LD5鋁合金鍛造工藝及熱處理研究工藝

1、LD5鋁合金鍛造工藝及熱處理研究工藝【摘要】：由于細晶粒組織對鍛件的硬度、塑性、抗腐蝕性、疲勞極限、斷裂韌性及外觀均有良好的影響，因此如何控制鍛件的晶粒度，一直是鍛造研究工作的重要課題。本課題以LD5合金為例研究該合金鍛件晶粒細化的最佳鍛造工藝及熱處理工藝，以提高LD5合金的綜合力學性能。【關鍵詞】：鋁合金；鍛造；熱處理1 .引言1.1 鋁合金的研究現(xiàn)狀鋁合金是工業(yè)中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)中已大量應用。隨著近年來科學技術以及工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對鋁合金焊接結構件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應用促進了鋁合金焊

2、接技術的發(fā)展，同時焊接技術的發(fā)展又拓展了鋁合金的應用領域，因此鋁合金的焊接技術正成為研究的熱點之一。鋁及鋁合金存在易腐蝕、不耐磨、焊接難等缺點。而化學鍍等工藝改善了鋁及鋁合金的性能，促進了其廣泛的應用?；瘜W鍍饃作為鋁和鋁合金理想的表面改性技術之一，其重要性在不斷的增加。鋁是一種難度的金屬基體，由于鋁于洋有很強的親和力，鋁基體表面極易生成氧化膜，會使結合強度變變差。故要在鋁合金基體上得到結合力強、性能優(yōu)良的鍍層，正確的前處理是成功的關鍵，也是近年來研究的熱點。1.2 鋁合金簡介鋁的密度小（純度為97.5%的鋁為p=2.703g/cm3）,熔點低（660C）,鋁是面心立方結構，故具有很高的塑性（6

3、:3240%,巾:7090%）?？垢g性能好；還有其他優(yōu)點，如導熱和導電性能好，可焊。但是純鋁的強度很低，退火狀態(tài)（7b值約為8kgf/mm2,故不宜作結構材料。通過加入合金元素及運用熱處理等方法來強化鋁，就得到了一系列的鋁合金。鋁合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點的同時還能具有較高的強度，o-b值分別可達2460kgf/mm2。這使鋁合金成為理想的結構材料，廣泛用于機械制造及航空工業(yè)等方面，飛機的機身、蒙皮、壓氣機等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結構重量可減輕50%Z上。LD5鋁合金具有低密度、高強度、熱加工性好等優(yōu)點。是航空航天領域的主要結構材料，現(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展對

4、高強度鋁合金的強度和綜合性能提出了更高的要求。近年來，材料工作者通過優(yōu)化合金的成分設計，采用新型的制坯方法成形及熱處理工藝，研制開發(fā)出多種使用性能更好的超高強度鋁合金，這些材料既具有高的韌性和耐磨性，且成本較低，在很多領域取代了昂貴的鈦合金，成為目前軍用和民用飛機等交通工具中不可缺少的重要輕質(zhì)結構材料，超高強鋁合金正式成為世界各國結構材料開發(fā)的熱點之一。本實驗研究的是何種鍛造與熱處理工藝對LD5鋁合金的綜合力學性能影響最好。材料名稱：2A50舊稱：LD5標準：YS/T439-2001制作工藝：2系鋁合金的一般擠壓加工方法，即擠壓一一固溶處理一一自然失效。通過工藝試驗，分析了淬火加熱溫度、淬火保

5、溫時間等對2A50鋁合金擠壓型材力學性能和布氏硬度的影響。試驗結果表明，固溶淬火溫度控制在520C,保溫時間根據(jù)型材厚度控制在40min以內(nèi)，保證材料的加熱均勻度，可以生產(chǎn)出高強度、高硬度的2A50鋁合金型材。特性及適用范圍：高強度鍛鋁在熱態(tài)下具有高的可塑性，易于鍛造.沖壓；可以熱處理強化，在淬火及人工時效后的強度與硬鋁相似；工藝性能較好，但有擠壓效應，故縱向和橫向性能有所差異；抗蝕性較好，但有品間腐蝕的傾向；可切削性能良好，電阻焊.點焊.縫焊性能良好，電弧焊和氣焊性能不好?；瘜W成份：硅Si:0.7-1.2鐵Fe:0.7銅Cu:1.8-2.6鈕Mn:0.40-0.8鎂Mg：0.40-0.8鋅Z

6、n：0.30鈦Ti:0.15鍥Ni:0.10鋁Al:余量由于細晶粒組織對鍛件的硬度、塑性、抗腐蝕性、疲勞極限、斷裂韌性及外觀均有良好的影響，因此如何控制鍛件的晶粒度，一直是鍛造研究工作的重要課題。本課題以LD5合金為例研究該合金鍛件晶粒細化的最佳鍛造工藝及熱處理工藝，以提高LD5合金的綜合力學性能。研究LD5棒材超塑性變形工藝參數(shù)與力學性能的關系。結果表明，LD5鋁合金棒材經(jīng)過495cX3h固溶、390cX4.5h過時效+360C自由鍛拔的預處理后，當超塑性變形溫度為455c時，拉伸最佳的變形速率為3.35X10-3mm/s,最高伸長率為475%相應的流動應力為17MPa當超塑性變形溫度為46

7、0c時壓縮最佳的變形速率為2X10-2mm/s,最大伸長率為598%相應流動應力為21MPa預處理方法是提高LD5鋁合金塑性、降低變形抗力的高效、低成本方法。提高材料的硬度，韌性，塑性，抗腐蝕性，疲勞極限，斷裂韌性以及外觀，而且有效的降低成本就是做這個課題的根本目的。鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量僅次于鋼。1.3鋁合金應用現(xiàn)狀鋁合金作為理想的結構材料，廣泛用于機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業(yè)等方面，飛機的機身、蒙皮、壓氣機等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結構重量可

8、減輕50犯上。泡沫鋁合金的應用也很廣泛，如作為(1)電極材料。優(yōu)良的導電性能使泡沫鋁可被廣泛應用于鍥鋅電池、雙電層電容器等新型電池的電極骨架材料，目前泡沫鋁已獲得多家鍥鋅電池生產(chǎn)廠家試用，并投入批量使用，同時，泡沫鋁有望作為雙電層電容器電極集流體獲得推廣應用；另外，泡沫鋁作為電解回收含鋁廢水的電極材料使用，也具有非常廣闊的前景。(2)催化劑。在許多有機化學反應中，人們嘗試直接利用具有大比表面積的泡沫鋁替代沖孔鋁板，作為化學反應催化劑；泡沫鋁作為光催化空氣凈化載體，也獲得了較為成功的應用。(3)導熱材料。泡沫鋁具有優(yōu)良的導熱性能，使其成為性能優(yōu)異的阻燃材料，在國外許多先進的消防器材上獲得應用，尤

9、其是作為火焰隔離器材具有優(yōu)異的效果；另外，人們利用泡沫鋁優(yōu)良的導熱性能及表觀通透性，制作成電機、電器的散熱材料。(4)消音及屏蔽材料。聲波在泡沫鋁表面發(fā)生漫反射，并通過膨脹消音、微孔消音等原理，達到消音的效果；鋁的屏蔽性能與銀接近，是一種性能優(yōu)異電磁屏蔽材料。(5)過濾材料。優(yōu)良的結構特性及對人體基本無害的泡沫金屬鋁產(chǎn)品，作為醫(yī)用過濾材料，也獲得了成功的應用；同時，泡沫鋁在水凈化裝置中應用也具有較好的前途。(6)流體壓力緩沖材料。泡沫鋁對流體的分散及緩沖作用，使其作為各種壓力儀表的減壓保護裝置，具有優(yōu)異的效果。(7)板帶的應用廣泛應用于裝飾、包裝、建筑、運輸、電子、航空、航天、兵器等各行各業(yè)。

10、(8)航空航天用鋁材用于制作飛機蒙皮、機身框架、大梁、旋翼、螺旋槳、油箱、壁板和起落架支柱，以及火箭鍛環(huán)、宇宙飛船壁板等。(9)交通運輸用鋁材用于汽車、地鐵車輛、鐵路客車、高速客車的車體結構件材料，車門窗、貨架、汽車發(fā)動機零件、空調(diào)器、散熱器、車身板、輪轂及艦艇用材。(10)包裝用鋁材全鋁易拉罐制罐料主要以薄板與箔材的形式作為金屬包裝材料，制成罐、蓋、瓶、桶、包裝箔。廣泛用于飲料、食品、化妝品、藥品、香煙、工業(yè)廣品等包裝。(11)印刷用鋁材主要用于制作PS版，鋁基PS版是印刷業(yè)的一種新型材料，用于自動化制版和印刷。(12)建筑裝飾用鋁材鋁合金因其良好的抗蝕性、足夠的強度、優(yōu)良的工藝性能和焊接性

11、能，主要廣泛用于建筑物構架、門窗、吊頂、裝飾面等。如各種建筑門窗、幕墻用鋁型材、鋁幕墻板、壓型板、花紋板、彩色涂層鋁板等。(13)電子家電用鋁材主要用于各種母線、架線、導體、電氣元件、冰箱、空調(diào)、電纜等領域。規(guī)格：圓棒、方棒1.4鋁合金鍛造及熱處理的研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀：鋁合金領域方面：“九五”期間，東北大學等進行了低頻電磁半連續(xù)鑄造技術，取得了顯著的效果。LD5鋁合金方面：目前LD5鋁合金在制作工藝特性范圍熱處理工藝方面做了一定的研究。近年來，以新的成型技術開發(fā)出來的高性能鋁合金等，可廣泛應用于各領域，替代原有的鋼、銅、鈦等比重大的材料，降低產(chǎn)品材料成本及重量。但由于自身依然存在成形性能相對差的

12、缺點，阻礙了新開發(fā)的鋁合金板在實際工業(yè)中的應用。因此，鍛造及熱處理工藝可以使鋁合金成形性能更好、更高效、成本更低，進而開發(fā)出高性能鋁合金棒材先進成形工藝，拓寬鋁合金棒材的應用領域。發(fā)展趨勢：高強高韌性LD5鋁合金的發(fā)展和應用具有很大的潛力，但同時也存在一些有待解決的問題。除了考慮強度外，延性、韌性、疲勞、蠕變、SC*使用性能，以及各種工作性能對其的影響也應在考慮范圍之列。而不同的性能對合金成分有不同要求，但是各種要求之間可能有沖突。因此我們要找到最好鍛造預熱處理工藝來達到鋁合金最好的力學性能狀態(tài)，使LD5合金所有狀態(tài)達到最佳。超強度鋁合金是重要的輕質(zhì)高強結構材料具有廣闊的應用前景，目前，需要從

13、下面幾個方面開展工作：a.LD5鋁合金的鍛造及熱處理研究是一個重要的方向，需要深入、系統(tǒng)的進行研究與開發(fā)；b.改進傳統(tǒng)的鑄錠冶金制備技術，開發(fā)先進的成型制備工藝，以獲得高質(zhì)量的鑄錠組織；c.研究高強鋁合金的強韌化、腐蝕及疲勞斷裂機理，在了解成分、微觀組織等因素與宏觀性能之間關系的基礎上，建立時效硬化模型、應力腐蝕以及斷裂韌性模型，以達到科學預測和控制合金性能的目的。研究方法：鍛造與熱處理工藝實驗裝置及測量方法的研究對材料科學的發(fā)展起著重要的作用。實驗裝置是合理選擇材料、研究新材料和新工藝的基本手段和依據(jù)，為進一步研究鍛造與熱處理工藝對鋁合金的影響奠定了實驗基礎。先進的測量方法是設計、制造出綜合

14、性能及單項性能均優(yōu)良的產(chǎn)品的保證，次試驗的鍛造與熱處理工藝歷程圖如下：鍛造：兩種鍛造成型方式，流程圖如下:熱處理：各種熱處理方法如下均勻化退火：加熱515530C;保溫1214h;爐冷完全退火：加熱380450C,以3050C/h速度隨爐冷至300c下，再空冷快速退火：加熱350460C;保溫30120min;空冷淬火和時效：淬火505520C,水冷；人工時效150165C,615h,空冷；自然時效：室溫96h對LD5.5鋁合金鍛造及熱處理工藝過程存在的問題及解決方法鋁合金進行不同的鍛造工藝，研究其性能的變化；對已進行鍛造工藝的材料從不同部位選取試樣；對試樣分組進行熱處理并完成金相試樣的磨制，

15、為后面的測試等作準備工作；制備金相試樣攝取金相組織照片，分析不同鍛造工藝和熱處理工藝對鍛造鋁合金組織的影響；觀察金相組織，分析鍛造、熱處理工藝對鍛造鋁合金組織的影響，從而確定最佳的鍛造及熱處理工藝過程，保證得到所需組織；何種鍛造與熱處理工藝對LD5鋁合金的綜合力學性能影響最好。實驗內(nèi)容：對LD5棒材合金進行不同方式的鍛造并制備金相得出不同的鍛造方式對其材料各部分力學性能的影響；對LD5棒材合金進行不同的熱處理工藝，制備金相組織并攝取照片，分析不同的熱處理方式對鋁合金材料的影響；最后得出結論，什么樣的鍛造跟熱處理方式對LD5鋁合金的力學性能產(chǎn)生的影響最好。試驗流程：1 .先進行一次鍛造成型，原長

16、10,一次鍛造后長度L,制備攝取金相組織并進行分析記錄；2 .在進行分布鍛造，分三次成型，原長10,第一次鍛造后11,第二次鍛造后長度12。第三次鍛造后棒材長度L,最后制備攝取金相組織并進行分析記錄3 .對LD5鋁合金先均勻化退火：加熱515530C;保溫1214h;完全退火：加熱380450C,以3050C/h速度隨爐冷至300c下，再空冷；快速退火：加熱350460c;保溫30120min;空冷；淬火和時效：淬火505520C,水冷；人工時效150165C,615h,空冷；自然時效：室溫96h。1.6鍛造工藝(1)坯料準備鋁合金的擠壓毛坯各向異性大，而且表皮有粗晶環(huán)、成層、表皮氣泡等缺陷，

17、因此模鍛前必須清除這些表皮缺陷，擠壓棒材作為長軸類鍛件的原材料很合適。(2)鍛前加熱因鋁合金鍛造溫度范圍很窄，加熱毛坯最好采用帶有隔熱屏的加熱元件，采用具有空氣強制循環(huán)及溫度自動控制的箱式電阻爐。其優(yōu)點是能夠保證任何溫度規(guī)范并易于自動調(diào)整。目前，我國加熱鋁合金毛坯多采用鐵銘鋁絲電阻爐，爐子裝在精度在土10c范圍內(nèi)的自動控制儀表。為測量溫度，在加熱區(qū)距毛坯100mmr160mmb安裝有熱電偶。裝爐前，毛坯要去除油污及其他污物，爐內(nèi)部的保留有鋼毛坯，以免鋁屑和氧化鐵屑混在一起容易產(chǎn)生爆炸。裝爐時毛坯不得與加熱元件接觸，以免短路和碰壞加熱元件，爐內(nèi)毛坯放置離開爐門250mnv300mm以保證加熱均勻

18、。毛坯和電阻絲之間加放鋼板，預防毛坯在加熱過程中過燒。鋁合金導熱性良好，任何厚度的毛坯均不需要預熱，可直接在高溫爐內(nèi)加熱，要求毛坯加熱到鍛造溫度的上限。為了保證強化相的充分溶解，其加熱時間仍比一般鋼的加熱時間長，可按每毫米直徑或厚度以1.5mm左右計算。擠壓、軋制坯料加熱到開鍛溫度后，是否需要保溫，以在鍛造和模鍛時不出現(xiàn)裂紋為準，而對于鑄錠則必須保溫。表中列出常用變形鋁合金的鍛造溫度和加熱規(guī)范。表中數(shù)據(jù)說明：鋁合金的鍛造溫度范圍比較窄，一般都在150c范圍內(nèi)，某些高強度鋁合金的鍛造溫度范圍甚至在100c范圍內(nèi)。錘上鍛造溫度一般比壓力機上鍛造溫度低20C30C。鋁合金的鍛造溫度和加熱規(guī)范選用合理

19、的變形程度，可保證合金在鍛造過程中不開裂，并且變形均勻，獲得良好的組織合金牌號鍛造溫度/c加熱溫度-20/c保溫時間/(min/mm)始鍛終鍛6A024803604801.52A50,2B50,2A70,2A80,2A904703604702A144603604602A01,2A11,2A16,2A174703604702A02,2A124603604607A04,7A0945038045035A0347038047011.55A02,3A214703604705A06470300400和性能。為了保證鋁合金在鍛造過程中不開裂。所選鍛壓設備上每次打擊或壓縮時允許的最大變形程度應根據(jù)合金的塑性圖

20、確定，下表為鋁合金的允許變形程度。鋁合金的允許變形程度合金組水壓機鍛錘、熱模鍛曲柄壓高速錘擠鍛墩粗低強度和2A5g金80%-85%80%-85%80%-90%15A5舊金40%-50%90%口90%以上中強度r70%50%-60%高強度70%50%-60%85%-90%粉末合金30%-50%50%-60%80%Z上鍛造和模鍛時的熱力學參數(shù)主要包括變形溫度、變形速度、變形程度和應力狀態(tài)，對合金的可鍛性及鍛件的組織和性能有重要的影響。合理選擇上述幾個熱力學參數(shù)，以保證鍛件成型并滿足組織和性能的要求，是訂制鍛造工藝的重要一環(huán)。選擇合金鍛造熱力學參數(shù)的主要依據(jù)是相圖、塑性圖、變形抗力圖和再結晶圖。（3

21、）鍛造溫度范圍：鍛造溫度范圍是指開始鍛造溫度（始鍛溫度）和終結鍛造溫度（始鍛溫度）之間的溫度范圍。確定鍛造溫度范圍的基本原則是：金屬在鍛造溫度范圍內(nèi)具有良好的塑性和較低的變形抗力；溫度范圍應盡可能寬些，以便減少加熱次數(shù)；能保證獲得具有較細的晶粒組織和叫較高的力學性能的鍛件；容易操作。常用鋁合金的鍛造溫度范圍下表所示：合金鍛造溫度合金鍛造溫度1070A;1060;1050A4703802A50（鑄態(tài)）4503505A024803802A50（變形）4803505A034753802A804803803A214803802A14()4503502A024503502A14（變形）4703802A114803807A04（鑄態(tài)）4303502A124603807A04（變形）4503806A0250