2A12鋁合金板材熱處理常見缺陷

崔超群，朱海磊，黃紅武，黃天勇，毛 喆

(1.空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州 450005； 2.航空工業(yè)鄭飛公司，河南 鄭州 450005)

采用2A12鋁合金板材制成鈑金制件，板材厚度為0.5～3 mm，供應(yīng)狀態(tài)為退火，在彎曲成型后進(jìn)行固溶、時(shí)效熱處理，對(duì)于2A12鋁合金的固溶處理習(xí)慣上也稱之為淬火。在生產(chǎn)實(shí)際中，常因各種原因造成制件熱處理后不合格，嚴(yán)重時(shí)還出現(xiàn)制件報(bào)廢。本文對(duì)2A12鋁合金板材熱處理常見缺陷進(jìn)行了總結(jié)。

1 材料成分及特性

1.1 化學(xué)成分

2A12鋁合金板材成分符合GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)》，具體見表1。

表1 2A12鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 2A12 aluminumalloys(mass fraction，%)

1.2 材料特性

2A12鋁合金板材為Al-Cu-Mg系中典型的硬鋁合金，原牌號(hào)為LY12。該合金具有良好的塑性成形能力和機(jī)械加工性能，能夠獲得各種類型的制品，是航空工業(yè)中使用最廣泛的鋁合金之一[1]。因2A12存在含銅的固溶體和CuAl2相電極電位較高，當(dāng)發(fā)生不均勻沉淀時(shí)，晶間四周出現(xiàn)含銅較低的貧化帶與含銅較高的晶粒中心形成電位差，易發(fā)生晶間腐蝕。為此，2A12的板材兩面均用純度大于99.5%的純鋁包裹，因純鋁電位低于基體，可起到陽極保護(hù)的作用。熱處理制度一般為固溶+時(shí)效，對(duì)于工作溫度超過150 ℃的制件，為保證使用期間組織和性能的穩(wěn)定性而采取人工時(shí)效的方式，其余都在自然時(shí)效的狀態(tài)下應(yīng)用。本研究中鈑金制件均采用自然時(shí)效的方式進(jìn)行，時(shí)效后對(duì)隨爐的拉伸試樣進(jìn)行檢測，要求σb≥390 MPa，金相組織檢測無過燒現(xiàn)象。因熱處理固溶后2 h內(nèi)材料能保持良好的塑形，熱處理固溶后制件存在變形情況，一般固溶后立即進(jìn)行校正，待自然時(shí)效96 h后再對(duì)拉伸試樣進(jìn)行強(qiáng)度和金相組織的檢測。

2 常見缺陷

2.1 過燒

過燒是2A12最常見、危害最大的缺陷，輕微過燒從制件表面看不出來，嚴(yán)重過燒會(huì)導(dǎo)致制件出現(xiàn)起泡、開裂現(xiàn)象。實(shí)際生產(chǎn)中通過金相組織判斷2A12固溶后是否發(fā)生過燒，HB 5201—82《變形鋁合金過燒金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》將過燒的金相組織分為四種特征：共晶復(fù)熔球、晶界的局部復(fù)熔加粗、復(fù)熔三角晶界和相界面的復(fù)熔。這四種特征表示過燒的程度不斷加大，從輕微過燒到嚴(yán)重過燒，2A12鋁合金最常出現(xiàn)的是前三種過燒特征。

過燒是低熔點(diǎn)共晶融化的表現(xiàn)，2A12鋁合金主要有兩種共晶，即二元共晶α(Al)+CuAl2和三元共晶α(Al)+CuAl2+Al2CuMg(S相)，二元共晶的熔點(diǎn)為548 ℃，三元共晶的熔點(diǎn)為507 ℃。因此， 2A12的過燒溫度一般為507 ℃。導(dǎo)致過燒的原因一般有以下幾種。

2.1.1儀表控溫系統(tǒng)故障

2A12熱處理要求選用的設(shè)備為I類爐，即爐溫均勻性為±3 ℃，正常情況下不會(huì)達(dá)到熔點(diǎn)，但若儀表控溫系統(tǒng)出現(xiàn)問題，造成爐膛實(shí)際溫度比儀表顯示溫度高，或者因熱電偶及儀表故障造成溫度失控引起“跑溫”，將造成2A12固溶時(shí)發(fā)生過燒。

2.1.2材料元素含量

鋁合金的主要成分和雜質(zhì)元素含量都有一個(gè)允許的波動(dòng)范圍，不同批次的2A12板材，因冶煉工藝的差異，實(shí)際過燒溫度仍有波動(dòng)。在生產(chǎn)中，曾出現(xiàn)一批2A12制件熱處理后出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，對(duì)儀表控制精度、爐溫均勻性進(jìn)行檢測，均符合要求，操作者設(shè)定的溫度為503 ℃，儀表監(jiān)測最高點(diǎn)達(dá)到了505 ℃，正常情況不會(huì)發(fā)生過燒現(xiàn)象。為此，對(duì)該批材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，該批2A12制作中Cu含量為4.8%，Mg含量為1.7%，均為含量的上限。銅、鎂元素含量處于上限時(shí)，形成的三元共晶的數(shù)量多，降低了該批2A12制作的過燒溫度。

2.1.3制件表面污染

制件表面存在低熔點(diǎn)的物質(zhì)，該物質(zhì)熔化后粘附在制件表面，會(huì)加大制件的過燒傾向。如制件表面有油污，或者用鍍鋅鐵絲綁扎2A12進(jìn)行淬火，固溶過程中，由于油污揮發(fā)、鍍鋅層熔化不僅會(huì)污染制件的包鋁層，還會(huì)引發(fā)過燒。

2.2 強(qiáng)度不足

一般通過對(duì)隨爐試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，來判定2A12固溶時(shí)效后強(qiáng)度是否滿足σb≥390 MPa的要求，造成強(qiáng)度過低一般是以下原因。

2.2.1固溶溫度低

標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 5125《變形鋁合金熱處理》中規(guī)定2A12鋁合金薄板固溶溫度為495～503 ℃，標(biāo)準(zhǔn)GJB 1694—93《變形鋁合金熱處理規(guī)范》規(guī)定2A12固溶溫度490～500 ℃，并注明板材可采用492～502 ℃。固溶溫度越高，合金元素溶入晶格越充分，后期自然時(shí)效過程中，強(qiáng)化效果越高。有時(shí)為防止過燒，采取下限溫度，常會(huì)造成固溶時(shí)效后強(qiáng)度低的問題。

2.2.2固溶保溫時(shí)間短

一般2A12板材在井式電爐中固溶的保溫時(shí)間大約按10 min/mm計(jì)算，比一般的鋼件淬火的保溫時(shí)間長。實(shí)際工作中，曾出現(xiàn)工藝人員對(duì)2A12板材進(jìn)行固溶處理時(shí)，按鋼件淬火的保溫時(shí)間計(jì)算，3 mm厚2A12板材，規(guī)定保溫時(shí)間僅15 min，造成制件固溶時(shí)效后σb為280 MPa。發(fā)現(xiàn)此問題后，修訂工藝文件，對(duì)制件重新進(jìn)行固溶處理，σb為405 MPa。

2.2.3冷卻速度慢

根據(jù)鋁合金的等溫分解曲線，“鼻子”溫度一般在300～400 ℃之間，在此溫度范圍內(nèi)應(yīng)保持足夠的冷卻速度[2]。在生產(chǎn)中采用水作為固溶后的冷卻介質(zhì)。造成冷卻速度慢主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)移速度慢和水溫過高。工件從爐門開始打開到工件最后一角浸入水中的時(shí)間為轉(zhuǎn)移時(shí)間。當(dāng)轉(zhuǎn)移過程較長或冷卻水溫過高，會(huì)導(dǎo)致固溶體發(fā)生部分分解，從而降低時(shí)效強(qiáng)化效果，造成強(qiáng)度不足。

2.3 變形過大

造成2A12鋁合金板材固溶后變形過大主要有兩個(gè)原因：一是裝爐時(shí)互相堆積，在加熱時(shí)制件間相互擠壓造成變形；二是2A12鋁合金板材采用水冷淬火產(chǎn)生變形。生產(chǎn)中常利用固溶2 h內(nèi)2A12可保持良好塑形的特點(diǎn)，水冷后立即進(jìn)行校正。這種方法對(duì)形狀簡單的鋁合金板材十分適用，但對(duì)于形狀復(fù)雜的薄板制件，常會(huì)因水冷淬火變形過大而難以校正。

3 控制措施

3.1 工藝文件的控制

工藝文件應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行編制、校對(duì)、審簽等流程，并制定相應(yīng)的職責(zé)和權(quán)限，保證工藝規(guī)程編制正確[3]。防止工藝人員因工藝參數(shù)編制錯(cuò)誤而導(dǎo)致制件熱處理不合格。在選擇2A12板材固溶溫度時(shí)，既要防止制件過燒報(bào)廢，又要兼顧固溶充分能起到時(shí)效強(qiáng)化的效果，最好選用范圍控制在495～500 ℃之間，在生產(chǎn)操作時(shí)，設(shè)定溫度在497 ℃。

3.2設(shè)備控制

對(duì)于鋁合金淬火爐，應(yīng)選用I類井式電爐，還應(yīng)采用“雙聯(lián)溫度系統(tǒng)”，即爐內(nèi)配置兩支熱電偶，一支熱電偶安裝在有效加熱區(qū)內(nèi)，連接溫度記錄儀，以便準(zhǔn)確反映加熱時(shí)間情況；另一支熱電偶接控溫儀表，進(jìn)行爐子溫度的自動(dòng)控制。并將其中一支熱電偶并聯(lián)溫度報(bào)警裝置，將溫度報(bào)警值設(shè)定為505 ℃，若溫度超過505 ℃時(shí)，自動(dòng)報(bào)警并切斷電源。

鑒于2A12過燒溫度與淬火溫度比較接近，生產(chǎn)中最好使用專用設(shè)備進(jìn)行固溶處理，保證設(shè)備的校檢和使用都在同一溫度下，減少了檢定誤差，同時(shí)也避免設(shè)備因在不同溫度下使用而導(dǎo)致控溫儀表在2A12固溶溫度時(shí)出現(xiàn)偏差。

3.3 生產(chǎn)過程控制

規(guī)范操作步驟，加強(qiáng)日常監(jiān)督[4]，通過強(qiáng)化過程控制有效保證2A12板材固溶處理質(zhì)量，應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

1)在進(jìn)行2A12板材固溶處理前，應(yīng)確定設(shè)備按規(guī)定進(jìn)行了爐溫均勻性檢測；同時(shí)在每天工作的第一爐先選取試樣進(jìn)行，對(duì)試樣固溶后立即進(jìn)行金相檢查，經(jīng)檢測無過燒后再進(jìn)行零件的批量處理。

2)加強(qiáng)2A12板材入爐前的質(zhì)量控制，要求使用汽油清洗制件表面油污，并且對(duì)需要綁扎的制件，采用鋁絲綁扎，嚴(yán)禁使用銅絲和鐵絲。

3)工件與框架、夾具或間隔物應(yīng)成點(diǎn)或線接觸，不允許有面接觸[5]。零件之間應(yīng)保持一定間距，保證加熱時(shí)爐內(nèi)空氣和冷卻水可在各工件之間自由循環(huán)流動(dòng)。

4)控制出爐的轉(zhuǎn)移速度，在開爐門和轉(zhuǎn)移過程中，避免在過程中出現(xiàn)停留。一般2A12板材的轉(zhuǎn)移時(shí)間控制在15 s以內(nèi)。

5)控制水溫在10～30℃，在零件入水后開啟水龍頭進(jìn)行補(bǔ)水，避免零件入水后溫度上升過高而影響固溶質(zhì)量。

3.4 不合格品的處置

對(duì)于不合格2A12板材的處理，應(yīng)針對(duì)不同不合格現(xiàn)象進(jìn)行不同處置。

1)一般對(duì)于出現(xiàn)過燒組織的鋁合金制件都按報(bào)廢處理，但對(duì)于2A12板材來說，HB 5201—82《變形鋁合金過燒金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中4.2條規(guī)定：“LY12合金薄板淬火后組織中僅有共晶復(fù)熔球不作為報(bào)廢的依據(jù)”。2A12板材僅出現(xiàn)共晶復(fù)熔球?qū)ζ鋸?qiáng)度影響不大，只是抗腐蝕性下降，當(dāng)出現(xiàn)此類情況時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件在產(chǎn)品中的使用情況，結(jié)合后期是否進(jìn)行氧化、噴漆等表面防護(hù)措施，決定該批制件能否使用。

2)對(duì)于固溶時(shí)效后出現(xiàn)強(qiáng)度不夠的2A12板材，應(yīng)分析造成該問題的原因，是固溶溫度低還是轉(zhuǎn)移時(shí)間長、水溫高等原因，并針對(duì)分析的原因，制定控制措施，重新進(jìn)行固溶、自然時(shí)效處理。

3)對(duì)于變形過大的制件，因已經(jīng)自然時(shí)效而強(qiáng)化，校正困難，需對(duì)制件完全退火后再進(jìn)行校正。退火規(guī)范為350～410 ℃，保溫1～3 h，以每小時(shí)不大于30 ℃的冷卻速度隨爐冷至260 ℃以下出爐空冷，經(jīng)完全退火后的2A12塑形強(qiáng)，便于校正。校正后可重新進(jìn)行固溶、自然時(shí)效處理。但在重新固溶前，應(yīng)分析上次造成制件變形大的原因，若是因零件堆積加熱造成的，返修時(shí)因保證零件在爐內(nèi)均勻擺放，相互之間有一定間距。若因制件自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致固溶水冷后易變形，可通過設(shè)計(jì)專用夾具來控制變形，也可采用聚合物淬火介質(zhì)代替水冷卻。

4 結(jié)語

2A12板材的熱處理操作看似簡單，但在生產(chǎn)過程中稍不注意就會(huì)造成制件整批報(bào)廢，需要嚴(yán)格按照工藝規(guī)范保證2A12板材熱處理質(zhì)量長期穩(wěn)定可靠。