2024高強(qiáng)度鋁合金薄壁型材擠壓工藝研究

王義斌， 王 睿， 李延軍， 楊志勇， 張 健， 劉麗瑜

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

2024鋁合金又稱為高強(qiáng)度硬鋁合金，具有強(qiáng)度高、耐熱性好[1-2]等優(yōu)點(diǎn)。其擠壓型材主要應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身框架、機(jī)翼桁條、翼肋等受力結(jié)構(gòu)件[3]。此次試驗(yàn)薄壁型材是我公司航空事業(yè)部與某飛機(jī)設(shè)計(jì)制造有限公司合作產(chǎn)品，選取壁厚僅為1.0mm的薄壁型材進(jìn)行擠壓成型試驗(yàn)，此型材的成型性和尺寸精度較難控制，現(xiàn)有生產(chǎn)工藝無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品擠壓成型。本文將以此型材為例，對(duì)2024高強(qiáng)硬鋁合金薄壁型材擠壓生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究分析。

1 型材基本信息

此2024硬鋁合金薄壁型材為直角型材，直角邊長(zhǎng)為15mm，壁厚為1.0mm。型材性能要求滿足GJB2507A。其中力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)Rp0.2≥ 290 MPa，Rm≥ 395 MPa，A%≥10 %。

2 型材擠壓過程難點(diǎn)

(1)合金成分

2024屬于2xxx硬鋁合金，合金中Cu、Mg元素含量較高，而合金化程度高金屬流動(dòng)性差，導(dǎo)致變形抗力過大[4]，擠壓過程中容易悶車無法擠出。

(2)模具設(shè)計(jì)

原有模具為單孔擠壓模具且?guī)в袑?dǎo)流坑，單孔模具擠壓比達(dá)到150，過大的擠壓比和帶導(dǎo)流坑的設(shè)計(jì)均會(huì)顯著提高擠壓變形抗力，造成悶車無法擠動(dòng)的現(xiàn)象。

(3)擠壓工藝參數(shù)

以往生產(chǎn)硬鋁合金薄壁型材選用的是最大輸出壓力為500T的機(jī)臺(tái)，擠壓筒面積為63cm2，其最大單位輸出壓力僅為63kg/mm2，單位輸出壓力值不高，也容易造成悶車現(xiàn)象。

(4)淬火制度及變形量

2024硬鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金[5-6]，擠壓型材需進(jìn)行立式淬火爐離線淬火，因?yàn)樾筒谋诤襁^薄且淬火水溫?zé)o法調(diào)節(jié)，導(dǎo)致淬火彎曲扭擰嚴(yán)重，無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。所以淬火制度的選取尤為重要，在降低淬火溫度的同時(shí)也要保證其淬火強(qiáng)度。

3 擬解決方案

(1)優(yōu)化合金成分

此次生產(chǎn)選用我公司自行研制的2024內(nèi)控成分鑄棒，鑄棒中各合金元素均符合國(guó)標(biāo)要求，其中Mg、Cu合金元素含量偏中上限，在保證其較高強(qiáng)度前提下，提高合金擠壓流動(dòng)性。

(2)優(yōu)化模具設(shè)計(jì)

由原有單孔模具改變?yōu)樗目啄＞撸瑴p小其擠壓比，且將原有的導(dǎo)流坑去掉，這樣可以有效降低擠壓時(shí)的最大變形抗力。

(3)優(yōu)化工藝參數(shù)

擠壓機(jī)臺(tái)選用液壓情況較好的非標(biāo)機(jī)臺(tái)生產(chǎn)，該機(jī)臺(tái)最大輸出壓力660T，擠壓筒直徑由原有110mm降為90mm，筒面積由94cm2減少為64cm2。因此，可以有效提高單位面積上的輸出壓力，最大單位輸出壓力由70kg/mm2增加到103kg/mm2。

(4)改進(jìn)淬火制度

經(jīng)前期大量試驗(yàn)決定此次淬火制度采用475℃×45min，使用溫水(50±5℃)淬火，用合理的淬火夾具進(jìn)行固定，保證淬火后型材的直線度。

4 型材擠壓過程

擠壓機(jī)臺(tái)采用我公司非標(biāo)機(jī)臺(tái)(660T擠壓機(jī)，500T擠壓筒)，鑄錠采用我公司自行研制的2024內(nèi)控成分，鑄錠合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si ≤0.10 ，Mg1.45～1.55，F(xiàn)e≤0.20，Cu4.35～4.45，Mn0.30～0.40，Ti≤0.15，Zn≤0.15。鑄錠為車皮棒且表面無油污、裂紋等缺陷。鑄錠到達(dá)溫度后，保溫時(shí)間不宜過長(zhǎng)，防止鑄錠長(zhǎng)時(shí)間加熱保溫而變形，擠壓初期采用6xxx合金引模。擠壓工藝參數(shù)為，模具溫度490℃～500℃，棒溫440℃～460℃，擠壓速度0.5m/min～1.5m/min，壓余10mm，擠壓筒溫度450℃～460℃，變形區(qū)切頭尾；擠壓產(chǎn)品信息為，四孔模具，合金狀態(tài)為2024內(nèi)控，鑄錠規(guī)格Φ90mm×300mm，擠壓比42，壓出12m。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 力學(xué)性能

型材采用475℃×45min淬火后，經(jīng)在線拉伸、人工矯直放置自然時(shí)效96h，分別對(duì)4個(gè)孔擠壓出的型材進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GJB2507A。各部位力學(xué)性能檢測(cè)值如表1所示，表中T代表型材頭端、W代表型材尾端，1～4分別代表4個(gè)不同分流孔(此標(biāo)記號(hào)應(yīng)用于全文，后面不再贅述)。

由表1可知，試驗(yàn)樣品力學(xué)性能均能滿足GJB2507A檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；屈服強(qiáng)度在316MPa～357MPa之間，抗拉強(qiáng)度在398MPa～422MPa之間，斷后延伸率在12.3%～16.5%之間。不同分流孔型材力學(xué)性能檢測(cè)值均有不同，整體試驗(yàn)呈現(xiàn)出頭端力學(xué)性能高的試樣，尾端力學(xué)性能依舊也高；而同一個(gè)?？讛D壓出頭尾兩端的力學(xué)值相差不是很大。分析以上所出現(xiàn)的結(jié)果，可能影響因素有，一是樣品在淬火過程中，在進(jìn)行淬火的一瞬間，某些樣品局部發(fā)生較大變形，引發(fā)整支樣品劇烈變形，與其周圍樣品造成收縮式捆綁，導(dǎo)致淬火不充分；二是在淬火過程中溫度降速較快，造成在淬火的一瞬間，淬火臨界溫度過低致使力學(xué)性能偏低；三是部分試樣在淬火后拉伸過程中，夾頭部位容易反復(fù)斷裂，導(dǎo)致整支樣品拉伸量較小，引起力學(xué)性能偏低；四是型材壁厚較薄，在高淬火溫度長(zhǎng)保溫時(shí)間下，發(fā)生再結(jié)晶程度增加，使得部分樣品無纖維狀組織，致使其力學(xué)性能偏低。

表1 2024合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)表

5.2 組織性能

5.2.1 低倍組織

型材在線擠壓完成后，切除頭尾兩端變形區(qū)，標(biāo)記裝框進(jìn)行離線淬火，將淬火后的型材再一次進(jìn)行拉伸矯直，第二次切除頭尾變形區(qū)后，分別檢測(cè)4個(gè)模孔擠壓試樣的低倍組織，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GJB2507A，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 2024合金低倍組織檢測(cè)結(jié)果

5.2.2 高倍組織

分別對(duì)4個(gè)?？讛D出型材的頭尾兩端進(jìn)行高倍組織觀察，如圖1所示。執(zhí)行GJB2507A標(biāo)準(zhǔn)，所有樣品組織均勻、致密，均未出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。

圖1 2024合金高倍顯微組織Fig.1 High power macrostructure of 2024 alloy

6 結(jié)論

(1)擠壓工藝。2024高強(qiáng)硬鋁合金薄壁型材生產(chǎn)采用我廠2024內(nèi)控成分鑄錠，模具采用四孔模具，棒溫440℃～460℃，擠壓速度0.5 m/min ～1.5m/min(初始電流控制在250 mA ～280mA)，擠壓筒溫度450℃～460℃，在線擠壓及后期淬火后應(yīng)在1h內(nèi)進(jìn)行拉伸矯直，人工整形矯直，淬火試驗(yàn)使用擠壓廠專用淬火夾具，淬火制度采用475℃×45min，時(shí)效制度采用96h自然時(shí)效。

(2)力學(xué)性能。2024高強(qiáng)硬鋁合金薄壁型材樣品力學(xué)性能均符合GJB2507A標(biāo)準(zhǔn)，屈服強(qiáng)度在316MPa～357MPa之間，抗拉強(qiáng)度在398MPa～422MPa之間，斷后延伸率在12.3%～16.5%之間。

(3)組織性能。2024高強(qiáng)硬鋁合金薄壁型材樣品高倍組織均滿足GJB2507A標(biāo)準(zhǔn)，未出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。低倍組織符合GJB2507A標(biāo)準(zhǔn)要求。