熱處理制度對(duì)鋁合金管材機(jī)械性能的影響分析

張紅香

甘谷縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校 甘肅天水 741200

1 分析背景

鋁合金是在純鋁的基礎(chǔ)上加入適量的硅、銅、鎂、錳等合金元素形成的金屬制品,由于強(qiáng)度高、密度小、耐蝕性好,因此應(yīng)用極為廣泛,可以作為航空、航天、汽車、交通等行業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料,制造商用車輛、鐵路結(jié)構(gòu)、船舶、機(jī)械零件等[1]。隨著裝備制造業(yè)技術(shù)的飛速變革與發(fā)展,鋁合金的使用性能要求越來越高。為滿足使用要求,鋁合金生產(chǎn)工藝必須更加精準(zhǔn)。鋁合金可分為熱處理不可強(qiáng)化鋁合金和熱處理可強(qiáng)化鋁合金。熱處理不可強(qiáng)化鋁合金不能通過熱處理的方法顯著提高力學(xué)性能,固溶體成分不隨溫度而變化,不能借助于固溶處理強(qiáng)化,但可采用滾壓、噴丸等冷作硬化加工方法來提高機(jī)械強(qiáng)度。熱處理可強(qiáng)化鋁合金通過采用淬火、時(shí)效等技術(shù)工藝方法來提高機(jī)械性能,這種方法在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用[2-4]。鍛鋁是鋁銅鎂硅系合金,以6082鋁合金管材為例,這是一種熱處理可強(qiáng)化鋁合金,強(qiáng)化相為Mg2Si,淬火后一般進(jìn)行人工時(shí)效,具有良好的工藝性能,塑性高,強(qiáng)度中等,耐腐蝕性好,鍛造性較好,主要用于制造航空儀表工業(yè)中形狀復(fù)雜、強(qiáng)度要求較高的鍛件[5-7]。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),滿足一定技術(shù)條件下會(huì)出現(xiàn)同一批材料強(qiáng)度高的硬度不一定高,強(qiáng)度低的硬度反而高的問題。為此,筆者對(duì)鋁合金管材在不同熱處理制度下的強(qiáng)度與硬度之間的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比,總結(jié)出一套強(qiáng)度與硬度相對(duì)應(yīng)的熱處理制度,以提高產(chǎn)品的強(qiáng)度、硬度、延伸率等機(jī)械性能,更好地滿足客戶的使用要求。

2 試驗(yàn)方法

對(duì)φ55 mm×6 mm、φ42 mm×4 mm兩種規(guī)格的6082鋁合金管材利用鋸床、車床、銑床等加工設(shè)備按照GB/T 16865—2013 《變形鋁、鎂及其合金加工制品 拉伸試驗(yàn)用試樣及方法》制取試樣[8],在520 ℃、40 min和535 ℃、40 min下分別進(jìn)行淬火,按180 ℃和12 h、24 h進(jìn)行人工時(shí)效,對(duì)淬火、時(shí)效的試樣按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫力學(xué)性能試驗(yàn),硬度試驗(yàn)則按GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》進(jìn)行。通過以上兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)與530 ℃、40 min淬火,160 ℃和12 h人工時(shí)效數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,確認(rèn)合適的熱處理制度,以制訂出根據(jù)不同需要而采用的不同熱處理工制度。

3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)所需設(shè)備主要有熱處理設(shè)備、硬度試驗(yàn)設(shè)備、拉力試驗(yàn)設(shè)備等。熱處理設(shè)備采用 GY-30坩堝式鹽浴爐,該爐為電阻爐升溫加熱,加熱保溫介質(zhì)是硝鹽,按65%NaNO3、35%KNO3配制,具有升溫快、溫度誤差小、加熱均勻的優(yōu)點(diǎn)。人工時(shí)效所使用的設(shè)備是We-101電熱鼓風(fēng)干燥箱,溫度誤差為±1 K。硬度試驗(yàn)采用OM150萬能硬度計(jì)進(jìn)行,拉力試驗(yàn)采用100KN-2-5T拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

試驗(yàn)時(shí),選擇合金狀態(tài)為6082T6,規(guī)格為φ42 mm×4 mm、φ55 mm×6 mm的鋁合金管材,化學(xué)成分根據(jù)GB/T 3190—2020《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》配制,化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1 6082鋁合金化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

6082鋁合金在520 ℃、40 min淬火,按160 ℃、12 h人工時(shí)效的機(jī)械性能見表2。

表2 6082鋁合金機(jī)械性能

4 試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)規(guī)格為φ55 mm×6 mm、φ42 mm×4 mm的6082鋁合金管材,采用現(xiàn)有熱處理制度,即淬火制度530 ℃±3 K、40 min,時(shí)效制度160 ℃±5 K、12 h,以及采用520 ℃、40 min和535 ℃、40 min淬火,按180 ℃和12 h、24 h時(shí)效,所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 6082鋁合金試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將規(guī)格為φ55 mm×6 mm的30個(gè)試樣按照熱處理制度分成三組。第一組試樣為1～10號(hào),520 ℃、40 min淬火、按180 ℃、12 h進(jìn)行人工時(shí)效。第二組試樣為11～20號(hào),530 ℃、40 min淬火,按160 ℃、12 h進(jìn)行人工時(shí)效。第三組試樣為21～30號(hào),535 ℃、40 min淬火,按180 ℃、24 h進(jìn)行人工時(shí)效。試樣硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度依次如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 試樣硬度

圖2 試樣抗拉強(qiáng)度

圖3 試樣屈服強(qiáng)度

5 試驗(yàn)分析

從表3中可以看出,在不同熱處理制度下,規(guī)格為φ55 mm×6 mm、φ42 mm×4 mm的6082鋁合金管材的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度都不相同。1～10號(hào)試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均不符合要求,只有延伸率符合要求。11～20號(hào)試樣在530 ℃淬火,160 ℃保溫12 h人工時(shí)效下,硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均符合要求,但是抗拉強(qiáng)度高的硬度不一定高,兩者之間沒有形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。34～36號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度高的硬度不一定高,從材料性能來說,此時(shí)的熱處理制度沒有達(dá)到最好的效果。21～30號(hào)試樣在535 ℃淬火,180 ℃保溫24 h人工時(shí)效下,硬度隨著抗拉強(qiáng)度提高而增大,并且硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率都呈對(duì)應(yīng)關(guān)系,符合一般的理論規(guī)律。37、38號(hào)試樣同樣符合以上規(guī)律,并且滿足使用要求,因而得出此時(shí)的熱處理制度是比較合適的。

從圖1中可以看出,三條硬度曲線中,21～30號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的數(shù)值整體較高,走向平緩,說明硬度相差不大。1～10號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的數(shù)值最低,走向曲折,最大值和最小值相差較大,說明硬度不穩(wěn)定。從圖2中可以看出,三條抗拉強(qiáng)度曲線中,21～30號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的數(shù)值整體較高,走向平緩,1～10號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的數(shù)值整體最低。從圖3中可以看出,三條屈服強(qiáng)度曲線中,21～30號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的數(shù)值整體較高,走向平緩,1～10號(hào)試樣對(duì)應(yīng)的數(shù)值整體最低。將圖1、圖2、圖3結(jié)合起來分析,會(huì)發(fā)現(xiàn)21～30號(hào)試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度在三組試樣中數(shù)值最高,曲線的走向趨勢(shì)基本一致。

也就是說,硬度高的力學(xué)性能指標(biāo)也高,主要原因是強(qiáng)化相Mg2Si相細(xì)小且均勻,已經(jīng)充分固溶,使機(jī)械性能較高。1～10號(hào)試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度在三組試樣中數(shù)值最低,曲線走向沒有一一對(duì)應(yīng),原因是合金中Mg2Si相粗大,沒有完全溶入基體,起不到應(yīng)有的強(qiáng)化作用,導(dǎo)致合金強(qiáng)度較低[8-9]。11～20號(hào)試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度數(shù)值居中,曲線走向不一致,即抗拉強(qiáng)度與硬度不成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

6 結(jié)束語

從試驗(yàn)分析可以看出,6082鋁合金管材在不同的熱處理狀態(tài)下,力學(xué)性能與硬度都有所變化,變化趨勢(shì)大致相同。為了保證6082鋁合金管材經(jīng)過熱處理后發(fā)揮出最佳性能,在535 ℃、40 min進(jìn)行淬火,之后采用180 ℃保溫24 h人工時(shí)效,可以提高材料的力學(xué)性能,并且隨著抗拉強(qiáng)度提高硬度也增大。要求不高的情況下,在530 ℃、40 min進(jìn)行淬火,采用160 ℃±5 K保溫12 h人工時(shí)效,材料的機(jī)械性能比較好,可以滿足用戶的需求。當(dāng)然,在實(shí)際生產(chǎn)中,淬火溫度不能太高。淬火溫度過高,會(huì)產(chǎn)生過燒缺陷或者加熱不均勻,使制品淬火內(nèi)應(yīng)力較大,在淬火過程中有時(shí)會(huì)開裂,導(dǎo)致淬火裂紋較易出現(xiàn)[11]。保溫時(shí)間不能太長(zhǎng),一般選擇40 min。如果延長(zhǎng)保溫時(shí)間,會(huì)使晶粒粗大,使機(jī)械性能變差。當(dāng)淬火溫度為535 ℃,保溫時(shí)間為40 min時(shí),機(jī)械性能趨于穩(wěn)定且良好?？傊?通過試驗(yàn)分析出了6082鋁合金在不同熱處理制度下的機(jī)械性能變化趨勢(shì),用于滿足不同用戶的使用要求。