一种高铁用ALZNMG合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法.pdf

本发明公开了一种高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法，属于铝合金加工技术领域。本发明的均匀化处理过程包括升温过程和降温过程：升温过程是缓慢升温至低温区并保温或不保温，然后快速升至中温区保温一段时间，最后再缓慢升到高温区保温较长的时间；降温过程为缓慢降温至低温区，然后快速降至室温，完成均匀化退火。本发明可以提高铸锭均热的生产效率，控制均热组织的均匀性，提高第二相粒子的分布均匀性，从而提高型材产品的力学性能。

1.  一种高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法，其特征在于均匀化处理时升温、保温以及降温的步骤为：
(1)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至低温区T1，T1为100℃-270℃，升温速率为3℃/h-40℃/h，保温0h-20h；
(2)再将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至中温区T2，T2为300℃-450℃，升温速率为15℃/h-100℃/h，保温时间为0.5h-15h；
(3)然后将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至高温区T3，T3为450℃-520℃，升温速率为10℃/h-50℃/h，保温时间为6h-64h；
(4)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至降温低温区T4,T4为160℃-420℃，降温速率为10℃/h-300℃/h；
(5)最后，将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至室温，降温速率为50℃/h-1000℃/h。

2.  根据权利要求1所述的一种高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法，其特征在于均匀化处理时升温、保温以及降温的步骤为：
(1)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至低温区150℃-220℃，升温速率为10℃/h-30℃/h，保温0h-20h；
(2)再将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至中温区350℃-430℃，升温速率为40℃/h-70℃/h，保温时间为3h-10h；
(3)然后将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至高温区450℃-520℃，升温速率为20℃/h-30℃/h，保温时间为12h-40h；
(4)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至降温低温区220℃-380℃，降温速率为160℃/h-260℃/h；
(5)最后，将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至室温，降温速率为200℃/h-800℃/h。

3.  根据权利要求1或2所述的一种高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法，其特征在于：所述步骤(1)-(3)中升温时，采用的是一级或多级升温方式。

4.  根据权利要求1或2所述的一种高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法，其特征在于：所述步骤(4)和(5)中，冷却方式采用空冷、风冷、水冷或水雾冷中的一种或多种。

一种高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工技术领域，尤其是一种高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法。
背景技术
随着铁路运输业的发展，对铁道车辆提出了越来越高的要求，轻质高速已成为现代化铁道车辆的重要指标。中强Al-Zn-Mg铝合金不仅具有密度小、适中的强度和好的可焊性，而且具有较宽的固溶处理温度范围，优良的热变形性能和抗应力腐蚀性能，在高铁制造行业得到了广泛应用。
中强Al-Zn-Mg铝合金圆锭采用井式直接水冷半连续铸造生产工艺，铸锭由于浇注速度和冷却速度较大，容易产生严重的枝晶偏析、铸造应力、以及大量沿晶界分布的非平衡共晶组织，严重影响铸锭的塑性加工性能及最终产品性能。工业上通常采用高温均匀化退火的方法来消除以上缺陷。
目前工业化生产的Al-Zn-Mg合金均匀化工艺通常采用单级均匀化或双级(多级)均匀化，一级均匀化：升温→高温保温→冷却；二级均匀化：升温→低温保温→升温→高温保温→冷却。但上述方法存在如下技术缺点：(1)铸锭由室温直接升温至退火温度的过程中需要经历多个第二相的析出区间，常规升温工艺无法保证圆铸锭的温度均匀性，组织存在差异，导致铸锭经过挤压后产品性能不均匀；(2)铸锭一般采用快速冷却和慢速冷却，当铸锭从退火温度快速冷却到室温时，铸锭内部存在应力，影响铸锭的机加工和挤压性能，严重时还会影响产品的综合性能；(3)铸锭从退火温度慢速冷却到室温可以降低应力，但需要经历一段很长的析出温度区间，导致固溶体析出大量平衡相，降低了材料的强度，也由于铸锭内外温度相差较大，导致铸锭心部和边部的析出组织存在很大的差异，无法保证材料的性能均匀性。
鉴于上述问题，有必要对高铁用中强Al-Zn-Mg铝合金的均匀化处理进行进一步研究，提高塑性加工性能及最终产品性能，以适应大规模生产的需求。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法，本发明可以提高铸锭均热的生产效率，控制均热组织的均匀性，提高第二相粒子的分布均匀性，从而提高型材产品的力学性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法，均匀化处理时升温、保温以及降温的步骤为：
(1)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至低温区T1，T1为100℃-270℃，升温速率为3℃/h-30℃/h，保温0h-20h；
(2)再将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至中温区T2，T2为350℃-450℃，升温速率为15℃/h-100℃/h，保温时间为0.5h-15h；
(3)然后将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至高温区T3，T3为450℃-520℃，升温速率为10℃/h-50℃/h，保温时间为6h-64h；
(4)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至降温低温区T4,T4为100℃-350℃，降温速率为10℃/h-300℃/h；
(5)最后，将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至室温，降温速率为50℃/h-1000℃/h。
优选地，本发明的高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理方法，在均匀化处理时升温、保温以及降温的步骤为：
(1)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至低温区150℃-200℃，升温速率为10℃/h-20℃/h，保温0h-20h；
(2)再将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至中温区350℃-450℃，升温速率为50℃/h-80℃/h，保温时间为3h-10h；
(3)然后将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至高温区450℃-520℃，升温速率为20℃/h-30℃/h，保温时间为12h-40h；
(4)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至降温低温区200℃-300 ℃，降温速率为200℃/h-260℃/h；
(5)最后，将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至室温，降温速率为500℃/h-800℃/h。
其中，所述步骤(1)-(3)中升温时采用的是一级或多级升温方式。
其中，所述步骤(4)和(5)中，冷却方式采用空冷、风冷、水冷或水雾冷中的一种或多种。
均匀化处理的目的是使一次析出相充分回溶，经过后续挤压、固溶工艺，最后在时效处理过程中析出相均匀、细小。均匀化过程中起决定作用的是退火的温度和时间，温度越高，在同一温度下保温的时间越长，越有利于原子的充分扩散。当均匀化处理温度较低时，难以使一些具有较高熔点的一次凝固析出相实现充分回溶；而当均匀化处理温度过高时，铸锭中存在的一些低熔点共晶相将会出现过烧现象；上述矛盾导致传统的均匀化处理温度一般不能选择过高，从而导致Al-Zn-Mg铝合金铸锭中一次凝固析出相残留量过大。
因此，需选择合理的均匀化温度及时间，使一次析出相最大限度的回溶。本发明通过针对高铁用Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭的均匀化处理的研究作了大量工作，获得了大量的实验数据，研究结果表明，450℃-520℃这一温度区间是较为合适的均匀化退火温度。
进一步地，本发明将圆铸锭由室温升温至退火温度分成3步来完成，降温至室温的过程分成2步来完成，升温曲线方程为二阶导数连续，而降温曲线方程为二阶导数不连续。升温和降温过程中的吸热和放热量可用积分式表述为：
Qen=Cm[∫0t11T1+0.036e-tdt+∫t1t2T2·(e-1.95t-1)dt+∫t3t41T3+0.0025e-tdt-Troom]]]>
Qex=Cm[∫t5t6T3·e-0.14tdt+∫t6tend(130+30lnt)dt]]]>
其中，T1是低温区温度，T2是中温区温度，T3是高温区温度，T4是降温低温区温度；t1～t6代表热处理的时间。
均匀化处理的升温和降温过程中的均热温度曲线如图1所示。
整个均热过程包含预析出区(从均匀化开始到t2)、弥散相均匀析出区(从t2到t4)、预析出相溶解区(从t4到t5)、低应力冷却区(从t5到t6)、控制析出冷却区(从t6到均匀化结束)；可以避免第二相的过多析出，保证圆铸锭整体的温度均匀性，避免合金组织存在差异和不平衡。
本发明在合金低温区采用慢速升温，为高温均匀化时弥散相的析出提供更大密度的形核位置；合金中温区采用快速升温，保证低温区形成的形核数量保持不变或变化较少；合金高温区采用快速升温，提高均匀化的生产效率。
本发明在圆铸锭冷却时先采用慢速冷却，到低温区后采用快速冷却，一方面可以在慢速冷却的温度区间消除铸锭内部存在的应力，有利于后续的机加工和挤压，另一方面避免铸锭内外温度相差较大导致铸锭心部和边部的析出组织存在很大的差异，从而保证材料的性能均匀性；而且相比于纯粹的慢速降温，可以提高生产效率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过控制均匀化的温度、时间，使合金内的一次析出相充分回溶，经过后续挤压、固溶工艺，最后在时效处理过程中析出相均匀、细小，从而提高型材产品的力学性能及其均匀性；通过控制升温降温的速率，可以避免第二相的过多析出，保证圆铸锭整体的温度均匀性，避免合金组织存在差异和不平衡，从而提高型材产品的力学性能及其均匀性。快速升温、降温与慢速升温、降温相结合的温控方式，可以大大缩短均匀化处理的时间，提高生产效率，降低成本，采用常规均匀化处理的工艺，均匀化处理的时间约为57h，而采用本发明的工艺，均匀化处理的时间可以缩短至35h。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明均匀化处理的升温和降温过程中的均热温度曲线；
图2是常规的均匀化处理的均热温度曲线。
具体实施方式
下面结合一些实施例和对比例对本发明作进一步阐述。
实施例1
对合金成分为Zn:3.5-5.1％，Mg:0.7-2.1％，Cu:≤0.5％，Fe：≤0.4％，Si:≤0.35％的铝合金进行加工，经熔炼→精炼→除气过滤→半连续铸造，生产出直径396mm的铝合金圆锭；采用本发明的均匀化处理工艺，具体升温、保温以及降温的步骤为：
(1)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至低温区T1，T1为100℃，升温速率为3℃/h，保温0h；
(2)再将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至中温区T2，T2为350℃，升温速率为15℃/h，保温时间为0.5h；
(3)然后将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至高温区T3，T3为450℃，升温速率为10℃/h，保温时间为6h；
(4)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至降温低温区T4,T4为350℃，降温速率为10℃/h，采用风冷和空冷相结合的方式冷却；
(5)最后，将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至室温，降温速率为50℃/h，采用风冷和空冷相结合的方式冷却。
本实施例的均热温度曲线如图1所示；对均热后的圆锭进行锯切→车皮→挤压→淬火→拉伸矫直→时效得到铸锭型材成品。
实施例2
对合金成分为Zn:3.5-5.1％，Mg:0.7-2.1％，Cu:≤0.5％，Fe：≤0.4％，Si:≤0.35％的铝合金进行加工，经熔炼→精炼→除气过滤→半连续铸造，生产出直径396mm的铝合金圆锭；采用本发明的均匀化处理工艺，具体升温、保温以及降温的步骤为：
(1)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至低温区T1，T1为270℃，升温速率为30℃/h，保温20h，采用一级升温方式；
(2)再将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至中温区T2，T2为450℃，升温速率为100℃/h，保温时间为15h，采用一级升温方式；
(3)然后将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至高温区T3，T3为520℃，升温速率为50℃/h，保温时间为64h，采用一级升温方式；
(4)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至降温低温区T4,T4为100℃，降温速率为300℃/h，采用水冷的方式冷却；
(5)最后，将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至室温，降温速率为1000℃/h，采用水雾冷的方式冷却。
本实施例的均热温度曲线如图1所示；对均热后的圆锭进行锯切→车皮→挤压→淬火→拉伸矫直→时效得到铸锭型材成品。
实施例3
对合金成分为Zn:3.5-5.1％，Mg:0.7-2.1％，Cu:≤0.5％，Fe：≤0.4％，Si:≤0.35％的铝合金进行加工，经熔炼→精炼→除气过滤→半连续铸造，生产出直径396mm的铝合金圆锭；采用本发明的均匀化处理工艺，具体升温、保温以及降温的步骤为：
(1)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至低温区150℃，升温速率为10℃/h，保温10h，；
(2)再将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至中温区350℃，升温速率为50℃/h，保温时间为3h；
(3)然后将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至高温区450℃，升温速率为20℃/h，保温时间为40h；
(4)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至降温低温区200℃，降温速率为260℃/h，采用风冷的方式冷却；
(5)最后，将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至室温，降温速率为500℃/h，水雾冷的方式冷却。
本实施例的均热温度曲线如图1所示；对均热后的圆锭进行锯切→车皮→挤压→淬火→拉伸矫直→时效得到铸锭型材成品。
实施例4
对合金成分为Zn:3.5-5.1％，Mg:0.7-2.1％，Cu:≤0.5％，Fe：≤0.4％，Si: ≤0.35％的铝合金进行加工，经熔炼→精炼→除气过滤→半连续铸造，生产出直径396mm的铝合金圆锭；采用本发明的均匀化处理工艺，具体升温、保温以及降温的步骤为：
(1)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至低温区200℃，升温速率为20℃/h，保温18h，采用一级升温方式；
(2)再将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至中温区450℃，升温速率为80℃/h，保温时间为10h，，采用一级升温方式；
(3)然后将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭升温至高温区520℃，升温速率为30℃/h，保温时间为12h，采用一级升温方式；
(4)将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至降温低温区300℃，降温速率为200℃/h，采用水冷的方式冷却；
(5)最后，将Al-Zn-Mg合金半连续铸造圆锭降温至室温，降温速率为800℃/h，采用水冷和水雾冷相结合的方式冷却。
本实施例的均热温度曲线如图1所示；对均热后的圆锭进行锯切→车皮→挤压→淬火→拉伸矫直→时效得到铸锭型材成品。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于步骤(1)-(3)的升温速率分别为8℃/h、35℃/h、12℃/h，步骤(4)-(5)的降温速率分别为50℃/h、100℃/h，其他步骤和参数均与实施例1相同。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于步骤(1)-(3)的升温速率分别为15℃/h、60℃/h、18℃/h，步骤(4)-(5)的降温速率分别为80℃/h、180℃/h，其他步骤和参数均与实施例1相同。
实施例7
本实施例与实施例1的不同之处在于步骤(1)-(3)的升温速率分别为18℃/h、75℃/h、25℃/h，步骤(4)-(5)的降温速率分别为120℃/h、300℃/h，其他步骤和参数均与实施例1相同。
实施例8
本实施例与实施例2的不同之处在于步骤(1)-(3)的升温速率分别为22℃/h、45℃/h、28℃/h，步骤(4)-(5)的降温速率分别为160℃/h、420℃/h，其他步骤和参数均与实施例1相同。
实施例9
本实施例与实施例2的不同之处在于步骤(1)-(3)的升温速率分别为25℃/h、68℃/h、36℃/h，步骤(4)-(5)的降温速率分别为180℃/h、420℃/h，其他步骤和参数均与实施例1相同。
实施例10
本实施例与实施例2的不同之处在于步骤(1)-(3)的升温速率分别为28℃/h、72℃/h、48℃/h，步骤(4)-(5)的降温速率分别为240℃/h、700℃/h，其他步骤和参数均与实施例1相同。
对比例1采用常规的均匀化处理工艺对合金成分为Zn:3.5-5.1％，Mg:0.7-2.1％，Cu:≤0.5％，Fe：≤0.4％，Si:≤0.35％的铝合金进行加工，经熔炼→精炼→除气过滤→半连续铸造，生产出直径396mm的铝合金圆锭；采用常规的均匀化处理工艺，具体为：445℃×8h+470℃×32h，其工艺曲线如图1所示，对均热后的圆锭进行锯切→车皮→挤压→淬火→拉伸矫直→时效得到铸锭型材成品。
性能测试
取单根铸锭挤出的全部长度型材进行通根取样，每隔1米做一组力学性能检测，其结果如表1所示。
表1铸锭型材沿长度方向的力学性能测试结果


实例3-10结果与实例1-2结果基本一致，只在非常小的范围内变动。
从表1的测试结果可以看出，在原料配比和其他工艺相同的情况下，分别采用常规的均匀化处理工艺和本发明的均匀化处理工艺，最终所得的铸锭型材的屈服强度、抗拉强度和延伸率的性能均优于常规均匀化处理的铸锭型材，且本发明所得铸锭型材在长度方向上力学性能的差异(极差)相比于常规均匀化处理的铸锭型材有明显下降，表明经本发明的均匀化处理后，型材力学性能的均匀性也得到明显提高。