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(xì)晶粒組織對(duì)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(xì)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(xué)性能?！娟P(guān)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(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)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(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊

2、接技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。鋁及鋁合金存在易腐蝕、不耐磨、焊接難等缺點(diǎn)。而化學(xué)鍍等工藝改善了鋁及鋁合金的性能，促進(jìn)了其廣泛的應(yīng)用?；瘜W(xué)鍍饃作為鋁和鋁合金理想的表面改性技術(shù)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(qiáng)的親和力，鋁基體表面極易生成氧化膜，會(huì)使結(jié)合強(qiáng)度變變差。故要在鋁合金基體上得到結(jié)合力強(qiáng)、性能優(yōu)良的鍍層，正確的前處理是成功的關(guān)鍵，也是近年來研究的熱點(diǎn)。1.2 鋁合金簡介鋁的密度?。兌葹?7.5%的鋁為p=2.703g/cm3）,熔點(diǎn)低（660C）,鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（6

3、:3240%,巾:7090%）。抗腐蝕性能好；還有其他優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好，可焊。但是純鋁的強(qiáng)度很低，退火狀態(tài)（7b值約為8kgf/mm2,故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過加入合金元素及運(yùn)用熱處理等方法來強(qiáng)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(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度，o-b值分別可達(dá)2460kgf/mm2。這使鋁合金成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)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(jié)構(gòu)重量可減輕50%Z上。LD5鋁合金具有低密度、高強(qiáng)度、熱加工性好等優(yōu)點(diǎn)。是航空航天領(lǐng)域的主要結(jié)構(gòu)材料，現(xiàn)代航空航天工業(yè)的發(fā)展對(duì)

4、高強(qiáng)度鋁合金的強(qiáng)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(shè)計(jì)，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(qiáng)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(lǐng)域取代了昂貴的鈦合金，成為目前軍用和民用飛機(jī)等交通工具中不可缺少的重要輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，超高強(qiáng)鋁合金正式成為世界各國結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的熱點(diǎn)之一。本實(shí)驗(yàn)研究的是何種鍛造與熱處理工藝對(duì)LD5鋁合金的綜合力學(xué)性能影響最好。材料名稱：2A50舊稱：LD5標(biāo)準(zhǔn)：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(yàn)，分析了淬火加熱溫度、淬火保

5、溫時(shí)間等對(duì)2A50鋁合金擠壓型材力學(xué)性能和布氏硬度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，固溶淬火溫度控制在520C,保溫時(shí)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(qiáng)度、高硬度的2A50鋁合金型材。特性及適用范圍：高強(qiáng)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(qiáng)化，在淬火及人工時(shí)效后的強(qiáng)度與硬鋁相似；工藝性能較好，但有擠壓效應(yīng)，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(diǎn)焊.縫焊性能良好，電弧焊和氣焊性能不好?；瘜W(xué)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(xì)晶粒組織對(duì)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(xì)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(xué)性能。研究LD5棒材超塑性變形工藝參數(shù)與力學(xué)性能的關(guān)系。結(jié)果表明，LD5鋁合金棒材經(jīng)過495cX3h固溶、390cX4.5h過時(shí)效+360C自由鍛拔的預(yù)處理后，當(dāng)超塑性變形溫度為455c時(shí)，拉伸最佳的變形速率為3.35X10-3mm/s,最高伸長率為475%相應(yīng)的流動(dòng)應(yīng)力為17MPa當(dāng)超塑性變形溫度為46

7、0c時(shí)壓縮最佳的變形速率為2X10-2mm/s,最大伸長率為598%相應(yīng)流動(dòng)應(yīng)力為21MPa預(yù)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(gè)課題的根本目的。鋁合金密度低，但強(qiáng)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(dǎo)電性、導(dǎo)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(yīng)用現(xiàn)狀鋁合金作為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)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(jié)構(gòu)重量可

8、減輕50犯上。泡沫鋁合金的應(yīng)用也很廣泛，如作為(1)電極材料。優(yōu)良的導(dǎo)電性能使泡沫鋁可被廣泛應(yīng)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(shí)，泡沫鋁有望作為雙電層電容器電極集流體獲得推廣應(yīng)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(jī)化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(yīng)用。(3)導(dǎo)熱材料。泡沫鋁具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，使其成為性能優(yōu)異的阻燃材料，在國外許多先進(jìn)的消防器材上獲得應(yīng)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(dǎo)熱性能及表觀通透性，制作成電機(jī)、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(dá)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(jié)構(gòu)特性及對(duì)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(yīng)用；同時(shí)，泡沫鋁在水凈化裝置中應(yīng)用也具有較好的前途。(6)流體壓力緩沖材料。泡沫鋁對(duì)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(hù)裝置，具有優(yōu)異的效果。(7)板帶的應(yīng)用廣泛應(yīng)用于裝飾、包裝、建筑、運(yùn)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(jī)蒙皮、機(jī)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(yùn)輸用鋁材用于汽車、地鐵車輛、鐵路客車、高速客車的車體結(jié)構(gòu)件材料，車門窗、貨架、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(qiáng)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(gòu)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(dǎo)體、電氣元件、冰箱、空調(diào)、電纜等領(lǐng)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(lǐng)域方面：“九五”期間，東北大學(xué)等進(jìn)行了低頻電磁半連續(xù)鑄造技術(shù)，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(shù)開發(fā)出來的高性能鋁合金等，可廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)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(duì)差的

12、缺點(diǎn)，阻礙了新開發(fā)的鋁合金板在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)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(jìn)而開發(fā)出高性能鋁合金棒材先進(jìn)成形工藝，拓寬鋁合金棒材的應(yīng)用領(lǐng)域。發(fā)展趨勢：高強(qiáng)高韌性LD5鋁合金的發(fā)展和應(yīng)用具有很大的潛力，但同時(shí)也存在一些有待解決的問題。除了考慮強(qiáng)度外，延性、韌性、疲勞、蠕變、SC*使用性能，以及各種工作性能對(duì)其的影響也應(yīng)在考慮范圍之列。而不同的性能對(duì)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(yù)熱處理工藝來達(dá)到鋁合金最好的力學(xué)性能狀態(tài)，使LD5合金所有狀態(tài)達(dá)到最佳。超強(qiáng)度鋁合金是重要的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料具有廣闊的應(yīng)用前景，目前，需要從

13、下面幾個(gè)方面開展工作：a.LD5鋁合金的鍛造及熱處理研究是一個(gè)重要的方向，需要深入、系統(tǒng)的進(jìn)行研究與開發(fā)；b.改進(jìn)傳統(tǒng)的鑄錠冶金制備技術(shù)，開發(fā)先進(jìn)的成型制備工藝，以獲得高質(zhì)量的鑄錠組織；c.研究高強(qiáng)鋁合金的強(qiáng)韌化、腐蝕及疲勞斷裂機(jī)理，在了解成分、微觀組織等因素與宏觀性能之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立時(shí)效硬化模型、應(yīng)力腐蝕以及斷裂韌性模型，以達(dá)到科學(xué)預(yù)測和控制合金性能的目的。研究方法：鍛造與熱處理工藝實(shí)驗(yàn)裝置及測量方法的研究對(duì)材料科學(xué)的發(fā)展起著重要的作用。實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步研究鍛造與熱處理工藝對(duì)鋁合金的影響奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。先進(jìn)的測量方法是設(shè)計(jì)、制造出綜合

14、性能及單項(xiàng)性能均優(yōu)良的產(chǎn)品的保證，次試驗(yàn)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(shí)效：淬火505520C,水冷；人工時(shí)效150165C,615h,空冷；自然時(shí)效：室溫96h對(duì)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(jìn)行不同的鍛造工藝，研究其性能的變化；對(duì)已進(jìn)行鍛造工藝的材料從不同部位選取試樣；對(duì)試樣分組進(jìn)行熱處理并完成金相試樣的磨制，

15、為后面的測試等作準(zhǔn)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(duì)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(duì)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(duì)LD5鋁合金的綜合力學(xué)性能影響最好。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：對(duì)LD5棒材合金進(jìn)行不同方式的鍛造并制備金相得出不同的鍛造方式對(duì)其材料各部分力學(xué)性能的影響；對(duì)LD5棒材合金進(jìn)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(duì)鋁合金材料的影響；最后得出結(jié)論，什么樣的鍛造跟熱處理方式對(duì)LD5鋁合金的力學(xué)性能產(chǎn)生的影響最好。試驗(yàn)流程：1 .先進(jìn)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(jìn)行分析記錄；2 .在進(jìn)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(jìn)行分析記錄3 .對(duì)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(shí)效：淬火505520C,水冷；人工時(shí)效150165C,615h,空冷；自然時(shí)效：室溫96h。1.6鍛造工藝(1)坯料準(zhǔn)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(qiáng)制循環(huán)及溫度自動(dòng)控制的箱式電阻爐。其優(yōu)點(diǎn)是能夠保證任何溫度規(guī)范并易于自動(dòng)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(dòng)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(shí)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(yù)防毛坯在加熱過程中過燒。鋁合金導(dǎo)熱性良好，任何厚度的毛坯均不需要預(yù)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(qiáng)化相的充分溶解，其加熱時(shí)間仍比一般鋼的加熱時(shí)間長，可按每毫米直徑或厚度以1.5mm左右計(jì)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(shí)不出現(xiàn)裂紋為準(zhǔn)，而對(duì)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(qiáng)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(jī)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(hào)鍛造溫度/c加熱溫度-20/c保溫時(shí)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(shè)備上每次打擊或壓縮時(shí)允許的最大變形程度應(yīng)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(jī)鍛錘、熱模鍛曲柄壓高速錘擠鍛墩粗低強(qiáng)度和2A5g金80%-85%80%-85%80%-90%15A5舊金40%-50%90%口90%以上中強(qiáng)度r70%50%-60%高強(qiáng)度70%50%-60%85%-90%粉末合金30%-50%50%-60%80%Z上鍛造和模鍛時(shí)的熱力學(xué)參數(shù)主要包括變形溫度、變形速度、變形程度和應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)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(gè)熱力學(xué)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(xué)參數(shù)的主要依據(jù)是相圖、塑性圖、變形抗力圖和再結(jié)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(jié)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(yīng)盡可能寬些，以便減少加熱次數(shù)；能保證獲得具有較細(xì)的晶粒組織和叫較高的力學(xué)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