2D70铝合金挤压工艺参数和热处理制度研究

2019-11-13于长富马国强张祝珲

有色金属加工 2019年5期

于长富，马国强，杨旭，张祝珲，吴楠

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁辽阳 111003)

Al-Cu-Mg-Fe-Ni系铝合金凭借其良好的耐热性、热状态下塑性高及优良的加工性能等优点，被广泛用于生产高温下具有较高强度的重要承力构件[1]。常见的Al-Cu-Mg-Fe-Ni系铝合金有欧美的2618A，俄罗斯的AK4-1及国内的2A70、2D70和2A80合金[2]。其中2D70是在2024铝合金基础上降低Si含量，加入能形成稳定金属间化合物Al9FeNi相的Fe和Ni元素而形成。该合金有良好的耐热性能，可用于150℃下长时间工作的受力结构零件[3-5]。由于合金中Mn含量不高，使挤压件容易出现粗晶环[6]。粗晶环区的力学性能和疲劳强度都较正常细晶组织低，用户对粗晶环有严格的限制，其最大深度应小于5mm。本文以2D70铝合金挤压棒材为研究对象，对其挤压工艺参数及热处理制度进行了研究。

1 试验材料和方法

1.1 铸锭规格和成分

试验选用直径446mm的2D70铝合金铸锭，合金成分见表1，各元素均在标准范围之内。

表1 2D70铸棒的合金成分(质量分数，%)

1.2 挤压产品规格和参数

本试验通过调整棒温和挤压速度来控制粗晶层的厚度，具体参数见表2。

表2 挤压参数

1.3 低倍和高倍

对挤压棒材切取2cm厚试样制成低倍试片，观察粗晶层厚度，确定合理的挤压制度。对符合标准的挤压棒材分别在边部和心部进行取样，观察淬火前后合金组织变化。

1.4 热处理制度

设定固溶处理制度为530℃×3.5h，再对固溶后试样进行不同制度的时效处理，确定合理的热处理制度，试验热处理制度见表3。

表3 热处理制度

1.5 性能测试

使用蔡司AX10型光学显微镜(OM)对铸锭的样品进行光学显微组织观察；使用SSX-550型扫描电镜(SEM)观察第二相形貌和分布。在HB-3000C型电子布氏硬度计上进行布氏硬度测试，常温下在D60K型数字金属电导率测量仪进行电导率测量。

2 试验结果及分析

2.1 不同挤压参数下合金的低倍组织

不同挤压参数下制备的2D70挤压棒材低倍照片如图1所示，图1(a)(b)分别为相同挤压速度下低和高棒温的棒材低倍照片，图1(c)(d)分别为相同挤压速度下低和高棒温的棒材低倍照片。其中，图1(a)(b)的粗晶环为1mm和15mm，图1(c)(d)为全截面的粗晶组织。图1(c)(d)棒材的挤压速度较高，虽然图1(c)的棒温较低，但是依然出现全截面粗晶，所以挤压速度对粗晶的影响要大于棒温。图1(a)(b)由于挤压速度的降低，粗晶明显减少。但是，图1(b)棒温较高，因此，粗晶环较宽。挤压温度超过470℃，金属形变后的储存能减小，晶粒成长线速度与形核率的比值增大，组织出现粗晶环、截面粗晶现象。对于本研究中的2D70铝合金，棒温420℃，挤压速度0.5m/min较合适。

(a)420℃×0.5m/min；(b)450℃×0.5m/min；(c)405℃×0.8m/min；(d)429℃×0.8m/min图1 不同挤压参数下合金的低倍组织Fig.1 Low-fold structure of alloys under different extrusion parameters

2.2 淬火前后2D70合金组织

2D70铝合金挤压棒材淬火前后的显微组织、组织扫描和晶粒度如图2所示，可见合金铸锭组织在强烈挤压变形过程中严重破碎。其中，Al9FeNi相由铸态的粗大条状变为点状或短棒状[7-8]。对比合金淬火前后显微组织和扫描图片发现，组织中的相变少，淬火后S相(点1)充分回溶，Al9FeNi相(点2)的尺寸和分布没有明显变化。同时，其晶粒度也没有明显变化，说明淬火没有导致合金晶粒长大，淬火制度合理可行。

(a)(b)组织；(c)(d)金相扫描；(e)(f)晶粒度图2 淬火前后合金的组织和晶粒度Fig.2 Structure and grain size of the alloy before and after quenching

2.3 不同温度时效后合金的力学性能

不同时效制度下2D70铝合金挤压棒材的力学性能如图3所示。随着时效温度的增加，合金的抗拉强度和屈服强度均是先升高后降低，在190℃时达到最高，分别为448MPa和397MPa，达到峰值时效强度。而伸长率随着时效温度的增加，呈先降低后升高的趋势。在190℃×24h制度下的伸长率为6%，满足要求。因此，最终确定时效制度为190℃×24h。

2.4 不同时效制度下合金的硬度和电导率

图4为不同时效制度下2D70铝合金电导率曲线，可以看出随着时效温度的增加，合金的电导率逐渐升高。时效温度低时，析出物以GP区为主，其质点大小与电子波长同数量级，晶格畸变产生的附加电子散射可使电导率下降，因此180℃时效时电导率最低，随时效温度和析出物尺寸的增加，运动电子产生的附加散射减少，电导率呈增加趋势[9]。由图4不同时效制度下2D70铝合金硬度曲线可以看出，随着时效温度的提高，合金硬度呈现先升高后降低的趋势。在190℃×24h时效后合金的硬度最高，与不同制度下合金的力学性能匹配。