熱處理制度對鋁合金管材機械性能的影響分析

張紅香

甘谷縣職業中等專業學校 甘肅天水 741200

1 分析背景

鋁合金是在純鋁的基礎上加入適量的硅、銅、鎂、錳等合金元素形成的金屬制品,由于強度高、密度小、耐蝕性好,因此應用極為廣泛,可以作為航空、航天、汽車、交通等行業的主要結構材料,制造商用車輛、鐵路結構、船舶、機械零件等[1]。隨著裝備制造業技術的飛速變革與發展,鋁合金的使用性能要求越來越高。為滿足使用要求,鋁合金生產工藝必須更加精準。鋁合金可分為熱處理不可強化鋁合金和熱處理可強化鋁合金。熱處理不可強化鋁合金不能通過熱處理的方法顯著提高力學性能,固溶體成分不隨溫度而變化,不能借助于固溶處理強化,但可采用滾壓、噴丸等冷作硬化加工方法來提高機械強度。熱處理可強化鋁合金通過采用淬火、時效等技術工藝方法來提高機械性能,這種方法在工業生產中廣泛應用[2-4]。鍛鋁是鋁銅鎂硅系合金,以6082鋁合金管材為例,這是一種熱處理可強化鋁合金,強化相為Mg2Si,淬火后一般進行人工時效,具有良好的工藝性能,塑性高,強度中等,耐腐蝕性好,鍛造性較好,主要用于制造航空儀表工業中形狀復雜、強度要求較高的鍛件[5-7]。在實際應用中發現,滿足一定技術條件下會出現同一批材料強度高的硬度不一定高,強度低的硬度反而高的問題。為此,筆者對鋁合金管材在不同熱處理制度下的強度與硬度之間的關系進行對比,總結出一套強度與硬度相對應的熱處理制度,以提高產品的強度、硬度、延伸率等機械性能,更好地滿足客戶的使用要求。

2 試驗方法

對φ55 mm×6 mm、φ42 mm×4 mm兩種規格的6082鋁合金管材利用鋸床、車床、銑床等加工設備按照GB/T 16865—2013 《變形鋁、鎂及其合金加工制品 拉伸試驗用試樣及方法》制取試樣[8],在520 ℃、40 min和535 ℃、40 min下分別進行淬火,按180 ℃和12 h、24 h進行人工時效,對淬火、時效的試樣按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》進行室溫力學性能試驗,硬度試驗則按GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》進行。通過以上兩組試驗數據與530 ℃、40 min淬火,160 ℃和12 h人工時效數據進行對比,確認合適的熱處理制度,以制訂出根據不同需要而采用的不同熱處理工制度。

3 試驗過程

試驗所需設備主要有熱處理設備、硬度試驗設備、拉力試驗設備等。熱處理設備采用 GY-30坩堝式鹽浴爐,該爐為電阻爐升溫加熱,加熱保溫介質是硝鹽,按65%NaNO3、35%KNO3配制,具有升溫快、溫度誤差小、加熱均勻的優點。人工時效所使用的設備是We-101電熱鼓風干燥箱,溫度誤差為±1 K。硬度試驗采用OM150萬能硬度計進行,拉力試驗采用100KN-2-5T拉力試驗機進行。

試驗時,選擇合金狀態為6082T6,規格為φ42 mm×4 mm、φ55 mm×6 mm的鋁合金管材,化學成分根據GB/T 3190—2020《變形鋁及鋁合金化學成分》配制,化學成分質量分數見表1。

表1 6082鋁合金化學成分質量分數

6082鋁合金在520 ℃、40 min淬火,按160 ℃、12 h人工時效的機械性能見表2。

表2 6082鋁合金機械性能

4 試驗結果

針對規格為φ55 mm×6 mm、φ42 mm×4 mm的6082鋁合金管材,采用現有熱處理制度,即淬火制度530 ℃±3 K、40 min,時效制度160 ℃±5 K、12 h,以及采用520 ℃、40 min和535 ℃、40 min淬火,按180 ℃和12 h、24 h時效,所得試驗數據見表3。

表3 6082鋁合金試驗數據

將規格為φ55 mm×6 mm的30個試樣按照熱處理制度分成三組。第一組試樣為1～10號,520 ℃、40 min淬火、按180 ℃、12 h進行人工時效。第二組試樣為11～20號,530 ℃、40 min淬火,按160 ℃、12 h進行人工時效。第三組試樣為21～30號,535 ℃、40 min淬火,按180 ℃、24 h進行人工時效。試樣硬度、抗拉強度、屈服強度依次如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 試樣硬度

圖2 試樣抗拉強度

圖3 試樣屈服強度

5 試驗分析

從表3中可以看出,在不同熱處理制度下,規格為φ55 mm×6 mm、φ42 mm×4 mm的6082鋁合金管材的硬度、抗拉強度、屈服強度都不相同。1～10號試樣的硬度、抗拉強度、屈服強度均不符合要求,只有延伸率符合要求。11～20號試樣在530 ℃淬火,160 ℃保溫12 h人工時效下,硬度、抗拉強度、屈服強度均符合要求,但是抗拉強度高的硬度不一定高,兩者之間沒有形成對應關系。34～36號試樣抗拉強度高的硬度不一定高,從材料性能來說,此時的熱處理制度沒有達到最好的效果。21～30號試樣在535 ℃淬火,180 ℃保溫24 h人工時效下,硬度隨著抗拉強度提高而增大,并且硬度、抗拉強度、屈服強度、伸長率都呈對應關系,符合一般的理論規律。37、38號試樣同樣符合以上規律,并且滿足使用要求,因而得出此時的熱處理制度是比較合適的。

從圖1中可以看出,三條硬度曲線中,21～30號試樣對應的數值整體較高,走向平緩,說明硬度相差不大。1～10號試樣對應的數值最低,走向曲折,最大值和最小值相差較大,說明硬度不穩定。從圖2中可以看出,三條抗拉強度曲線中,21～30號試樣對應的數值整體較高,走向平緩,1～10號試樣對應的數值整體最低。從圖3中可以看出,三條屈服強度曲線中,21～30號試樣對應的數值整體較高,走向平緩,1～10號試樣對應的數值整體最低。將圖1、圖2、圖3結合起來分析,會發現21～30號試樣的硬度、抗拉強度、屈服強度在三組試樣中數值最高,曲線的走向趨勢基本一致。

也就是說,硬度高的力學性能指標也高,主要原因是強化相Mg2Si相細小且均勻,已經充分固溶,使機械性能較高。1～10號試樣的硬度、抗拉強度、屈服強度在三組試樣中數值最低,曲線走向沒有一一對應,原因是合金中Mg2Si相粗大,沒有完全溶入基體,起不到應有的強化作用,導致合金強度較低[8-9]。11～20號試樣的硬度、抗拉強度、屈服強度數值居中,曲線走向不一致,即抗拉強度與硬度不成對應關系。

6 結束語

從試驗分析可以看出,6082鋁合金管材在不同的熱處理狀態下,力學性能與硬度都有所變化,變化趨勢大致相同。為了保證6082鋁合金管材經過熱處理后發揮出最佳性能,在535 ℃、40 min進行淬火,之后采用180 ℃保溫24 h人工時效,可以提高材料的力學性能,并且隨著抗拉強度提高硬度也增大。要求不高的情況下,在530 ℃、40 min進行淬火,采用160 ℃±5 K保溫12 h人工時效,材料的機械性能比較好,可以滿足用戶的需求。當然,在實際生產中,淬火溫度不能太高。淬火溫度過高,會產生過燒缺陷或者加熱不均勻,使制品淬火內應力較大,在淬火過程中有時會開裂,導致淬火裂紋較易出現[11]。保溫時間不能太長,一般選擇40 min。如果延長保溫時間,會使晶粒粗大,使機械性能變差。當淬火溫度為535 ℃,保溫時間為40 min時,機械性能趨于穩定且良好?？傊?通過試驗分析出了6082鋁合金在不同熱處理制度下的機械性能變化趨勢,用于滿足不同用戶的使用要求。