陳國亮１,２,陳明和２,王 寧２,孫家偉２,王春艷１

(１．常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,常州 ２１３１６４;２．南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,南京 ２１００１６)

    摘 要:對 H１８態(tài)７０７５鋁合金進(jìn)行了同步冷卻熱成形＋時效處理,研究了其宏觀形貌、回彈角、顯微組織和拉伸性能,并與傳統(tǒng)冷壓成形后的進(jìn)行了對比,探索了７０７５鋁合金同步冷卻熱成形的可行性.結(jié)果表明:同步冷卻熱成形工藝適用于７０７５鋁合金,成形后試樣的回彈角為０．０３°,遠(yuǎn)低于冷沖壓成形后的,且成形后試樣不發(fā)生翹曲變形;經(jīng)同步冷卻熱成形工藝成形后試樣的顯微組織與傳統(tǒng)冷沖壓成形＋固溶處理后的基本一致,經(jīng)１２０ ℃×２４h的時效處理以后,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為５５３．９８,６３５．０８MPa,滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對 T６態(tài)７０７５鋁合金的性能要求.

    關(guān)鍵詞:同步冷卻熱成形;７０７５鋁合金;拉伸性能;回彈

    中圖分類號:TG３８６．４１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００３０Ｇ０４

０ 引 言

      可熱處理鋁合金的同步冷卻熱成形工藝[１Ｇ３]是一種由高強(qiáng)鋼熱沖壓技術(shù)[４Ｇ６]演化而來的新工藝,該工藝可同時對可熱處理鋁合金板料進(jìn)行熱沖壓成形和固溶 處 理.與 冷 沖 壓 成 形 技 術(shù)[７]相 比,同步冷卻熱成 形 工 藝 在 高 溫 下 進(jìn) 行 成 形,可 熱 處 理鋁合金的成形性能得到很大的改善,因此,零件的成形精度較高[８Ｇ９].與傳統(tǒng)溫、熱成形技術(shù)[１０Ｇ１１]相比,同步冷卻 熱 成 形 工 藝 只 需 加 熱 板 料 而 無 需 加熱模具,因此能耗較低,而且該工藝可以通過調(diào)整板料的加熱 時 間 來 控 制 晶 粒 尺 寸,避 免 出 現(xiàn) 晶 粒過大.與傳統(tǒng) 固 溶 處 理 技 術(shù)[１２Ｇ１３]相 比,同 步 冷 卻熱成形 工 藝 在 封 閉 的 模 具 中 對 板 料 進(jìn) 行 快 速 冷卻,可避免因熱脹冷縮而導(dǎo)致的翹曲變形[１４].由此可見,同步 冷 卻 熱 成 形 工 藝 可 以 在 提 高 可 熱 處理鋁合金成形性能的基礎(chǔ)上,提高零件成形精度,縮短生產(chǎn) 周 期,降 低 成 本,因 此,該 工 藝 的 發(fā) 展 潛力巨大.

目前,對可熱處理鋁合金同步冷卻熱成形工藝的研究很少.GARRETT 等[８]對 AA６xxx 鋁合金的同步冷卻熱成形工藝進(jìn)行了可行性研究.英國帝國理工學(xué)院的研究人員研究了同步冷卻熱成形后AA６０８２[９]、AA２０２４[１４]鋁合金的成形性能和斷裂機(jī)理.國內(nèi)南京航空航天大學(xué)的研究人員利用熱成形模擬機(jī)對 H１８態(tài) AA６０１６鋁合金進(jìn)行了同步冷卻

熱成形研究,發(fā)現(xiàn) AA６０１６鋁合金的成形性能得到了大幅度提高,成形后的強(qiáng)度較原始狀態(tài)的有較大提升[１];另外還發(fā)現(xiàn)同步冷卻熱成形工藝可以提高自然時效態(tài) AA２０２４鋁合金的強(qiáng)度[１５].作為可熱處理鋁合金的一種,７０７５鋁合金在航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用廣闊[１６Ｇ１８],但對于該鋁合金的同步冷卻熱成形工藝研究尚未見報道.

為此,作者對 H１８態(tài)７０７５鋁合金進(jìn)行了同步冷卻熱成形及傳統(tǒng)冷沖壓成形試驗,對比分析了不同工藝成形試樣的回彈角、外觀尺寸、顯微組織,以及經(jīng)熱處理后的拉伸強(qiáng)度.

１ 試樣制備與試驗方法

      試驗材料為西南鋁業(yè)生產(chǎn)的厚度為０．８mm 的H１８態(tài) ７０７５ 鋁 合 金,其 主 要 化 學(xué) 成 分 (質(zhì) 量 分?jǐn)?shù)％)為 ０．３８Si,０．３Fe,１．６Cu,０．２５Mn,２．４Mg,０．２６Cr,５．７Zn,０．１６Ti,余 Al.用剪板機(jī)將 H１８態(tài)７０７５鋁合金加工成尺寸為１８４mm×８０mm×０．８mm 的毛坯,毛坯的長度方向沿鋁合金的軋制方向.將毛坯在電爐中加熱到４６５ ℃,保溫５min,然后快速移入裝在高速液壓機(jī)上的同步冷卻熱成形模具(如圖１所示)中進(jìn)行同步冷卻熱成形并保壓１min.成形試樣的設(shè)計尺寸如圖１所示,設(shè)計的彎曲角為６０°.最后,對成形試樣進(jìn)行１２０ ℃×２４h的時效處理.為了進(jìn)行對比分析,還對 H１８態(tài)和 O 態(tài)７０７５

      鋁合金毛坯進(jìn)行了冷沖壓成形＋固溶＋時效處理.其中,O 態(tài)７０７５鋁合金毛坯由 H１８態(tài)毛坯在電爐中于４００ ℃保溫２．５h,再經(jīng)１０h降溫至２００ ℃,最后隨爐冷卻而獲得.分別將 H１８態(tài)和 O 態(tài)７０７５鋁合金毛坯在如圖１所示的同一套模具中先冷沖壓成形,隨后在４６５℃固溶５min水淬,再進(jìn)行１２０℃×２４h時效處理.由于固溶＋冷沖壓成形＋時效處理的工藝組合在可熱處理鋁合金成形零件的生產(chǎn)中也較為常見,因此,作者還對 H１８態(tài)７０７５鋁合金毛坯進(jìn)行固溶＋冷沖壓成形＋時效處理,固溶處理和冷沖壓成形之間的時間間隔小于３０min,其余各工藝參數(shù)均同上.為了便于描述,將同步冷卻熱成形＋時效處理、冷沖壓成形＋固溶＋時效處理、固溶＋冷沖壓成形＋時效處理分別簡稱為１＃ 工藝、２＃ 工藝和３＃ 工藝.在不同工藝獲得的試樣彎角處截取金相試樣,拋光后,用 HF、HCl、HNO３、H２O 體積比為２∶３∶５∶１９０的科爾試劑腐蝕,在 OLYMPUSPME 型光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織.在每個工藝的成形工序結(jié)束后,立即利用角度尺對試樣彎曲角進(jìn)行測量,將實際角度與設(shè)計角度的差值定為回彈角.利用線切割在時效處理后的試樣上截取拉伸試樣,取樣位置和試樣尺寸如圖２所示,拉伸試樣的標(biāo)距為 ２５．４ mm,厚 度 由 千 分 尺 實 際 測 得.在RG２０００Ｇ２０型拉 伸 試 驗 機(jī) 上 進(jìn) 行 拉 伸 試 驗,拉 伸應(yīng)變速率為０．０００２５s－１,拉伸機(jī)橫梁運動的控制誤差小于２％.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 成形精度

      由圖３可以看出:１＃ 工藝(同步冷卻熱成形＋時效處理)獲得的試樣外形平整,沒有翹曲;而２＃ 工藝 (冷沖壓成形＋固溶＋時效處理)獲得的試樣,由于在固溶處理的水淬過程中試樣發(fā)生劇烈的熱脹冷縮 導(dǎo)致了塑性變形,其自由形狀區(qū)域發(fā)生了較大的翹曲;３＃ 工藝(固溶＋冷沖壓成形＋時效處理)獲得的試樣,雖然在成形過程中消除了部分在固溶處理過程中產(chǎn)生的翹曲變形,但回彈導(dǎo)致試樣兩邊的自由形狀區(qū)域仍有部分翹曲變形被保留下來.

      試驗測得:同步冷卻熱成形后 H１８態(tài)試樣的回彈角為０．０３°,冷沖壓成形后 H１８態(tài)和 O 態(tài)試樣的回彈角分別為２．６６°和１．３７°,固溶＋冷沖壓成形后 H１８態(tài)試樣的回彈角為１０．３４°.同步冷卻熱成形工藝在高溫下對試樣進(jìn)行彎曲成形,高溫下７０７５鋁合金的塑性好且屈服強(qiáng)度低,因此成形試樣的回彈角最小.而冷沖壓成形工藝在室溫下對試樣進(jìn)行彎曲成形,回彈角主要受到毛坯材料性能的影響.其中,O 態(tài)鋁合金由 H１８態(tài)鋁合金退火得到,其屈服強(qiáng)度有所降低,

因此冷沖壓成形后的回彈角小于 H１８態(tài)成形試樣的.固溶處理后,由于大量的合金原子溶入鋁基體產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化作用,H１８態(tài)鋁合金的屈服強(qiáng)度增大,因此固溶＋冷沖壓成形后試樣的回彈角最大.綜上可見,同步冷卻熱成形后試樣的形狀及尺寸精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)冷沖壓成形后的.

２．２ 顯微組織

      由圖４ 可以看出:在 ３ 種工藝下成形后,H１８態(tài)和 O 態(tài)試樣均已完全再結(jié)晶,在α(Al)基體上殘存一些彌散質(zhì)點,這些質(zhì)點為未溶解的第二相;４種試樣的顯微組織沒有明顯的不同,晶粒大小、形狀基本一致;殘留相的尺寸、形狀以及分布情況也大致相同.由此可見:同步冷卻熱成形后試樣的顯微組織與傳統(tǒng)的冷沖壓成形＋固溶處理或固溶＋冷沖壓成形后的相似;均有大量合金原子融入到了α(Al)基體之中,并在后續(xù)的時效處理過程中析出,生成細(xì)小的強(qiáng)化相η(MgZn２).

２．３ 拉伸性能

     由表１ 可 以 看 出:采 用 １＃ 工 藝 成 形 后,H１８ 態(tài)試 樣 的 抗 拉 強(qiáng) 度 和 屈 服 強(qiáng) 度 分 別 為 ５５３．９６, ６３５．０８ MPa,略低于采用２＃ 和３＃ 工藝成形后的; 采用２＃ 和３＃ 工藝成形后,H１８態(tài)試樣的強(qiáng)度相近, 且接近于采用２＃ 工藝成形后 O 態(tài)試樣的.對于鋁 合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度而言,１５ MPa的差值 基本可以忽略不計,因此,可以認(rèn)為同步冷卻熱成形 工藝獲得的７０７５鋁合金成形試樣的強(qiáng)度與傳統(tǒng)工 藝得到的大致相同.在零件傳統(tǒng)的冷沖壓成形＋固 溶處理＋時效處理生產(chǎn)工藝過程中,可熱處理鋁合 金的原始熱處理狀態(tài),以及沖壓工序和固溶處理工 序的先后順序不會對最終成形試樣的力學(xué)性能產(chǎn)生 影響.

    采用同步冷卻熱成形工藝成形的７０７５鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度大于 GB/T３８８０．２－２０１２對 T６態(tài)７０７５鋁合金的最低性能指標(biāo)要求(抗拉強(qiáng)度５２５MPa,屈服強(qiáng)度４６０MPa).因此,從強(qiáng)度方面考慮,同步冷卻熱成形工藝可以替代傳統(tǒng)的冷沖壓成形＋固溶處理工藝成形７０７５可熱處理鋁合金.

３ 結(jié) 論

    (１)與傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝相比,同步冷卻熱成形工藝在高溫下對鋁合金進(jìn)行成形,成形后試樣的回彈角為０．０３°,遠(yuǎn)  低于冷沖壓成形試樣的.同步冷卻熱成形工藝中,試樣在模具中進(jìn)行固溶處理,因此不會產(chǎn)生翹曲變形.

    (２)經(jīng)同步冷卻熱成形工藝成形后試樣的顯微組織與傳統(tǒng)冷沖壓成形＋固溶處理工藝的基本一致.

    (３)同步冷卻熱成形 H１８態(tài)試樣經(jīng)１２０ ℃×２４h時效處理后,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到５５３．９８MPa和６３５．０８MPa,滿足 GB/T３８８０．２－２０１２中對 T６態(tài)７０７５鋁合金的性能要求,同步冷卻熱成形工藝可用于成形７０７５鋁合金.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2017年 > 6期 > pp.30）