干货包!铝合金环形锻件热处理工艺研究

本批次生产的2A12铝合金环形锻件力学性能要求Rm≥390MPa，A≥10%。此力学性能需要锻件在锻后进行热处理才能满足，热处理方式一般为固溶+人工时效或固溶+自然时效。但查阅相关资料及标准，既无2A12 铝合金锻件人工时效后相关性能数据，也没有锻件人工时效与自然时效性能差别的相关资料。因此，本文针对2A12铝合金环形锻件进行了固溶、人工时效、过时效和自然时效工艺处理试验，检测了经不同热处理工艺后锻件的力学性能，并对不同热处理工艺下锻件的显微组织进行了比对分析，确定出满足锻件力学性能要求的最佳的热处理工艺。本试验既积累了2A12铝合金锻件热处理相关力学性能参数， 也可为今后2A12环形锻件的生产提供指导。

热挤压态棒材在（470±10）℃下保温6～6.5h 后进行锻造加工， 锻后空冷。锻件成形过程主要工序为：下料—加热—镦粗—冲孔—碾环机扩孔—热处理。2A12 铝合金环形锻件尺寸见图1。

2.1 热处理试验方案

    2A12铝合金锻件空冷至室温后，进行固溶处理试验。固溶工艺为（490±5）℃保温4h，水冷。从固溶后的锻件上切取试样，编号分别为S01、S02、S03、S04、S05。对不同编号的试样分别进行人工时效、过时效和自然时效处理。试样经热处理试验后检测其硬度， 并在不同编号的试样上制取力学性能试样和显微组织试样。每组力学性能试样分别制取两个进行检测， 不同编号的试样热处理试验及力学性能数据见表1。

2.2 力学性能分析     

分析表1 数据可见，S01试样（固溶+5h人工时效）和S05试样（固溶+自然时效）的力学性能均能满足要求；与S01试样力学性能相比，S02 试样（固溶+8h 人工时效）和S03试样（固溶+10 h 人工时效）热处理后，铝合金的抗拉强度及硬度略有提高，但伸长率明显降低，不能满足伸长率≥10%要求。S04试样（锻件固溶+10h 人工时效）热处理后空冷至室温，然后再进行10h补充时效，此时锻件进入过时效状态，试样硬度较S03 试样略微降低，抗拉强度及伸长率大幅下降。由此可见，2A12 铝合金锻件力学性能最优的热处理工艺试样编号为S01和S05。

不同编号试样的显微组织见图2。2A12铝合金淬火后，得到的过饱和固溶体处于不平衡的状态，时效过程中发生分解，析出强化相。主要强化相是S（CuMgAl2）相，其次是CuAl2相。分析对比图2(a)～(d)中的显微组织可以看出，随着人工时效时间的延长，晶界间析出的化合物数量逐渐增多，且聚集分布。化合物的这种聚集分布使晶界弱化，不但造成了锻件伸长率降低，也使锻件后期使用过程中晶间腐蚀倾向增大。图2(e)为自然时效显微组织，由图可以看出，自然时效后化合物均匀弥散分布，此种分布方式能阻碍位错重新排列， 从而提高锻件的强度和塑性，晶间腐蚀倾向性也会减小。但自然时效是以GP 区强化为主的，组织不太稳定，当零件工作温度超过100℃或后续工艺过程中锻件的加热温度超过100℃时，组织会发生变化，建议如果较高温度使用时选择采用人工时效替代自然时效， 以获得稳定的组织状态。因此，图2(a)中S01试样对应的热处理工艺较优。

经对2A12 铝合金不同热处理试样力学性能对比分析可知，S01试样（固溶+5h 人工时效） 和S05试样（固溶+自然时效热处理）的力学性能较佳；对2A12 铝合金不同热处理试样的显微组织进行分析可知，S01 试样对应的热处理工艺较优。综上所述，2A12 铝合金的最佳热处理工艺为固溶[（490±5）℃保温4h，水冷）+人工时效（（190±10）℃/5h]。

（1） 随着人工时效时间的延长， 锻件的抗拉强度及硬度略微提高，但伸长率逐渐降低。当达到过时效状态时，锻件的抗拉强度大幅降低，伸长率继续下降，硬度较过时效之前略微降低。

（2） 固溶+人工时效[（190±10）℃/5 h，空冷）与固溶+自然时效（室温，≥96 h]的热处理工艺均能满足锻件力学性能要求；自然时效状态与人工时效状态相比，2A12 铝合金的晶间腐蚀倾向性小。

（3） 2A12 铝合金环形锻件最佳热处理工艺为：固溶（（490±5℃）保温4 h，水冷）+人工时效[（190±10）℃/5h]。