一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法；屬于鋁合金材料加工技術(shù)領(lǐng)域。所述方法是將高強鋁合金模鍛件進行固溶淬火處理后進行保壓時效處理后空冷。本發(fā)明通過模具對鍛件施以一定的壓應(yīng)力，在保證模鍛件尺寸不發(fā)生改變的同時可抵消鍛件中的大部分拉應(yīng)力，時效過程既消除了殘余應(yīng)力，又實現(xiàn)了時效強化的效果。在保證制品表面質(zhì)量的同時既能達到幾乎完全消除殘余應(yīng)力，又能提高工件強度和塑性等指標，有利于提高工件的綜合力學性能，兼顧了獲得較佳機械性能與減少殘余應(yīng)力的目的。本發(fā)明具有工藝簡單，易于操作，易脫模，對設(shè)備要求低的特點。特別適于復雜形狀的高強鋁合金模鍛件殘余應(yīng)力的消減，適合于工業(yè)化的推廣和使用。
【專利說明】
一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法;屬于鋁合金材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高強鋁合金以其優(yōu)異的綜合力學性能，在航空航天領(lǐng)域材料中的應(yīng)用比例越來越高，7XXX系高強鋁合金構(gòu)件一般需要通過時效熱處理強化手段來提高其強度、韌性、抗疲勞性能等力學性能，但是對于復雜形狀的模鍛件而言，在鍛造過程中各部位的變形情況不同，會導致其內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力，并且在隨后的固溶淬火過程中，加劇了這種殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。殘余應(yīng)力的存在會使工件在后續(xù)機加工過程中出現(xiàn)變形、翹曲、扭曲，甚至開裂等現(xiàn)象，嚴重影響零件的制備。并且，殘余應(yīng)力的存在還可能在使用過程中導致應(yīng)力腐蝕開裂，從而明顯縮短構(gòu)件的使用壽命。許多意外破壞事故，除了材料本身的結(jié)構(gòu)和強度因素導致之外，多數(shù)是由于殘余應(yīng)力直接或間接造成的，并且殘余應(yīng)力對材料疲勞強度的影響尤為明顯。因此，在鋁合金工件服役之前應(yīng)該盡量消除或減少其內(nèi)部殘余應(yīng)力，但是殘余應(yīng)力的消除目前已成為生產(chǎn)研究面臨的重大難題之一。
[0003]目前工業(yè)上常用的殘余應(yīng)力消除方法主要有以下手段:
[0004](I)機械法。采用較大噸位設(shè)備或工具，對工件表面進行碾壓、錘擊等操作，這種處理可能會破壞工件的表面，造成工件的附加損傷，這種方法主要適合于形狀簡單的零件，對復雜形狀的工件適用性較差，主要用于鑄造錠坯的殘余應(yīng)力消除。這種方法對殘余應(yīng)力的消除程度約在60?80%之間，消除效果有限，目的主要是應(yīng)力消除和調(diào)整分布。并且機械法過程中需要消耗大量的勞動力，增加了成本。
[0005](2)退火法。將工件加熱到一定溫度后保溫處理，以消除殘余應(yīng)力，但是采取去應(yīng)力退火工藝時，必須保證構(gòu)件降溫過程非常緩慢和均勻，否則，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力。退火法消除殘余應(yīng)力時，殘余應(yīng)力的消除效果隨著加熱溫度的提高和保溫時間的延長而提高，但卻會使材料的力學性能發(fā)生變化。對于7XXX系鋁合金而言，合金對溫度非常敏感，時效溫度的提高，會明顯降低合金的強度及其它性能。
[0006](3)模冷壓法。模冷壓法是在一個特制的精整模具中，通過嚴格控制冷變形量來消除復雜形狀鋁合金模鍛件中的殘余應(yīng)力。該種方法主要是調(diào)整，而不是消除零件的整體應(yīng)力水平。該方法可能使鋁合金模鍛件上某些部位的殘余應(yīng)力得到釋放的同時，其它部位的殘余應(yīng)力增大。并且模壓變形量過大將可能引起冷變形加工硬化，從而導致裂紋或斷裂。另一方面，模冷壓法所需的模具制作成本很高，使用該方法消除殘余應(yīng)力經(jīng)濟效益較低。
[0007](4)深冷處理法。將淬火后的零件置于很低的溫度下進行處理，這是目前大型復雜高強鋁合金結(jié)構(gòu)件消減淬火殘余應(yīng)力的主要方法，這種方法也僅能消減10 %?40 %的殘余應(yīng)力。
[0008](5)預拉伸法。該方法主要適用于厚度較大的鋁合金板材，對于形狀復雜的模鍛零件則不適用。
[0009]由于現(xiàn)階段航空用鋁合金模鍛件主要采用7XXX系高強合金，鑒于該系合金自身的特性，制造過程需要消除殘余內(nèi)應(yīng)力，以獲得優(yōu)良的使用性能。因此，如何消除模鍛件殘余應(yīng)力，是本領(lǐng)域技術(shù)人員函待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法。采用本方法處理的鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力較低，且處理成本很低。
[0011]—種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，包括下述步驟:
[0012]步驟一:將高強鋁合金模鍛件進行固溶淬火處理后進行保壓時效處理；
[0013]步驟二:將時效處理后的模鍛件空冷。
[0014]本發(fā)明一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，保壓時效處理時，將模鍛件置于模具中保壓。
[0015]本發(fā)明一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，按設(shè)計坯料尺寸從經(jīng)過自由鍛造的高強鋁合金上切取坯料，并機加工成設(shè)計尺寸。
[0016]本發(fā)明一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，步驟一中所述模鍛件由坯料經(jīng)380?450°C，保溫5?8小時后一次模鍛成型，模鍛溫度為350?420°C。
[0017]本發(fā)明一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，固溶溫度為450?480°C，保溫時間為2?5h，淬火介質(zhì)為室溫水。
[0018]本發(fā)明一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，保壓時效的保壓壓力為50?10MPa，時效溫度為120?130 °C，時效時間為15?25小時。
[0019]本發(fā)明一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，模鍛模具和鍛件在保壓狀態(tài)下一起置于時效爐中時效處理。
[0020]本發(fā)明一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，熱鍛模具和保壓時效處理用模具為同一套模具。
[0021]本發(fā)明一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，所述高強鋁合金的質(zhì)量百分比成分為:鋅(211)6.0?6.5;鎂(1%)2.0?2.5;銅(01)2.2?2.5;鋯(200.1?0.13;錳(Mn)彡0.12;鉻(Cr)彡0.05;鈦(Ti)彡0.06;硅(Si)彡0.15;鐵(Fe)彡0.15;余量為鋁(Al)。
[0022]本發(fā)明一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，處理后模鍛件的殘余應(yīng)力較淬火態(tài)模鍛件殘余應(yīng)力下降80%以上。
[0023]原理及優(yōu)勢
[0024]7050鋁合金模鍛件經(jīng)固溶處理后，可消除熱鍛過程由于金屬流動不均導致的殘余應(yīng)力，在其后的淬火過程中，較快的冷卻速度導致合金中重新產(chǎn)生較大的殘余拉應(yīng)力，將淬火后存在殘余應(yīng)力的零件置于模具中一起時效，模具對鍛件施以一定的壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力約為合金屈服強度的10%?15%，這種較小的壓應(yīng)力保證模鍛件尺寸不發(fā)生改變同時可抵消鍛件中的大部分拉應(yīng)力，時效過程既消除了殘余應(yīng)力，又實現(xiàn)了時效強化的效果。相對于淬火態(tài)模鍛件，采用該方法殘余應(yīng)力可降低80%以上。
[0025]本發(fā)明特別適用于復雜航空高強鋁合金零件的殘余應(yīng)力消減，且消減效果好、對設(shè)備載荷能力要求低、易脫模。本發(fā)明方法工藝簡單，易于操作，適合于工業(yè)化的推廣和使用。采用本發(fā)明所述方法處理后的工件，在保證制品表面質(zhì)量的同時既能達到幾乎完全消除殘余應(yīng)力的目的，又能提尚工件的強度和塑性等指標，有利于提尚工件的綜合力學性能，兼顧了獲得較佳機械性能與減少殘余應(yīng)力的目的。
【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明公開了一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，可以利用同一套模鍛模具對模鍛件實現(xiàn)熱處理，不僅可以制備出滿足材料使用要求的高質(zhì)量低殘余應(yīng)力模鍛件，而且成本很低。
[0027]下面給出的實施例擬對本發(fā)明作進一步說明，但不能理解為是對本發(fā)明的保護范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)上述本
【發(fā)明內(nèi)容】
做出的一些非本質(zhì)的改進和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0028]本發(fā)明實施例及對比例中，工件的殘余應(yīng)力采用殘余應(yīng)力超聲檢測儀測量。
[0029]對比例1:
[0030]從經(jīng)過自由鍛造的成分(質(zhì)量百分比)為:鋅(Zn)6.2;鎂(1^)2.2;銅(01)2.3;鋯(Zr)0.12;錳(Mn):0.10;鉻(Cr)0.05;鈦(Ti)0.05;硅(Si)0.13;鐵(Fe)0.12;余量為鋁(Al)的高強鋁合金鍛坯上切取尺寸為800 X 500 X 180mm的坯料，按照設(shè)計圖紙經(jīng)機加工加工出合適圓角斜面。將加工出的坯料置于420°C加熱爐中保溫7小時后進行模鍛成型，其中模鍛模具加熱至200°C，模鍛結(jié)束后空冷。將鍛件重新加熱至470°C后進行3小時固溶處理，固溶結(jié)束后室溫水淬火。淬火后零件置于125 0C的時效爐中時效處理20小時后空冷。測量熱處理后零件各位置的殘余應(yīng)力和力學性能，其中殘余應(yīng)力最大值為160MPa，最小值為80MPa，抗拉強度為540MPa，屈服強度為480MPa。
[0031]實施例1:
[0032]從經(jīng)過自由鍛造的成分(質(zhì)量百分比)為:鋅(Zn)6.2;鎂(1^)2.2;銅(01)2.3;鋯(Zr)0.12;錳(Mn):0.10;鉻(Cr)0.05;鈦(Ti)0.05;硅(Si)0.13;鐵(Fe)0.12;余量為鋁(Al)的高強鋁合金鍛坯上切取尺寸為800 X 500 X 180mm的坯料，按照設(shè)計圖紙經(jīng)機加工加工出合適圓角斜面。將加工出的坯料置于420°C加熱爐中保溫7小時后進行模鍛成型，其中模鍛模具加熱至200°C，模鍛結(jié)束后空冷。將鍛件重新加熱至470°C后進行3小時固溶處理，固溶結(jié)束后室溫水淬火。淬火后零件置于模鍛模具中，并施以SOMPa的壓應(yīng)力后一起置于125°C的時效爐中時效處理20小時后空冷，卸除壓力，取出模鍛零件。測量熱處理后零件各位置的殘余應(yīng)力和力學性能，其中殘余應(yīng)力最大值為30MPa，最小值為lOMPa，抗拉強度為565MPa，屈服強度為495MPa。
[0033]對比例2:
[0034]從經(jīng)過自由鍛造的成分(質(zhì)量百分比)為:鋅(Zn)6.2;鎂(1^)2.2;銅(01)2.3;鋯(Zr)0.12;錳(Mn):0.10;鉻(Cr)0.05;鈦(Ti)0.05;硅(Si)0.13;鐵(Fe)0.12;余量為鋁(Al)的高強鋁合金鍛坯上切取尺寸為800 X 500 X 180mm的坯料，按照設(shè)計圖紙經(jīng)機加工加工出合適圓角斜面。將加工出的坯料置于440°C加熱爐中保溫5小時后進行模鍛成型，其中模鍛模具加熱至200°C，模鍛結(jié)束后空冷。將鍛件重新加熱至480°C后進行2小時固溶處理，固溶結(jié)束后室溫水淬火。淬火后零件置于120 0C的時效爐中時效處理25小時后空冷。測量熱處理后零件各位置的殘余應(yīng)力和力學性能，其中殘余應(yīng)力最大值為172MPa，最小值為86MPa，抗拉強度為547MPa，屈服強度為490MPa。
[0035]實施例2:
[0036]從經(jīng)過自由鍛造的成分(質(zhì)量百分比)為鋅(Zn)6.2;鎂(Mg)2.2;銅(Cu)2.3;鋯(Zr)0.12;錳(Mn):0.10;鉻(Cr)0.05;鈦(Ti)0.05;硅(Si)0.13;鐵(Fe)0.12;余量為鋁(Al)的高強鋁合金鍛坯上切取尺寸為800 X 500 X 180mm的坯料，按照設(shè)計圖紙經(jīng)機加工加工出合適圓角斜面。將加工出的坯料置于440°C加熱爐中保溫5小時后進行模鍛成型，其中模鍛模具加熱至200°C，模鍛結(jié)束后空冷。將鍛件重新加熱至480°C后進行2小時固溶處理，固溶結(jié)束后室溫水淬火。淬火后零件置于模鍛模具中，并施以10MPa的壓應(yīng)力后一起置于120°C的時效爐中時效處理25小時后空冷，卸除壓力，取出模鍛零件。測量熱處理后零件各位置的殘余應(yīng)力和力學性能，其中殘余應(yīng)力最大值為20MPa，最小值為lOMPa，抗拉強度為560MPa，屈服強度為497MPa。
[0037]對比例3:
[0038]從經(jīng)過自由鍛造的成分(質(zhì)量百分比)為:鋅(Zn)6.2;鎂(1^)2.2;銅(01)2.3;鋯(Zr)0.12;錳(Mn):0.10;鉻(Cr)0.05;鈦(Ti)0.05;硅(Si)0.13;鐵(Fe)0.12;余量為鋁(Al)的高強鋁合金鍛坯上切取尺寸為800 X 500 X 180mm的坯料，按照設(shè)計圖紙經(jīng)機加工加工出合適圓角斜面。將加工出的坯料置于420°C加熱爐中保溫7小時后進行模鍛成型，其中模鍛模具加熱至200°C，模鍛結(jié)束后空冷。將鍛件重新加熱至460°C后進行4小時固溶處理，固溶結(jié)束后室溫水淬火。淬火后零件置于130 0C的時效爐中時效處理16小時后空冷。測量熱處理后零件各位置的殘余應(yīng)力和力學性能，其中殘余應(yīng)力最大值為162MPa，最小值為75MPa，抗拉強度為532MPa，屈服強度為475MPa。
[0039]實施例3:
[0040]從經(jīng)過自由鍛造的成分(質(zhì)量百分比)為鋅(Zn)6.2;鎂(Mg)2.2;銅(Cu)2.3;鋯(Zr)0.12;錳(Mn):0.10;鉻(Cr)0.05;鈦(Ti)0.05;硅(Si)0.13;鐵(Fe)0.12;余量為鋁(Al)的高強鋁合金鍛坯上切取尺寸為800 X 500 X 180mm的坯料，按照設(shè)計圖紙經(jīng)機加工加工出合適圓角斜面。將加工出的坯料置于420°C加熱爐中保溫7小時后進行模鍛成型，其中模鍛模具加熱至200°C，模鍛結(jié)束后空冷。將鍛件重新加熱至460°C后進行4小時固溶處理，固溶結(jié)束后室溫水淬火。淬火后零件置于模鍛模具中，并施以50MPa的壓應(yīng)力后一起置于130°C的時效爐中時效處理16小時后空冷，卸除壓力，取出模鍛零件。測量熱處理后零件各位置的殘余應(yīng)力和力學性能，其中殘余應(yīng)力最大值為23MPa，最小值為lOMPa，抗拉強度為568MPa，屈服強度為493MPa。
[0041]通過實施例1-3與對比例1-3得到的檢測數(shù)據(jù)可知:采用本發(fā)明方法處理的鋁合金，在保證模鍛件尺寸不發(fā)生改變的同時可抵消鍛件中的大部分拉應(yīng)力，時效過程既消除了殘余應(yīng)力，又實現(xiàn)了時效強化的效果，對殘余應(yīng)力的消除最少可達80 %以上。
[0042]本
【發(fā)明內(nèi)容】
及上述實施例中未具體敘述的技術(shù)內(nèi)容同現(xiàn)有的技術(shù)。
[0043]本發(fā)明不限于上述實施例，本
【發(fā)明內(nèi)容】
所述均可實施并具有所述良好效果。
【主權(quán)項】
1.一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:包括下述步驟: 步驟一:將高強鋁合金模鍛件進行固溶淬火處理后進行保壓時效處理； 步驟二:將時效處理后的模鍛件空冷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:保壓時效處理時，將模鍛件置于模具中保壓。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:熱鍛模具和保壓時效處理用模具為同一套模具。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:步驟一中所述模鍛件由坯料經(jīng)380?450°C，保溫5?8小時后一次模鍛成型，模鍛溫度為350 ?420°C。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:固溶溫度為450?480°C，保溫時間為2?5h，淬火介質(zhì)為室溫水。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:保壓時效的保壓壓力為50?lOOMPa，時效溫度為120?130°C，時效時間為15?25小時。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:模鍛模具和鍛件在保壓狀態(tài)下一起置于時效爐中時效處理。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:所述高強鋁合金的質(zhì)量百分比成分為:鋅(Zn)6.0?6.5;鎂(Mg)2.0?2.5;銅(Cu)2.2?2.5;鋯(Zr)0.1?0.13;錳(Mn)彡0.12;鉻(Cr)彡0.05;鈦(Ti)彡0.06;硅(Si)彡0.15;鐵(Fe)彡0.15;余量為鋁(Al)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種降低高強鋁合金復雜模鍛件殘余應(yīng)力的方法，其特征在于:處理后模鍛件的殘余應(yīng)力較淬火態(tài)模鍛件殘余應(yīng)力下降80%以上。
【文檔編號】C22F1/053GK105908110SQ201610411185
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】程仁策, 呂正風, 廖茂, 方清萬
【申請人】山東南山鋁業(yè)股份有限公司