LD5铝合金锻造工艺及热处理研究工艺.docx

1、LD5铝合金锻造工艺及热处理研究工艺LD5铝合金锻造工艺及热处理研究工艺 【摘要】：由于细晶粒组织对锻件的硬度、塑性、抗腐蚀性、疲劳极限、断裂韧性及外观均有良好的影响，因此如何控制锻件的晶粒度，一直是锻造研究工作的重要课题。本课题以LD5合金为例研究该合金锻件晶粒细化的最佳锻造工艺及热处理工艺，以提高LD5合金的综合力学性能。【关键词】：铝合金；锻造；热处理1. 引言1.1铝合金的研究现状铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之

2、深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。 铝及铝合金存在易腐蚀、不耐磨、焊接难等缺点。而化学镀等工艺改善了铝及铝合金的性能，促进了其广泛的应用。化学镀镍作为铝和铝合金理想的表面改性技术之一，其重要性在不断的增加。铝是一种难度的金属基体，由于铝于洋有很强的亲和力，铝基体表面极易生成氧化膜，会使结合强度变变差。故要在铝合金基体上得到结合力强、性能优良的镀层，正确的前处理是成功的关键，也是近年来研究的热点。1.2铝合金简介铝的密度小（纯度为97.5%的铝为=2.703g/cm3），熔点低（660），铝是面

3、心立方结构，故具有很高的塑性（:3240%，:7090%）。抗腐蚀性能好；还有其他优点，如导热和导电性能好，可焊。但是纯铝的强度很低，退火状态 b 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，就得到了一系列的铝合金。铝合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，b 值分别可达 2460kgf/mm2。这使铝合金成为理想的结构材料，广泛用于机械制造及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。 LD5铝合金具有低密度、高强度、热加工性好等优点。是航空航天领域的主要结构

4、材料，现代航空航天工业的发展对高强度铝合金的强度和综合性能提出了更高的要求。近年来，材料工作者通过优化合金的成分设计，采用新型的制坯方法成形及热处理工艺，研制开发出多种使用性能更好的超高强度铝合金，这些材料既具有高的韧性和耐磨性，且成本较低，在很多领域取代了昂贵的钛合金，成为目前军用和民用飞机等交通工具中不可缺少的重要轻质结构材料，超高强铝合金正式成为世界各国结构材料开发的热点之一。本实验研究的是何种锻造与热处理工艺对LD5铝合金的综合力学性能影响最好。 材料名称：2A50 旧称：LD5 标准：YS/T 439-2001制作工艺：2系铝合金的一般挤压加工方法，即挤压固溶处理自然失效。通过工艺试

5、验，分析了淬火加热温度、淬火保温时间等对2A50铝合金挤压型材力学性能和布氏硬度的影响。试验结果表明，固溶淬火温度控制在520，保温时间根据型材厚度控制在40 min以内，保证材料的加热均匀度，可以生产出高强度、高硬度的2A50铝合金型材。特性及适用范围： 高强度锻铝在热态下具有高的可塑性，易于锻造.冲压；可以热处理强化，在淬火及人工时效后的强度与硬铝相似；工艺性能较好，但有挤压效应，故纵向和横向性能有所差异；抗蚀性较好，但有晶间腐蚀的倾向；可切削性能良好，电阻焊.点焊.缝焊性能良好，电弧焊和气焊性能不好。 化学成份： 硅Si：0.7-1.2 铁Fe: 0.7 铜Cu：1.8-2.6 锰 Mn

6、:0.40-0.8 镁Mg：0.40-0.8 锌Zn：0.30 钛Ti：0.15 镍Ni：0.10 铝Al：余量由于细晶粒组织对锻件的硬度、塑性、抗腐蚀性、疲劳极限、断裂韧性及外观均有良好的影响，因此如何控制锻件的晶粒度，一直是锻造研究工作的重要课题。本课题以LD5合金为例研究该合金锻件晶粒细化的最佳锻造工艺及热处理工艺，以提高LD5合金的综合力学性能。研究LD5棒材超塑性变形工艺参数与力学性能的关系。结果表明，LD5铝合金棒材经过4953h固溶、3904.5h过时效+360自由镦拔的预处理后，当超塑性变形温度为455时，拉伸最佳的变形速率为3.3510-3mm/s，最高伸长率为475%，相应

7、的流动应力为17MPa。当超塑性变形温度为460时压缩最佳的变形速率为210-2mm/s，最大伸长率为598%，相应流动应力为21MPa。预处理方法是提高LD5铝合金塑性、降低变形抗力的高效、低成本方法。提高材料的硬度，韧性，塑性，抗腐蚀性，疲劳极限，断裂韧性以及外观，而且有效的降低成本就是做这个课题的根本目的。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。1.3铝合金应用现状铝合金作为 理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减

8、轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。泡沫铝合金的应用也很广泛，如作为（1）电极材料。优良的导电性能使泡沫铝可被广泛应用于镍锌电池、双电层电容器等新型电池的电极骨架材料，目前泡沫铝已获得多家镍锌电池生产厂家试用，并投入批量使用，同时，泡沫铝有望作为双电层电容器电极集流体获得推广应用；另外，泡沫铝作为电解回收含铝废水的电极材料使用，也具有非常广阔的前景。（2）催化剂。在许多有机化学反应中，人们尝试直接利用具有大比表面积的泡沫铝替代冲孔铝板，作为化学反应催化剂；泡沫铝作为光催化空气净化载体，也获得了较为成功的应用。（3）导热材料。泡沫铝具有优良的导热性能，使其成为性能优异

9、的阻燃材料，在国外许多先进的消防器材上获得应用，尤其是作为火焰隔离器材具有优异的效果；另外，人们利用泡沫铝优良的导热性能及表观通透性，制作成电机、电器的散热材料。（4）消音及屏蔽材料。声波在泡沫铝表面发生漫反射，并通过膨胀消音、微孔消音等原理，达到消音的效果；铝的屏蔽性能与银接近，是一种性能优异电磁屏蔽材料。（5）过滤材料。优良的结构特性及对人体基本无害的泡沫金属铝产品，作为医用过滤材料，也获得了成功的应用；同时，泡沫铝在水净化装置中应用也具有较好的前途。（6）流体压力缓冲材料。泡沫铝对流体的分散及缓冲作用，使其作为各种压力仪表的减压保护装置，具有优异的效果。（7）板带的应用广泛应用于装饰、包

10、装、建筑、运输、电子、航空、航天、兵器等各行各业。 （8）航空航天用铝材用于制作飞机蒙皮、机身框架、大梁、旋翼、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱，以及火箭锻环、宇宙飞船壁板等。 （9）交通运输用铝材用于汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体结构件材料，车门窗、货架、汽车发动机零件、空调器、散热器、车身板、轮毂及舰艇用材。 （10）包装用铝材全铝易拉罐制罐料主要以薄板与箔材的形式作为金属包装材料,制成罐、盖、瓶、桶、包装箔。广泛用于饮料、食品、化妆品、药品、香烟、工业产品等包装。 （11）印刷用铝材主要用于制作PS版，铝基PS版是印刷业的一种新型材料，用于自动化制版和印刷。（12）建筑装饰用铝材

11、铝合金因其良好的抗蚀性、足够的强度、优良的工艺性能和焊接性能，主要广泛用于建筑物构架、门窗、吊顶、装饰面等。如各种建筑门窗、幕墙用铝型材、铝幕墙板、压型板、花纹板、彩色涂层铝板等。 （13）电子家电用铝材主要用于各种母线、架线、导体、电气元件、冰箱、空调、电缆等领域。规格：圆棒、方棒1.4 铝合金锻造及热处理的研究现状 研究现状：铝合金领域方面：“九五”期间，东北大学等进行了低频电磁半连续铸造技术，取得了显著的效果。LD5铝合金方面：目前LD5铝合金在制作工艺特性范围热处理工艺方面做了一定的研究。近年来，以新的成型技术开发出来的高性能铝合金等，可广泛应用于各领域，替代原有的钢、铜、钛等比重大的

12、材料，降低产品材料成本及重量。但由于自身依然存在成形性能相对差的缺点，阻碍了新开发的铝合金板在实际工业中的应用。因此，锻造及热处理工艺可以使铝合金成形性能更好、更高效、成本更低，进而开发出高性能铝合金棒材先进成形工艺，拓宽铝合金棒材的应用领域。 发展趋势：高强高韧性LD5铝合金的发展和应用具有很大的潜力，但同时也存在一些有待解决的问题。除了考虑强度外，延性、韧性、疲劳、蠕变、SCC等使用性能，以及各种工作性能对其的影响也应在考虑范围之列。而不同的性能对合金成分有不同要求，但是各种要求之间可能有冲突。因此我们要找到最好锻造预热处理工艺来达到铝合金最好的力学性能状态，使LD5合金所有状态达到最佳。

13、超强度铝合金是重要的轻质高强结构材料具有广阔的应用前景，目前，需要从下面几个方面开展工作：a.LD5铝合金的锻造及热处理研究是一个重要的方向，需要深入、系统的进行研究与开发；b.改进传统的铸锭冶金制备技术，开发先进的成型制备工艺，以获得高质量的铸锭组织；c.研究高强铝合金的强韧化、腐蚀及疲劳断裂机理，在了解成分、微观组织等因素与宏观性能之间关系的基础上，建立时效硬化模型、应力腐蚀以及断裂韧性模型，以达到科学预测和控制合金性能的目的。 研究方法：锻造与热处理工艺实验装置及测量方法的研究对材料科学的发展起着重要的作用。实验装置是合理选择材料、研究新材料和新工艺的基本手段和依据，为进一步研究锻造与热

14、处理工艺对铝合金的影响奠定了实验基础。先进的测量方法是设计、制造出综合性能及单项性能均优良的产品的保证，次试验的锻造与热处理工艺历程图如下： 锻造：两种锻造成型方式，流程图如下： 热处理：各种热处理方法如下：= 对LD51.5 铝合金锻造及热处理工艺过程存在的问题及解决方法铝合金进行不同的锻造工艺，研究其性能的变化；对已进行锻造工艺的材料从不同部位选取试样；对试样分组进行热处理并完成金相试样的磨制，为后面的测试等作准备工作；制备金相试样摄取金相组织照片，分析不同锻造工艺和热处理工艺对锻造铝合金组织的影响；观察金相组织，分析锻造、热处理工艺对锻造铝合金组织的影响，从而确定最佳的锻造及热处理工艺过

15、程，保证得到所需组织；何种锻造与热处理工艺对LD5铝合金的综合力学性能影响最好。实验内容：对LD5棒材合金进行不同方式的锻造并制备金相得出不同的锻造方式对其材料各部分力学性能的影响；对LD5棒材合金进行不同的热处理工艺，制备金相组织并摄取照片，分析不同的热处理方式对铝合金材料的影响；最后得出结论，什么样的锻造跟热处理方式对LD5铝合金的力学性能产生的影响最好。 试验流程：1.先进行一次锻造成型，原长l0，一次锻造后长度L，制备摄取金相组织并进行分析记录；2.在进行分布锻造，分三次成型，原长l0，第一次锻造后l1，第二次锻造后长度l2。第三次锻造后棒材长度L，最后制备摄取金相组织并进行分析记录3

16、.对LD5铝合金先均匀化退火:加热515530;保温1214h; 完全退火:加热380450，以3050/h速度随炉冷至300下，再空冷；快速退火:加热350460;保温30120min;空冷；淬火和时效:淬火505520，水冷;人工时效150165，615h，空冷;自然时效:室温96h。1.6 锻造工艺 （1）坯料准备 铝合金的挤压毛坯各向异性大，而且表皮有粗晶环、成层、表皮气泡等缺陷，因此模锻前必须清除这些表皮缺陷，挤压棒材作为长轴类锻件的原材料很合适。 （2）锻前加热 因铝合金锻造温度范围很窄，加热毛坯最好采用带有隔热屏的加热元件，采用具有空气强制循环及温度自动控制的箱式电阻炉。其优点是

17、能够保证任何温度规范并易于自动调整。目前，我国加热铝合金毛坯多采用铁铬铝丝电阻炉，炉子装在精度在10范围内的自动控制仪表。为测量温度，在加热区距毛坯100mm160mm处安装有热电偶。 装炉前，毛坯要去除油污及其他污物，炉内部的保留有钢毛坯，以免铝屑和氧化铁屑混在一起容易产生爆炸。装炉时毛坯不得与加热元件接触，以免短路和碰坏加热元件，炉内毛坯放置离开炉门250mm300mm，以保证加热均匀。毛坯和电阻丝之间加放钢板，预防毛坯在加热过程中过烧。 铝合金导热性良好，任何厚度的毛坯均不需要预热，可直接在高温炉内加热，要求毛坯加热到锻造温度的上限。为了保证强化相的充分溶解，其加热时间仍比一般钢的加热时

18、间长，可按每毫米直径或厚度以1.5mm左右计算。挤压、轧制坯料加热到开锻温度后，是否需要保温，以在锻造和模锻时不出现裂纹为准，而对于铸锭则必须保温。 表中列出常用变形铝合金的锻造温度和加热规范。表中数据说明：铝合金的锻造温度范围比较窄，一般都在150范围内，某些高强度铝合金的锻造温度范围甚至在100范围内。锤上锻造温度一般比压力机上锻造温度低2030。铝合金的锻造温度和加热规范合金牌号锻造温度/加热温度 保温时间/(min/mm)始锻终锻6A024803604801.52A50,2B50,2A70,2A80,2A904703604702A144603604602A01,2A11,2A16,2A

19、174703604702A02,2A124603604607A04,7A0945038045035A034703804701.55A02,3A214703604705A06470300400 选用合理的变形程度，可保证合金在锻造过程中不开裂，并且变形均匀，获得良好的组织和性能。为了保证铝合金在锻造过程中不开裂。所选锻压设备上每次打击或压缩时允许的最大变形程度应根据合金的塑性图确定，下表为铝合金的允许变形程度。铝合金的允许变形程度合金组水压机锻锤、热模锻曲柄压力机高速锤挤锻墩粗低强度和2A50合金80%85%80%85%80%90%对5A50合金40%50%90%和90%以上中强度70%50%6

20、0%高强度70%50%60%85%90%粉末合金30%50%50%60%80%以上锻造和模锻时的热力学参数主要包括变形温度、变形速度、变形程度和应力状态，对合金的可锻性及锻件的组织和性能有重要的影响。合理选择上述几个热力学参数，以保证锻件成型并满足组织和性能的要求，是订制锻造工艺的重要一环。选择合金锻造热力学参数的主要依据是相图、塑性图、变形抗力图和再结晶图。 （3）锻造温度范围： 锻造温度范围是指开始锻造温度（始锻温度）和终结锻造温度（始锻温度）之间的温度范围。确定锻造温度范围的基本原则是：金属在锻造温度范围内具有良好的塑性和较低的变形抗力；温度范围应尽可能宽些，以便减少加热次数；能保证获得

21、具有较细的晶粒组织和叫较高的力学性能的锻件；容易操作。常用铝合金的锻造温度范围下表所示： （4）变形速度（） 变形速度不等于设备工作速度，但它与配料尺寸相关，其关系如下； 式中V滑块（横梁、锤头）或工具的运动速度，m/s； 毛坯原始高度，m； 研究表明，部分合金化程度高的铝合金，从静载变形到动载变形，工艺塑性下降，允许变形程度从80%降到40%。 （5）变形程度控制 每次工作行程变形程度。铝合金锻造时，每一工作行程最大的变形程度可根据该合金的塑性图和锻件的形状确定。为了保证锻件具有细小均匀的晶粒组织，每一工作行程的变形程度，还应大于或小于加工再结晶图上相应温度的临界变形程度，尤其是终锻温度的变

22、形程度均应大于12%15%。铝合金每次行程允许变形程度见下表：铝合金每次行程允许变形程度合金水压机（墩粗）锻锤、曲柄压力机（墩粗）调整锤（挤压）挤压模锻3A21,5A02,5A03,6A02,2A50808580858590902B50,5A05,5A06,2A02,2A70,2A80,2A117050608590但5A05，5A06,为4050907A04,2A12,2A147050859085 总变形程度。铝合金铸锭在锻造过程中的总变形程度不仅决定了锻件整体的力学性能，而且决定了锻件纵向和横向力学性能差异的大小。总变形量若不充分，中心变形小，有时会使局部仍保留着铸态组织；若总变形量过大，机械性能的方向性增强，横向性能降低，且浪费动力和工时。 （6）应力状态（加工方法）选择 铝合金棒材具有足够高的塑性，可以再拉应力和拉变形的应力应变状态下锻造。但是预变性过的高强度铝合金，则应在开式模中模锻。1.7 热处理工艺