2024高强度铝合金薄壁型材挤压工艺研究

王义斌， 王 睿， 李延军， 杨志勇， 张 健， 刘丽瑜

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

2024铝合金又称为高强度硬铝合金，具有强度高、耐热性好[1-2]等优点。其挤压型材主要应用于飞机机身框架、机翼桁条、翼肋等受力结构件[3]。此次试验薄壁型材是我公司航空事业部与某飞机设计制造有限公司合作产品，选取壁厚仅为1.0mm的薄壁型材进行挤压成型试验，此型材的成型性和尺寸精度较难控制，现有生产工艺无法实现产品挤压成型。本文将以此型材为例，对2024高强硬铝合金薄壁型材挤压生产工艺进行研究分析。

1 型材基本信息

此2024硬铝合金薄壁型材为直角型材，直角边长为15mm，壁厚为1.0mm。型材性能要求满足GJB2507A。其中力学性能标准Rp0.2≥ 290 MPa，Rm≥ 395 MPa，A%≥10 %。

2 型材挤压过程难点

(1)合金成分

2024属于2xxx硬铝合金，合金中Cu、Mg元素含量较高，而合金化程度高金属流动性差，导致变形抗力过大[4]，挤压过程中容易闷车无法挤出。

(2)模具设计

原有模具为单孔挤压模具且带有导流坑，单孔模具挤压比达到150，过大的挤压比和带导流坑的设计均会显著提高挤压变形抗力，造成闷车无法挤动的现象。

(3)挤压工艺参数

以往生产硬铝合金薄壁型材选用的是最大输出压力为500T的机台，挤压筒面积为63cm2，其最大单位输出压力仅为63kg/mm2，单位输出压力值不高，也容易造成闷车现象。

(4)淬火制度及变形量

2024硬铝合金属于可热处理强化铝合金[5-6]，挤压型材需进行立式淬火炉离线淬火，因为型材壁厚过薄且淬火水温无法调节，导致淬火弯曲扭拧严重，无法达到标准要求。所以淬火制度的选取尤为重要，在降低淬火温度的同时也要保证其淬火强度。

3 拟解决方案

(1)优化合金成分

此次生产选用我公司自行研制的2024内控成分铸棒，铸棒中各合金元素均符合国标要求，其中Mg、Cu合金元素含量偏中上限，在保证其较高强度前提下，提高合金挤压流动性。

(2)优化模具设计

由原有单孔模具改变为四孔模具，减小其挤压比，且将原有的导流坑去掉，这样可以有效降低挤压时的最大变形抗力。

(3)优化工艺参数

挤压机台选用液压情况较好的非标机台生产，该机台最大输出压力660T，挤压筒直径由原有110mm降为90mm，筒面积由94cm2减少为64cm2。因此，可以有效提高单位面积上的输出压力，最大单位输出压力由70kg/mm2增加到103kg/mm2。

(4)改进淬火制度

经前期大量试验决定此次淬火制度采用475℃×45min，使用温水(50±5℃)淬火，用合理的淬火夹具进行固定，保证淬火后型材的直线度。

4 型材挤压过程

挤压机台采用我公司非标机台(660T挤压机，500T挤压筒)，铸锭采用我公司自行研制的2024内控成分，铸锭合金成分(质量分数，%)为，Si ≤0.10 ，Mg1.45～1.55，Fe≤0.20，Cu4.35～4.45，Mn0.30～0.40，Ti≤0.15，Zn≤0.15。铸锭为车皮棒且表面无油污、裂纹等缺陷。铸锭到达温度后，保温时间不宜过长，防止铸锭长时间加热保温而变形，挤压初期采用6xxx合金引模。挤压工艺参数为，模具温度490℃～500℃，棒温440℃～460℃，挤压速度0.5m/min～1.5m/min，压余10mm，挤压筒温度450℃～460℃，变形区切头尾；挤压产品信息为，四孔模具，合金状态为2024内控，铸锭规格Φ90mm×300mm，挤压比42，压出12m。

5 试验结果及分析

5.1 力学性能

型材采用475℃×45min淬火后，经在线拉伸、人工矫直放置自然时效96h，分别对4个孔挤压出的型材进行力学性能试验，检测标准执行GJB2507A。各部位力学性能检测值如表1所示，表中T代表型材头端、W代表型材尾端，1～4分别代表4个不同分流孔(此标记号应用于全文，后面不再赘述)。

由表1可知，试验样品力学性能均能满足GJB2507A检测标准；屈服强度在316MPa～357MPa之间，抗拉强度在398MPa～422MPa之间，断后延伸率在12.3%～16.5%之间。不同分流孔型材力学性能检测值均有不同，整体试验呈现出头端力学性能高的试样，尾端力学性能依旧也高；而同一个模孔挤压出头尾两端的力学值相差不是很大。分析以上所出现的结果，可能影响因素有，一是样品在淬火过程中，在进行淬火的一瞬间，某些样品局部发生较大变形，引发整支样品剧烈变形，与其周围样品造成收缩式捆绑，导致淬火不充分；二是在淬火过程中温度降速较快，造成在淬火的一瞬间，淬火临界温度过低致使力学性能偏低；三是部分试样在淬火后拉伸过程中，夹头部位容易反复断裂，导致整支样品拉伸量较小，引起力学性能偏低；四是型材壁厚较薄，在高淬火温度长保温时间下，发生再结晶程度增加，使得部分样品无纤维状组织，致使其力学性能偏低。

表1 2024合金力学性能数据表

5.2 组织性能

5.2.1 低倍组织

型材在线挤压完成后，切除头尾两端变形区，标记装框进行离线淬火，将淬火后的型材再一次进行拉伸矫直，第二次切除头尾变形区后，分别检测4个模孔挤压试样的低倍组织，检测标准执行GJB2507A，检测结果如表2所示。

表2 2024合金低倍组织检测结果

5.2.2 高倍组织

分别对4个模孔挤出型材的头尾两端进行高倍组织观察，如图1所示。执行GJB2507A标准，所有样品组织均匀、致密，均未出现过烧现象。

图1 2024合金高倍显微组织Fig.1 High power macrostructure of 2024 alloy

6 结论

(1)挤压工艺。2024高强硬铝合金薄壁型材生产采用我厂2024内控成分铸锭，模具采用四孔模具，棒温440℃～460℃，挤压速度0.5 m/min ～1.5m/min(初始电流控制在250 mA ～280mA)，挤压筒温度450℃～460℃，在线挤压及后期淬火后应在1h内进行拉伸矫直，人工整形矫直，淬火试验使用挤压厂专用淬火夹具，淬火制度采用475℃×45min，时效制度采用96h自然时效。

(2)力学性能。2024高强硬铝合金薄壁型材样品力学性能均符合GJB2507A标准，屈服强度在316MPa～357MPa之间，抗拉强度在398MPa～422MPa之间，断后延伸率在12.3%～16.5%之间。

(3)组织性能。2024高强硬铝合金薄壁型材样品高倍组织均满足GJB2507A标准，未出现过烧现象。低倍组织符合GJB2507A标准要求。