2014-T6鋁合金擠壓棒材工藝研究

周京輝，萬 里，楊 榮

（佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司，佛山528133）

0 前言

2×××系鋁合金是以Cu 為主要合金元素的鋁合金，屬熱處理可強化鋁合金[1]。2014鋁合金屬Al-Cu-Mg-Si系鋁合金，其強度高，鍛造性能、可焊性良好，是航空航天工業(yè)、鉆具制造工業(yè)所需要的重要材料[2]。該合金經(jīng)淬火、預(yù)拉伸、時效等工藝處理后，殘余應(yīng)力顯著降低，合金強度大幅提高，綜合性能優(yōu)異[3-4]。汪凌云[5]采用正交法獲得2014鋁合金最佳熱處理工藝制度，使抗拉強度與屈服強度分別達到490MPa、500MPa。

我公司某客戶要求提供高性能2014-T6擠壓棒材，要求其抗拉強度大于550MPa，屈服強度大于500MPa，斷后伸長率大于8%。故本文對2014鋁合金進行研究，以期找到2014鋁合金擠壓棒材性能與組織的變化規(guī)律，生產(chǎn)出能滿足客戶性能要求的擠壓棒材。

1 試驗過程及方法

1.1 熔煉、鑄造及均勻化處理

按照如下成分配置2014合金：Al-4.0Cu-0.90Si-0.80Mn-0. 60Mg（質(zhì)量分數(shù)，%），其中，Cu、Si、Mn 分別以中間合金形式加入。熔煉溫度為730～750℃，使用氬氣精煉，靜置10～15min。熔煉過程中要求成分均勻，除氣去渣徹底，然后用雙喂絲機加Al-5Ti-1B絲細化劑進行晶粒細化。鑄造溫度為（740±5） ℃，鑄造速度為85～90mm/min，水壓0.15～0.20MPa，采用熱頂半連續(xù)工藝鑄造出φ178mm圓鑄錠。鑄錠經(jīng)480℃×12h均勻化處理后，進行水霧冷卻。

1.2 熱擠壓

選用1800t擠壓機進行擠壓，擠壓前鑄錠和模具的預(yù)熱溫度為420～450℃，擠壓棒材直徑為38mm，擠壓系數(shù)為22，擠壓速度為0.5m/min。從其中取2支300mm擠壓態(tài)試樣，編號1-1#和1-2#。

1.3 固溶淬火

將棒材打孔，置于7m 立式淬火爐內(nèi)，以502℃保溫2h固溶，然后在10s內(nèi)吊入常溫水池內(nèi)淬火，淬火后4h內(nèi)矯直拉伸。從其中取2支300mm固溶淬火態(tài)長試樣，編號2-1#和2-2#。再取22個200mm 長的試樣，分為A、B、C 共3組，分別編號為A1～A8（2-2#為A7），B1～B8和C1～C6。

1.4 時效及制樣

將1-2#、2-2#試樣進行160℃×18h 時效處理。另外將A、B、C三組試樣按表1所示時效制度進行處理。

用數(shù)顯小負荷布氏硬度計HBS-62.5檢測1-1#、1-2#、2-1#、2-2#試樣的布氏硬度，然后按照GB/T 16865-2013制取圓形拉伸試樣，用電子萬能試驗機CMT5105進行拉伸試驗，其試驗數(shù)據(jù)見表2。沿擠壓方向在1-1#、1-2#、2-1#、2-2#試樣橫截面中心取15mm×15mm 方形試樣做SEM 分析，分析結(jié)果見圖1。SEM分析后，用腐蝕液腐蝕試樣，并觀察其金相組織，結(jié)果如圖2所示。

表1 時效制度

將A、B、C 三組時效棒材按照GB/T 16865-2013制取圓形拉伸試樣，用電子萬能試驗機CMT5105進行拉伸試驗，其結(jié)果見表3。

2 試驗結(jié)果與分析

表2是擠壓態(tài)、不固溶直接時效態(tài)、固溶淬火不時效態(tài)和固溶淬火后時效態(tài)4種狀態(tài)的拉伸試驗數(shù)據(jù)。圖1是上述4種狀態(tài)的SEM 圖，而圖2為上述4種狀態(tài)的金相圖。

表2 4種不同狀態(tài)的硬度數(shù)值及拉伸試驗數(shù)據(jù)

由表2可知，固溶淬火后再時效，力學性能可大大提高。與所有可熱處理強化的合金一樣，2014鋁合金固溶、時效經(jīng)歷由過飽和固溶體→GP 區(qū)→過渡相→平衡相的過程。2014鋁合金的主要合金相為W 相（Cu4Mg5Si4Al）、θ相（CuAl2）和β相（Mg2Si），而雜質(zhì)相（（FeMnSi）Al6）通常為較大尺寸的點狀或塊狀[6]。比較圖1、圖2可知，固溶淬火狀態(tài)中的第二相少于無固溶淬火狀態(tài)，因合金元素溶入基體更充分，使基體金屬的位錯密度增加，晶格發(fā)生畸變。同時合金元素還會改變固溶體的彈性系數(shù)、擴散系數(shù)、內(nèi)聚力和原子排列缺陷，使位錯線變彎，位錯運動阻力增加，引起材料強化。淬火再時效又進一步使合金元素溶入基體，使材料強化。而不固溶直接時效狀態(tài)比擠壓態(tài)更軟，是因為合金元素沒有進一步溶入基體，反而使第二相進一步長大造成，使合金軟化。

表3 不同時效工藝下的力學性能

將2014-T4擠壓棒材在502℃溫度下固溶2h后常溫水淬，然后分別在160℃、180℃、200℃溫度下時效2～20h，之后對其進行拉伸試驗，以測試不同時效制度對棒材力學性能的影響。檢測結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，A組的力學性能整體優(yōu)于B 組、C 組，說明2014鋁合金合適的時效溫度為160℃，且時效溫度對性能的影響要大于時效時間的影響。A組力學性能最佳的時效制度為160℃×12h，此時棒材的抗拉強度、屈服強度和斷后延伸率分別達564MPa、515MPa和10.5%。

3 結(jié)論

（1）與擠壓狀態(tài)相比，2014鋁合金經(jīng)502℃固溶淬火時效后，其布氏硬度、抗拉強度和屈服強度分別提高了67%、43%和140%，而斷后伸長率反而減少了9%。

（2）2014鋁合金棒材較佳的時效工藝制度為160℃×12h，其抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2和斷后延伸率可以分別達到564MPa、515MPa 和10.5%。