鋁合金2A50(鍛件)冷變形量與尺寸穩(wěn)定性工藝研究

胡瓊

摘 要：本文對鋁合金2A50特定試件不同冷變形量與該試件的尺寸穩(wěn)定性關系進行試驗研究，通過測量不同的冷變形量試件其宏觀尺寸及形狀的變化，研究了多種變形量對試件尺寸穩(wěn)定性以及對試件的力學性能影響。在同樣的變形條件下，變形量過小對提高尺寸穩(wěn)定性起不到任何效果，變形量過大雖然對尺寸穩(wěn)定性有效果但容易改變該試件應有的物理性能。探索一種對尺寸穩(wěn)定性既有明顯的效果又能將材料的物理性能控制在允許的范圍內的冷變形量是本課題研究的核心內容。經多項試驗結果表明試件毛坯鍛造結束后進行熱處理時，在固溶處理和人工時效處理中間安排一次冷變形，其冷變形量嚴格控制在5%，該冷變形量所導致材料的物理性能改變量既在允許范圍內，又對提高該特定試件的尺寸穩(wěn)定性效果明顯。

關鍵詞：冷變形處理;熱處理;穩(wěn)定化處理;殘余應力

中圖分類號：TG319 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0095-04

1 緒論

2A50鋁合金屬鋁-銅-鎂-硅系中等強度的鋁合金，多數以鍛件形式作為零件毛坯出現（也被稱為5#鍛鋁）。由于該材料具有好的耐高溫特性以及高溫狀態(tài)下的耐腐蝕性，較適合制造形狀較復雜而工作環(huán)境溫度較高的結構類零件。在過去采用該材料零件毛坯的生產采用通常鍛造工藝，即;鍛造加工+淬火+人工時效，材料受基本應力及殘余內應力的影響所加工的零件宏觀尺寸及形狀變化較大。所以該材料大多用來制造加工精度要求不高的結構類零件。某企業(yè)采用了該材料作為控制器機箱箱體的制造材料。該企業(yè)所制定的零件加工工藝：鍛造毛坯→淬火+人工時效熱處理→毛坯的粗加工→恒溫時效去應力熱處理→零件的半精加工→恒溫時效去應力熱處理→零件精加工→裝配。由于該零件采用恒溫時效去應力熱處理作為穩(wěn)定化處理效果不理想，材料的基本應力及殘余內應力得不到有效的消除或降低，導致零件尺寸、形狀精度得不到有效控制，使得最后零件裝配無法順利進行，無奈降低該零件的配合精度及加大零件的制造公差來彌補零件應力變形帶來的誤差。由于零件的制造精度達不到要求從而降低部件的使用性能。如：機箱內的線路板應該穩(wěn)定的固定在機箱內部的卡槽內，由于箱體內部卡槽的尺寸不穩(wěn)定而導致機箱在受到振動的情況下線路板發(fā)生松動而引起線路板的輸入、輸出信號不穩(wěn)定。為了提高試件的尺寸穩(wěn)定性又不破壞材料原有的特性，對鋁合金2A50-T6特定試件進行冷變形量與尺寸穩(wěn)定性試驗研究，找到該試件的最佳變形量，為該材料被廣泛應用于精密結構類零件的制造有著十分重要的意義。

2 尺寸穩(wěn)定性的主要特征

尺寸穩(wěn)定性的主要特征較多，但便于觀察、測量、經濟、應用范廣主要有如下兩種：

2.1 尺寸及形狀的變化

試件隨著時間的變化其宏觀尺寸及形狀發(fā)生變化是尺寸及形狀穩(wěn)定性的最直觀的反映。由于采用普通的測量就可大致評估出該試件尺寸及形狀的穩(wěn)定性高低，該方法應用較為廣泛。雖然某些零件的變形較小、變形周期較長，對進行高精度的評估還較為困難，但該方法應用較為普遍。

2.2 殘余應力

殘余應力是導致零件尺寸及形狀不穩(wěn)定的主要因素，零件尺寸及形狀變化的大小取決于殘余應力的大小。通過測量殘余應力來評估該零件的尺寸及形狀變化的大小。

測量一個試件的殘余應力其方法較多，但最簡單、經濟、對零件損傷小、測量精度較高的還數盲孔法。基本原理是在需測試件相關部位鉆一個或多個小孔，由于該零件材料內部有殘余應力存在，它就要進行應力釋放，應力釋放過程中必然導致該小孔產生位移，再通過計算可以得出該區(qū)域的殘余應力。

3 尺寸不穩(wěn)定的原因

尺寸穩(wěn)定性是指零件在加工完成后，在固定的環(huán)境條件下，無外力作用或在低于該材料的彈性極限的外力作用下尺寸和形狀的變化，及零件經過非恒定環(huán)境暴露后在固定的環(huán)境下所測得的尺寸變化。導致零件尺寸不穩(wěn)定的原因較多，但主要有三個：（1）外應力作用;（2）內應力的作用;（3）內部組織的變化。

（1）外應力除了能使材料產生彈性應變外，還可能使材料產生滯彈性、應力應變滯后環(huán)、微塑性應變及顯微蠕變，從而導致零件尺寸和形狀的不穩(wěn)定[1]。外應力導致的零件尺寸不穩(wěn)定有時難于改變但通過零件的結構設計（如;單點受力為多點受力，提高零件受力的均勻性）和選擇抗彈性變形較強的材料來設計、制造該零件。（2）內應力的作用是導致零件尺寸和形狀不穩(wěn)定的重要因素。內應力是指無外力作用時已存在于零件材料內部的殘余應力。內應力分宏觀內應力和微觀內應力，前者作用于零件的宏觀體積內，后者的作用尺度不超過晶粒尺寸的數量級。（3）內部組織的變化也是導致零件尺寸不穩(wěn)定的主要原因。它來源于各種加工，這些加工導致零件內部不同部位發(fā)生不均勻的形變而產生的宏觀殘余應力。其產生的殘余應力的大小直接導致零件變形量的大小。零件內部的微觀內應力主要來自于零件材料的微觀組織的變化，即，再結晶、晶粒長大、空位濃度的變化、原子排列的變化等從而產生微觀的殘余應力。

對于高精度零件來說，內部存在內應力時，由于在長時間使用過程中會發(fā)生應力釋放，導致內應力的變化，必然會伴隨著尺寸和形狀的變化。

4 提高尺寸穩(wěn)定化處理的途徑

尺寸的不穩(wěn)定性其原因在前面已提了是由于零件在外力的作用下產生不均勻的塑性變形，破壞了內部組織的平衡從而產生宏觀殘余應力，而宏觀殘余應力是導致尺寸及形狀不穩(wěn)定的主要因素。另外顯微組織的變化也是導致尺寸及形狀不穩(wěn)定的重要原因，由于顯微組織的變化必然導致比容的變化，比容的變化導致材料體積（即零件尺寸及形狀）發(fā)生變化。在選定零件材料（2A50）的前提下，從二個方面入手來提高尺寸的穩(wěn)定性：

（1）在零件加工過程中適當增加穩(wěn)定化處理，去除加工過程中產生的殘余應力并提高材料顯微組織的穩(wěn)定性。

（2）如何來對材料通過塑性變形及內部原子序列的重新排序來降低和釋放宏觀殘余應力。

為了去除或降低零件中的殘余應力，改善其顯微組織方法較多。但本文介紹冷變形處理來提高尺寸穩(wěn)定性。

所謂冷變形就是工件在再結晶溫度以下通過外力作用產生塑性變形。冷變形按其作用來說有兩種類型的冷變形。第一種類型，對不可強化處理的鋁合金來說，通過冷變形處理也稱為冷作硬化，即：材料在再結晶溫度以下的變形加工，來達到提高材料的綜合機械性能目的。綜合機械性能的高低隨著冷變形量不同而不同。同一種材料在同一溫度下的冷變形，變形量越大則該材料的強度越高，但塑性程度降低[2]。冷變形是不可強化處理的鋁合金，如：1XXX系列和3XXX系列鋁合金主要的強化方式。第二種類型，對可強化處理的鋁合金來說，在毛坯鍛件進行熱處理的過程中間進行一定量的塑性變形（一般在毛坯鍛件進行淬火后）。

按變形時機分為四種：

（1）淬火→冷（溫）變形→終時效;（2）淬火→預時效→冷（溫）變形→終時效;（3）淬火→終時效→冷變形;（4）淬火→自然時效→冷變形→人工時效。

所謂終時效包括自然時效和人工時效。這里只研究（1）淬火→冷（溫）變形→人工時效;材料的冷變形為過渡相的非均勻形核提供了更多的位置，使過渡相分布更加彌散，在提高強度的前提下，還能提高抗應力腐蝕能力。冷變形可以加速材料的時效過程，對改善材料的抗疲勞性能，降低殘余應力有明顯的效果[3]。但變形量的多少是該工藝技術的研究核心，不同材料其冷變形量不同，尺寸穩(wěn)定性的效果也不盡相同。通過冷變形來提高尺寸穩(wěn)定性的材料較多，很難一一進行試驗。變形量過大會提高毛坯表層的殘余拉應力，對消除和降低殘余應力無任何效果或效果不明顯。變形量小無法改善毛坯內部的拉應力，反而對零件的機械性能有一定量的負影響[5]。這里通過對部分專業(yè)廠家的經驗進行分析對2A50鋁合金冷變形量在3%～6%進行試驗研究。

前些年冷變形工藝方法復雜程度和處理成本較高，在應用上不是很廣泛，主要應用于軍工行業(yè)的零部件制造，從而該項工藝得不到深入的研究。近年來國家科技興國戰(zhàn)略的影響，改革創(chuàng)新力的驅動，許多先進的技術和工藝在民用產品的制造領域得到逐步的應用。由于該工藝的良好效果，該方法在民用相關領域中也在應用，而且在積極的探索研究采用該工藝來消除或降低不同可強化處理的鋁合金零件的殘余應力，不斷提高零件的科技含量，提高市場的競爭力。尤其是在國家創(chuàng)導軍民融合，鼓勵企業(yè)積極參與軍工產品的研發(fā)和制造。本課題就是在這樣的一個大環(huán)境下孕育而生。

5 試驗方法

5.1 試驗材料

本文試驗樣件材料要求為2A50-T6（Ⅱ類鍛件GBn223 -84）。

該材料的化學成分及力學性能如表1、2所示。

5.2 試件圖樣及要求

試件的圖樣按加工工序：圖2鍛造毛坯→圖3毛坯粗加工→圖4毛坯半精加工→圖5毛坯精加工。

5.3 試驗方案

試件（圖2）按鍛造工藝路線在尺寸215方向（變形方向一般在面積最大的方向進行），按壓縮變形量3%、4%、5%、6%，分四組每組試件數量為3件進行試件毛坯的制造試驗。然后按試件切削加工工藝路線對毛坯進行加工。通過對切削加工過程中特定的測量點進行測量，得到特定測量點相對位置的變化，評估該試件的變形量對提高尺寸穩(wěn)定性的作用。

6 試驗結果

6.1 試件毛坯的制造工藝路線（單件、小批量）

采用C41-400型空氣錘制胚（毛坯直接進行加熱，加熱溫度475℃/2.5h，保溫5.5h，鍛造溫度475℃～355℃，火次2）→固溶處理（510℃/3h，保溫5h，20℃水淬）→冷變形（1500T油壓機）（通過加限位塊嚴格控制變形量）→人工時效170℃保溫16h（室溫冷卻）。

4組每組3個試件鍛造后呈交付狀態(tài)其縱、橫向力學性能測試結果見表3、表4、表5、表6。

4組共12個試件毛坯的力學性能測試結果符合Ⅱ類鍛件GBn223-84標準。

6.2 試件切削加工工藝路線

試件的粗加工→人工時效170℃保溫16h（室溫冷卻）→試件的半精加工→人工時效170℃保溫16h（室溫冷卻）→試件的精加工→對試件特定尺寸的檢測（檢驗精度0.01mm）。

（1）壓縮變形量3%的3個試件經半精加工完成后12-φ4孔的位置a=178、b=178尺寸檢驗記錄如見表7。（2）壓縮變形量4%、5%、6% 3組試件經半精加工完成后12-φ4孔的位置a=178、b=178尺寸檢驗和壓縮變形量3%試件半精加工檢驗結果基本一致。（3）壓縮變形量為3%、4%、5%、6% 4組試件經精加工完成后12-φ4孔的位置a=178、b=178尺寸變化值基本一致，尺寸a=178變化曲線可以代表尺寸b=178變化曲線，這里畫尺寸a的變化曲線。

7 結語

（1）冷變形工藝對提高2A50-T6Ⅱ類鍛件GBn223-84的尺寸穩(wěn)定性效果明顯。（2）冷變形工藝必須安排在鍛造后的毛坯進行熱處理時，固溶處理與人工時效之間，固溶處理→冷變形→人工時效整個過程必須連續(xù)不間斷完成。（3）壓縮方向必須是壓力方向垂直于最大的平面。（4）壓縮變形量6%的試件其尺寸穩(wěn)定性效果比壓縮變形量5%的要好，但壓縮變形量6%試件的延伸率接近允許值甚至超過允許值，因此綜合認為控制在變形方向總尺寸的5%是最合理的冷變形量。壓縮量必須嚴格控制，壓縮過程：室溫、緩慢、均勻、一次到位。（5）在零件毛坯經冷變形處理后，在后續(xù)的機械加工過程中必須穿插一定數量的恒溫時效去應力處理，消除后續(xù)加工產生新的應力變形。

參考文獻

[1] 周善佑.鋁合金的尺寸穩(wěn)定化處理[J].航空工藝技術，1982（9）：18-19.

[2] 張士林，任頌贊.簡明鋁合金手冊[第2版][M].上海：上?？茖W技術文獻出版社，2006.

[3] 熱處理手冊編委會.熱處理手冊[第二版]（第1卷）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[4] 吳生緒，潘琦俊.變形鋁合金及其模鍛成形技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[5] 王秋成.航空鋁合金殘余應力消除及評估技術研究[J].浙江大學博士論文，2003.