2A70 小模锻件表面硬度质量问题研究

2023-03-29马斌肖挺宣航陕西宏远航空锻造有限责任公司

锻造与冲压 2023年5期

文／马斌，肖挺，宣航·陕西宏远航空锻造有限责任公司

针对我公司2A70 铝锻件连续出现硬度不合格的问题，我们通过研究不同的原材料规格、及不同的热处理制度对2A70 铝合金锻件的硬度影响规律，得出原材料化学成分中强化元素含量对锻件表面硬度影响较大；对于锻件表面硬度偏低，可补充人工时效1 次或者重新固溶均可改善锻件表面硬度。

2A70 铝合金属于Al-Cu-Mg-Fe-Ni 系耐热铝合金，是一种可热处理强化的变形铝合金，同时具有较高的塑性、锻造易变性、切削加工性能良好等优点。铝合金在航空等高技术领域的发展应用，2A70 主要用于制造航空发动机活塞、叶轮、压气机叶片、轮盘及其他在较高温度下使用的零件，也有相关文献资料称其用于制作在150 ～225℃使用的零件，且能保持足够的强度。

本文以某型2A70 铝合金接头为研究对象，经过前期大量生产跟踪和数据收集发现，2A70 锻件在生产过程中一直受表面硬度问题困扰，标准要求HBW ≥110，热后实测硬度100 ～110HBW，个别表面硬度在90 ～100HBW，需要进行多次热处理返修才能满足要求，严重影响锻件生产进度。因此，我们研究了2A70 小模锻件表面硬度影响因素，进而针对主要原因进行改进提升，优化了2A70 小模锻件生产流程，提高了锻件一次交检合格率。

试验方案及结果分析

原材料规格对锻件硬度的影响规律

鉴于前期生产的大规格锻件的硬度合格率高，所以首先验证原材料规格对锻件硬度的影响规律，选取φ35mm、φ70mm、φ130mm规格锻件各10件进行工艺试验，锻件见图1。

图1 试验用锻件

⑴原材料规格对锻件硬度的影响规律。

分别使用三种原材料规格，φ35mm、φ70mm、φ130mm，对原材料进行二次下料到φ30mm×50mm，两火成形，始锻温度470℃，终锻温度380℃，锻后空冷，然后对锻件进行热处理，热处理制度：固溶：(535±3)℃×1h，水冷；人工时效：(185±3)℃×10h空冷。热后锻件表面硬度见表1，三种原材料规格对应的元素含量见表2。

对比表1 和表2 可以发现：随着原材料规格变大，锻件表面硬度逐渐增大，φ35mm原材料规格的锻件，10 件硬度检测全部不合格；φ70mm 和φ130mm 规格原材料的锻件硬度有部分不合格，结合表3 不同规格原材料规格的化学成分分析发现，规格越大强化元素含量越多，锻件表面硬度也越大，这是由于2A70铝合金的强化相组成为α-Al，S 相(Al2MgCu)和部分Mg2Si 相，强化元素含量相对增多，锻件强度和硬度提高。

表1 不同原材料规格锻件硬度

表2 不同规格原材料化学成分（质量分数，%）

⑵原材料规格对锻件组织的影响规律。

经过热处理后的锻件金相组织均为α-Al+S(Al2CuMg)+Mg2Si 相组织，是固溶时效的典型组织。对比图2 可以看出，不同原材料规格锻件的强化相数量有差异，且随着锻件原材料规格尺寸增大，锻件强化相数量增多，与上述锻件原材料规格越大，强化元素含量越多规律一致，说明强化元素和强化相数量对锻件硬度有影响作用。

图2 不同原材料规格对锻件组织的影响

热处理制度对锻件硬度影响规律

应用前期报废锻件进行热处理工艺试验，研究热处理制度对锻件硬度影响规律，见表3。

表3 热处理工艺方案

⑴热处理制度对锻件硬度影响规律。

针对此类2A70 小模锻件，常有交检表面硬度不达标和客户入场复验硬度不达标的问题，针对这类问题，从热处理角度进行工艺摸索，提高锻件表面硬度，具体硬度值见表4。

对比表4 可以发现：在原热处理制度上补充人工时效，提高固溶温度重新热处理后锻件表面硬度全部达到标准要求，其中，补充人工时效效果最佳。2A70 属于Al-Cu-Mg 系可热处理强化的合金，在进行二次补充人工时效后锻件硬度提高，说明在经过第一次185℃时效后锻件硬度没有达到峰值。据文献报道，2A70 铝合金在185℃时效过程硬度峰值在22h，且随着时效温度升高，硬度峰值向左移动，这就要求我们日常生产中补充时效时只能使用1 次，若提高时效温度要相应的缩短时效时间。