陈国亮１,２,陈明和２,王 宁２,孙家伟２,王春艳１
(１．常州机电职业技术学院,常州 ２１３１６４;２．南京航空航天大学机电学院,南京 ２１００１６)
摘 要:对 H１８态７０７５铝合金进行了同步冷却热成形＋时效处理,研究了其宏观形貌、回弹角、显微组织和拉伸性能,并与传统冷压成形后的进行了对比,探索了７０７５铝合金同步冷却热成形的可行性.结果表明:同步冷却热成形工艺适用于７０７５铝合金,成形后试样的回弹角为０．０３°,远低于冷冲压成形后的,且成形后试样不发生翘曲变形;经同步冷却热成形工艺成形后试样的显微组织与传统冷冲压成形＋固溶处理后的基本一致,经１２０ ℃×２４h的时效处理以后,其屈服强度和抗拉强度分别为５５３．９８,６３５．０８MPa,满足相关标准对 T６态７０７５铝合金的性能要求.
关键词:同步冷却热成形;７０７５铝合金;拉伸性能;回弹
中图分类号:TG３８６．４１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００３０Ｇ０４
０ 引 言
可热处理铝合金的同步冷却热成形工艺[１Ｇ３]是一种由高强钢热冲压技术[４Ｇ６]演化而来的新工艺,该工艺可同时对可热处理铝合金板料进行热冲压成形和固溶 处 理.与 冷 冲 压 成 形 技 术[７]相 比,同步冷却热成 形 工 艺 在 高 温 下 进 行 成 形,可 热 处 理铝合金的成形性能得到很大的改善,因此,零件的成形精度较高[８Ｇ９].与传统温、热成形技术[１０Ｇ１１]相比,同步冷却 热 成 形 工 艺 只 需 加 热 板 料 而 无 需 加热模具,因此能耗较低,而且该工艺可以通过调整板料的加热 时 间 来 控 制 晶 粒 尺 寸,避 免 出 现 晶 粒过大.与传统 固 溶 处 理 技 术[１２Ｇ１３]相 比,同 步 冷 却热成形 工 艺 在 封 闭 的 模 具 中 对 板 料 进 行 快 速 冷却,可避免因热胀冷缩而导致的翘曲变形[１４].由此可见,同步 冷 却 热 成 形 工 艺 可 以 在 提 高 可 热 处理铝合金成形性能的基础上,提高零件成形精度,缩短生产 周 期,降 低 成 本,因 此,该 工 艺 的 发 展 潜力巨大.
目前,对可热处理铝合金同步冷却热成形工艺的研究很少.GARRETT 等[８]对 AA６xxx 铝合金的同步冷却热成形工艺进行了可行性研究.英国帝国理工学院的研究人员研究了同步冷却热成形后AA６０８２[９]、AA２０２４[１４]铝合金的成形性能和断裂机理.国内南京航空航天大学的研究人员利用热成形模拟机对 H１８态 AA６０１６铝合金进行了同步冷却
热成形研究,发现 AA６０１６铝合金的成形性能得到了大幅度提高,成形后的强度较原始状态的有较大提升[１];另外还发现同步冷却热成形工艺可以提高自然时效态 AA２０２４铝合金的强度[１５].作为可热处理铝合金的一种,７０７５铝合金在航空、航天领域应用广阔[１６Ｇ１８],但对于该铝合金的同步冷却热成形工艺研究尚未见报道.
为此,作者对 H１８态７０７５铝合金进行了同步冷却热成形及传统冷冲压成形试验,对比分析了不同工艺成形试样的回弹角、外观尺寸、显微组织,以及经热处理后的拉伸强度.
１ 试样制备与试验方法
试验材料为西南铝业生产的厚度为０．８mm 的H１８态 ７０７５ 铝 合 金,其 主 要 化 学 成 分 (质 量 分数％)为 ０．３８Si,０．３Fe,１．６Cu,０．２５Mn,２．４Mg,０．２６Cr,５．７Zn,０．１６Ti,余 Al.用剪板机将 H１８态７０７５铝合金加工成尺寸为１８４mm×８０mm×０．８mm 的毛坯,毛坯的长度方向沿铝合金的轧制方向.将毛坯在电炉中加热到４６５ ℃,保温５min,然后快速移入装在高速液压机上的同步冷却热成形模具(如图１所示)中进行同步冷却热成形并保压１min.成形试样的设计尺寸如图１所示,设计的弯曲角为６０°.最后,对成形试样进行１２０ ℃×２４h的时效处理.为了进行对比分析,还对 H１８态和 O 态７０７５
铝合金毛坯进行了冷冲压成形＋固溶＋时效处理.其中,O 态７０７５铝合金毛坯由 H１８态毛坯在电炉中于４００ ℃保温２．５h,再经１０h降温至２００ ℃,最后随炉冷却而获得.分别将 H１８态和 O 态７０７５铝合金毛坯在如图１所示的同一套模具中先冷冲压成形,随后在４６５℃固溶５min水淬,再进行１２０℃×２４h时效处理.由于固溶＋冷冲压成形＋时效处理的工艺组合在可热处理铝合金成形零件的生产中也较为常见,因此,作者还对 H１８态７０７５铝合金毛坯进行固溶＋冷冲压成形＋时效处理,固溶处理和冷冲压成形之间的时间间隔小于３０min,其余各工艺参数均同上.为了便于描述,将同步冷却热成形＋时效处理、冷冲压成形＋固溶＋时效处理、固溶＋冷冲压成形＋时效处理分别简称为１＃ 工艺、２＃ 工艺和３＃ 工艺.在不同工艺获得的试样弯角处截取金相试样,抛光后,用 HF、HCl、HNO３、H２O 体积比为２∶３∶５∶１９０的科尔试剂腐蚀,在 OLYMPUSPME 型光学显微镜下观察显微组织.在每个工艺的成形工序结束后,立即利用角度尺对试样弯曲角进行测量,将实际角度与设计角度的差值定为回弹角.利用线切割在时效处理后的试样上截取拉伸试样,取样位置和试样尺寸如图２所示,拉伸试样的标距为 ２５．４ mm,厚 度 由 千 分 尺 实 际 测 得.在RG２０００Ｇ２０型拉 伸 试 验 机 上 进 行 拉 伸 试 验,拉 伸应变速率为０．０００２５s－１,拉伸机横梁运动的控制误差小于２％.
２ 试验结果与讨论
２．１ 成形精度
由图３可以看出:１＃ 工艺(同步冷却热成形＋时效处理)获得的试样外形平整,没有翘曲;而２＃ 工艺 (冷冲压成形＋固溶＋时效处理)获得的试样,由于在固溶处理的水淬过程中试样发生剧烈的热胀冷缩 导致了塑性变形,其自由形状区域发生了较大的翘曲;３＃ 工艺(固溶＋冷冲压成形＋时效处理)获得的试样,虽然在成形过程中消除了部分在固溶处理过程中产生的翘曲变形,但回弹导致试样两边的自由形状区域仍有部分翘曲变形被保留下来.
试验测得:同步冷却热成形后 H１８态试样的回弹角为０．０３°,冷冲压成形后 H１８态和 O 态试样的回弹角分别为２．６６°和１．３７°,固溶＋冷冲压成形后 H１８态试样的回弹角为１０．３４°.同步冷却热成形工艺在高温下对试样进行弯曲成形,高温下７０７５铝合金的塑性好且屈服强度低,因此成形试样的回弹角最小.而冷冲压成形工艺在室温下对试样进行弯曲成形,回弹角主要受到毛坯材料性能的影响.其中,O 态铝合金由 H１８态铝合金退火得到,其屈服强度有所降低,
因此冷冲压成形后的回弹角小于 H１８态成形试样的.固溶处理后,由于大量的合金原子溶入铝基体产生了固溶强化作用,H１８态铝合金的屈服强度增大,因此固溶＋冷冲压成形后试样的回弹角最大.综上可见,同步冷却热成形后试样的形状及尺寸精度明显优于传统冷冲压成形后的.
２．２ 显微组织
由图４ 可以看出:在 ３ 种工艺下成形后,H１８态和 O 态试样均已完全再结晶,在α(Al)基体上残存一些弥散质点,这些质点为未溶解的第二相;４种试样的显微组织没有明显的不同,晶粒大小、形状基本一致;残留相的尺寸、形状以及分布情况也大致相同.由此可见:同步冷却热成形后试样的显微组织与传统的冷冲压成形＋固溶处理或固溶＋冷冲压成形后的相似;均有大量合金原子融入到了α(Al)基体之中,并在后续的时效处理过程中析出,生成细小的强化相η(MgZn２).
２．３ 拉伸性能
由表１ 可 以 看 出:采 用 １＃ 工 艺 成 形 后,H１８ 态试 样 的 抗 拉 强 度 和 屈 服 强 度 分 别 为 ５５３．９６, ６３５．０８ MPa,略低于采用２＃ 和３＃ 工艺成形后的; 采用２＃ 和３＃ 工艺成形后,H１８态试样的强度相近, 且接近于采用２＃ 工艺成形后 O 态试样的.对于铝 合金的屈服强度和抗拉强度而言,１５ MPa的差值 基本可以忽略不计,因此,可以认为同步冷却热成形 工艺获得的７０７５铝合金成形试样的强度与传统工 艺得到的大致相同.在零件传统的冷冲压成形＋固 溶处理＋时效处理生产工艺过程中,可热处理铝合 金的原始热处理状态,以及冲压工序和固溶处理工 序的先后顺序不会对最终成形试样的力学性能产生 影响.
采用同步冷却热成形工艺成形的７０７５铝合金试样的抗拉强度和屈服强度大于 GB/T３８８０．２－２０１２对 T６态７０７５铝合金的最低性能指标要求(抗拉强度５２５MPa,屈服强度４６０MPa).因此,从强度方面考虑,同步冷却热成形工艺可以替代传统的冷冲压成形＋固溶处理工艺成形７０７５可热处理铝合金.
３ 结 论
(１)与传统的冷冲压成形工艺相比,同步冷却热成形工艺在高温下对铝合金进行成形,成形后试样的回弹角为０．０３°,远 低于冷冲压成形试样的.同步冷却热成形工艺中,试样在模具中进行固溶处理,因此不会产生翘曲变形.
(２)经同步冷却热成形工艺成形后试样的显微组织与传统冷冲压成形＋固溶处理工艺的基本一致.
(３)同步冷却热成形 H１８态试样经１２０ ℃×２４h时效处理后,其屈服强度和抗拉强度分别达到５５３．９８MPa和６３５．０８MPa,满足 GB/T３８８０．２－２０１２中对 T６态７０７５铝合金的性能要求,同步冷却热成形工艺可用于成形７０７５铝合金.