2014-T6铝合金挤压棒材工艺研究

周京辉，万 里，杨 荣

（佛山市三水凤铝铝业有限公司，佛山528133）

0 前言

2×××系铝合金是以Cu 为主要合金元素的铝合金，属热处理可强化铝合金[1]。2014铝合金属Al-Cu-Mg-Si系铝合金，其强度高，锻造性能、可焊性良好，是航空航天工业、钻具制造工业所需要的重要材料[2]。该合金经淬火、预拉伸、时效等工艺处理后，残余应力显著降低，合金强度大幅提高，综合性能优异[3-4]。汪凌云[5]采用正交法获得2014铝合金最佳热处理工艺制度，使抗拉强度与屈服强度分别达到490MPa、500MPa。

我公司某客户要求提供高性能2014-T6挤压棒材，要求其抗拉强度大于550MPa，屈服强度大于500MPa，断后伸长率大于8%。故本文对2014铝合金进行研究，以期找到2014铝合金挤压棒材性能与组织的变化规律，生产出能满足客户性能要求的挤压棒材。

1 试验过程及方法

1.1 熔炼、铸造及均匀化处理

按照如下成分配置2014合金：Al-4.0Cu-0.90Si-0.80Mn-0. 60Mg（质量分数，%），其中，Cu、Si、Mn 分别以中间合金形式加入。熔炼温度为730～750℃，使用氩气精炼，静置10～15min。熔炼过程中要求成分均匀，除气去渣彻底，然后用双喂丝机加Al-5Ti-1B丝细化剂进行晶粒细化。铸造温度为（740±5） ℃，铸造速度为85～90mm/min，水压0.15～0.20MPa，采用热顶半连续工艺铸造出φ178mm圆铸锭。铸锭经480℃×12h均匀化处理后，进行水雾冷却。

1.2 热挤压

选用1800t挤压机进行挤压，挤压前铸锭和模具的预热温度为420～450℃，挤压棒材直径为38mm，挤压系数为22，挤压速度为0.5m/min。从其中取2支300mm挤压态试样，编号1-1#和1-2#。

1.3 固溶淬火

将棒材打孔，置于7m 立式淬火炉内，以502℃保温2h固溶，然后在10s内吊入常温水池内淬火，淬火后4h内矫直拉伸。从其中取2支300mm固溶淬火态长试样，编号2-1#和2-2#。再取22个200mm 长的试样，分为A、B、C 共3组，分别编号为A1～A8（2-2#为A7），B1～B8和C1～C6。

1.4 时效及制样

将1-2#、2-2#试样进行160℃×18h 时效处理。另外将A、B、C三组试样按表1所示时效制度进行处理。

用数显小负荷布氏硬度计HBS-62.5检测1-1#、1-2#、2-1#、2-2#试样的布氏硬度，然后按照GB/T 16865-2013制取圆形拉伸试样，用电子万能试验机CMT5105进行拉伸试验，其试验数据见表2。沿挤压方向在1-1#、1-2#、2-1#、2-2#试样横截面中心取15mm×15mm 方形试样做SEM 分析，分析结果见图1。SEM分析后，用腐蚀液腐蚀试样，并观察其金相组织，结果如图2所示。

表1 时效制度

将A、B、C 三组时效棒材按照GB/T 16865-2013制取圆形拉伸试样，用电子万能试验机CMT5105进行拉伸试验，其结果见表3。

2 试验结果与分析

表2是挤压态、不固溶直接时效态、固溶淬火不时效态和固溶淬火后时效态4种状态的拉伸试验数据。图1是上述4种状态的SEM 图，而图2为上述4种状态的金相图。

表2 4种不同状态的硬度数值及拉伸试验数据

由表2可知，固溶淬火后再时效，力学性能可大大提高。与所有可热处理强化的合金一样，2014铝合金固溶、时效经历由过饱和固溶体→GP 区→过渡相→平衡相的过程。2014铝合金的主要合金相为W 相（Cu4Mg5Si4Al）、θ相（CuAl2）和β相（Mg2Si），而杂质相（（FeMnSi）Al6）通常为较大尺寸的点状或块状[6]。比较图1、图2可知，固溶淬火状态中的第二相少于无固溶淬火状态，因合金元素溶入基体更充分，使基体金属的位错密度增加，晶格发生畸变。同时合金元素还会改变固溶体的弹性系数、扩散系数、内聚力和原子排列缺陷，使位错线变弯，位错运动阻力增加，引起材料强化。淬火再时效又进一步使合金元素溶入基体，使材料强化。而不固溶直接时效状态比挤压态更软，是因为合金元素没有进一步溶入基体，反而使第二相进一步长大造成，使合金软化。

表3 不同时效工艺下的力学性能

将2014-T4挤压棒材在502℃温度下固溶2h后常温水淬，然后分别在160℃、180℃、200℃温度下时效2～20h，之后对其进行拉伸试验，以测试不同时效制度对棒材力学性能的影响。检测结果如表3所示。

从表3中可以看出，A组的力学性能整体优于B 组、C 组，说明2014铝合金合适的时效温度为160℃，且时效温度对性能的影响要大于时效时间的影响。A组力学性能最佳的时效制度为160℃×12h，此时棒材的抗拉强度、屈服强度和断后延伸率分别达564MPa、515MPa和10.5%。

3 结论

（1）与挤压状态相比，2014铝合金经502℃固溶淬火时效后，其布氏硬度、抗拉强度和屈服强度分别提高了67%、43%和140%，而断后伸长率反而减少了9%。

（2）2014铝合金棒材较佳的时效工艺制度为160℃×12h，其抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2和断后延伸率可以分别达到564MPa、515MPa 和10.5%。