鋁合金淬火使用聚合物淬火劑的應(yīng)用研究

史春玲,李海琴

(1西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,西安710089; 2青海民族學(xué)院,西寧810007)

鋁合金淬火使用聚合物淬火劑的應(yīng)用研究

史春玲1,李海琴2

(1西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,西安710089; 2青海民族學(xué)院,西寧810007)

針對鋁合金淬火使用聚合物淬火劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。配制了聚合物體積分?jǐn)?shù)為16%和33%的淬火水溶液,選擇典型材料和零件進(jìn)行了一系列對比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:采用33%和16%兩種體積分?jǐn)?shù)的AQ251聚合物淬火劑得到的拉伸性能、電導(dǎo)率和耐蝕性與水淬比較無明顯差別,處于同一水平;在聚合物冷卻介質(zhì)中淬火可以顯著減小零件變形。

聚合物淬火劑;鋁合金;性能

Abstract:The research of using the polymer glycols quenching medium in heat treatment of Al alloy was discussed.The water-polymer glycols quenching solution of concentration 16%and 33%were prepared.A series of comparative tests were carried out by using typical aluminum alloys and parts.The results show that the tensile performance,conductivity and corrosion resistance after heat treatment using polymer glycols quenching medium are in the same lever compared with quenching using water.Deformation of parts obviously decreased after quenching by using polymer glycols quenching medium.

Key words:polymer glycols quenching medium;aluminum alloy;property

在鋁合金熱處理中,一般采用水作為淬火介質(zhì)。但其冷卻速度過快常造成零件嚴(yán)重變形和極大的內(nèi)應(yīng)力,使校正工作量加大,難度增加,零件的表面質(zhì)量也難以保證,甚至?xí)斐闪慵罨蜷_裂而報(bào)廢,這不僅造成巨大經(jīng)濟(jì)損失并且影響生產(chǎn)進(jìn)度[1]。

使用聚合物水溶液淬火介質(zhì)對鋁合金零件淬火時(shí),會減小零件的初始冷卻速度,并且能對整個(gè)零件表面均勻冷卻,這樣就能減小零件的變形和殘余應(yīng)力。因此,聚合物淬火劑在國外航空工業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。聚合物淬火劑可通過控制其在水中溶解的濃度使冷卻速率在很寬的范圍內(nèi)變化,這是其他淬火介質(zhì)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。用于鋁合金薄板、帶材、型材、管材和擠壓制品淬火可顯著地減小變形和殘余應(yīng)力[2]。

近代飛機(jī)破壞事故分析證明,應(yīng)力腐蝕的破壞占了很大比例,減少殘余應(yīng)力以避免應(yīng)力腐蝕是當(dāng)前鋁合金熱處理工藝中急待解決的問題。采用聚合物淬火劑是否可以保證得到要求的淬火性能而且明顯提高鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕能力是本工作的研究重點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用材料

2024板材、7075板材、7010鍛件和L Y12兩端收口的管子。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 聚合物淬火劑的配制

采用好富頓公司的AQ251聚合物淬火劑,分別配制聚合物體積分?jǐn)?shù)為16%±1%和33%±1%的淬火水溶液,以適應(yīng)多種高強(qiáng)度鋁合金鍛件及不同厚度鈑金件淬火的需要。

1.2.2 性能檢測

測試淬火后試樣的電導(dǎo)率、拉伸性能、斷裂韌性、應(yīng)力腐蝕和晶界腐蝕等性能。

1.2.3 管材變形量和表面殘余應(yīng)力測量

以L Y12兩端收口的管材零件為典型件,測量聚合物與水淬后的變形量及表面殘余應(yīng)力狀態(tài)。管件的尺寸為φ36mm×500mm,壁厚1.5mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

固溶處理和人工時(shí)效使用的設(shè)備是RJJ-36-6井式空氣循環(huán)電爐。淬火介質(zhì)分別為20℃水和不同體積分?jǐn)?shù)的聚合物。

采用KHR-01便攜式冷卻介質(zhì)性能檢測儀測試兩種體積分?jǐn)?shù)的聚合物冷卻介質(zhì)及20,70℃水的冷卻曲線。檢測儀探頭的加熱溫度為500℃。

7010-T74 C型環(huán)應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)在自制的簡易試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試樣的往復(fù)運(yùn)動由步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行,浸入腐蝕介質(zhì)的時(shí)間(10min)和在大氣中的停留時(shí)間(50min)由儀表控制,環(huán)境溫度由儀表自動控制在35℃±1℃。腐蝕介質(zhì)是用去離子水配制的 3.5% NaCl水溶液。

2024-T42和7075-T73拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)在自制的簡易拉伸機(jī)上進(jìn)行,環(huán)境溫度由儀表自動控制在35℃±1℃。加載應(yīng)力按0.75σ0.2計(jì)算。

變形量測量檢測的是管件淬火后相對于理論外形的最大偏離量。L Y12CZ管子表面殘余應(yīng)力用 X射線應(yīng)力測量儀測定,基本參數(shù)如下:Cu靶,Kα1,30kV, 8mA。測量時(shí),在測量管的左、中、右3個(gè)點(diǎn)上測量縱、橫兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聚合物淬火劑與純水的冷卻性能

圖1是4種冷卻介質(zhì)500℃至室溫的冷卻曲線的綜合比較。冷卻介質(zhì)的冷卻特性可以從最大冷卻速度及其所對應(yīng)的溫度兩個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行比較。從圖1可以看出,水的最大冷速均大于聚合物,20℃水的冷速最大,為91℃/s,而33%體積分?jǐn)?shù)聚合物的最大冷速最小,為51℃/s。20℃水最大冷速時(shí)的溫度為424℃, 33%體積分?jǐn)?shù)聚合物為427℃,16%體積分?jǐn)?shù)聚合物為454℃。由此可知,16%體積分?jǐn)?shù)聚合物最大冷速時(shí)的溫度最高,70℃水的最低,20℃水和33%體積分?jǐn)?shù)聚合物最大冷速時(shí)的溫度只差3℃。圖1表明,為降低冷卻應(yīng)力,減少鋁合金零件的變形,33%體積分?jǐn)?shù)聚合物淬火介質(zhì)的冷卻特性在4種介質(zhì)中是最好的。

圖1 4種冷卻介質(zhì)冷卻曲線的比較Fig.1 Cooling curves of four kinds of quenching medium

2.2 電導(dǎo)率和拉伸性能

在每組試樣上測量電導(dǎo)率值至少5點(diǎn),拉伸性能每組測量3個(gè)試樣,取其平均值。4種鋁合金熱處理后電導(dǎo)率和拉伸性能測試結(jié)果見表1。

表1 熱處理后鋁合金的電導(dǎo)率和拉伸性能Table 1 The tensile performance and conductivity after heat treatment

從表1可以看出,無論是電導(dǎo)率還是抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率都超過對應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。采用兩種體積分?jǐn)?shù)的聚合物淬火劑得到的電導(dǎo)率和拉伸性能與水淬比較無明顯差別,均處于同一水平。這說明采用33%和16%兩種體積分?jǐn)?shù)的聚合物淬火劑能夠滿足這些材料和制品的淬火要求性能。

2.3 晶界腐蝕

采用ASTM G 110—92(對應(yīng) GB/T7998—2005)實(shí)驗(yàn)方法,對2024-T42,7075-T73,L Y12CZ三種鋁合金進(jìn)行了晶界腐蝕實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用聚合物淬火劑使三種鋁合金晶界腐蝕傾向稍微增大,但并沒有使其抗晶界腐蝕能力級別降低。

表2 三種鋁合金晶界腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of intergranular corrosion

2.4 斷裂韌性

表3是7010-T74鍛件的緊湊拉伸試樣斷裂韌性的測試結(jié)果。表3表明,在聚合物淬火劑和純水中淬火試樣的斷裂韌性值都高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 7010-T74鍛件的斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Fracture toughness test results of 7010-T74

2.5 2024-T42,7075-T73和7010-T74的應(yīng)力腐蝕性能

2.5.1 7010-T74 C型環(huán)應(yīng)力腐蝕

圖2是7010-T74不同介質(zhì)淬火、不同方向試樣C型環(huán)應(yīng)力腐蝕出現(xiàn)裂紋的天數(shù)比較?？梢钥闯?在縱向上33%聚合物的抗應(yīng)力腐蝕性能高于16%聚合物和水,而16%聚合物和水的抗應(yīng)力腐蝕性能沒有差別。在短橫向上水的抗應(yīng)力腐蝕性能高于33%聚合物和16%聚合物,而33%聚合物和16%聚合物的抗應(yīng)力腐蝕性能差別不大。

2.5.2 2024-T42拉伸應(yīng)力腐蝕

2024-T42拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。結(jié)果表明,33%體積分?jǐn)?shù)的聚合物淬火試樣的抗應(yīng)力腐蝕性能最好,水淬試樣的抗應(yīng)力腐蝕性能最差。

圖2 7010-T74不同介質(zhì)淬火、不同方向試樣應(yīng)力腐蝕出現(xiàn)裂紋天數(shù)比較Fig.2 Comparison of days of crack appearing on 7010-T74 specimens

表4 2024-T42拉伸應(yīng)力腐蝕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Tensile stress corrosion test results of 2024-T42

2.5.3 7075-T73拉伸應(yīng)力腐蝕

7075-T73拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。由此可見,33%體積分?jǐn)?shù)的聚合物淬火試樣的抗應(yīng)力腐蝕性能最好,水淬試樣的抗應(yīng)力腐蝕性能最差。

表5 7075-T73拉伸應(yīng)力腐蝕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Tensile stress corrosion test results of 7075-T73

2.6 聚合物淬火與水淬的變形量和表面殘余應(yīng)力狀態(tài)的比較

L Y12CZ管子淬火后變形量測量結(jié)果見表6。表6表明,33%體積分?jǐn)?shù)聚合物介質(zhì)中淬火的管子的平均變形量最小,為0.52mm,比20℃水中淬火的變形量減小了55.5%;而20℃水中淬火的管子的平均變形量最大,為1.17mm。

用X射線法測定了L Y12CZ管子左端、中間、右端位置的表面殘余應(yīng)力,其測量結(jié)果見表7。

表7表明,在33%體積分?jǐn)?shù)聚合物介質(zhì)中淬火的管子表面殘余壓應(yīng)力最大,16%的次之,在20℃水淬的管子表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。

表6 LY12CZ管子淬火變形量Table 6 Deformation of L Y12CZ tubes after quenching

表7 LY12CZ管子表面殘余應(yīng)力測定Table 7 Measurement for surface residue stress on L Y12CZ tubes

3 結(jié)論

(1)7010鍛件、7075板材 、2024板材和L Y12管材等鋁合金及其制品在三種冷卻介質(zhì)中淬火得到的電導(dǎo)率、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率都高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,而且處于同一水平。

(2)兩種體積分?jǐn)?shù)的冷卻介質(zhì)使試樣的晶界腐蝕傾向稍微增大,但并沒有使其抗晶界腐蝕能力級別降低。

(3)7010-T74鍛件在16%體積分?jǐn)?shù)的聚合物冷卻介質(zhì)中淬火試樣的斷裂韌性優(yōu)于純水和33%體積分?jǐn)?shù)的聚合物冷卻介質(zhì),且都高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)2024-T42和7075-T73板材在33%體積分?jǐn)?shù)的聚合物淬火試樣的抗拉伸應(yīng)力腐蝕性能最好,水淬試樣的抗拉伸應(yīng)力腐蝕性能最差。

(5)33%體積分?jǐn)?shù)聚合物介質(zhì)中淬火的管子的平均變形量最小,20℃水淬的管子的平均變形量最大。在聚合物冷卻介質(zhì)中淬火可以顯著減小零件變形。

[1]胥維勛.鋁合金的淬火工藝與殘余淬火應(yīng)力 [J].航天工藝,1989, (8):12-15.

[2]吳瑞豪,馮敏.B-757飛機(jī)鋁合金零件聚合物淬火[J].金屬熱處理,2001,(1):48-50.

Application Research of Using Polymer Glycols Quenching Medium in Heat Treatment of Al Alloy

SHI Chun-ling1,LI Hai-qin2
(1 Xi’an Aircraft Industry(Group)Company Ltd.,Xi’an 710089, China;2 Qinghai National College,Xining 810007,China)

TG166.3

A

1001-4381(2010)01-0005-04

2009-05-19;

2009-10-27

史春玲(1965—),女,高級工程師,長期從事金屬材料及熱處理的工藝研究和應(yīng)用工作,聯(lián)系地址:西安市閆良區(qū)西飛大道一號西飛公司制造工程部冶金室(710089),E-mail:scl-shichunling@163.com