陳國亮１,２,陳明和２,王 寧２,孫家偉２,王春艷１

(１．常州機電職業(yè)技術(shù)學院,常州 ２１３１６４;２．南京航空航天大學機電學院,南京 ２１００１６)

摘 要:對 H１８態(tài)７０７５鋁合金進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,其屈服強度和抗拉強度分別為５５３．９８,６３５．０８MPa,滿足相關(guān)標準對 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 文獻標志碼: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 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 行 快 速 冷卻,可避免因熱脹冷縮而導致的翹曲變形[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行了可行性研究.英國帝國理工學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理.國內(nèi)南京航空航天大學的研究人員利用熱成形模擬機對 H１８態(tài) AA６０１６鋁合金進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 成 分 (質(zhì) 量 分數(shù)％)為 ０．３８Si,０．３Fe,１．６Cu,０．２５Mn,２．４Mg,０．２６Cr,５．７Zn,０．１６Ti,余 Al.

用剪板機將 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上的同步冷卻熱成形模具(如圖１所示)中進行同步冷卻熱成形并保壓１min.成形試樣的設計尺寸如圖１所示,設計的彎曲角為６０°.最后,對成形試樣進行１２０ ℃×２４h的時效處理.

為了進行對比分析,還對 H１８態(tài)和 O 態(tài)７０７５鋁合金毛坯進行了冷沖壓成形＋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行測量,將實際角度與設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,拉伸試樣的標距為 ２５．４ mm,厚 度 由 千 分 尺 實 際 測 得.在RG２０００Ｇ２０型拉 伸 試 驗 機 上 進 行 拉 伸 試 驗,拉 伸應變速率為０．０００２５s－１,拉伸機橫梁運動的控制誤差小于２％.

圖１ 同步冷卻熱成形模具示意及成形試樣的設計尺寸

Fig·１ Schematicdiagramofhotformingwithsynchronouscoolingmold a anddesignsizeofformedspecimen b

、

圖２ 拉伸試樣的取樣位置及尺寸

Fig.２ Samplinglocation a anddimensions b oftensilespecimen

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行彎曲成形,高溫下７０７５鋁合金的塑性好且屈服強度低,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)生了固溶強化作用,H１８態(tài)鋁合金的屈服強度增大,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,生成細小的強化相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 度 和 屈 服 強 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度和抗拉強度而言,１５ MPa的差值基本可以忽略不計,因此,可以認為同步冷卻熱成形工藝獲得的７０７５鋁合金成形試樣的強度與傳統(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度和屈服強度大于 GB/T３８８０．２－２０１２對 T６態(tài)７０７５鋁合金的最低性能指標要求(抗拉強度５２５MPa,屈服強度４６０MPa).因此,從強度方面考慮,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行成形,成形后試樣的回彈角為０．０３°,遠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,其屈服強度和抗拉強度分別達到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.