一种提升6000系铝合金锻件性能的在线热处理方法与流程

本技术涉及铝合金热处理，特别涉及一种6000系铝合金锻件的在线热处理方法，尤其涉及一种在锻后在线淬火与人工时效之间引入预时效处理，以抑制室温停放效应并稳定最终人工时效性能的在线热处理方法。

背景技术：

1、6000系铝合金为al-mg-si系可热处理强化铝合金，具有中等强度、良好的耐腐蚀性，成形性和加工性能，广泛应用于汽车、轨道交通及装备制造等领域的结构锻件。为在获取较高力学性能的同时缩短工艺流程并降低能耗，工业上常采用锻后在线热处理的t5类工艺：即锻件在锻造后利用余热直接进行水淬，随后进行人工时效。

2、然而，在上述锻后在线热处理过程中，淬火后的6000系铝合金锻件通常需要经历一定时间的室温停放。室温停放期间，合金中过饱和固溶的mg、si等溶质原子容易发生聚集并形成自然时效团簇或gp区，该类聚集状态可能改变后续人工时效过程中的析出行为，降低后续人工时效过程中β″强化相的析出驱动力和析出密度，并导致析出相分布不均、强化效果下降。在部分工艺条件下，室温停放可使锻件人工时效后的强度降低约10%至30%；在一定停放时间范围内，随着停放时间的延长，上述不利影响通常更加显著。

3、为减小室温停放对人工时效强化效果的影响，现有生产中可采用淬火后立即人工时效的方式。但在实际锻件生产过程中，水淬后的部分零件往往需要进行尺寸检测、外观检查、性能抽检或批次转运，难以保证所有锻件均在淬火后立即进入人工时效工序，同时，锻件形状复杂、截面厚度差异大，采用常规箱式炉进行人工时效时，存在升温速率慢、炉温均匀性和装炉一致性不足等问题，难以使不同尺寸或不同装炉位置的锻件快速、同步达到目标时效温度。

4、虽然已有研究或工艺中存在通过预时效、分级时效、预烘烤等热处理手段调控6000系铝合金自然时效行为的方案，但该类方案多针对板材、挤压材或经离线固溶处理后的材料，未充分考虑锻件在线热处理过程中的锻后余热状态、在线淬火节拍、锻件厚度差异、抽检停放以及批量装炉升温一致性等因素。同时，传统空气炉升温速率较低，不利于不同截面锻件快速建立一致的预时效温度场。因此，现有针对板材或挤压材的预时效技术难以直接应用于6000系铝合金锻件在线热处理过程，仍缺乏一种既适应在线生产节拍，又能够降低室温停放影响并保证人工时效性能稳定性的热处理方法。因此，仍需要一种适用于6000系铝合金锻件在线生产节拍的预时效热处理方法，以在无需重新进行独立固溶处理且不显著增加整体工艺复杂度的情况下，抑制淬火后室温停放效应，并提高最终人工时效后的性能稳定性。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种适用于6000系铝合金锻件在线热处理产线的预时效调控热处理方法，以至少缓解大截面6000系铝合金锻件在淬火后室温停放过程中发生的人工时效响应下降和力学性能衰减问题，并改善采用常规空气循环箱式炉进行短时预时效时因升温速率慢、表芯热历史不一致而导致的预时效效果不均问题。

2、为解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：

3、一种提升6000系铝合金锻件性能的在线热处理方法，方法包括以下步骤：

4、s1、将6000系铝合金坯料加热后进行热锻成形，控制锻造后且进入淬火工序前所述锻件的代表性测温点温度为460℃至560℃；

5、s2、锻造结束后，将所述锻件在不超过120s内转移至淬火介质中进行冷却，直至所述锻件表面温度降至25℃至50℃；

6、s3、在脱离淬火介质后的30min内，将锻件转移至传热介质为液态介质或流态化固体颗粒的预时效处理设备中进行预时效处理，设定预时效温度为60℃至160℃，保温时间为10min至60min；

7、s4、预时效处理完成后，将锻件移出并冷却至室温，于室温空气环境中停放0h至48h；

8、s5、停放结束后，将锻件置于人工时效炉中进行人工时效处理，设定人工时效温度为160℃至200℃，保温时间为2h至8h，随后空冷至室温。

9、液态介质或流态化固体颗粒作为预时效传热介质时，能够提供相对于空气介质更高的换热能力和较均匀的温度场边界条件。短时预时效处理能够调控锻件基体中过饱和溶质原子的聚集状态，并影响后续人工时效过程中的析出行为。具体机理可以分为以下过程进行说明：

10、前期阶段主要为过饱和固溶状态的形成和维持。锻件经s1的高温成形及s2的淬火冷却后，基体内保留较高的溶质过饱和度以及一定数量的淬火空位，为后续溶质原子扩散、团簇形成和析出相演变提供条件。

11、随着处理进行，进入预时效团簇调控阶段。在完成淬火后的预定时间窗口内，优选在自然时效形成的不利溶质聚集状态尚未充分发展前，将锻件转移至具有良好换热能力的预时效处理设备内，使锻件表层及芯部较快达到60℃至160℃的预时效热激活条件，促使基体中的mg、si等溶质原子发生短程扩散，形成相对稳定且有利于后续人工时效析出的溶质聚集状态、预析出团簇或早期gp区等析出前驱结构。

12、最后进入后续人工时效强化阶段。在步骤s4的室温停放流转期间，预时效形成的溶质聚集状态能够调控mg、si溶质原子及淬火空位的结合与迁移行为，降低室温停放过程中不利自然时效团簇继续发展的倾向，从而减弱停放对后续人工时效强化响应的不利影响。在步骤s5的人工时效过程中，所述溶质聚集状态、预析出团簇或早期gp区能够有利于作为β″等强化相形成的前驱结构，有利于促进后续析出相的较均匀地析出，从而提高人工时效强化响应

13、因此，本技术能够减轻室温停放引发的力学性能衰减，并提高大截面锻件不同部位预时效处理效果和微观组织演变的一致性。

14、优选的，s1中，6000系铝合金选自6061铝合金、6082铝合金或6110铝合金中的一种；将6000系铝合金坯料加热至500℃至560℃，保温1h至2h后进行热锻成形。

15、通过采用上述技术方案，限定了适用的材质类别，配合特定的加热与保温参数，有利于促进mg、si等主要强化元素固溶于铝基体中，并改善热变形前的组织均匀性。

16、优选的，s2中，淬火介质采用水或水基淬火介质；控制锻件在120s内转移至淬火介质中进行冷却。

17、通过采用上述技术方案，将锻后至入淬之间的转移时间控制在预定范围内，有助于减少锻件在高温区及淬火敏感温度区间的停留时间，降低mg-si系粗大析出相在入淬前或冷却过程中过早析出的倾向。配合水或水基淬火介质的冷却作用，能够较好地保留基体中的溶质过饱和度及淬火空位，为后续预时效和人工时效析出提供组织基础。

18、优选的，s2之后且s3之前，当预时效处理设备中的传热介质采用非水基液态介质时，还包括脱水工序：当锻件表面温度降至25℃至50℃时，将锻件移出淬火介质；在转入预时效处理设备前，采用高压风刀系统对锻件表面进行吹扫，吹扫时间为30s至60s，以去除锻件表面的残余水分。

19、通过采用上述技术方案，考虑到带有残余水分的锻件直接进入高温非水基液态介质时，容易引发液体汽化、沸腾或介质波动，本方案利用锻件内部向外传导的残余热量配合高压风刀气流，去除锻件表面及复杂几何特征处的附着水膜，降低液相水分进入后续高温非水基液态介质的风险。

20、优选的，s3中，预时效处理设备采用液浴炉或流化床热处理炉；当预时效处理设备采用液浴炉时，传热介质选自水基介质、醇基介质或油基介质中的一种，液浴炉配备循环搅拌装置，炉内各处温度控制在设定预时效温度-2℃至设定预时效温度+2℃的范围内。

21、通过采用上述技术方案，相较于常规空气循环箱式炉，液态介质或流态化固体颗粒具有较高的换热能力，并可通过搅拌或流态化增强对流换热，从而减小锻件表面换热热阻，提供相对均匀的温度场边界条件，使大厚度截面锻件更快达到预时效温度范围，并改善表层与芯部热历史不一致的问题，满足析出动力学的热输入需求。

22、优选的，s3中，所述30min自锻件脱离淬火介质时起算，并包括脱水、转运及装入预时效处理设备的时间；优选地，在锻件脱离淬火介质后的10min内，将锻件转移至预时效处理设备中进行预时效处理。该时间窗口能够减少室温自然时效团簇的充分发展，使预时效处理在溶质聚集状态尚可调控的阶段进行。

23、通过采用上述技术方案，进一步限定了淬火结束至预时效处理开始之间的过渡时间窗口。该时间窗口自锻件脱离淬火介质时起算，并可包括脱水、转运及装入预时效处理设备等必要操作时间。将该时间控制在30min内，优选控制在10min内，有利于在室温自然时效引起的不利溶质聚集状态充分发展之前，使锻件进入受控预时效处理阶段，从而调控mg、si等溶质原子及淬火空位的迁移和结合行为，减弱室温停放对后续人工时效强化响应的不利影响。

24、优选的，s3中，预时效处理的计时起点为：以锻件完全进入预时效处理设备且设备达到设定预时效温度为起点，延迟预设的升温补偿时间后开始计时；升温补偿时间设定为1min至10min。

25、通过采用上述技术方案，基于材料热扩散系数对大厚度零件芯部温度分布的影响，引入升温补偿机制以补偿芯部升温之后，有助于锻件芯部微区积累充分的相变孕育时间，利于改善厚大截面沿厚度方向的硬度差异。

26、优选的，s4中，于室温空气环境中停放的时间限定为0h至24h。

27、通过采用上述技术方案，基于前期预时效步骤促使稳定团簇的形成，设定该停放周期能够适应制造工厂内物料转移、尺寸复检或跨车间排产的常规时间需求，同时基体组织状态能够保持相对稳定，使锻件在经历停放后仍可获得达到或略高于水淬后及时人工时效状态的力学性能水平，从而有效抑制室温停放造成的性能衰减。

28、优选的，s5中，人工时效处理设定的人工时效温度限定为175℃至190℃；保温时间限定为2h至6h。

29、通过采用上述技术方案，在该人工时效温度与时间条件内，基体中经预时效调控形成的溶质聚集状态或析出前驱结构有利于β″等纳米尺度强化相的形成。β″相通常与铝基体保持共格或半共格关系，可产生晶格畸变应力场，从而有利于获得较好的强度和塑性匹配。

30、优选的，锻件包括最大截面厚度为50mm至70mm的汽车转向节锻件、汽车控制臂锻件或结构连接件锻件的铝合金结构件。

31、通过采用上述技术方案，明确了工艺适用对象的截面厚度范围。此类锻件通常具有截面较厚、形状复杂以及对表芯组织和性能一致性要求较高的特点，通过上述快速传热和升温补偿方式，有助于改善结构件表层与芯部热历史差异导致的组织演变不一致问题。

32、本技术与现有技术相比，至少具有如下有益效果：

33、1、本技术在锻件脱离淬火介质后的30min内引入60℃至160℃的短时预时效处理，使合金基体中过饱和固溶的mg、si等溶质原子在受控温度条件下发生短程扩散，形成相对稳定且有利于后续人工时效析出的溶质聚集状态或预析出团簇。该受控溶质聚集状态能够调控后续室温停放过程中的脱溶演变路径，减少不利自然时效团簇的形成或降低其对后续β″强化相析出的不利影响。预时效形成的溶质聚集状态或预析出团簇在0h至48h的室温停放过程中具有相对稳定性，能够在一定程度上保持对后续人工时效有利的初始组织状态。因此，本方法允许锻件在淬火与人工时效之间进行必要的外观检测、尺寸检测、批次流转或生产等待，有效缓解传统在线工艺中淬火后需立即人工时效与实际车间排产之间的矛盾，并使锻件在经历必要停放后仍能获得达到甚至略高于及时人工时效状态的抗拉强度、屈服强度和硬度水平。

34、2、针对大截面厚度锻件在常规箱式炉中升温迟缓的问题，本技术通过高效传热设备与升温补偿时间的结合，提高大厚度锻件表层与芯部升温进程的一致性，减轻了传热迟滞造成的表芯热历史差异，从而改善预时效处理的整体均匀性，提高锻件最终性能的一致性。

35、3、本方法直接利用锻件热锻后的余热状态进行在线淬火和时效调控，无需额外配置独立的固溶加热设备，能够简化整体热处理工艺流程。在具体实施过程中，对于采用高温液浴炉的预时效方案，配合高压风刀系统的吹扫脱水步骤，能够去除附着在锻件表面及复杂几何部位的残余水分，降低带水锻件直接进入高温液态介质时可能引发的水分汽化、介质波动及飞溅风险，从而提高在线连续化生产的操作安全性和工艺稳定性。