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铝型材锻造再结合相应的强化处理工艺

作者: 时间:2019-10-08707 次浏览

LC52铝型材是我国近年来新研制的装甲用铝型材材料,其性能优良,是列入国军标的中强可焊铝型材。该合金(alloy)经轧制能获得比较理想的板材,并已投入了实际应用,然而该合金锻件的应用国内还未见这方面的报道。本课题结合结构件实际使用的场合及性能指标的要求,进行了该合金的锻造性能试验研究,力图通过锻造再结合相应的强化处理工艺,以达到改善合金微观组织提高其综合性能的目的。


  一、试验用材料及试验方法
先根据LC52铝型材的中限成分(表1),按配料标准配好炉料,装炉熔炼,纯铝铺底半连续(Continuity)铸锭。铸出尺寸为φ170mm的合格铸锭,然后进行均匀化处理。均匀化处理温度(temperature)为460℃,时间为24h,出炉空冷。将均匀化处理后的铸锭一部分扒皮加工成φ6mm的标准化试样和φ20mm×30mm的压缩变形抗力试样,进行高温拉伸和高温压缩试验;另一部分扒皮后在750kg电动空气锤上进行锻造工艺试验,锻后进行力学性能试验及金相组织与断口分析。用μHP-10材料(Material)试验机进行力学性能测试,用CAMBRIDGE S360扫描电镜进行锻件拉断断口形貌分析,再用Neophot-Ⅱ型光学显微镜进行金相组织观察。
表1铸锭化学成分(%)


  二、试验结果及分析
1.高温塑性试验
LC52铝型材高温拉伸试验与高温压缩试验结果分别示如图1和图2。试验结果表明,随合金温度(temperature)升高,强度(strength)迅速下降(descend),塑性明显增加。温度到250℃时,强度从室温的288MPa下降到128MPa,延伸率从16%增加到25%;温度升到460℃时,强度只有50MPa,延伸率达40%,说明这时铸锭具有良好的塑性和较小的变形抗力;当温度升到500℃时强度虽然继续下降,而延伸率却不再增加,反而有所下降。因此该合金的可锻温度区可确定为300℃~460℃。

图1铸态LC52铝(Al)型材的拉伸性能
图2LC52铝型材的塑性图
由高温压缩试验可以看出,试样在300~500℃范围(fàn wéi),合金变形量在76%不开裂,在450℃时塑性更好合金变形量在80%不开裂,由此可以看出合金在250~500℃具有较好的塑性。
2.锻造工艺试验
根据高温拉伸和高温压缩试验结果,结合铝(Al)型材半连续铸锭晶粒细小的特性,综合分析(aggregate analysis)认为,影响(influence)该合金强度与塑性的主要因素是锻造变形量和锻后热处理工艺。工业铝材按照应用的领域划分,工业铝型材是指除建筑门窗、幕墙、室内外装饰及建筑结构用铝型材以外的所有铝型材。因该合金的高温塑性较好,为简化工序便于生产,决定采用一次镦拔的大变形锻造工艺,二火锻成。火轴向压缩,锤击力要轻,每次变形量要小,总变形量要控制在60%左右;第二火轴向拔长,这次的锤击力在前火的基础上可增大,轴向拔长的总变形量为85%,然后继续一次打扁方,此时可采用大压下量锻造,锻造终了锻件的总变形量可达95%。终锻温度(temperature)为385℃,锻坯锻后在空气中冷却(cooling)。锻件的金相组织见图3。

(a)横向的金相组织(b)纵向的金相组织
图3锻件的金相组织(×200)
图3a为横向组织,组织弥散细小,第二相质点已完全破碎,无明显的方向性。因3b为纵向组织,第二相质点已破碎,沿变形方向排列,析出相质点弥散地分布在α(Al)基体上。从锻件的金相组织可以看出,由于纵向组织的方向性,锻件的纵、横向性能有差异,纵向性能优于横向性能。
3.试验结果
为了消除锻后应力,提高合金机械性能须进行锻后处理。锻后处理工艺为460℃×1h,室温水淬;再120℃×24h人工时效。其锻后拉力性能为:纵向σb:495~510MPa,σ:12%~16%;横向σb:485~495MPa,δ:7.5%~10%。该性能达到LC52铝型材装甲板的国军标要求。
4.合金的金相组织与断口分析(Analyse)
合金锻件热处理后的纵向组织见图4,是由部分再结晶组织与变形的纤维状组织组成,化合物被破碎并沿锻造主变形方向排列,但不是十分明显,这种组织上的方向性使合金性能上也呈现方向性,因此合金的横向性能稍差于纵向性能。

图4锻件热处理(chǔ lǐ)后的金相组织
图5为拉力试样的断口形貌,表现为韧窝状断口,不同试样的韧窝形态大小及深浅相当,大韧窝套小韧窝,且断口均呈穿晶断裂,说明合金的韧性较好,在断口的韧窝中有少量的夹杂物,对夹杂物进行成分分析,其主要成分为Z
  R、Ti。

图5典型试样的扫描电镜照片

  三、讨论
众所周知,合金(alloy)的组织特征与合金成分、加工方式及热处理(chǔ lǐ)工艺密切相关。合金在锻造过程(guò chéng)中,在主变形方向上晶粒被压扁,这些有明显方向性的晶粒形状在随后的热处理过程中不会发生变化。因合金中添加了M
  N、Cr和Zr等微量元素,这些元素形成金属间化合物的小粒子,在固溶热处理过程(guò chéng)中这些粒子阻止大角度晶界移动[1],使再结晶过程难以形成,同时由于添加了这些元素后使晶粒细化,晶粒沿变形方向被拉长,特别是加Zr后,这种现象尤为显著。汽车铝材为了促进铝的消费,许多成立了铝的相关组织,并将汽车用铝的应用写入有关的政策法规。日本铝业协会还专门成立了汽车用铝委员会。随着世界汽车轻量化进程的加快,汽车市场竞争国际化日趋激烈,国产汽车要达到国外同类车水平,汽车用铝增加是必然趋势。今后铝合金的用量将随着各类汽车产量的上升而增加,必将给我国铝工业提供广阔的市场,带来发展机遇。晶粒沿主变形方向拉的很长,几乎呈纤维状,这种明显的纤维状组织具有更高的抗应力腐化侵蚀 性能[2]。因此合金的综合性能得到提高。该合金的断口形貌为穿晶韧性(toughness)断裂且微坑较大,这些微坑的大小和深度与材料基体的塑性变形特性有关。据报导,材料的断裂韧性值愈大,微坑也越大,而且微坑越大越深,合金的塑性也就越好,说明微坑的形核位置较少[3]。同时在断口观察中只在较大的微坑中发现有夹杂物,且夹杂物不大,这些夹杂物对合金的性能不会产生大的影响。
LC52铝型材的可锻造温度区间较窄,但塑性变形流动性较好,传递(transmission)塑性变形能力也较高,总变形量可达95%,因此分布在晶界上的化合物容易破碎,只要锻造工艺制度(institution)合理,是可以获得较为理想的锻件。
 摘要:研究了LC52铝型材锻件的锻造工艺,确定了锻造参数(parameter),制定了合理的工艺措施。工业铝材按照应用的领域划分,工业铝型材是指除建筑门窗、幕墙、室内外装饰及建筑结构用铝型材以外的所有铝型材。通过(tōng guò)锻件组织及性能的测试表明,该工艺方案切实可行。 


  四、结论

  (1)LC52铝(Al)型材的始锻温度(temperature)为460℃,终锻温度为300℃,在此温度区间锻造合金具有良好的工艺性能。

  (2)采用一次镦拔大压下量锻造工艺,工艺简单,变形充分,消除了原始(Original)组织中的缺陷,将变形传到心部,化合物显著破碎,使锻件得到较高的力学性能。