铝合金淬火使用聚合物淬火剂的应用研究

史春玲,李海琴

(1西安飞机工业(集团)有限责任公司,西安710089; 2青海民族学院,西宁810007)

铝合金淬火使用聚合物淬火剂的应用研究

史春玲1,李海琴2

(1西安飞机工业(集团)有限责任公司,西安710089; 2青海民族学院,西宁810007)

针对铝合金淬火使用聚合物淬火剂进行了实验研究。配制了聚合物体积分数为16%和33%的淬火水溶液,选择典型材料和零件进行了一系列对比实验。结果表明:采用33%和16%两种体积分数的AQ251聚合物淬火剂得到的拉伸性能、电导率和耐蚀性与水淬比较无明显差别,处于同一水平;在聚合物冷却介质中淬火可以显著减小零件变形。

聚合物淬火剂;铝合金;性能

Abstract:The research of using the polymer glycols quenching medium in heat treatment of Al alloy was discussed.The water-polymer glycols quenching solution of concentration 16%and 33%were prepared.A series of comparative tests were carried out by using typical aluminum alloys and parts.The results show that the tensile performance,conductivity and corrosion resistance after heat treatment using polymer glycols quenching medium are in the same lever compared with quenching using water.Deformation of parts obviously decreased after quenching by using polymer glycols quenching medium.

Key words:polymer glycols quenching medium;aluminum alloy;property

在铝合金热处理中,一般采用水作为淬火介质。但其冷却速度过快常造成零件严重变形和极大的内应力,使校正工作量加大,难度增加,零件的表面质量也难以保证,甚至会造成零件超差或开裂而报废,这不仅造成巨大经济损失并且影响生产进度[1]。

使用聚合物水溶液淬火介质对铝合金零件淬火时,会减小零件的初始冷却速度,并且能对整个零件表面均匀冷却,这样就能减小零件的变形和残余应力。因此,聚合物淬火剂在国外航空工业获得了广泛应用。聚合物淬火剂可通过控制其在水中溶解的浓度使冷却速率在很宽的范围内变化,这是其他淬火介质无可比拟的优点。用于铝合金薄板、带材、型材、管材和挤压制品淬火可显著地减小变形和残余应力[2]。

近代飞机破坏事故分析证明,应力腐蚀的破坏占了很大比例,减少残余应力以避免应力腐蚀是当前铝合金热处理工艺中急待解决的问题。采用聚合物淬火剂是否可以保证得到要求的淬火性能而且明显提高铝合金的抗应力腐蚀能力是本工作的研究重点。

1 实验内容及方法

1.1 实验用材料

2024板材、7075板材、7010锻件和L Y12两端收口的管子。

1.2 实验内容

1.2.1 聚合物淬火剂的配制

采用好富顿公司的AQ251聚合物淬火剂,分别配制聚合物体积分数为16%±1%和33%±1%的淬火水溶液,以适应多种高强度铝合金锻件及不同厚度钣金件淬火的需要。

1.2.2 性能检测

测试淬火后试样的电导率、拉伸性能、断裂韧性、应力腐蚀和晶界腐蚀等性能。

1.2.3 管材变形量和表面残余应力测量

以L Y12两端收口的管材零件为典型件,测量聚合物与水淬后的变形量及表面残余应力状态。管件的尺寸为φ36mm×500mm,壁厚1.5mm。

1.3 实验设备

固溶处理和人工时效使用的设备是RJJ-36-6井式空气循环电炉。淬火介质分别为20℃水和不同体积分数的聚合物。

采用KHR-01便携式冷却介质性能检测仪测试两种体积分数的聚合物冷却介质及20,70℃水的冷却曲线。检测仪探头的加热温度为500℃。

7010-T74 C型环应力腐蚀实验在自制的简易试验机上进行,试样的往复运动由步进电机执行,浸入腐蚀介质的时间(10min)和在大气中的停留时间(50min)由仪表控制,环境温度由仪表自动控制在35℃±1℃。腐蚀介质是用去离子水配制的 3.5% NaCl水溶液。

2024-T42和7075-T73拉伸应力腐蚀实验在自制的简易拉伸机上进行,环境温度由仪表自动控制在35℃±1℃。加载应力按0.75σ0.2计算。

变形量测量检测的是管件淬火后相对于理论外形的最大偏离量。L Y12CZ管子表面残余应力用 X射线应力测量仪测定,基本参数如下:Cu靶,Kα1,30kV, 8mA。测量时,在测量管的左、中、右3个点上测量纵、横两个方向的残余应力。

2 实验结果与分析

2.1 聚合物淬火剂与纯水的冷却性能

图1是4种冷却介质500℃至室温的冷却曲线的综合比较。冷却介质的冷却特性可以从最大冷却速度及其所对应的温度两个特征点进行比较。从图1可以看出,水的最大冷速均大于聚合物,20℃水的冷速最大,为91℃/s,而33%体积分数聚合物的最大冷速最小,为51℃/s。20℃水最大冷速时的温度为424℃, 33%体积分数聚合物为427℃,16%体积分数聚合物为454℃。由此可知,16%体积分数聚合物最大冷速时的温度最高,70℃水的最低,20℃水和33%体积分数聚合物最大冷速时的温度只差3℃。图1表明,为降低冷却应力,减少铝合金零件的变形,33%体积分数聚合物淬火介质的冷却特性在4种介质中是最好的。

图1 4种冷却介质冷却曲线的比较Fig.1 Cooling curves of four kinds of quenching medium

2.2 电导率和拉伸性能

在每组试样上测量电导率值至少5点,拉伸性能每组测量3个试样,取其平均值。4种铝合金热处理后电导率和拉伸性能测试结果见表1。

表1 热处理后铝合金的电导率和拉伸性能Table 1 The tensile performance and conductivity after heat treatment

从表1可以看出,无论是电导率还是抗拉强度、屈服强度和延伸率都超过对应材料标准的规定。采用两种体积分数的聚合物淬火剂得到的电导率和拉伸性能与水淬比较无明显差别,均处于同一水平。这说明采用33%和16%两种体积分数的聚合物淬火剂能够满足这些材料和制品的淬火要求性能。

2.3 晶界腐蚀

采用ASTM G 110—92(对应 GB/T7998—2005)实验方法,对2024-T42,7075-T73,L Y12CZ三种铝合金进行了晶界腐蚀实验,结果见表2。实验结果表明,采用聚合物淬火剂使三种铝合金晶界腐蚀倾向稍微增大,但并没有使其抗晶界腐蚀能力级别降低。

表2 三种铝合金晶界腐蚀实验结果Table 2 Test results of intergranular corrosion

2.4 断裂韧性

表3是7010-T74锻件的紧凑拉伸试样断裂韧性的测试结果。表3表明,在聚合物淬火剂和纯水中淬火试样的断裂韧性值都高于标准要求。

表3 7010-T74锻件的断裂韧性的实验结果Table 3 Fracture toughness test results of 7010-T74

2.5 2024-T42,7075-T73和7010-T74的应力腐蚀性能

2.5.1 7010-T74 C型环应力腐蚀

图2是7010-T74不同介质淬火、不同方向试样C型环应力腐蚀出现裂纹的天数比较。可以看出,在纵向上33%聚合物的抗应力腐蚀性能高于16%聚合物和水,而16%聚合物和水的抗应力腐蚀性能没有差别。在短横向上水的抗应力腐蚀性能高于33%聚合物和16%聚合物,而33%聚合物和16%聚合物的抗应力腐蚀性能差别不大。

2.5.2 2024-T42拉伸应力腐蚀

2024-T42拉伸应力腐蚀实验结果见表4。结果表明,33%体积分数的聚合物淬火试样的抗应力腐蚀性能最好,水淬试样的抗应力腐蚀性能最差。

图2 7010-T74不同介质淬火、不同方向试样应力腐蚀出现裂纹天数比较Fig.2 Comparison of days of crack appearing on 7010-T74 specimens

表4 2024-T42拉伸应力腐蚀的实验结果Table 4 Tensile stress corrosion test results of 2024-T42

2.5.3 7075-T73拉伸应力腐蚀

7075-T73拉伸应力腐蚀实验结果见表5。由此可见,33%体积分数的聚合物淬火试样的抗应力腐蚀性能最好,水淬试样的抗应力腐蚀性能最差。

表5 7075-T73拉伸应力腐蚀的实验结果Table 5 Tensile stress corrosion test results of 7075-T73

2.6 聚合物淬火与水淬的变形量和表面残余应力状态的比较

L Y12CZ管子淬火后变形量测量结果见表6。表6表明,33%体积分数聚合物介质中淬火的管子的平均变形量最小,为0.52mm,比20℃水中淬火的变形量减小了55.5%;而20℃水中淬火的管子的平均变形量最大,为1.17mm。

用X射线法测定了L Y12CZ管子左端、中间、右端位置的表面残余应力,其测量结果见表7。

表7表明,在33%体积分数聚合物介质中淬火的管子表面残余压应力最大,16%的次之,在20℃水淬的管子表面残余应力为拉应力。

表6 LY12CZ管子淬火变形量Table 6 Deformation of L Y12CZ tubes after quenching

表7 LY12CZ管子表面残余应力测定Table 7 Measurement for surface residue stress on L Y12CZ tubes

3 结论

(1)7010锻件、7075板材 、2024板材和L Y12管材等铝合金及其制品在三种冷却介质中淬火得到的电导率、抗拉强度、屈服强度和延伸率都高于标准规定,而且处于同一水平。

(2)两种体积分数的冷却介质使试样的晶界腐蚀倾向稍微增大,但并没有使其抗晶界腐蚀能力级别降低。

(3)7010-T74锻件在16%体积分数的聚合物冷却介质中淬火试样的断裂韧性优于纯水和33%体积分数的聚合物冷却介质,且都高于标准要求。

(4)2024-T42和7075-T73板材在33%体积分数的聚合物淬火试样的抗拉伸应力腐蚀性能最好,水淬试样的抗拉伸应力腐蚀性能最差。

(5)33%体积分数聚合物介质中淬火的管子的平均变形量最小,20℃水淬的管子的平均变形量最大。在聚合物冷却介质中淬火可以显著减小零件变形。

[1]胥维勋.铝合金的淬火工艺与残余淬火应力 [J].航天工艺,1989, (8):12-15.

[2]吴瑞豪,冯敏.B-757飞机铝合金零件聚合物淬火[J].金属热处理,2001,(1):48-50.

Application Research of Using Polymer Glycols Quenching Medium in Heat Treatment of Al Alloy

SHI Chun-ling1,LI Hai-qin2
(1 Xi’an Aircraft Industry(Group)Company Ltd.,Xi’an 710089, China;2 Qinghai National College,Xining 810007,China)

TG166.3

A

1001-4381(2010)01-0005-04

2009-05-19;

2009-10-27

史春玲(1965—),女,高级工程师,长期从事金属材料及热处理的工艺研究和应用工作,联系地址:西安市闫良区西飞大道一号西飞公司制造工程部冶金室(710089),E-mail:scl-shichunling@163.com