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    1. 南通港石機械有限公司

      專業提供機械設備精密鍛造,精密船舶配件鍛件,精密鍛壓,機械模鍛加工等

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      技術資料

      鋁合金模鍛的相關知識

      發布時間:2016/9/23
       一、鋁合金及其可鍛性
        鋁合金比強度高、導電性和導熱性好、抗腐蝕能力強,在多種工業領域、特別是航空工業中應用廣泛。常用的變形鋁合金有防銹鋁合金如3A21 (LF21)等,鍛造鋁合金如2A50( LD5)、2A14 (LD10)等,硬鋁合金如2A12 (LY12)等,超硬鋁合金如7A04 (LC4)等。變形鋁合金的主要合金元素有銅、鎂、鋅、錳、鎳、鈦、鋯等。銅、鎂和鋅可與鋁形成強化相,使鋁合金強化;錳可以提高鋁合金的抗腐蝕能力。
        鍛造用的鋁合金大多有較好的塑性,可以進行各種模鍛工藝。鋁合金的塑性主要受合金成分和變形溫度的影響,某些高強度鋁合金的塑性還具有明顯的變形速度敏感性。一般來說,隨著合金元素的增加,鋁合金的塑性是降低的,并且鋁合金中的合金元素越多,在熱處理和加熱以后的冷卻過程中產生殘余應力的傾向也越大。
        3A21、2A50和7A04三種鋁合金的單位壓力曲線,由圖可見,3A21在300℃、2A50在350℃終鍛時,隨著變形程度增大,單位壓力曲線保持水平,這說明加工硬化和再結晶軟化相互抵消,因此這兩種合金在鍛造時,按這樣的終鍛溫度,能夠使合金處于完全的熱變形狀態。超硬鋁7A04在350℃時單位壓力曲線隨變形程度增大而略有升高,這說明該合金在350℃終鍛時有加工硬化,不能保證完全熱變形;在400℃時,當變形程度超過30%后,單位壓力隨變形程度增加而有所下降,原因是熱效應升溫引起了局部軟化。
       二、鋁合金模鍛生產要點
        1.下料
        鋁合金鍛件使用的毛坯有鑄錠和擠壓棒材。鑄錠用于鍛造各向異性較小的模鍛件,模鍛件都采用由鑄錠經鍛造后的鍛坯。用于鍛造的鑄錠必須作均勻化處理以改善塑性。棒材經過預變形,塑性已經得到提高,容易進行模鍛,但這種毛坯各向異性大,而且表粗晶環、分層等缺陷,模鍛前必須清除這些表層缺陷,一般是在車床上扒皮。
        鋁合金多用鋸床下料。鋸切產生的銳邊或毛刺,需要清理,以免鍛造時引起缺陷。的自動化鋸切設備,多具備自動倒角能力,能精確地控制毛坯長度、體積及重量。剪切下料也是鋁合金常用的方法。鋁合金較軟,剪床下料時端面欠平整,而且容易產生裂紋、毛刺等,一般用于直徑小于50mm的棒材。下料精度要求高時,可用車床、銑床下料。
        2.熱規范
        鋁合金鍛前加熱可采用多種加熱設備,但最好采用電阻爐加熱,使用煤氣爐或油爐時,要嚴加控制燃料的含硫量,以免硫滲入晶界引起裂紋。爐內最好裝有強迫爐氣循環裝置,以促使爐溫均勻。爐內火焰不允許直接噴射到毛坯表面。不能將鋁合金毛坯與鋼在一起加熱,鋁屑和氧化鐵屑混在一起容易產生爆炸。國外鋁合金鍛造加熱也常選用馬弗爐。
        鋁合金的鍛造溫度范圍比較窄,一般在150℃左右,某些高強度鋁合金的鍛造溫度區間甚至小于100℃。例如7A04超硬鋁,其主要強化相是Mg2n2和Al2 CuMg化合物,Al與Mg2n2形成共晶,其熔化溫度是470℃。因此,其始鍛溫度低至430℃。另一方面,7A04合金的退火加熱溫度是390℃,這說明它有較高的再結晶溫度,所以合金的終鍛溫度取350℃。這樣,7A04合金的鍛造溫度范圍就只有80℃。表7-3列出常用變形鋁合金的鍛造溫度范圍。 表  常用變形鋁合金的鍛造溫度

      合金牌號

      鍛造溫度范圍/℃

      合金牌號

      鍛造溫度范圍/℃

      1070A,1060(L1,L2)

      3A21(LF21)

      5A03(LF3)

      2A12(LY12)

      2A02 ( LY2)

      470380

      510380

      475380

      460380

      450350

      6A02(LD2)

      2A70(LD7)

      2A50(LD5)

      7A04(LC4)

      500380

      475380

      500350

      430350

        盡管鋁合金的鍛造溫度范圍較窄,但是,模鍛過程的時間卻較充裕。因為相對于鋁合金的鍛造溫度說來,模具的預熱溫度比較高,而且由于鋁合金的變形熱效應較大,鍛造時溫度還可能有所上升。
        鋁合金導熱性好,因此毛坯不需要進行預熱,可直接在高溫下裝爐。但加熱時間比一般碳鋼長,這是因為鋁合金加熱時必須保證內部強化相充分溶解,以便使合金組織均勻,塑性提高。直徑小于50mm的毛坯,加熱時間按直徑或厚度1.5min/mm計算,直徑大于100mm的毛坯,按2min/mm計算,直徑在50~100mm范圍內的毛坯,按下式計算。
          T=l. 5+0. 01×(d-50)
        式中 T-每毫米直徑或厚度的加熱時間min;
          d-毛坯的直徑或厚度,mm。
        強化相的溶解過程與強化相的性質、大小、形狀、分布有關,組織粗大則溶解慢,所以鑄錠、大型毛坯應取加熱時間的上限;合金元素含量高的鋁合金,加熱時間長些。鍛造后的鍛件,一般在空氣中堆放冷卻。
        3.模鍛
        鋁合金模鍛可以在多種模鍛設備上進行。為了提高塑性、降低變形抗力、改善合金的流動性,選用壓力機比錘的效果要好些。機械壓力機和螺旋壓力機適宜于生產中等尺寸、大體積的鍛件,廣泛用于鋁合金閉式模鍛;對于鋁合金大型模鍛件或形狀復雜的、高清晰輪廓無模鍛斜度的精密模鍛件,最好用液壓機模鍛,緩慢而容易控制的應變速率可以使鋁合變形抗力降到最小,減小鍛造壓力并容易獲得預期形狀;管接頭、三通等小型鋁鍛件,在螺旋壓力機上進行無飛邊模鍛。
        鋁合金的流動性較差(比鋼和鈦合金差,但比鎂合金好),并對裂紋比較敏感,不宜采用聚集工步;鋁合金在高溫下表面摩擦系數高,黏附力大,不宜采用滾擠模膛。鍛造溫度范圍窄,因此一般采用單模膛模鍛,采用自由鍛制坯。
        模具應預熱到250~300℃。為了增加合金的流動性和便于起模,要對模膛表面進行拋光,要求達到Ra =0. 4~0. 2tjm以上。
        因為鋁合金對應變速率敏感并具有放熱性,錘上模鍛時要控制好錘頭的高度、打擊力量和速度,開始錘擊要輕,產生飛邊、形成有利的應力狀態后,可以重擊加大變形程度。如壓力機上模鍛,當一次行程的變形程度大于40%時,大量金屬擠向飛邊槽,使模膛不易充滿,可以采用預鍛和終鍛兩道工序。對于形狀復雜的鍛件,經常采用多套模具、多次模鍛,使毛坯形狀由簡單逐步過渡到復雜,從而流動均勻、充填容易,防止鍛件出現晶粒不均勻等缺陷。在各次模鍛工序之間,一般要進行切除飛邊、酸洗并清除表面缺陷。
      鋁合金的變形流動對圓角半徑也非常敏感,小的圓角半徑很容易導致金屬流動困難,產生折疊、裂紋、纖維折斷等缺陷并降低鍛模壽命,所以鋁合金鍛件的圓角半徑一般比鋼鍛件大。通常小鍛件的圓角半徑應大于1~2mm,大中型鍛件的圓角半徑應大于2~5mm。鋁合金的黏附力大,模鍛斜度也應大些,通常采用的模鍛斜度為7。,在有頂出器的情況下,也可采用1。~5。。
      鋁合金黏附力大,流動性差,因此模具潤滑是模鍛工藝的重要環節。對小件或形狀復雜、容易產生折疊的鍛件,通常采用的潤滑劑為80%~90%錠子油+10%~20%石墨;對于大件或形狀簡單的鍛件,可采用70%~80%汽缸油+2026—30%石墨。
        4.切邊
        除了超硬鋁之外,鋁合金鍛件都在冷態下切邊;大型模鍛件用帶鋸切除飛邊,連皮用沖頭沖切或用機械加工切除。
        5.清理
        在模鍛工序之間以及終鍛以后,鋁合金模鍛件都要進行酸洗,酸洗可以清除殘余的潤滑劑和氧化薄膜,得到有自然光澤的表面并使缺陷清晰地顯示出來。例如某廠鋁合金鍛件表面清理工藝:在含4%~8%(質量分數)NaOH水溶液中,70℃下浸漬0.5~5min;立即在75℃或更高溫度的熱水下沖洗0.5~5 min;浸入88℃、10%硝酸(體積分數)水溶液中去除黑色沉淀物;在60—70℃的熱水中漂洗3~5min。
        6.修傷
        鋁合金在高溫下很軟、黏性大,容易產生各種表面缺陷(折疊、毛刺、裂紋等)。修傷是鋁合金模鍛工藝中的重要環節。模鍛之前毛坯表面的缺陷必須清除干凈,否則在后續工序中缺陷會進一步擴大,引起鍛件報廢。修傷用的工具有風動砂輪機、風動銑刀、電動銑刀及扁鏟等。修傷前要經過酸洗并查清缺陷部位,修傷處要圓滑過渡。
       三、粗晶問題
        各種變形鋁合金具有程度不同的形成粗晶組織的傾向。由鍛件和模鍛件較少發現粗晶組織,而2A1(LD10)、2A70 (LD7)、2A02 (LY2)合金,特別是在6A02 (LD2)經常發現有粗晶組織。
        例如,7A04 (LC4)合金的自2A50(LD5)、2A11 (LY11)、和2A16 (LY16)合金的鍛件上
        鍛件的整體粗晶,多是由于原材料粗晶或過熱組織所造成。而局部粗晶的原因復雜。
        鍛件的表面粗晶,多是棒材表層粗晶環在鍛件表面遺留的結果。鋁合金棒材表面的粗晶環使塑性變差,鍛造時容易產生裂紋。錘上模鍛時,開始應輕擊,打碎表面粗晶環,提高金屬的塑性,然后再逐漸加重打擊使金屬充滿模膛。
      在鍛件變形程度小的局部部位,經常由于落人臨界變形程度而引起粗晶。為了避免再結晶時形成粗晶,終鍛溫度下的變形要避開臨界變形程度(12%~15%)。在變形程度大、金屬相對流動劇烈的區域,因晶粒位向趨于一致,并且再結晶能量很高,在隨后熱處理時也可能發生聚集再結晶而形成粗晶。
        此外,變形程度過大、鍛造次數過多、模具表面粗糙、終鍛溫度低、淬火水溫高、時間長等都會導致產生粗晶。例如在鍛件飛邊區域附近特別容易產生粗晶。
        粗晶組織會顯著降低鍛件的抗拉強度、屈服強度和延伸率,對疲勞強度和抗震性能都有不良影響,應該采取適當的工藝措施防止粗晶缺陷。一般來說需要考慮:選擇合理的毛坯形狀尺寸、合理的制坯和預鍛工步、合理的變形一溫度條件、提高工具、模膛表面光潔程度、均勻潤滑等。
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