化处理。先将坯料置入炉膛，以15℃/min的速度随炉升温至480℃。根据坯料直径与保温时间的关系公式确定保温时间为12小时，达到保温时间后随炉冷却至300℃，快速从炉膛中取出空冷至室温；再以15℃/min的速度将炉膛温度升至515℃，将经过一次均匀化的坯料置入炉膛，坯料保温24小时后，将坯料从炉膛取出并空冷至室温。

根据图2及图3显示的均匀化前后组织可以明显发现，经过本发明所制定的均匀化处理后，即使是直径为200mm的坯料心部的均匀化过程也较为彻底，晶粒尺寸约为100μm，树枝晶完全消失，晶间第二相也基本上溶解而只在晶界的局部位置存在少量残留，对后续加工及热处理基本无不良影响。

实施例2

实验材料为半连续铸造的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸锭，其化学成分为：Cu为4.3wt.％～4.5wt.％，Mg为0.65wt.％～0.75wt.％，Si为0.6wt.％～0.7wt.％，Mn为0.45wt.％～0.55wt.％，Fe为0.1wt.％～0.2wt.％，Ga＜0.03wt.％，P＜0.015wt.％，Ti＜0.015wt.％，V＜0.015wt.％，Zn＜0.01wt.％，杂质总量＜0.01wt.％，余量为Al。将所述的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸锭机加工成直径为200mm的坯料，将所述坯料进行二次均匀化处理。先将坯料置入炉膛，以15℃/min的速度随炉升温到480℃，保温时间为8小时，达到保温时间后，坯料随炉冷却至300℃，从电阻炉中取出空冷至室温；再以15℃/min的速度将电阻炉炉膛温度升至515℃，将经过一次均匀化的坯料置入炉膛，坯料保温18小时后，将其从炉膛中取出并空冷至室温，得到成品，成品的力学性能见表1。

图4及图5所示为实例2所用的坯料在经本发明制定的均匀化热处理制度处理前后的金相照片及相应的扫描照片。对比均匀化前后的组织可以发现，树枝晶完全消失，晶粒成等轴状，晶粒直径约为100μm，树枝晶网胞间的第二相也基本溶解，均匀化效果非常明显。从扫面照片中可以看出，晶界仅有很少的高温难溶相残留。从表1可以看出经本发明所述均匀化制度处理后，合金强度及塑形均有了明显的提高。可见经本发明所制定的均匀化热处理制度处理后，合金均匀化过程彻底，提高了后期加工热处理的潜力。

实施例3

实验材料为半连续铸造的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸锭，其化学成分为：Cu为4.3wt.％～4.5wt.％，Mg为0.65wt.％～0.75wt.％，Si为0.6wt.％～0.7wt.％，Mn为0.45wt.％～0.55wt.％，Fe为0.1wt.％～0.2wt.％，Ga＜0.03wt.％，P＜0.015wt.％，Ti＜0.015wt.％，V＜0.015wt.％，Zn＜0.01wt.％，杂质总量＜0.01wt.％，余量为Al。将所述的Al-Cu-Mg-Si-Mn合金铸锭机加工成直径为200mm的坯料，将所述坯料进行二次均匀化处理。先将坯料置入炉膛，以20℃/min的速度随炉升温到480℃，保温时间为10小时，达到保温时间后，坯料随炉冷却至300℃，从电阻炉中取出空冷至室温；再以15℃/min的速度将电阻炉炉膛温度升至520℃，将经过一次均匀化的坯料置入炉膛，坯料保温18小时后，将其从炉膛中取出并空冷至室温，得到成品，成品的力学性能见表1。

表1

对比例1(常规双级均匀化)

组分和实施例2完全一致，其它步骤和工艺参数和实施例3完全一致，不同之处在于：先将坯料置入炉膛，以15℃/min的速度随炉升温到480℃，保温时间为10小时，达到保温时间后，再以5℃/h的速度将电阻炉炉膛温度升至520℃后保温24小时，随后将其从炉膛中取出并空冷至室温，得到成品，成品的力学性能见表1。

对比例2(最常规单级均匀化)

组分和实施例2完全一致，其它步骤和工艺参数和实施例2完全一致，不同之处在于：先将坯料置入炉膛，以15℃/min的速度随炉升温到520℃，保温时间为24小时，达到保温时间后，坯料随炉冷却至室温，得到成品，成品的力学性能见表1。

由实施例和对比例可以看出，本发明所设计的均匀优化热处理制度取得了意想不到的效果，尤其在伸长率和强度的提升方面，本发明所达到的效果尤为突出。