铝合金2A50(锻件)冷变形量与尺寸稳定性工艺研究

胡琼

摘 要：本文对铝合金2A50特定试件不同冷变形量与该试件的尺寸稳定性关系进行试验研究，通过测量不同的冷变形量试件其宏观尺寸及形状的变化，研究了多种变形量对试件尺寸稳定性以及对试件的力学性能影响。在同样的变形条件下，变形量过小对提高尺寸稳定性起不到任何效果，变形量过大虽然对尺寸稳定性有效果但容易改变该试件应有的物理性能。探索一种对尺寸稳定性既有明显的效果又能将材料的物理性能控制在允许的范围内的冷变形量是本课题研究的核心内容。经多项试验结果表明试件毛坯锻造结束后进行热处理时，在固溶处理和人工时效处理中间安排一次冷变形，其冷变形量严格控制在5%，该冷变形量所导致材料的物理性能改变量既在允许范围内，又对提高该特定试件的尺寸稳定性效果明显。

关键词：冷变形处理;热处理;稳定化处理;残余应力

中图分类号：TG319 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0095-04

1 绪论

2A50铝合金属铝-铜-镁-硅系中等强度的铝合金，多数以锻件形式作为零件毛坯出现（也被称为5#锻铝）。由于该材料具有好的耐高溫特性以及高温状态下的耐腐蚀性，较适合制造形状较复杂而工作环境温度较高的结构类零件。在过去采用该材料零件毛坯的生产采用通常锻造工艺，即;锻造加工+淬火+人工时效，材料受基本应力及残余内应力的影响所加工的零件宏观尺寸及形状变化较大。所以该材料大多用来制造加工精度要求不高的结构类零件。某企业采用了该材料作为控制器机箱箱体的制造材料。该企业所制定的零件加工工艺：锻造毛坯→淬火+人工时效热处理→毛坯的粗加工→恒温时效去应力热处理→零件的半精加工→恒温时效去应力热处理→零件精加工→装配。由于该零件采用恒温时效去应力热处理作为稳定化处理效果不理想，材料的基本应力及残余内应力得不到有效的消除或降低，导致零件尺寸、形状精度得不到有效控制，使得最后零件装配无法顺利进行，无奈降低该零件的配合精度及加大零件的制造公差来弥补零件应力变形带来的误差。由于零件的制造精度达不到要求从而降低部件的使用性能。如：机箱内的线路板应该稳定的固定在机箱内部的卡槽内，由于箱体内部卡槽的尺寸不稳定而导致机箱在受到振动的情况下线路板发生松动而引起线路板的输入、输出信号不稳定。为了提高试件的尺寸稳定性又不破坏材料原有的特性，对铝合金2A50-T6特定试件进行冷变形量与尺寸稳定性试验研究，找到该试件的最佳变形量，为该材料被广泛应用于精密结构类零件的制造有着十分重要的意义。

2 尺寸稳定性的主要特征

尺寸稳定性的主要特征较多，但便于观察、测量、经济、应用范广主要有如下两种：

2.1 尺寸及形状的变化

试件随着时间的变化其宏观尺寸及形状发生变化是尺寸及形状稳定性的最直观的反映。由于采用普通的测量就可大致评估出该试件尺寸及形状的稳定性高低，该方法应用较为广泛。虽然某些零件的变形较小、变形周期较长，对进行高精度的评估还较为困难，但该方法应用较为普遍。

2.2 残余应力

残余应力是导致零件尺寸及形状不稳定的主要因素，零件尺寸及形状变化的大小取决于残余应力的大小。通过测量残余应力来评估该零件的尺寸及形状变化的大小。

测量一个试件的残余应力其方法较多，但最简单、经济、对零件损伤小、测量精度较高的还数盲孔法。基本原理是在需测试件相关部位钻一个或多个小孔，由于该零件材料内部有残余应力存在，它就要进行应力释放，应力释放过程中必然导致该小孔产生位移，再通过计算可以得出该区域的残余应力。

3 尺寸不稳定的原因

尺寸稳定性是指零件在加工完成后，在固定的环境条件下，无外力作用或在低于该材料的弹性极限的外力作用下尺寸和形状的变化，及零件经过非恒定环境暴露后在固定的环境下所测得的尺寸变化。导致零件尺寸不稳定的原因较多，但主要有三个：（1）外应力作用;（2）内应力的作用;（3）内部组织的变化。

（1）外应力除了能使材料产生弹性应变外，还可能使材料产生滞弹性、应力应变滞后环、微塑性应变及显微蠕变，从而导致零件尺寸和形状的不稳定[1]。外应力导致的零件尺寸不稳定有时难于改变但通过零件的结构设计（如;单点受力为多点受力，提高零件受力的均匀性）和选择抗弹性变形较强的材料来设计、制造该零件。（2）内应力的作用是导致零件尺寸和形状不稳定的重要因素。内应力是指无外力作用时已存在于零件材料内部的残余应力。内应力分宏观内应力和微观内应力，前者作用于零件的宏观体积内，后者的作用尺度不超过晶粒尺寸的数量级。（3）内部组织的变化也是导致零件尺寸不稳定的主要原因。它来源于各种加工，这些加工导致零件内部不同部位发生不均匀的形变而产生的宏观残余应力。其产生的残余应力的大小直接导致零件变形量的大小。零件内部的微观内应力主要来自于零件材料的微观组织的变化，即，再结晶、晶粒长大、空位浓度的变化、原子排列的变化等从而产生微观的残余应力。

对于高精度零件来说，内部存在内应力时，由于在长时间使用过程中会发生应力释放，导致内应力的变化，必然会伴随着尺寸和形状的变化。

4 提高尺寸稳定化处理的途径

尺寸的不稳定性其原因在前面已提了是由于零件在外力的作用下产生不均匀的塑性变形，破坏了内部组织的平衡从而产生宏观残余应力，而宏观残余应力是导致尺寸及形状不稳定的主要因素。另外显微组织的变化也是导致尺寸及形状不稳定的重要原因，由于显微组织的变化必然导致比容的变化，比容的变化导致材料体积（即零件尺寸及形状）发生变化。在选定零件材料（2A50）的前提下，从二个方面入手来提高尺寸的稳定性：

（1）在零件加工过程中适当增加稳定化处理，去除加工过程中产生的残余应力并提高材料显微组织的稳定性。

（2）如何来对材料通过塑性变形及内部原子序列的重新排序来降低和释放宏观残余应力。

为了去除或降低零件中的残余应力，改善其显微组织方法较多。但本文介绍冷变形处理来提高尺寸稳定性。

所谓冷变形就是工件在再结晶温度以下通过外力作用产生塑性變形。冷变形按其作用来说有两种类型的冷变形。第一种类型，对不可强化处理的铝合金来说，通过冷变形处理也称为冷作硬化，即：材料在再结晶温度以下的变形加工，来达到提高材料的综合机械性能目的。综合机械性能的高低随着冷变形量不同而不同。同一种材料在同一温度下的冷变形，变形量越大则该材料的强度越高，但塑性程度降低[2]。冷变形是不可强化处理的铝合金，如：1XXX系列和3XXX系列铝合金主要的强化方式。第二种类型，对可强化处理的铝合金来说，在毛坯锻件进行热处理的过程中间进行一定量的塑性变形（一般在毛坯锻件进行淬火后）。

按变形时机分为四种：

（1）淬火→冷（温）变形→终时效;（2）淬火→预时效→冷（温）变形→终时效;（3）淬火→终时效→冷变形;（4）淬火→自然时效→冷变形→人工时效。

所谓终时效包括自然时效和人工时效。这里只研究（1）淬火→冷（温）变形→人工时效;材料的冷变形为过渡相的非均匀形核提供了更多的位置，使过渡相分布更加弥散，在提高强度的前提下，还能提高抗应力腐蚀能力。冷变形可以加速材料的时效过程，对改善材料的抗疲劳性能，降低残余应力有明显的效果[3]。但变形量的多少是该工艺技术的研究核心，不同材料其冷变形量不同，尺寸稳定性的效果也不尽相同。通过冷变形来提高尺寸稳定性的材料较多，很难一一进行试验。变形量过大会提高毛坯表层的残余拉应力，对消除和降低残余应力无任何效果或效果不明显。变形量小无法改善毛坯内部的拉应力，反而对零件的机械性能有一定量的负影响[5]。这里通过对部分专业厂家的经验进行分析对2A50铝合金冷变形量在3%～6%进行试验研究。

前些年冷变形工艺方法复杂程度和处理成本较高，在应用上不是很广泛，主要应用于军工行业的零部件制造，从而该项工艺得不到深入的研究。近年来国家科技兴国战略的影响，改革创新力的驱动，许多先进的技术和工艺在民用产品的制造领域得到逐步的应用。由于该工艺的良好效果，该方法在民用相关领域中也在应用，而且在积极的探索研究采用该工艺来消除或降低不同可强化处理的铝合金零件的残余应力，不断提高零件的科技含量，提高市场的竞争力。尤其是在国家创导军民融合，鼓励企业积极参与军工产品的研发和制造。本课题就是在这样的一个大环境下孕育而生。

5 试验方法

5.1 试验材料

本文试验样件材料要求为2A50-T6（Ⅱ类锻件GBn223 -84）。

该材料的化学成分及力学性能如表1、2所示。

5.2 试件图样及要求

试件的图样按加工工序：图2锻造毛坯→图3毛坯粗加工→图4毛坯半精加工→图5毛坯精加工。

5.3 试验方案

试件（图2）按锻造工艺路线在尺寸215方向（变形方向一般在面积最大的方向进行），按压缩变形量3%、4%、5%、6%，分四组每组试件数量为3件进行试件毛坯的制造试验。然后按试件切削加工工艺路线对毛坯进行加工。通过对切削加工过程中特定的测量点进行测量，得到特定测量点相对位置的变化，评估该试件的变形量对提高尺寸稳定性的作用。

6 试验结果

6.1 试件毛坯的制造工艺路线（单件、小批量）

采用C41-400型空气锤制胚（毛坯直接进行加热，加热温度475℃/2.5h，保温5.5h，锻造温度475℃～355℃，火次2）→固溶处理（510℃/3h，保温5h，20℃水淬）→冷变形（1500T油压机）（通过加限位块严格控制变形量）→人工时效170℃保温16h（室温冷却）。

4组每组3个试件锻造后呈交付状态其纵、横向力学性能测试结果见表3、表4、表5、表6。

4组共12个试件毛坯的力学性能测试结果符合Ⅱ类锻件GBn223-84标准。

6.2 试件切削加工工艺路线

试件的粗加工→人工时效170℃保温16h（室温冷却）→试件的半精加工→人工时效170℃保温16h（室温冷却）→试件的精加工→对试件特定尺寸的检测（检验精度0.01mm）。

（1）压缩变形量3%的3个试件经半精加工完成后12-φ4孔的位置a=178、b=178尺寸检验记录如见表7。（2）压缩变形量4%、5%、6% 3组试件经半精加工完成后12-φ4孔的位置a=178、b=178尺寸检验和压缩变形量3%试件半精加工检验结果基本一致。（3）压缩变形量为3%、4%、5%、6% 4组试件经精加工完成后12-φ4孔的位置a=178、b=178尺寸变化值基本一致，尺寸a=178变化曲线可以代表尺寸b=178变化曲线，这里画尺寸a的变化曲线。

7 结语

（1）冷变形工艺对提高2A50-T6Ⅱ类锻件GBn223-84的尺寸稳定性效果明显。（2）冷变形工艺必须安排在锻造后的毛坯进行热处理时，固溶处理与人工时效之间，固溶处理→冷变形→人工时效整个过程必须连续不间断完成。（3）压缩方向必须是压力方向垂直于最大的平面。（4）压缩变形量6%的试件其尺寸稳定性效果比压缩变形量5%的要好，但压缩变形量6%试件的延伸率接近允许值甚至超过允许值，因此综合认为控制在变形方向总尺寸的5%是最合理的冷变形量。压缩量必须严格控制，压缩过程：室温、缓慢、均匀、一次到位。（5）在零件毛坯经冷变形处理后，在后续的机械加工过程中必须穿插一定数量的恒温时效去应力处理，消除后续加工产生新的应力变形。

参考文献

[1] 周善佑.铝合金的尺寸稳定化处理[J].航空工艺技术，1982（9）：18-19.

[2] 张士林，任颂赞.简明铝合金手册[第2版][M].上海：上海科学技术文献出版社，2006.

[3] 热处理手册编委会.热处理手册[第二版]（第1卷）[M].北京：机械工业出版社，1991.

[4] 吴生绪，潘琦俊.变形铝合金及其模锻成形技术手册[M].北京：机械工业出版社，2013.

[5] 王秋成.航空铝合金残余应力消除及评估技术研究[J].浙江大学博士论文，2003.