拉拔工藝對(duì)7050鋁合金鉚釘線材組織和性能的影響

劉朝水，姬 森，肖瑞昊，朱 成，王高松，趙志浩

(1.東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學(xué) 材料電磁過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

7050鋁合金是Al-Zn-Mg-Cu系可熱處理強(qiáng)化的超高強(qiáng)度變形鋁合金[1]， 具有高強(qiáng)、高韌、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通等領(lǐng)域，是綜合性能優(yōu)秀的航空航天鋁合金，主要用于制造飛機(jī)主承力構(gòu)件如機(jī)身框、隔板、鉚釘?shù)萚2]。由于該合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好及抗剪切性能好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于制作鉚釘線材(一般直徑不小于3 mm)。該合金主導(dǎo)產(chǎn)品為厚板(通常厚度不小于15 mm)、型材、鍛件和鉚釘線，但線材產(chǎn)量較少、約占 1%[3-5]。

7050鋁合金國內(nèi)雖已試制成功，但尚未形成批量化生產(chǎn)。東北輕合金有限公司郭淑蘭[6]等人對(duì)7050鋁合金線材生產(chǎn)工藝進(jìn)行過研究。王強(qiáng)[7-8]等人研究了不同變形量對(duì)2A10鋁合金線材的組織影響。隨著航空制造業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)鋁合金鉚釘性能提出了更高的要求，鉚釘線材用量必然大幅升高，同時(shí)對(duì)7050鋁合金線材拉拔工藝研究較少，因此對(duì)7050鋁合金拉拔成型工藝的研究具有重要意義[9-10]。本項(xiàng)目采用7050鋁合金擠壓圓桿，經(jīng)退火熱處理后進(jìn)行不同變形量的單道次拉拔，對(duì)7050鋁合金線材組織與性能進(jìn)行研究，確立H13態(tài)的工藝參數(shù)，為7050鋁合金線材的生產(chǎn)和拉拔工藝的進(jìn)一步研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料和過程

1.1 試驗(yàn)材料及拉拔工藝

試驗(yàn)用的材料是φ152 mm的7050鋁合金圓鑄錠，經(jīng)正向擠壓機(jī)擠壓成φ10 mm的圓桿。經(jīng)光譜儀測得圓桿成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用7050鋁合金擠壓圓桿化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 7050 aluminum alloy extruded rod for test(wt/%)

7050鋁合金鉚釘線材H13態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)值要求抗拉強(qiáng)度為235 N/mm2～305 N/mm2。

在拉拔前將圓桿400 ℃±2 ℃退火2 h。其拉拔裝置如圖1所示，拉拔模具放在盤圓收線機(jī)的一側(cè)，將擠壓圓桿軋頭處理后穿過模具固定在盤圓裝置上，將其經(jīng)單道次拉拔成線材。線材的道次變形量參數(shù)如表2所示。變形量按照橫截面面積變化計(jì)算，每種變形量下拉拔3根，試驗(yàn)得到的力學(xué)性能及導(dǎo)電率取其平均值。

1.2 試驗(yàn)檢測方法

對(duì)不同試樣進(jìn)行性能及組織檢測，用線切割法將試樣切割成10 mm長的顯微組織檢測試樣，選取截面用砂紙打磨光滑后，再在機(jī)械拋光機(jī)上使用1.5 μm顆粒度的金剛石研磨膏進(jìn)行粗拋光，最后經(jīng)過SiO2懸浮液精拋光后用OLYMPUS BX53顯微鏡進(jìn)行偏光組織觀察，分析不同拉拔變形量下晶粒分布情況。使用HVS-1000M數(shù)顯顯微硬度計(jì)記錄硬度數(shù)據(jù)，載荷為49 N，加載時(shí)間為10 s；切取力學(xué)性能檢測試樣，使用龍門式微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)CMT5105測量力學(xué)性能。拉伸試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010要求規(guī)定加工，每個(gè)條件下取3個(gè)試樣的平均值作為其結(jié)果。

圖1 拉拔裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a drawing device

表2 7050鋁合金單道次拉拔變形量Table 2 Deformation of 7050 aluminum alloy in single pass drawing

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 7050鋁合金線材拉拔時(shí)出現(xiàn)的斷裂情況

在線材拉拔過程中，當(dāng)變形量過大時(shí)線材會(huì)發(fā)生斷裂，如圖2所示。這是由于在拉拔過程中，拉拔力直接作用于模具出口到拉拔機(jī)夾頭的這一段線材上，在實(shí)際的加工過程中線材是否斷裂，主要取決于線材在通過?？讜r(shí)本身的強(qiáng)度與實(shí)現(xiàn)拉拔所需要的強(qiáng)度的相對(duì)大小。

圖2所示為拉拔過程中線材斷裂在夾頭處的情況；圖2中Ⅰ所示為未經(jīng)過退火直接拉拔的斷口，在實(shí)際拉拔過程中未經(jīng)退火的桿材難以直接拉拔成形；圖2中Ⅱ所示的是在模具工作變形區(qū)線材斷裂的斷口，可以判斷這是由于道次變形量過大，線材在通過模具工作區(qū)變形時(shí)強(qiáng)度低于線材牽引處的強(qiáng)度導(dǎo)致線材被拉斷；圖2中Ⅲ所示的是在拉拔過程中的斷口，這可能是由于在線材表面存在劃傷等缺陷造成某處應(yīng)力集中，在該位置容易被拉斷。

圖2 拉拔過程中斷裂的線材實(shí)物圖Fig.2 Physical drawing of broken wire in drawing process

在超過43%變形量后，進(jìn)行拉拔試驗(yàn)時(shí)線材頻繁被拉斷，在本試驗(yàn)條件下可以確定線材的最大單道次變形量為43%，進(jìn)行拉拔時(shí)均不應(yīng)該超過該變形量。

2.2 不同拉拔變形量對(duì)7050鋁合金微觀組織的影響

圖3是7050鋁合金線材經(jīng)過不同拉拔變形量單道次拉拔后縱截面的偏光組織，經(jīng)過拉拔變形后，在縱截面沿?cái)D壓方向變成了纖維狀的變形組織。隨著拉拔變形量的增加，并不是發(fā)生再結(jié)晶纖維狀組織間距變小，而是變形組織變得更加纖細(xì)扁平。

圖4所示是不同狀態(tài)下試樣斷口的SEM分析。圖4a是擠壓桿未退火直接拉拔斷裂的斷口，可以看到微觀形貌上有河流花紋狀的脊線，未觀察到有韌窩存在。結(jié)合該直徑下擠壓桿未經(jīng)過退火伸長率較小，判斷屬于脆性斷裂。這是由于擠壓狀態(tài)圓桿強(qiáng)度高、塑性低，變形性能差，不能直接用于拉拔。圖4b擠壓桿退火后拉拔變形量10%線材的拉伸性能試樣斷口，可以觀察到微觀形貌上存在大量韌窩，且韌窩形狀較深，屬于典型的韌性斷裂；說明在退火狀態(tài)下材料的變形性能良好。圖4c是圓桿經(jīng)過退火后43%變形量拉拔線材的拉伸試樣斷口，在微觀形貌上發(fā)現(xiàn)存在韌窩但尺寸較淺且數(shù)量較少，而且存在部分瀑布狀脊線，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)情況可以判斷為脆性斷裂為主的斷裂。這是由于在經(jīng)過43%變形量拉拔后，線材已經(jīng)達(dá)到變形極限，難以繼續(xù)進(jìn)行拉拔。

圖3 不同變形量單道次拉拔的7050鋁合金線材金相偏光組織Fig.3 Metallographic polarized structure of 7050 aluminum alloy in single pass drawing with different deformation amounts

圖4 不同狀態(tài)下7050鋁合金試樣拉伸斷口微觀形貌Fig.4 Micro morphologies of fracture surface of 7050 aluminum alloy sample under different conditions

2.3 不同拉拔變形量對(duì)7050鋁合金性能的影響

經(jīng)檢測得知7050鋁合金圓桿退火后的抗拉強(qiáng)度229 N/mm2，屈服強(qiáng)度170 N/mm2，伸長率18%，顯微硬度64 HV。將不同拉拔變形量的線材力學(xué)性能和導(dǎo)電率測試結(jié)果繪制成曲線，如圖5所示。

圖5 不同拉拔變形量的7050鋁合金線材的力學(xué)性能及導(dǎo)電率Fig.5 Mechanical properties and electrical conductivity of 7050 aluminum alloy wires under different drawing deformations

擠壓桿經(jīng)過退火熱處理后進(jìn)行拉拔，可以看出隨著拉拔變形量由0%增加至43%，7050鋁合金線材的抗拉強(qiáng)度由229 N/mm2逐漸增加至345 N/mm2，屈服強(qiáng)度由170 N/mm2逐漸上升至328 N/mm2。線材的伸長率的變化趨勢與強(qiáng)度的相反，隨著拉拔變形量由0增加至43%，伸長率由18%降低至5%。繼續(xù)增大變形量進(jìn)行冷拉拔時(shí)，線材極易被拉斷，因此7050鋁合金400 ℃退火時(shí)單道次拉拔極限變形量為43%左右。這是由于拉拔過程使粗大的第二相破碎，晶粒沿拉拔方向變形更加細(xì)化呈現(xiàn)出明顯的纖維組織；同時(shí)由于拉拔過程中產(chǎn)生了高密度的位錯(cuò)，使得線材的力學(xué)性能提高[11-14]。由于細(xì)晶強(qiáng)化及加工硬化的雙重作用，隨著拉拔道次變形量的增加強(qiáng)度性能大幅提高。拉拔變形量20%左右的線材的抗拉強(qiáng)度為265 N/mm2左右，能滿足7050鋁合金H13態(tài)鉚釘線材的標(biāo)準(zhǔn)要求。

線材的顯微硬度的變化趨勢與強(qiáng)度的變化趨勢相同。從圖5b中可以看出，顯微硬度由退火態(tài)擠壓桿的64 HV增加至43%拉拔變形量時(shí)為115 HV,在拉拔過程中隨著變形量的增加表現(xiàn)為典型的加工硬化。由圖5c可知7050鋁合金線材在0%變形量即擠壓桿經(jīng)過退火熱處理后的導(dǎo)電率最高，達(dá)到31%IACS，隨著拉拔變形量增加，導(dǎo)電率逐漸下降，并在接近極限道次變形量時(shí)逐漸趨于平穩(wěn)。這是由于拉拔過程屬于塑性變形過程，因此在金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的晶體缺陷，如空位、位錯(cuò)等，這些缺陷引起的點(diǎn)陣畸變?cè)斐呻娮由⑸?，?dǎo)致導(dǎo)電率下降。在冷拉拔過程中隨著道次變形量的增加，在晶粒間隙及其內(nèi)部產(chǎn)生微觀裂紋、空位和點(diǎn)陣缺陷等晶體缺陷逐漸增加，特別是晶粒纖維組織逐漸細(xì)化，從而使電阻率升高，導(dǎo)致導(dǎo)電率下降。

3 結(jié) 論

試驗(yàn)研究了7050鋁合金拉拔過程中不同變形量單道次拉拔對(duì)合金組織與性能的影響，主要結(jié)論如下：

1)在冷拉拔塑性變形過程中，由于加工硬化作用，7050鋁合金線材的力學(xué)強(qiáng)度性能逐漸增加，同時(shí)由于晶粒內(nèi)部存在空位、位錯(cuò)等缺陷的原因，導(dǎo)電率逐漸降低，導(dǎo)電率由30%IACS下降至17.3%IACS。

2)7050鋁合金擠壓圓桿經(jīng)400 ℃退火熱處理后，單道次拉拔極限變形量為43%左右，并且隨著拉拔變形量的增加，晶粒變?yōu)槔w維狀。

3)在本試驗(yàn)條件下，7050鋁合金擠壓圓桿400 ℃±2 ℃退火2 h，以20%變形量拉拔后，線材抗拉強(qiáng)度為265 N/mm2，該工藝可優(yōu)先作為該合金H13態(tài)鉚釘線材的生產(chǎn)方案。