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    铝合金模锻的相关知识

    发布时间:2016-9-23
     一、铝合金及其可锻性
      铝合金比强度高、导电性和导热性好、抗腐蚀能力强,在多种工业领域、特别是航空工业中应用广泛。常用的变形铝合金有防锈铝合金如3A21 (LF21)等,锻造铝合金如2A50( LD5)、2A14 (LD10)等,硬铝合金如2A12 (LY12)等,超硬铝合金如7A04 (LC4)等。变形铝合金的主要合金元素有铜、镁、锌、锰、镍、钛、锆等。铜、镁和锌可与铝形成强化相,使铝合金强化;锰可以提高铝合金的抗腐蚀能力。
      锻造用的铝合金大多有较好的塑性,可以进行各种模锻工艺。铝合金的塑性主要受合金成分和变形温度的影响,某些高强度铝合金的塑性还具有明显的变形速度敏感性。一般来说,随着合金元素的增加,铝合金的塑性是降低的,并且铝合金中的合金元素越多,在热处理和加热以后的冷却过程中产生残余应力的倾向也越大。
      3A21、2A50和7A04三种铝合金的单位压力曲线,由图可见,3A21在300℃、2A50在350℃终锻时,随着变形程度增大,单位压力曲线保持水平,这说明加工硬化和再结晶软化相互抵消,因此这两种合金在锻造时,按这样的终锻温度,能够使合金处于完全的热变形状态。超硬铝7A04在350℃时单位压力曲线随变形程度增大而略有升高,这说明该合金在350℃终锻时有加工硬化,不能保证完全热变形;在400℃时,当变形程度超过30%后,单位压力随变形程度增加而有所下降,原因是热效应升温引起了局部软化。
     二、铝合金模锻生产要点
      1.下料
      铝合金锻件使用的毛坯有铸锭和挤压棒材。铸锭用于锻造各向异性较小的模锻件,模锻件都采用由铸锭经锻造后的锻坯。用于锻造的铸锭必须作均匀化处理以改善塑性。棒材经过预变形,塑性已经得到提高,容易进行模锻,但这种毛坯各向异性大,而且表粗晶环、分层等缺陷,模锻前必须清除这些表层缺陷,一般是在车床上扒皮。
      铝合金多用锯床下料。锯切产生的锐边或毛刺,需要清理,以免锻造时引起缺陷。的自动化锯切设备,多具备自动倒角能力,能精确地控制毛坯长度、体积及重量。剪切下料也是铝合金常用的方法。铝合金较软,剪床下料时端面欠平整,而且容易产生裂纹、毛刺等,一般用于直径小于50mm的棒材。下料精度要求高时,可用车床、铣床下料。
      2.热规范
      铝合金锻前加热可采用多种加热设备,但最好采用电阻炉加热,使用煤气炉或油炉时,要严加控制燃料的含硫量,以免硫渗入晶界引起裂纹。炉内最好装有强迫炉气循环装置,以促使炉温均匀。炉内火焰不允许直接喷射到毛坯表面。不能将铝合金毛坯与钢在一起加热,铝屑和氧化铁屑混在一起容易产生爆炸。国外铝合金锻造加热也常选用马弗炉。
      铝合金的锻造温度范围比较窄,一般在150℃左右,某些高强度铝合金的锻造温度区间甚至小于100℃。例如7A04超硬铝,其主要强化相是Mg2n2和Al2 CuMg化合物,Al与Mg2n2形成共晶,其熔化温度是470℃。因此,其始锻温度低至430℃。另一方面,7A04合金的退火加热温度是390℃,这说明它有较高的再结晶温度,所以合金的终锻温度取350℃。这样,7A04合金的锻造温度范围就只有80℃。表7-3列出常用变形铝合金的锻造温度范围。 表  常用变形铝合金的锻造温度

    打麻将 www.rbvtt.com 合金牌号

    锻造温度范围/℃

    合金牌号

    锻造温度范围/℃

    1070A,1060(L1,L2)

    3A21(LF21)

    5A03(LF3)

    2A12(LY12)

    2A02 ( LY2)

    470380

    510380

    475380

    460380

    450350

    6A02(LD2)

    2A70(LD7)

    2A50(LD5)

    7A04(LC4)

    500380

    475380

    500350

    430350

      尽管铝合金的锻造温度范围较窄,但是,模锻过程的时间却较充裕。因为相对于铝合金的锻造温度说来,模具的预热温度比较高,而且由于铝合金的变形热效应较大,锻造时温度还可能有所上升。
      铝合金导热性好,因此毛坯不需要进行预热,可直接在高温下装炉。但加热时间比一般碳钢长,这是因为铝合金加热时必须保证内部强化相充分溶解,以便使合金组织均匀,塑性提高。直径小于50mm的毛坯,加热时间按直径或厚度1.5min/mm计算,直径大于100mm的毛坯,按2min/mm计算,直径在50~100mm范围内的毛坯,按下式计算。
        T=l. 5+0. 01×(d-50)
      式中 T-每毫米直径或厚度的加热时间min;
        d-毛坯的直径或厚度,mm。
      强化相的溶解过程与强化相的性质、大小、形状、分布有关,组织粗大则溶解慢,所以铸锭、大型毛坯应取加热时间的上限;合金元素含量高的铝合金,加热时间长些。锻造后的锻件,一般在空气中堆放冷却。
      3.模锻
      铝合金模锻可以在多种模锻设备上进行。为了提高塑性、降低变形抗力、改善合金的流动性,选用压力机比锤的效果要好些?;笛沽吐菪沽室擞谏械瘸叽?、大体积的锻件,广泛用于铝合金闭式模锻;对于铝合金大型模锻件或形状复杂的、高清晰轮廓无模锻斜度的精密模锻件,最好用液压机模锻,缓慢而容易控制的应变速率可以使铝合变形抗力降到最小,减小锻造压力并容易获得预期形状;管接头、三通等小型铝锻件,在螺旋压力机上进行无飞边模锻。
      铝合金的流动性较差(比钢和钛合金差,但比镁合金好),并对裂纹比较敏感,不宜采用聚集工步;铝合金在高温下表面摩擦系数高,黏附力大,不宜采用滚挤模膛。锻造温度范围窄,因此一般采用单模膛模锻,采用自由锻制坯。
      模具应预热到250~300℃。为了增加合金的流动性和便于起模,要对模膛表面进行抛光,要求达到Ra =0. 4~0. 2tjm以上。
      因为铝合金对应变速率敏感并具有放热性,锤上模锻时要控制好锤头的高度、打击力量和速度,开始锤击要轻,产生飞边、形成有利的应力状态后,可以重击加大变形程度。如压力机上模锻,当一次行程的变形程度大于40%时,大量金属挤向飞边槽,使模膛不易充满,可以采用预锻和终锻两道工序。对于形状复杂的锻件,经常采用多套模具、多次模锻,使毛坯形状由简单逐步过渡到复杂,从而流动均匀、充填容易,防止锻件出现晶粒不均匀等缺陷。在各次模锻工序之间,一般要进行切除飞边、酸洗并清除表面缺陷。
    铝合金的变形流动对圆角半径也非常敏感,小的圆角半径很容易导致金属流动困难,产生折叠、裂纹、纤维折断等缺陷并降低锻模寿命,所以铝合金锻件的圆角半径一般比钢锻件大。通常小锻件的圆角半径应大于1~2mm,大中型锻件的圆角半径应大于2~5mm。铝合金的黏附力大,模锻斜度也应大些,通常采用的模锻斜度为7。,在有顶出器的情况下,也可采用1?!?。。
    铝合金黏附力大,流动性差,因此模具润滑是模锻工艺的重要环节。对小件或形状复杂、容易产生折叠的锻件,通常采用的润滑剂为80%~90%锭子油+10%~20%石墨;对于大件或形状简单的锻件,可采用70%~80%汽缸油+2026—30%石墨。
      4.切边
      除了超硬铝之外,铝合金锻件都在冷态下切边;大型模锻件用带锯切除飞边,连皮用冲头冲切或用机械加工切除。
      5.清理
      在模锻工序之间以及终锻以后,铝合金模锻件都要进行酸洗,酸洗可以清除残余的润滑剂和氧化薄膜,得到有自然光泽的表面并使缺陷清晰地显示出来。例如某厂铝合金锻件表面清理工艺:在含4%~8%(质量分数)NaOH水溶液中,70℃下浸渍0.5~5min;立即在75℃或更高温度的热水下冲洗0.5~5 min;浸入88℃、10%硝酸(体积分数)水溶液中去除黑色沉淀物;在60—70℃的热水中漂洗3~5min。
      6.修伤
      铝合金在高温下很软、黏性大,容易产生各种表面缺陷(折叠、毛刺、裂纹等)。修伤是铝合金模锻工艺中的重要环节。模锻之前毛坯表面的缺陷必须清除干净,否则在后续工序中缺陷会进一步扩大,引起锻件报废。修伤用的工具有风动砂轮机、风动铣刀、电动铣刀及扁铲等。修伤前要经过酸洗并查清缺陷部位,修伤处要圆滑过渡。
     三、粗晶问题
      各种变形铝合金具有程度不同的形成粗晶组织的倾向。由锻件和模锻件较少发现粗晶组织,而2A1(LD10)、2A70 (LD7)、2A02 (LY2)合金,特别是在6A02 (LD2)经常发现有粗晶组织。
      例如,7A04 (LC4)合金的自2A50(LD5)、2A11 (LY11)、和2A16 (LY16)合金的锻件上
      锻件的整体粗晶,多是由于原材料粗晶或过热组织所造成。而局部粗晶的原因复杂。
      锻件的表面粗晶,多是棒材表层粗晶环在锻件表面遗留的结果。铝合金棒材表面的粗晶环使塑性变差,锻造时容易产生裂纹。锤上模锻时,开始应轻击,打碎表面粗晶环,提高金属的塑性,然后再逐渐加重打击使金属充满模膛。
    在锻件变形程度小的局部部位,经常由于落人临界变形程度而引起粗晶。为了避免再结晶时形成粗晶,终锻温度下的变形要避开临界变形程度(12%~15%)。在变形程度大、金属相对流动剧烈的区域,因晶粒位向趋于一致,并且再结晶能量很高,在随后热处理时也可能发生聚集再结晶而形成粗晶。
      此外,变形程度过大、锻造次数过多、模具表面粗糙、终锻温度低、淬火水温高、时间长等都会导致产生粗晶。例如在锻件飞边区域附近特别容易产生粗晶。
      粗晶组织会显著降低锻件的抗拉强度、屈服强度和延伸率,对疲劳强度和抗震性能都有不良影响,应该采取适当的工艺措施防止粗晶缺陷。一般来说需要考虑:选择合理的毛坯形状尺寸、合理的制坯和预锻工步、合理的变形一温度条件、提高工具、模膛表面光洁程度、均匀润滑等。

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