專利名稱：可時效硬化鋁合金的熱處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁合金的熱處理，該鋁合金能夠采用已知的時效(或析出)硬化現(xiàn)象進行強化。
利用時效硬化處理進行強化的這種熱處理適用于一些合金，在這些合金中至少一種合金元素的固溶性隨溫度的減少而減少。相關(guān)的鋁合金包括某些系列的熟鋁合金，主要是國際合金牌號系統(tǒng)(IADS)的2XXX，6XXX和7XXX(或2000，6000和7000)系列的合金。但是有一些相關(guān)的可時效硬化鋁合金不在這些系列的范圍內(nèi)。另外，有些鑄鋁合金是可時效硬化的。本發(fā)明可以擴展到所有這些鋁合金，包括熟鋁合金和鑄造合金，本發(fā)明還可以應(yīng)用于用例如粉末冶金工藝生產(chǎn)的鋁制品，以及用于快速固化制品，以及顆粒強化的合金制品和材料。
可時效硬化鋁合金的熱處理的工藝通常包括以下三個步驟(1)在低于合金熔點的相當(dāng)高的溫度下，進行溶解處理，以使其合金(溶質(zhì))元素溶解；(2)在例如冷水中進行快速冷卻或冷淬，以使溶質(zhì)元素保持在過飽和的固溶體中；(3)對合金進行時效處理，方法是在一個溫度下，有時在第二的中間溫度下使合金保持一段時間，以達到硬化或強化。
因為由冷淬法保持在過飽和固溶體中的溶質(zhì)在進行時效處理期間形成析出物，所以產(chǎn)生由于時效處理而引起的強化，這種析出物很均勻地分散在晶粒中，增加了在晶?；七^程中合金抗形變的能力。當(dāng)時效處理引起這些細小析出物中的至少一種析出物達到臨界分散時，便可以發(fā)生最大的硬化或強化。
對于不同的合金系統(tǒng)時效處理條件不同。兩種只包含一個步驟的普通處理需要在室溫下保持相當(dāng)長的時間(T4熱處理)或更常用的，需要在高溫下保持較短時間(例如8小時(h))，這種處理對應(yīng)于硬化處理中達到最大的硬度(T6熱處理)。對于某些合金，在高溫下進行T6熱處理之前，通常需要在室溫下保持規(guī)定的時間(例如24h)。在其它合金中，特別是那些(2000系列的)基于Al-Cu和Al-Cu-Mg系統(tǒng)的合金中，在冷淬后和高溫時效處理之前進行形變(例如用拉伸或壓延5％)可以增加強化響應(yīng)。這種處理稱作T8熱處理，這種熱處理導(dǎo)致析出物在整個晶粒上更細和更均勻地分散。
對于基于(7000系列的)Al-Zn-Mg-Cu系統(tǒng)的合金，已經(jīng)提出若干具體的時效處理，該處理包括在兩個不同的高溫下保持一段時間。這些處理中各個處理的目的是減小此系列合金對應(yīng)力開裂現(xiàn)象的敏感性。一個例子是T73熱處理，該熱處理包括首先在接近100℃溫度下進行時效處理，然后在較高溫度例如160℃溫度下進行時效處理。這種處理與T6熱處理相比，造成強度的一定降低，另一個例子是稱作回復(fù)和反復(fù)時效處理(RRA)，這種處理包含三個步驟，例如先在120℃溫度下保持24h，然后在較高溫度(200～280℃)下保持更短的時間，并在120℃溫度下再保持24h。一些這樣的處理對于生產(chǎn)合金的公司來講還具有保密性。
一般公認，一旦鋁合金(或其它適當(dāng)?shù)牟牧?用高溫時效處理增硬，則該鋁合金長時間暴露在相當(dāng)?shù)蜏囟认聲r，其機械特性可保持穩(wěn)定。但是，最近的研究結(jié)果顯示，情況不完全如此。通常在250℃時效處理達到其T6熱處理結(jié)果的鎂合金WE54已經(jīng)顯示出硬度逐漸增加，但如果基本上長期暴露在接近150℃的溫度中時，則其可塑性減小到不能接受的程度。這種效果起因于在整個合金的晶粒上形成很細分散相的緩慢二次析出作用。最近研究的某些含鋰鋁合金例如2090(Al-2.7Cu-2.2Li)，首先在170℃的溫度下進行T6熱處理時效處理，之后，如果長時間暴露在60～135℃溫度下，則顯示出具有同樣的特性。
本發(fā)明目的在于提供一種可時效硬化鋁合金的熱處理工藝，該鋁合金在其固溶體中具有合金元素，其中，該工藝包括以下步驟(a)將合金在適合于時效處理合金的高溫TA下保持相當(dāng)短的時間；(b)以相當(dāng)快的速度冷卻合金，從溫度TA冷卻到較低的溫度，使得基本上停止溶質(zhì)元素的一次析出；(c)將合金在溫度TB下保持一段時間，該時間長到可以達到適當(dāng)量的溶質(zhì)元素二次成核或連續(xù)析出；(d)加熱合金到溫度TC，使該溫度等于或相當(dāng)接近于或高于溫度TA，并在溫度TC下進一步保持相當(dāng)長的時間，以便基本上達到最大強度。
本發(fā)明的這一系列處理步驟稱作T6I6處理，該T6I6處理表示在步驟(c)的中斷(“I”)之前的第一時效處理和在中斷之后的處理。
步驟(c)和(d)可以是連續(xù)的步驟。在那種情況下，在步驟(c)中基本上不加熱或完全不加熱。但是應(yīng)當(dāng)注意到，步驟(c)和(d)實際上可利用適當(dāng)?shù)目煽匮h(huán)加熱裝置聯(lián)合起來。即步驟(c)可以利用加熱速度加熱到最后的時效處理溫度TC，該加熱速度相當(dāng)慢，以便在比最后時效處理溫度TC低得多的平均溫度下發(fā)生二次成核或析出。
我們已發(fā)現(xiàn)，采用本發(fā)明的熱處理，基本上可使所有可時效硬化的鋁合金獲得額外的時效增硬和強化，比用通常的T6熱處理可能達到的程度更強。最大硬度可以增加例如10％～15％，而屈服強度(即0.2％彈性極限應(yīng)力)和張力強度可以增加例如5％～10％，或?qū)τ谥辽僖恍┖辖穑c常規(guī)T6熱處理可達到的水平相比可以達到更高的水平。另外，至少在很多情況下，與常規(guī)處理之后得到的通常特性相反，本發(fā)明可以獲得更大的強化，而在可塑性方面沒有顯著降低，該可塑性用拉伸試驗合金到斷裂時測定的值度量。
如上所述，本發(fā)明的工藝能使合金獲得比通常的T6熱處理得到的結(jié)果更大的額外時效硬化和強化。這種強化可與步驟(a)之前、步驟(b)之后和步驟(c)之前和/或在步驟(c)期間合金的機械形變相結(jié)合。通過熱機械形變可以評定這種形變；雖然這種形變可以在快速冷卻的同時發(fā)生。合金可以在制造或鑄造之后直接進入步驟(a)進行時效處理，而不用任何溶解處理步驟。
本發(fā)明的工藝不僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的T6熱處理，而且也適用于其它回火處理。這些處理包括例如T5熱處理，在這種處理中，合金在制造后直接進行時效處理，不進行溶解處理步驟，在這種處理中，合金元素只局部溶解，其它回火處理例如T8熱處理包括冷作步驟。在T8熱處理中，該材料在人工時效之前進行冷作，這種冷作導(dǎo)致可改進很多鋁合金機械特性，這種改進是由于在冷作步驟期間產(chǎn)生錯位時成核的析出物更細密的分散所致。按照和T6I6處理相同的常規(guī)命名法則，等價的新的熱處理因此命名為T8I6。另一種處理命名為T9I6，該處理包括冷作步驟，然后再繼續(xù)本發(fā)明的處理工藝。在這種情況下，冷作步驟在溫度為TA的第一時效期間之后和在溫度為TB的中斷處理之前進行。在完成中斷處理之后，將材料加熱到溫度TC，再繼續(xù)進行常規(guī)的T6I6處理。
對于命名為T7X的熱處理也具有類似情況，如先前例示說明的，其中整數(shù)X的降低表示更大程度的過時效。這些處理包含兩步驟工藝。這些步驟中，使用兩個時效溫度，第一溫度相當(dāng)?shù)?例如100℃)，而第二溫度是比較高的溫度，例如為160～170℃。在將新的處理法應(yīng)用于這種熱處理時，最后的時效溫度TC因此在常用的第二較高溫度160～170℃的范圍內(nèi)，所有其它的處理部分相當(dāng)于T6I6處理。這種熱處理在應(yīng)用新的命名法時命名為T8I7X。
還應(yīng)當(dāng)注意到，新的處理同樣還可應(yīng)用于各種各樣現(xiàn)有的應(yīng)用很不相同熱機械處理步驟的熱處理，并且完全不限于上述處理的方式。
本發(fā)明的工藝對于已知的可時效硬化的各類鋁合金已證明是有效的。這些合金包括上述2000和7000系列的合金，6000合金系列(Al-Mg-Si)，可時效硬化的鑄造合金以及顆粒強化的合金。合金還包括更新的含鋰合金例如上述的2090合金，8090合金(Al-2.4Li-1.3cu-0.9Mg)含銀的合金例如2094、7009和試驗的Al-Cu-Mg-Ag合金。
本發(fā)明的工藝可應(yīng)用于這樣的合金，這些合金公認為可以承受適當(dāng)?shù)娜芙馓幚聿襟E，然后進行冷淬步驟，以使溶質(zhì)元素保持在過飽和的固溶體中。另外，這些步驟可以構(gòu)成在步驟(a)之前的本發(fā)明處理的預(yù)備步驟。在后一種情況下，預(yù)備冷淬步驟可以冷淬到任何合適的溫度，范圍從溫度TA下降到環(huán)境溫度或更低的溫度。因此要冷淬到溫度TA的預(yù)備冷淬步驟中，不需要重新加熱便可執(zhí)行步驟(a)。
合金溶解處理，不管對合金是公認的處理還是作為本發(fā)明處理的預(yù)備步驟，其目的當(dāng)然是使合金元素進入到固溶體，由此可以進行時效硬化。然而，合金元素可以用另外的處理進行溶解，可以用這種另外的處理來代替溶解處理。
如認識到的，對于一定合金，溫度TA、TB和TC是可以變化的，因為與這些溫度相關(guān)的步驟隨時間而變化的。因此，例如TA可以反比于步驟(a)的時間變化。同樣，對于任何一種合金，溫度TA、TB和TC可以在相應(yīng)步驟的時間中在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)變化。實際上，步驟(c)中溫度TB的變化根據(jù)上面介紹對于實際上聯(lián)合的步驟(c)和(d)是不明顯的。
對于一定合金，步驟(a)中所用的溫度TA與處理該合金的常規(guī)T6熱處理時效步驟中用的溫度相同，或接近于該溫度。然而，步驟(a)所用的相當(dāng)短的時間顯著短于常規(guī)時效中所用的時間。步驟(a)所用的時間可以定為其時效程度達到約為用完全常規(guī)T6時效處理得到最大強度的50％～95％。步驟(a)的時間最好可以達到該最大強度的約85％～95％。
對于很多鋁合金，溫度TA最好是用任何典型T6回火處理進行時效時所用的溫度。步驟(a)的相當(dāng)短的時間可以是例如幾分鐘～8小時，或更長，例如為1～2h，這取決于合金和溫度TA。在這種條件下，經(jīng)本發(fā)明步驟(a)處理的合金可以說成是時效不足。
步驟(b)的冷卻最好用冷淬法冷卻。冷淬介質(zhì)可以是冷水或其它適合的介質(zhì)?？梢岳浯愕江h(huán)境溫度，或更低溫度例如約-10℃。但是如上所示，步驟(b)的冷卻應(yīng)使由步驟(a)直接造成的時效作用停止，即停止引起這種時效作用的溶質(zhì)元素的一次析出。
溫度TB和TC以及對于各個步驟(c)和(b)的相應(yīng)時間是彼此相關(guān)的。對于溫度TA和步驟(a)的時間長度也是相關(guān)的，即與在步驟(a)中得到的時效不足程度相關(guān)。這些參數(shù)對于不同的合金也是變化的。對于很多合金，溫度TB在約-10℃～90℃范圍內(nèi)，例如在約20℃～90℃范圍內(nèi)。然而對于至少一些合金，溫度TB最好超過90℃，例如超過120℃。
步驟(c)在溫度TB的時間長度應(yīng)定為合金溶質(zhì)元素可以達到二次成核或繼續(xù)析出。對于選定的TB溫度，該時間應(yīng)當(dāng)長到足以獲得附加的充分強化。這種附加的強度強化雖然仍使合金停留在明顯的時效不足，但是通常卻導(dǎo)致硬度和強度得到顯著的改進。這種改進在有些情況下，使合金達到的硬度和/或強度與用常規(guī)T6熱處理完全時效的同一種合金得到的硬度和/或強度相當(dāng)。因此，如果例如由步驟(a)得到的時效不足合金的硬度和/或強度值為用常規(guī)T6熱處理完全時效的合金得到值的80％，則在TB溫度加熱合金充分長的時間，可以將該80％的值增加到90％或更多。
步驟(c)的時間長度例如在低端小于8h，高端高到約500h或更多的范圍。通過簡單的實驗便可以確定給定合金的恰當(dāng)時間長度，但是通過在相當(dāng)短的時間間隔例如24h和48h測定硬度和/或強度的增加量，然后畫出這種特性隨時間變化的最好擬合曲線，便可以使至少一些合金獲得實用程度的指導(dǎo)。對于至少一些合金，該曲線的形狀對決定步驟(c)的達到適當(dāng)二次強化的時間長度可起有用的指導(dǎo)作用。
在步驟(d)中所用的溫度TC基本上與TA相同。對于少數(shù)合金TC超過TA，例如超過約20℃，或甚至超過50℃(例如對于T6I7X處理)。然而，對于許多合金TC最好為TA或低于TA，例如比TA低20℃～50℃，最好低30℃～50℃。有些合金必須使TC低于TA，以避免在步驟(c)出現(xiàn)硬度和/或強度的退化。
在步驟(d)期間，在溫度TC的時間的長度需要充分長，以便基本上達到最大強度。在步驟(d)期間，假如可以避免顯著的回復(fù)，則強度以及硬度逐漸提高，直至達到最大值。步驟(c)期間析出物的增長是造成這種逐漸提高的主要因素。最后達到的強度和硬度值比用常規(guī)T6熱處理工藝得到的值分別提高5％～10％或更高和提高10％～15％或更高。這種總體提高的一部分通?？蓺w因于在步驟(c)期間發(fā)生的析出作用，雖然大部分提高是由于在步驟(d)所發(fā)生的額外析出作用。
為了更容易理解本發(fā)明，下面參考附圖進行說明，這些附圖是

圖1是應(yīng)用本發(fā)明工藝的示意的時間溫度曲線；圖2是將本發(fā)明處理工藝T6I6應(yīng)用于Al-4Cu合金時時間對硬度的曲線，圖中與常規(guī)T6處理進行了比較；圖3分別示出用圖2的T6和T6I6處理Al-4Cu合金的顯微照片；圖4是時間對硬度的曲線，示出用本發(fā)明的工藝處理Al-4Cu合金時從溫度TA冷卻的冷卻速度的影響；圖5對應(yīng)于圖2，但涉及合金2014；圖6對應(yīng)于圖2，但涉及用T6處理和本發(fā)明的T6I6處理的Al-Cu-Mg-Ag合金；圖7示出用于圖6所示Al-Cu-Mg-Ag合金的本發(fā)明的步驟(c)；圖8示出用本發(fā)明T6I6熱處理Al-Cu-Mg-Ag合金時從TA冷卻的冷卻速度的影響；
圖9示出在T6I6熱處理中發(fā)生的Al-Cu-Mg-Ag合金的回復(fù)；圖10對應(yīng)于圖2，但涉及合金2090；圖11示出8090合金的T6I6硬度曲線；圖12示出采用包含冷作步驟的T9I6熱處理時，合金8090的硬度曲線；圖13示出8090合金在溶解處理之后進行冷作得到的T8和T8I6硬度曲線；圖14～17示出6061、6013、6061+銀和6013+銀各個合金用T6和T6I6處理得到的硬度曲線；圖18示出包含6061+20％SiC的合金材料用T6I6處理的硬度曲線；圖19～22示出用本發(fā)明T6I6熱處理圖14～17中各合金時作為中斷保持溫度函數(shù)變化的硬度曲線；圖23示出用T6I6熱處理圖19～22所示相應(yīng)合金時在步驟(b)和(c)之間進行冷作步驟的影響；圖24示出用本發(fā)明T6I6和T6I76處理7050合金時得到的硬度曲線；圖25和26示出用T6I6熱處理分別處理7075和7075+Ag合金的硬度曲線；圖27示出在處理圖25和26相應(yīng)合金時溫度對中斷處理步驟(c)的影響；圖28比較了Al-8Zn-3Mg合金的T6和T6I6時效曲線；圖29以線性時標(biāo)示出Al-6Zn-2Mg-0.5Ag合金的T6I6硬度曲線；圖30和31分別示出用T6和T6I6熱處理356和357鑄鋁時的時效曲線；圖32和33示出分別用T6和T6I6熱處理6061和8090合金之后得到的斷裂韌度/損傷耐受性特性的曲線；圖34比較了合金6061在T6和T6I6熱處理后在進行疲勞試驗時的斷裂周期。
本發(fā)明能夠確立各種條件，使可時效硬化的鋁合金在較低的溫度TB下可以獲得額外的硬化，如果它們首先在較高溫度TA下經(jīng)受短時間的處理，然后在被冷卻到室溫，例如用冷淬法冷卻到室溫。這種總的效果示于圖1。該圖是示意圖，示出如何以本發(fā)明基本方式采用本發(fā)明中斷時效處理可時效硬化合金。如圖1所示，時效處理應(yīng)用了連續(xù)的步驟(a)～(d)。然而如圖所示，步驟(a)之前是預(yù)備溶解處理，在預(yù)備處理中，合金保持在相當(dāng)高的初始溫度下，保持的時間足以促進合金元素的溶解。該預(yù)備處理可以用公認的方式處理合金，在這種情況下，合金通常冷淬到如圖所示的環(huán)境溫度，或冷淬到低于環(huán)境溫度。但是也可以按照另一種方式，使預(yù)備處理附屬于本發(fā)明的處理，使其冷淬到本發(fā)明處理步驟(a)的溫度TA，由此可以避免在將合金加熱到TA。
在步驟(a)中，合金在溫度TA下時效處理。溫度TA和步驟(a)的時間應(yīng)是充分的，以便達到如上所述的要求程度的時效不足強化。步驟(b)從TA冷淬合金，以停止在步驟(a)中一次析出時效作用；步驟(b)冷淬到環(huán)境溫度或冷卻到低于環(huán)境溫度。在冷淬步驟(b)之后將合金加熱到步驟(c)的溫度TB，溫度TB和步驟(c)的時間足以發(fā)生合金元素的二次成核作用，或連續(xù)析出作用。在步驟(c)之后，合金在被加熱到步驟(d)的溫度TC，溫度TC和步驟(d)的時間應(yīng)設(shè)定為足以達到合金的時效處理，獲得要求的特性，該溫度和時間可以是如本文中前面說明的范圍。
圖1的示意圖示出中斷時效處理，以及該中斷時效處理如何應(yīng)用于所有可時效硬化鋁合金，參照此圖，在溫度TA的時間通常取決于合金，從幾分鐘到幾個小時。在溫度TB的時間也取決于合金，通常從幾個小時到若干個星期。在溫度TC的時間取決于合金和重新時效溫度TC二者，通常是若干小時。在圖中，用陰影區(qū)域示意表示該溫度TC的范圍。
圖2示出將本發(fā)明工藝應(yīng)用于Al-4Cu合金。在圖2中，用實線表示Al-4Cu合金首先在540℃進行溶解處理，然后在冷水中進行冷淬，最后在150℃進行時效處理時得到的硬度/時間(時效)曲線。在處理100h以后，可以達到T6處理的132VHN(維氏硬度值)的硬度峰值。虛線示出在引入低溫中斷步驟時，即引入本發(fā)明處理工藝(命名為T6I6處理)時相應(yīng)的硬化響應(yīng)曲線。在這種情況下，該合金經(jīng)受以下處理(a)在150℃溫度下只時效處理2.5h；(b)在冷淬劑中進行冷淬；
(c)在65℃溫度下保持500h；(d)在150℃溫度下再時效處理。
現(xiàn)在在較短的40h時間中，可以獲得峰值硬度，并且峰值硬度增加到144VHN。
如圖所示，在圖2中實線(實心菱形)是按照T6熱處理在150℃常規(guī)時效的Al-4Cu合金的時效響應(yīng)曲線。在主圖中的虛線表示在中斷冷淬和中斷溫度TB保持在65℃后溫度TC的時效響應(yīng)曲線。該再時效處理的溫度TC分別為130℃(三角形)和150℃(方塊)，圖中小圖示出中斷溫度保持在65℃的時效響應(yīng)曲線，在主圖中，該曲線由垂直的虛線表示。
圖3示出用T6和T6I6熱處理處理圖2所述Al-4Cu合金時得到的顯微照片的例子。示于圖3的用T6和T6I6處理造成的微結(jié)構(gòu)變化被認為代表了以類似方式處理所有可時效硬化鋁合金時出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)上的差別。如圖3所示，T6I6處理導(dǎo)致出現(xiàn)一種微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)與用T6處理得到的峰值時效材料相比，具有更高的析出物密度和更小的析出物尺寸。
圖4示出按圖2處理的方法處理Al-4Cu合金時從第一時效溫度TA冷卻的冷卻速度對低溫(TB)時效處理期間出現(xiàn)的時效響應(yīng)曲線的影響?？梢钥闯?，利用冷水或者其它適合于特定合金的冷卻介質(zhì)可以獲得一些好處。具體是，圖4示出從150℃時效溫度(TA)的冷卻速度對Al-4Cu的低溫中斷響應(yīng)的影響。圖中實心菱形代表在約65℃的冷水中進行冷淬，空心方塊代表在約15℃的冷水中進行冷淬，而實心三角形代表在約-10℃的乙二醇、乙醇、NaCl和水的混合冷淬劑中進行冷淬。圖4示出的影響對于不同合金是不同的。
表1中示出一組合金響應(yīng)本發(fā)明T6I6時效硬化處理和選出的變型標(biāo)準(zhǔn)時效硬化處理得到的硬度增加的例子。表2中示出響應(yīng)本發(fā)明T6I6時效硬化處理得到的典型拉伸特性。在表1和表2中分別列出各個合金的T6的對應(yīng)值。在大多數(shù)情況下，從表2可以看出，由斷裂后拉伸百分數(shù)表示的可塑性基本上沒有改變或增加，雖然這隨合金變化。還應(yīng)注意到，采用T6I6處理不管對斷裂韌性或是對疲勞強度都沒有任何有害的影響。
表1應(yīng)用T6、T6I6以及選出的變型時效處理得到的最大硬度值比較
表2用T6和T6I6時效處理得到的強度值比較
xT6對于2090的值是異常的低；因此包括典型的T8I值；**該數(shù)據(jù)取自“Smithells Reference Book”，由E.A.Brandes andG.B.Book編輯的1998年第七版；##該數(shù)據(jù)取自“ASM Metals Handbook”的第9版第二卷的Properties&SelectionNonferrous Alloys and Pure Metals(ASM，1979)；xx有各種各樣的值，取決于樣品的幾何尺寸和具體的處理；注意所有上面列舉的數(shù)據(jù)除非另有說明外都是由三個分開的拉伸實驗結(jié)果的平均值在表2的比較中對于鑄造合金357的至斷裂的應(yīng)變似乎與現(xiàn)有的其它數(shù)據(jù)不一致。然而應(yīng)當(dāng)注意到，由這些樣品構(gòu)成的不同的批次通常顯示的應(yīng)變量在1％-8％應(yīng)變之間，平均約為4.5％。因此應(yīng)當(dāng)認為用T6和T6I6處理合金357得到的值實際上是等價的。
圖3示出由T6峰值時效處理得到的典型硬度值，以及用T6I6條件處理各種合金時在步驟(d)期間得到的最大硬度值。圖3還示出在步驟(a)期間保持第一時效溫度的時間以及在步驟(a)結(jié)束時典型的硬度。另外，表3示出對每種合金在完全保持TB的步驟(c)期間硬度的近似增加值以及在TB保持24h和48h后在不同T8溫度下硬度的增加值。
表3T6和T6I6硬度峰值以及中斷保持在TB時(步驟(c))的增加值
圖5對應(yīng)于圖2，但涉及2014合金，中斷仍保持在65℃。合金2014用T6I6處理時效，之前在505℃進行溫和溶解處理1h。插圖中曲線表示中斷溫度保持在65℃，在主圖中用垂直虛線表示。
圖6示出用常規(guī)T6處理(三角形)和用本發(fā)明T6I6處理(四方形)處理Al-Cu-Mg-Ag合金得到的相應(yīng)硬度曲線。該合金具體是Al-5.6Cu-0.45Mg-0.45Ag-0.3Mn-0.18Zr，在525℃下進行溶解處理8h。T6曲線(三角形)的處理是，在185℃進行時效，而T6I6曲線(空心四方形)的處理是，初始在185℃進行時效，然后中斷保持在25℃，最后在185℃進行再時效。
圖7示出該合金在溫度分別保持在25℃的相應(yīng)中斷保持步驟(步驟(c))期間合金硬化，并具有如實線代表的相應(yīng)時效不足量。圖8示出Al-Cu-Mg-Ag合金從時效溫度冷卻的冷卻速度對中斷響應(yīng)的影響，該中斷溫度仍保持在25℃。圖8示出Al-5.6Cu-0.45Mg-0.45Ag-0.3Mn-0.18Zr合金從溶解處理溫度冷卻的冷卻速度對低溫中斷響應(yīng)的影響。菱形代表在冷卻的冷淬劑中進行從第一時效處理溫度(TA)的冷淬時得到的響應(yīng)值，而三角形代表樣品在熱油中從第一時效溫度自然冷卻時得到的中斷響應(yīng)值。
圖9示出Al-Cu-Mg-Ag合金在再加熱到最后時效溫度TC時可能發(fā)生的回復(fù)作用。對于這種情況，在步驟(a)期間保持在第一時效溫度的時間和步驟(a)結(jié)束時的典型硬度是完全一樣的。具體是，圖9示出合金從525℃溶解處理溫度冷卻的較慢冷淬速度對5.6Cu-0.45Mg-0.45Ag-0.3Mn-0.18Zr合金的影響。該材料在室溫的自來水中進行冷淬，再于185℃時效2h，并在65℃中斷7天。當(dāng)再加熱到185℃(菱形)時硬度便很早出現(xiàn)退化，和圖6所示的響應(yīng)結(jié)果不同。在這種情況下，采用150℃的再時效溫度(圓圈)可以獲得更好的特性，此種特性不會因退化而變壞，表3還示出TC溫度用150℃不用185℃可以達到最大的強化。
圖10對應(yīng)于圖2，但涉及合金2090。圖10比較了合金2090的T6和T6I6時效曲線。該合金在540℃的溫度下溶解處理2h。在185℃下進行T6時效處理。對于T6I6處理該合金在185℃下時效8h，然后中斷，保持在65℃(插圖)，最后在150℃下進行再時效。
圖11示出合金8090的T6I6曲線。該合金在540℃溫度下溶解處理2h、冷淬，然后在185℃下時效7.5h，然后中斷，保持在65℃(插圖)，最后在150℃下進行再時效。
圖12示出合金8090的T9I6曲線的例子，在這種處理中，在步驟(b)的緊后面和在步驟(c)的緊前面，在繼續(xù)進行本發(fā)明的時效之前進行冷作。具體是，該合金在185℃下時效8h，冷淬，冷作15％，中斷，保持在65℃(插圖)，然后升到150℃再時效。注意，該中斷響應(yīng)不如圖11中T6I6條件下響應(yīng)那么大。
圖13示出合金8090的T8和T8I6曲線的比較例，在這種處理中，在溶解處理和冷淬的緊后面但在進行任何人工時效處理之前進行冷作。對于T8處理，合金在560℃下進行溶解處理，然后被冷淬，并升到185℃進行時效處理。對于T8I6處理，經(jīng)溶解處理的合金在185℃下進行10分鐘時效處理，接著中斷處理，保持在65℃(插圖)，然后升到150℃進行重新時效處理。
圖14-17舉例示出合金6061、6013、6061+Ag、6013+Ag各自的T6硬度曲線和T6I6硬度曲線之間的比較。在圖14的情況下，合金6061在540℃溫度下進行溶解處理1h。T6時效處理(實心菱形)在177℃下進行，而T6I6時效處理(空心菱形)在177℃溫度下時效處理1h，然后被冷淬，中斷處理保持在65℃，然后升到150℃進行重新時效處理。對于圖15，合金6013在540℃下溶解處理1h。在177℃下進行T6時效處理(實心菱形)。T6I6時效處理(空心菱形)在177℃下進行1h，然后被冷淬，進行中斷處理，保持在65℃，最后在150℃下再進行時效處理。圖15還示出在相同的T6I6條件下對組分類似的合金6056和6082得到的結(jié)果。圖16示出合金6061+Ag的在540℃下溶解處理1h的結(jié)果。T6時效處理(實心菱形)在177℃溫度下進行。T6I6時效處理(空心菱形)在177℃下進行1h，然后被冷淬，保持在65℃進行中斷處理，然后在150℃下進行再時效處理。在圖17中示出合金6013+Ag的結(jié)果，該合金在540℃溫度下溶解處理1h。T6時效處理(實心菱形)在177℃溫度下進行。而T6I6時效處理(空心菱形)在177℃下進行1h，然后被冷淬，保持在65℃進行中斷處理，最后升到150℃進行再時效處理。
圖18示出6061+20％SiC的T6I6曲線。該合金在540℃溫度下溶解處理1h。T6I6時效處理是在177℃處理1h，然后被冷淬，保持在65℃進行中斷處理，最后升到150℃進行再時效處理。
圖19-22示出合金6061、6013、6061+Ag、6013+Ag中各個合金在步驟(c)的中斷保持步驟的響應(yīng)曲線，該曲線隨中斷保持溫度TB而變化。在各種情況下，相應(yīng)合金時效1h，然后在45℃(星號)、65℃(方塊)和80℃(三角形)的溫度下進行中斷處理。
圖23示出在步驟(b)的緊后而在中斷步驟之前進行25％的冷作對中斷步驟的影響。圖23涉及的合金是6061(菱形)、6061+Ag(方塊)、6013(三角形)和6013+Ag(圓圈)，對于實心菱形、實心方塊、實心三角形、實心圓圈的中斷保持溫度TB是65℃，而對空心的這些符號其中斷保持溫度為45℃。
圖24示出T6I6和T6I76處理合金7050的例子。在各種情況下，合金在485℃進行溶解處理，然后被冷淬，在130℃進行時效，然后再被冷淬，在65℃進行中斷處理(插圖)，最后在130℃(菱形)或者在160℃(三角形)進行再時效處理。注意，T6條件的峰值硬度是213VHN。
圖25和26舉例示出分別對合金7075和7075+Ag(類似于合金AA-7009)進行的T6I6熱處理。各個合金在485℃下溶解處理1h，然后被冷淬，接著在130℃下時效0.5h，在35℃下進行中斷步驟，最后在100℃進行再時效。
圖27示出對于相應(yīng)合金7075和7075+Ag本發(fā)明中斷步驟中溫度的影響。上面的圖涉及合金7075，而下面的圖涉及合金7075+Ag。在每種情況下，低溫中斷步驟的溫度在25℃(菱形)、45℃(方塊)或者65℃(三角形)。應(yīng)注意到，對于每種合金，在25℃和稍高的中斷溫度45℃和65℃之間在特性上存在差別。
圖28舉例比較了T6和T6I6時效曲線，合金為Al-8Zn-3Mg，中斷溫度保持在35℃。T6處理在150℃進行，用實心菱形表示，而T6I6處理用空心菱形表示。T6I6處理合金是在480℃下溶解處理1h、然后被冷淬，接著在150℃溫度下時效20分鐘，再被冷淬，在35℃下進行中斷處理，然后在150℃下再時效處理。插圖示出步驟(c)中斷保持期間的時效響應(yīng)曲線。
圖29示出用T6I6處理Al-6Zn-2Mg-0.5Ag合金的時效曲線(中斷溫度保持在35℃)，在該圖中，采用線性時標(biāo)的時效曲線中包括中斷步驟。在這種情況下，合金在480℃下溶解處理1h，然后被冷淬，并在150℃下時效45min，接著再被冷淬，在35℃下進行中斷處理，最后再升到150℃進行再時效處理?？招姆綁K代表中斷處理步驟。
圖30和圖31舉例比較了用T6和T6I6分別處理鑄造合金356和357的時效曲線。圖30涉及的合金356在520℃溫度下溶解處理24h，然后被冷淬。對于T6處理，合金是在177℃溫度下時效3h，然后冷淬，在65℃下進行中斷處理，然后升到150℃進行再時效處理。合金356是從再生鋁錠、砂鑄鋁錠上取樣的，其沒有采用改性劑或者冷淬劑。合金357是在545℃溫度下溶解處理16h，然后在水中冷淬到65℃，然后快速冷卻到室溫。對于T6處理，合金357在177℃進行時效處理。對于T6I6處理，合金357是在177℃下時效處理20min，然后被冷淬，在65℃下進行中斷處理，接著在150℃下進行再時效處理。合金357是高質(zhì)量的永久鑄錠，采用了冷淬劑和Sr改性劑。
表4例示出斷裂韌性比較值，比較了各種合金的T6和T6I6的處理。
表4所選合金的斷裂韌度的比較
注所有實驗均在實驗樣品的s-l晶向方向進行，實驗方法是ASTM標(biāo)準(zhǔn)E1304-89，即“Standard Test Method for Plane Strain(Chevron Notch)Fracture Toughness of Metallic Materials”圖32和33舉例比較了分別采用T6和T6I6條件處理合金6061和8090時在s-l晶體取向測定的斷裂韌度/損傷耐受性特性。
圖34舉例比較了用T6處理或者T6I6處理進行時效的合金6061的疲勞壽命，從該圖中可以看出，強度的增加沒有使疲勞壽命變壞。
最后，應(yīng)當(dāng)明白，在不超出本發(fā)明的精神和范圍的情況下；對于上述部分的結(jié)構(gòu)和排列可以進行各種改變、變型和/或添加。
權(quán)利要求
1.一種可時效硬化鋁合金的熱處理工藝，該鋁合金具有固溶的合金元素，其特征在于，上述工藝包括以下步驟a)在適合于時效合金的較高溫度TA下保持合金相當(dāng)短的時間；b)以相當(dāng)快的溫度冷卻該合金，從溫度TA冷卻到較低的溫度，使其基本上停止溶質(zhì)元素的一次析出作用；c)使該合金保持在溫度TB，保持的時間定為可以達到適當(dāng)水平的溶質(zhì)元素二次成核或者連續(xù)析出；d)加熱合金到等于、相當(dāng)接近于或者高于溫度TA的溫度，并在該溫度下在保持相當(dāng)長的時間，以基本上達到最大強度。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，步驟(c)和(d)接續(xù)的。
3.如權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于，在步驟(c)中基本上不加熱或者完全不加熱。
4.如權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，可以利用適當(dāng)?shù)目煽匮h(huán)加熱裝置使步驟(c)和(d)聯(lián)合起來，使得步驟(c)可利用一種加熱速度加熱到溫度TC，該步驟進行的相當(dāng)慢，從而在顯著低于最后溫度TC的溫度下在步驟(c)中發(fā)生二次成核作用或者析出作用。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的工藝，其特征在于，與用普通T6熱處理同一合金得到的時效硬度和強度相比，該合金可以獲得更高的附加時效硬度和強度。
6.如權(quán)利要求5所述的工藝，其特征在于，該合金可以在溶解處理之后但在步驟(a)之前進行機械形變處理。
7.如權(quán)利要求5或6所述的工藝，其特征在于，該合金可以在步驟(b)之后但在步驟(c)之前進行機械形變處理。
8.如權(quán)利要求5-7中任一項所述的工藝，其特征在于，該合金可以在步驟(c)期間進行機械形變處理。
9.如權(quán)利要求6-8中任一項所述的工藝，其特征在于，可以應(yīng)用熱機械形變處理。
10.如權(quán)利要求6-9中任一項所述的工藝，其特征在于，熱機械形變處理可結(jié)合快速冷卻應(yīng)用。
11.如權(quán)利要求5-10中任一項所述的工藝，其特征在于，該合金可以在制造或者鑄造之后緊接著在溫度TA下進行時效，不用分開進行溶解處理步驟。
12.如權(quán)利要求1-11中任一項所述的工藝，其特征在于，與用常規(guī)T6熱處理得到的硬度值相比，最后硬度增加至少10％-15％。
13.如權(quán)利要求1-12中任一項所述的工藝，其特征在于，相對于用常規(guī)T6熱處理得到的強度值，最后的屈服強度(0.2％彈性極限應(yīng)力)增加至少5％～10％。
14.如權(quán)利要求1-13中任一項所述的工藝，其特征在于，相對于用常規(guī)T6熱處理得到的強度水平，抗拉強度增加至少約5％～10％。
15.如權(quán)利要求1-514中任一項所述的工藝，其特征在于，該合金是適合于T6熱處理的一種合金，步驟(a)在溫度TA下進行，該溫度與用常規(guī)T6熱處理該合金進行時效時所用的溫度相同，或非常接近，保持在溫度TA的時間顯著低于T6熱處理時效步驟所用時間。
16.如權(quán)利要求15所述的工藝，其特征在于，保持在溫度TA的時間是使得可以達到完全常規(guī)T6時效處理得到的最大強度的約50％～95％。
17.如權(quán)利要求15所述的工藝，其特征在于，保持在溫度TA的時間是使得可以達到完全常規(guī)T6時效處理得到的最大強度的約85％～95％。
18.如權(quán)利要求1-17中任一項所述的工藝，其特征在于，保持在溫度TA的時間從幾分鐘到至少8小時。
19.如權(quán)利要求18所述的工藝，其特征在于，保持在溫度TA的時間從約幾分鐘到約8小時。
20.如權(quán)利要求18所述的工藝，其特征在于，保持在溫度TA的時間從1～2h。
21.如權(quán)利要求1-20中任一項所述的工藝，其特征在于，冷卻步驟(b)是在一種流體中進行冷淬。
22.如權(quán)利要求21所述的工藝，其特征在于，可以用液體做冷淬介質(zhì)。
23.如權(quán)利要求22所述的工藝，其特征在于，可以用冷水做冷淬介質(zhì)。
24.如權(quán)利要求20-23中任一項所述的工藝，其特征在于，冷淬將在環(huán)境溫度～-10℃的溫度范圍內(nèi)進行。
25.如權(quán)利要求1-24中任一項所述的工藝，其特征在于，溫度TB的范圍是約20℃～120℃。
26.如權(quán)利要求25所述的工藝，其特征在于，溫度TB的范圍是約-10℃～90℃。
27.如權(quán)利要求1-26中任一項所述的工藝，其特征在于，步驟(c)的時間長度從小于8h到超過500h。
28.如權(quán)利要求27所述的工藝，其特征在于，步驟(c)的時間長度范圍是從約8小時～500小時。
29.如權(quán)利要求1-28中任一項所述的工藝，其特征在于，步驟(d)的溫度TC與步驟(a)的溫度TA基本上相同。
30.如權(quán)利要求1-28中任一項所述的工藝，其特征在于，步驟(d)的溫度TC超過步驟(a)的溫度TA，超過50℃。
31.如權(quán)利要求30所述的工藝，其特征在于，溫度TA超過溫度TC，超過約20℃。
32.如權(quán)利要求1-28中任一項所述的工藝，其特征在于，用在步驟(d)的溫度TC小于在步驟(a)的溫度TA，小20℃～50℃。
33.如權(quán)利要求32所述的工藝，其特征在于，溫度TC小于溫度TA，小30℃～50℃。
34.如權(quán)利要求1-33中任一項所述的工藝，其特征在于，在步驟(d)的溫度TC下保持的時間長度應(yīng)足以達到要求的另外的強化值。
35.一種采用權(quán)利要求1-34中任一項所述的工藝生產(chǎn)的時效硬化鋁合金。
全文摘要
可時效硬化鋁合金的熱處理包括以下的步驟使合金在相當(dāng)高的溫度T
文檔編號C22F1/053GK1434877SQ00819029
公開日2003年8月6日 申請日期2000年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月23日
發(fā)明者R·N·盧姆利, I·J·波爾梅爾, A·J·莫爾頓 申請人:聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織