一种低残余应力挤压铝材的热处理工艺及挤压铝材的制作方法

本发明涉及铝合金加工，尤其涉及一种低残余应力挤压铝材的热处理工艺及挤压铝材。

背景技术：

1、6系铝合金为铝镁硅系合金，具备良好的挤压成型性能、耐腐蚀性能和可加工性能，是目前工业应用最广泛的挤压铝合金材料，广泛用于精密机械零部件、自动化设备框架、建筑型材等领域。6系铝合金的核心强化机制为时效强化，挤压成型后需通过淬火处理使合金元素、空位在铝基体中形成过饱和固溶体，为后续时效析出强化相奠定基础，保证材料的力学强度。

2、在工业连续挤压生产中，为使合金元素充分固溶，通常将铝合金铸棒加热至固溶温度区间后挤压，型材出模孔后仍处于较高温度，因此生产线上普遍配置在线淬火装置，采用水冷或强喷雾冷却的方式对铝材进行极速冷却，以抑制第二相在冷却过程中析出，最大程度保留基体的过饱和程度，从而使铝材在后续时效处理后获得较高的抗拉强度与屈服强度。

3、但极速水淬冷却过程中，铝材表面与芯部、不同区域存在极大的温度梯度，会产生剧烈的热收缩差异，进而形成高额淬火内应力。淬火内应力会直接导致挤压铝材平面度超差、板材翘曲变形。行业内通常通过机械整平改善平面度缺陷，但整平过程会引入二次机械应力，叠加原有淬火残余应力，使铝材内部应力处于不稳定状态。在后续cnc精密切削、铣削加工过程中，铝材内部残余应力会随材料去除逐步释放，导致半成品、成品出现翘曲、变形，最终产品平面度、尺寸精度无法满足精密零部件使用要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有挤压铝材在线水淬工艺淬火内应力大、残余应力难以根除，后续 cnc 加工易变形、平面度精度差，整平矫直引入二次应力的缺陷，提供一种低残余应力挤压铝材的热处理工艺及挤压铝材，从源头上规避淬火应力，同时兼顾材料力学性能与尺寸稳定性。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种低残余应力挤压铝材的热处理工艺，包括依次进行的以下步骤：

4、s1、挤压成型：将铝合金坯料经挤压机挤压成型，得到挤压铝材；

5、s2、慢速冷却：将步骤s1所得的挤压铝材冷却至室温，所述冷却采用风冷或自然冷却的方式，并且冷却全过程不施加水冷、喷雾冷却或者其他强制急冷介质；

6、s3、中温回溶处理：将步骤s2冷却后的铝材送入热处理炉，升温至250～400℃并保温1～10min，使所述慢速冷却过程中析出的第二相重新溶入铝基体，保温结束后出炉冷却至室温；

7、s4、低温时效处理：将步骤s3回溶处理后的铝材升温至150～185℃并保温6～20h，使基体中的过饱和固溶体析出弥散的强化相，保温结束后冷却至室温，即得所述挤压铝材。

8、本发明步骤s3中，当中温回溶处理的温度低于250℃时，mg2si等第二相的溶解驱动力不足，在数分钟的短时保温条件下难以充分回溶，基体过饱和度偏低，导致时效强化效果不足；当中温回溶处理的温度温度高于400℃时，虽有利于第二相溶解，但已接近6系铝合金的再结晶与晶粒长大敏感区间，保温稍长即可能造成晶粒粗化、晶界析出相粗化，且出炉空冷时温差增大，存在重新引入热应力的风险，同时能耗显著上升。因此，将回溶温度限定为250～400℃，兼顾了回溶效果、组织稳定性与生产经济性。保温时间小于1min时，第二相来不及充分溶解，回溶效果不足；保温时间超过10min时，回溶程度趋于饱和而晶粒长大风险上升，且不利于连续式热处理炉的在线生产节奏匹配。因此，将保温时间限定为1～10min，既可充分回溶，又可与挤压生产线的连续化节奏相匹配。

9、本发明步骤s4中，当时效温度低于150℃时，溶质原子扩散能力弱，析出动力不足，需极长保温时间才能达到峰值强度，经济性差；当时效温度高于185℃时，析出相迅速粗化，易进入过时效阶段，强度明显下降；保温时间小于6h时析出不充分，大于20h时则出现过时效且生产效率降低。因此，将时效制度限定为150～185℃、6～20h的低温长时时效，使mg2si强化相细小、弥散、均匀析出，从而在获得良好强化效果的同时保持材料的塑性。

10、本发明中，步骤s3与步骤s4构成本发明所述的二级热处理制度：步骤s3为第一级中温回溶，其作用是恢复基体过饱和度而非直接强化；步骤s4为第二级低温时效，其作用是完成析出强化。两级处理在时间上先后衔接、在功能上相互独立，共同实现"无淬火应力"与"力学性能不降低"的统一。

11、本发明摒弃“挤压-在线水淬-时效”的传统工艺路线，采用“慢速冷却-中温回溶-低温时效”的分步热处理路线。其中，慢速冷却使铝材在冷却全程不产生显著温度梯度，从源头上避免淬火应力的产生，但慢速冷却过程中基体会析出少量粗大第二相、降低基体过饱和度；中温回溶处理则以短时中温加热的方式，使上述粗大第二相重新溶解，弥补过饱和度损失，且由于该温度区间远低于常规固溶温度、加热时间短，不会引起晶粒粗化，出炉空冷时温差小，因而不会重新引入淬火应力；随后的低温长时时效使过饱和固溶体均匀析出细小弥散的mg2si强化相，从而使材料的强度、塑性恢复至与传统水淬工艺相当的水平。

12、进一步地，步骤s1中，所述铝合金坯料的挤压温度为480～540℃，挤压模出口处铝材的温度为500～560℃。

13、进一步地，步骤s2中，所述风冷的风速为2～5m/s，所述自然冷却为室温静态空气冷却，所述室温为15～35℃。

14、进一步地，步骤s3中，所述中温回溶处理的升温速率为5～10℃/min，保温结束后的冷却方式为空冷；所述中温回溶处理使铝基体恢复合金元素与空位的过饱和状态。

15、进一步地，步骤s3中，所述中温回溶处理在连续式热处理炉中进行，铝材以连续通过炉膛的方式完成升温与保温。

16、进一步地，步骤s4中，所述低温时效处理的升温速率为 3℃/min～8℃/min，保温结束后的冷却方式为空冷或者随炉冷却。

17、进一步地，所述铝合金为6系铝镁硅系铝合金，优选为6013铝合金和6063铝合金。

18、更进一步地，当所述铝合金为6013铝合金时，步骤s3中保温温度为320～360℃、保温时间为3～6min，步骤s4中时效温度为165～175℃、时效时间为10～15h；

19、当所述铝合金为6063铝合金时，步骤s3中保温温度为280～330℃、保温时间为2～5min，步骤s4中时效温度为155～165℃、时效时间为8～12h。

20、进一步地，本发明所述工艺在步骤s4之后不设置矫直、辊压或者机械整平工序，所得挤压铝材可直接进行cnc切削加工，且经cnc切削加工后的平面度不大于0.3mm。

21、本发明还提供一种挤压铝材，其采用上述低残余应力挤压铝材的热处理工艺制备得到，所述挤压铝材经cnc切削加工后的平面度不大于0.3mm。

22、本发明的有益效果是：

23、本发明取消传统在线水淬工序，采用风冷或自然冷却的慢速冷却方式，铝材在冷却全程无剧烈温度梯度，不产生表面与芯部的剧烈热收缩差异，从根本上避免了淬火应力的产生，材料内部应力状态稳定。通过中温回溶处理补全慢速冷却造成的基体过饱和度损失，再配合低温长时时效析出细小弥散的强化相，材料的屈服强度、抗拉强度与延伸率与传统水淬工艺基本持平，部分指标略有提升；同时cnc加工后的平面度由传统工艺的0.3～0.5mm优化至0.1～0.2mm，平面度精度提升60％以上，精密加工良品率显著提高。

24、本发明铝材内部残余应力水平低，可省去或减少矫直、整平、振动时效等后处理工序，避免了二次应力的引入，缩短了生产周期，降低了设备投入与能耗。cnc切削加工过程中不存在应力集中释放问题，成品的尺寸稳定性与批量一致性提升，可满足高端精密机械零部件的使用要求。