阅读说明：本技术 一种可实现铝合金快速时效的热处理方法 (Heat treatment method capable of realizing rapid aging of aluminum alloy ) 是由 李冲 李梦冉 孙宜琳 刘永长 马宗青 余黎明 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种铝合金的快速时效热处理方法,即对进行时效处理的合金施加预变形和磁场影响的时效热处理方法,适用于Al-Mg<Sub>2</Sub>Si系铝合金,属于金属材料热处理领域。先将Al-Mg<Sub>2</Sub>Si系铝合金进行固溶处理,固溶制度为500～540℃×5～15h,然后进行水淬,再将水淬后的试样进行0.5～5％的拉伸塑性变形,随后进行磁场时效处理,时效制度为180～210℃×0～24h,空冷。本发明的快速时效热处理工艺,缩短了峰值时效时间,并提高峰值硬度,相比于常规时效热处理,本发明的热处理工艺对合金的组织性能改善效果明显,工艺简单、工序合理、操作方便,适于工业化生产。(The invention provides a rapid aging heat treatment method of aluminum alloy, namely an aging heat treatment method for applying predeformation and magnetic field influence on the alloy subjected to aging treatment, which is suitable for Al-Mg 2 Si series aluminum alloy, belonging to the field of metal material heat treatment. Firstly Al-Mg 2 The Si-based aluminum alloy is subjected to solution treatment, the solution treatment is carried out at 500-540 ℃ for 5-15 h, then water quenching is carried out, the water quenched sample is subjected to 0.5-5% tensile plastic deformation, then magnetic field aging treatment is carried out, the aging treatment is carried out at 180-210 ℃ for 0-24 h, and air cooling is carried out. Compared with the conventional aging heat treatment, the heat treatment process has the advantages of obvious effect of improving the structure performance of the alloy, simple process, reasonable working procedures, convenient operation and suitability for industrial workAnd (5) industrial production.)

一种可实现铝合金快速时效的热处理方法

技术领域

本发明涉及金属材料热处理领域，尤其是铝合金热处理领域，具体地涉及一种Al-Mg₂Si系合金在预变形和磁场协同作用下实现的快速时效方法。

背景技术

由于纯铝本身具有强度低、硬度低等诸多缺点，不能直接应用于工业，通过合金化可以改善其性能。添加Mg和Si元素到Al基体中后，会生成大量弥散、均匀分布的Mg₂Si相。Mg₂Si具有高熔点、低密度、低的热膨胀系数、高弹性模量、高硬度等优良性能。Mg₂Si相在热力学上是一种稳定强化相，且原位生成的Mg₂Si相与基体结合的界面干净、牢固、有较高的热稳定性，成形性和加工性。铝合金中Mg₂Si相会以初生相和共晶相两种形式从合金中析出，起到强化基体的作用。对初生Mg₂Si通过采用细化变质处理，能有效控制其形貌和尺寸，初生Mg₂Si由粗大的树枝状转变成细小的多边形，显著提高了合金的力学性能。为了进一步提高合金的强度，改善其共晶组织形貌特征，通常要对其进行热处理。热处理一般采用固溶+时效处理，通过固溶处理，使共晶Mg₂Si固溶于基体，并在随后的时效处理中均匀析出细小的强化相，达到强化的效果。

传统热处理是指金属材料在加热和冷却过程中，通过固态相变改变其组织与性能的热加工技术。这一过程主要涉及温度场。近年来，越来越多的研究发现，除了温度场外，施加强磁场、应力场和脉冲电场，能够改变材料热处理的进程和最终产物。其中磁场作为一种冷物理场，越来越多的国内外学者将磁场手段应用到材料领域，对金属材料在磁场作用下的变化行为进行研究，并取得一定的成果。诸多实验表明，磁场对金属材料的组织及性能具有很大影响，也使得静磁场的应用范围从传统的铁磁性材料为主扩大到整个材料领域。另一方面，形变对于合金时效过程中沉淀强化相的析出也有着重要的影响。合金在经过预变形之后会在基体中形成大量的位错，这些在预变形过程中形成的位错不仅会产生加工硬化,对合金后续时效过程中的析出也有着十分重要的影响。

发明内容

针对当前Al-Mg₂Si系合金时效响应速度和时效硬化性能不够理想等缺陷，本发明旨在提高合金的时效硬度并缩短出现时效硬化峰值的时间，充分利用预变形和磁场作用，提高析出相溶解与析出速率，加速时效硬化进程，并有效提高合金峰值强度，提出了一种工艺简单、便于实施的热处理工艺，改善合金组织及性能，便于实现工业生产。

为了达到上述目的，本发明提供的具体方案如下：

步骤一：选取铸锭上适当铝合金试样进行固溶处理，水淬；

步骤二：将固溶处理后的铝合金试样进行拉伸塑性变形处理；

步骤三：将预变形后的铝合金进行磁场时效处理，随后空冷至室温。

进一步地，步骤二是以大约10^-3/s的应变速率对试样施加拉力塑性变形，直到0.5％～5％的塑性应变。

进一步地，固溶温度范围为500～540℃，固溶保温时间为5～15h。

进一步地，步骤一固溶处理后进行快速水淬。

进一步地，时效温度范围为180～210℃，时效保温时间为0～24h，磁感应强度UOH≥1T。

进一步地，淬火的转移时间应低于5s。

进一步地，磁场时效在磁场高温箱式炉中进行，磁场高温箱式炉的磁感应强度UOH≥1T，仪器运行期间要将永磁体时刻连通水冷机以降温，防止高温影响磁体磁性；在操作时，要先将样品放入炉膛中，待温度升到所需温度时，再将永磁体移动至炉膛上方施加磁场，时效结束后，将样品从炉膛中取出后，再将永磁体移回远离炉膛的位置。

进一步地，所述Al-Mg₂Si系铝合金为Al-x％Mg₂Si，其中x＝5-20wt.％。

更进一步地，提供一种上述方法制备得到的铝合金。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实现了Al-x％Mg₂Si合金的时效硬化增强效应，且缩短了时效硬度峰值的出现时间。合金经过拉伸预变形处理后，在基体中形成大量的位错，对于合金时效过程中沉淀强化相的析出有着重要的影响，随后通过施加磁场进行时效处理，加速了析出相的溶解与析出，使得出现加速时效硬化的效应，相较于未施加预变形和无磁场热处理试样，施加预变形和磁场热处理试样由约10h(未施加预变形的磁场热处理)达到峰值硬度，缩短至约6h达到峰值硬度，加速了约40％。另一方面，施加预变形会影响合金中空位运动和位错运动，影响析出相的分布，使得无论α-Al或者共晶组织均表现出强度增强的现象，峰值时效硬度提高了约8％。

本发明工艺方法简单，工序合理，操作便捷，节能低耗，能够有效提高合金峰值硬度，并且有效缩短达到峰值硬度所需时间。有很大优势，适于工业化生产。

附图说明

图1：强磁场高温箱式炉示意图，其中：1-永磁体，2-保温套，3-加热炉管；

图2：Al-7％Mg₂Si合金有无预变形的磁场热处理的时效硬化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的特点，实施例采用不同成分的Al-Mg₂Si合金进行测试，实施例样品均采用熔炼铸造，将无预变形和无磁场热处理工艺与施加预变形的磁场热处理工艺进行对比，实验样品的性能采用硬度测试来评定。下面通过实例进一步描述本发明的特征，但本发明并不局限于下述实例。

图1为强磁场高温箱式炉示意图，永磁体与保温套均为空心圆柱状，可以沿加热炉管轴向滑动。将样品放入加热炉管中央位置，需要加磁场处理时，将永磁体滑动到加热炉管中央位置，不需要磁场处理时，将保温套滑动到加热炉管中央位置。为防止高温对永磁体磁性的破坏，永磁体要时刻连通水冷机降温。

选取气孔数目少且组织分布均匀的铸造合金Al-x％Mg₂Si(x＝5-20wt.％)进行热处理，分为两组，一组为预变形的磁场热处理工艺，另一组为没有预变形无磁场处理工艺。其中，第一组预变形+磁场热处理为实验组，将铸锭在箱式电阻炉中进行固溶处理，随即水淬，然后进行预变形(变形量0.5％-5％),以大约10^-3/s的应变速率对试样施加拉力塑性变形，再放入磁场高温箱式炉中进行时效处理。第二组无预变形+无磁场热处理为对照组，将铸锭在箱式电阻炉中进行固溶处理，随即水淬，然后将试样直接放入磁场高温箱式炉中进行时效处理。随后进行试样组织和性能测试的比对。

详细步骤如下：

(1)在铸锭上取气孔数目少且组织分布均匀的Al-x％Mg₂Si合金，线切割取φ10mm×6mm小圆柱样品若干。

(2)将上述样品先用甲醇溶液超声清洗1min，后用酒精溶液超声清洗1min，烘干。

(3)将上述样品在箱式电阻炉中进行固溶处理，温度范围为500～540℃，固溶保温时间为5～15h，随后快速水淬，清洗烘干。

(4)对于施加预变形的磁场热处理工艺，将上述样品进行拉伸变形，变形量为0.5％～5％，然后放入磁场箱式炉中进行时效处理，时效温度范围为180～210℃，时效保温时间为0～24h，空冷至室温。对于未施加预变形的磁场热处理工艺，将上述样品不经预变形直接放入磁场箱式炉中进行时效处理，时效温度范围为180～210℃，时效保温时间为0～24h，空冷至室温。

(5)利用维氏硬度计分别测量Al-x％Mg₂Si合金中共晶组织和α-Al的硬度。

所述步骤(4)中，磁场时效所用强磁场高温箱式炉的磁感应强度UOH≥1T，仪器运行期间要将永磁体时刻连通水冷机以降温，防止高温影响磁体磁性；在操作时，要先将样品放入炉膛中，待温度升到所需温度时，再将永磁体移动至炉膛上方施加磁场，时效结束后，将样品从炉膛中取出后，再将永磁体移回远离炉膛的位置。

所述步骤(5)中，维氏硬度计测量硬度时，压力取200gf，保压10s。

实施例1

合金化学成分为：Al-7％Mg₂Si。

(1)将样品在箱式电阻炉中进行固溶处理，温度为500℃，固溶保温时间为15h，水淬，淬火转移时间少于5s。

(2)以10^-3/s的应变速率对试样施加拉力塑性变形，预变形量3％，然后在磁场高温箱式炉中进行时效处理，时效温度为200℃，时效保温时间分别为0h、1h、6h、10h、12h、15h、24h，空冷至室温。

(3)最后利用维氏硬度计分别测量Al-7％Mg₂Si合金中共晶组织和初生α-Al的硬度。实验结果见表1。

对比例1

合金化学成分为：Al-7％Mg₂Si。

(1)将样品在箱式电阻炉中进行固溶处理，温度为500℃，固溶保温时间为15h，水淬，淬火转移时间少于5s。

(2)随后在磁场高温箱式炉中进行时效处理，时效温度为200℃，时效保温时间分别为0h、1h、6h、10h、12h、15h、24h，空冷至室温。

(3)最后利用维氏硬度计分别测量Al-7％Mg₂Si合金中共晶组织和初生α-Al的硬度。实验结果见表1。

图2为Al-7％Mg₂Si合金有无预变形无磁场热处理后的时效硬化曲线。可以看到，未施加预变形的时效硬化曲线在10h左右达到时效硬度峰值，而施加预变形的时效硬化曲线在6h左右即可以达到时效硬度峰值，且后者的峰值强度高于前者，对比明显。

实施例2

合金化学成分为：Al-10％Mg₂Si。

(1)将样品在箱式电阻炉中进行固溶处理，温度为510℃，固溶保温时间为10h，水淬，淬火转移时间少于5s。

(2)以10^-3/s的应变速率对试样施加拉力塑性变形，随后预变形量2％，然后在磁场高温箱式炉中进行时效处理，时效温度为180℃，时效保温时间分别为0h、1h、6h、10h、12h、15h、24h，空冷至室温。

(3)最后利用维氏硬度计分别测量Al-10％Mg₂Si合金中共晶组织和初生α-Al的硬度。实验结果见表1。

对比例2

合金化学成分为：Al-10％Mg₂Si。

(1)将样品在箱式电阻炉中进行固溶处理，温度为510℃，固溶保温时间为10h，水淬，淬火转移时间少于5s。

(2)随后在磁场高温箱式炉中进行时效处理，时效温度为180℃，时效保温时间分别为0h、1h、6h、10h、12h、15h、24h，空冷至室温。

(3)最后利用维氏硬度计分别测量Al-10％Mg₂Si合金中共晶组织和初生α-Al的硬度。实验结果见表1。

实施例3

合金化学成分为：Al-15％Mg₂Si。

(1)将样品在箱式电阻炉中进行固溶处理，温度为520℃，固溶保温时间为5h，水淬，淬火转移时间少于5s。

(2)以10^-3/s的应变速率对试样施加拉力塑性变形，预变形量1％，然后在磁场高温箱式炉中进行时效处理，时效温度为210℃，时效保温时间分别为0h、1h、6h、10h、12h、15h、24h，空冷至室温。

(3)最后利用维氏硬度计分别测量Al-15％Mg₂Si合金中共晶组织的硬度。实验结果见表1。

对比例3

合金化学成分为：Al-15％Mg₂Si。

(1)将样品在箱式电阻炉中进行固溶处理，温度为520℃，固溶保温时间为5h，水淬，淬火转移时间少于5s。

(2)随后在磁场高温箱式炉中进行时效处理，时效温度为210℃，时效保温时间分别为0h、1h、6h、10h、12h、15h、24h，空冷至室温。

(3)最后利用维氏硬度计分别测量Al-15％Mg₂Si合金中共晶组织的硬度。实验结果见表1。

表1

从表1的数据可以看出：对于Al-7％Mg₂Si、Al-10％Mg₂Si、Al-15％Mg₂Si三种合金，无预变形的磁场热处理试样在10h左右达到峰值硬度，有预变形的磁场热处理试样均可以提前至6h左右，共晶组织硬度分别提高约7.69％、8.28％、8.34％。由于Al-15％Mg₂Si合金中出现初生Mg₂Si，不存在初生α-Al，因而只测量共晶组织维氏硬度以评定。Al-7％Mg₂Si、Al-10％Mg₂Si合金的α-Al硬度分别提高约8.83％、7.28％。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和发明要求保护的范围的情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。