鋁合金淬火使用聚合物淬火劑的應用研究

史春玲,李海琴

(1西安飛機工業(集團)有限責任公司,西安710089; 2青海民族學院,西寧810007)

鋁合金淬火使用聚合物淬火劑的應用研究

史春玲1,李海琴2

(1西安飛機工業(集團)有限責任公司,西安710089; 2青海民族學院,西寧810007)

針對鋁合金淬火使用聚合物淬火劑進行了實驗研究。配制了聚合物體積分數為16%和33%的淬火水溶液,選擇典型材料和零件進行了一系列對比實驗。結果表明:采用33%和16%兩種體積分數的AQ251聚合物淬火劑得到的拉伸性能、電導率和耐蝕性與水淬比較無明顯差別,處于同一水平;在聚合物冷卻介質中淬火可以顯著減小零件變形。

聚合物淬火劑;鋁合金;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

在鋁合金熱處理中,一般采用水作為淬火介質。但其冷卻速度過快常造成零件嚴重變形和極大的內應力,使校正工作量加大,難度增加,零件的表面質量也難以保證,甚至會造成零件超差或開裂而報廢,這不僅造成巨大經濟損失并且影響生產進度[1]。

使用聚合物水溶液淬火介質對鋁合金零件淬火時,會減小零件的初始冷卻速度,并且能對整個零件表面均勻冷卻,這樣就能減小零件的變形和殘余應力。因此,聚合物淬火劑在國外航空工業獲得了廣泛應用。聚合物淬火劑可通過控制其在水中溶解的濃度使冷卻速率在很寬的范圍內變化,這是其他淬火介質無可比擬的優點。用于鋁合金薄板、帶材、型材、管材和擠壓制品淬火可顯著地減小變形和殘余應力[2]。

近代飛機破壞事故分析證明,應力腐蝕的破壞占了很大比例,減少殘余應力以避免應力腐蝕是當前鋁合金熱處理工藝中急待解決的問題。采用聚合物淬火劑是否可以保證得到要求的淬火性能而且明顯提高鋁合金的抗應力腐蝕能力是本工作的研究重點。

1 實驗內容及方法

1.1 實驗用材料

2024板材、7075板材、7010鍛件和L Y12兩端收口的管子。

1.2 實驗內容

1.2.1 聚合物淬火劑的配制

采用好富頓公司的AQ251聚合物淬火劑,分別配制聚合物體積分數為16%±1%和33%±1%的淬火水溶液,以適應多種高強度鋁合金鍛件及不同厚度鈑金件淬火的需要。

1.2.2 性能檢測

測試淬火后試樣的電導率、拉伸性能、斷裂韌性、應力腐蝕和晶界腐蝕等性能。

1.2.3 管材變形量和表面殘余應力測量

以L Y12兩端收口的管材零件為典型件,測量聚合物與水淬后的變形量及表面殘余應力狀態。管件的尺寸為φ36mm×500mm,壁厚1.5mm。

1.3 實驗設備

固溶處理和人工時效使用的設備是RJJ-36-6井式空氣循環電爐。淬火介質分別為20℃水和不同體積分數的聚合物。

采用KHR-01便攜式冷卻介質性能檢測儀測試兩種體積分數的聚合物冷卻介質及20,70℃水的冷卻曲線。檢測儀探頭的加熱溫度為500℃。

7010-T74 C型環應力腐蝕實驗在自制的簡易試驗機上進行,試樣的往復運動由步進電機執行,浸入腐蝕介質的時間(10min)和在大氣中的停留時間(50min)由儀表控制,環境溫度由儀表自動控制在35℃±1℃。腐蝕介質是用去離子水配制的 3.5% NaCl水溶液。

2024-T42和7075-T73拉伸應力腐蝕實驗在自制的簡易拉伸機上進行,環境溫度由儀表自動控制在35℃±1℃。加載應力按0.75σ0.2計算。

變形量測量檢測的是管件淬火后相對于理論外形的最大偏離量。L Y12CZ管子表面殘余應力用 X射線應力測量儀測定,基本參數如下:Cu靶,Kα1,30kV, 8mA。測量時,在測量管的左、中、右3個點上測量縱、橫兩個方向的殘余應力。

2 實驗結果與分析

2.1 聚合物淬火劑與純水的冷卻性能

圖1是4種冷卻介質500℃至室溫的冷卻曲線的綜合比較。冷卻介質的冷卻特性可以從最大冷卻速度及其所對應的溫度兩個特征點進行比較。從圖1可以看出,水的最大冷速均大于聚合物,20℃水的冷速最大,為91℃/s,而33%體積分數聚合物的最大冷速最小,為51℃/s。20℃水最大冷速時的溫度為424℃, 33%體積分數聚合物為427℃,16%體積分數聚合物為454℃。由此可知,16%體積分數聚合物最大冷速時的溫度最高,70℃水的最低,20℃水和33%體積分數聚合物最大冷速時的溫度只差3℃。圖1表明,為降低冷卻應力,減少鋁合金零件的變形,33%體積分數聚合物淬火介質的冷卻特性在4種介質中是最好的。

圖1 4種冷卻介質冷卻曲線的比較Fig.1 Cooling curves of four kinds of quenching medium

2.2 電導率和拉伸性能

在每組試樣上測量電導率值至少5點,拉伸性能每組測量3個試樣,取其平均值。4種鋁合金熱處理后電導率和拉伸性能測試結果見表1。

表1 熱處理后鋁合金的電導率和拉伸性能Table 1 The tensile performance and conductivity after heat treatment

從表1可以看出,無論是電導率還是抗拉強度、屈服強度和延伸率都超過對應材料標準的規定。采用兩種體積分數的聚合物淬火劑得到的電導率和拉伸性能與水淬比較無明顯差別,均處于同一水平。這說明采用33%和16%兩種體積分數的聚合物淬火劑能夠滿足這些材料和制品的淬火要求性能。

2.3 晶界腐蝕

采用ASTM G 110—92(對應 GB/T7998—2005)實驗方法,對2024-T42,7075-T73,L Y12CZ三種鋁合金進行了晶界腐蝕實驗,結果見表2。實驗結果表明,采用聚合物淬火劑使三種鋁合金晶界腐蝕傾向稍微增大,但并沒有使其抗晶界腐蝕能力級別降低。

表2 三種鋁合金晶界腐蝕實驗結果Table 2 Test results of intergranular corrosion

2.4 斷裂韌性

表3是7010-T74鍛件的緊湊拉伸試樣斷裂韌性的測試結果。表3表明,在聚合物淬火劑和純水中淬火試樣的斷裂韌性值都高于標準要求。

表3 7010-T74鍛件的斷裂韌性的實驗結果Table 3 Fracture toughness test results of 7010-T74

2.5 2024-T42,7075-T73和7010-T74的應力腐蝕性能

2.5.1 7010-T74 C型環應力腐蝕

圖2是7010-T74不同介質淬火、不同方向試樣C型環應力腐蝕出現裂紋的天數比較。可以看出,在縱向上33%聚合物的抗應力腐蝕性能高于16%聚合物和水,而16%聚合物和水的抗應力腐蝕性能沒有差別。在短橫向上水的抗應力腐蝕性能高于33%聚合物和16%聚合物,而33%聚合物和16%聚合物的抗應力腐蝕性能差別不大。

2.5.2 2024-T42拉伸應力腐蝕

2024-T42拉伸應力腐蝕實驗結果見表4。結果表明,33%體積分數的聚合物淬火試樣的抗應力腐蝕性能最好,水淬試樣的抗應力腐蝕性能最差。

圖2 7010-T74不同介質淬火、不同方向試樣應力腐蝕出現裂紋天數比較Fig.2 Comparison of days of crack appearing on 7010-T74 specimens

表4 2024-T42拉伸應力腐蝕的實驗結果Table 4 Tensile stress corrosion test results of 2024-T42

2.5.3 7075-T73拉伸應力腐蝕

7075-T73拉伸應力腐蝕實驗結果見表5。由此可見,33%體積分數的聚合物淬火試樣的抗應力腐蝕性能最好,水淬試樣的抗應力腐蝕性能最差。

表5 7075-T73拉伸應力腐蝕的實驗結果Table 5 Tensile stress corrosion test results of 7075-T73

2.6 聚合物淬火與水淬的變形量和表面殘余應力狀態的比較

L Y12CZ管子淬火后變形量測量結果見表6。表6表明,33%體積分數聚合物介質中淬火的管子的平均變形量最小,為0.52mm,比20℃水中淬火的變形量減小了55.5%;而20℃水中淬火的管子的平均變形量最大,為1.17mm。

用X射線法測定了L Y12CZ管子左端、中間、右端位置的表面殘余應力,其測量結果見表7。

表7表明,在33%體積分數聚合物介質中淬火的管子表面殘余壓應力最大,16%的次之,在20℃水淬的管子表面殘余應力為拉應力。

表6 LY12CZ管子淬火變形量Table 6 Deformation of L Y12CZ tubes after quenching

表7 LY12CZ管子表面殘余應力測定Table 7 Measurement for surface residue stress on L Y12CZ tubes

3 結論

(1)7010鍛件、7075板材 、2024板材和L Y12管材等鋁合金及其制品在三種冷卻介質中淬火得到的電導率、抗拉強度、屈服強度和延伸率都高于標準規定,而且處于同一水平。

(2)兩種體積分數的冷卻介質使試樣的晶界腐蝕傾向稍微增大,但并沒有使其抗晶界腐蝕能力級別降低。

(3)7010-T74鍛件在16%體積分數的聚合物冷卻介質中淬火試樣的斷裂韌性優于純水和33%體積分數的聚合物冷卻介質,且都高于標準要求。

(4)2024-T42和7075-T73板材在33%體積分數的聚合物淬火試樣的抗拉伸應力腐蝕性能最好,水淬試樣的抗拉伸應力腐蝕性能最差。

(5)33%體積分數聚合物介質中淬火的管子的平均變形量最小,20℃水淬的管子的平均變形量最大。在聚合物冷卻介質中淬火可以顯著減小零件變形。

[1]胥維勛.鋁合金的淬火工藝與殘余淬火應力 [J].航天工藝,1989, (8):12-15.

[2]吳瑞豪,馮敏.B-757飛機鋁合金零件聚合物淬火[J].金屬熱處理,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,高級工程師,長期從事金屬材料及熱處理的工藝研究和應用工作,聯系地址:西安市閆良區西飛大道一號西飛公司制造工程部冶金室(710089),E-mail:scl-shichunling@163.com