2014铝合金板材热处理工艺研究

2014铝合金板材热处理工艺研究
王金花;王刚;马英义;杨鑫;陈玉华
【摘要】试验研究了退火温度、退火时间、淬火温度、淬火时间、时效温度和时效时间等因素对2014铝合金板材组织与性能的影响.确定了2014铝合金薄板各种热处理工艺参数:退火温度380℃,退火保温时间1 h;淬火温度500℃,淬火加热保温时间10 min;时效温度160℃,时效保温时问12 h.在工业生产条件下,采用以上确定的热处理工艺参数生产出O状态、T4状态和T6状态的薄板,其性能均完全达到标准中规定的指标.
【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2010(038)008
【总页数】5页(P31-34,46)
【关键词】2014铝合金板材;退火;淬火;时效
【作者】王金花;王刚;马英义;杨鑫;陈玉华
【作者单位】东北轻合金有限责任公司,黑龙江,哈尔滨,150060;东北轻合金有限责任公司,黑龙江,哈尔滨,150060;东北轻合金有限责任公司,黑龙江,哈尔滨,150060;东北轻合金有限责任公司,黑龙江,哈尔滨,150060;东北轻合金有限责任公司,黑龙江,哈尔滨,150060
【正文语种】中文
【中图分类】TG166.3
2014铝合金属Al-Cu-Mg-Si系,它的强度高,锻造性能、耐热性和可焊性良好,是航天航空工业、橡塑模具制造工业用的重要材料。

该合金板材经退火、淬火、时效等热处理,可获得各种优良性能。

本试验结合工业化生产,研究了退火、淬火、时效等热处理工艺参数对 2014铝合
金板材性能和组织的影响,确定了该合金板材合理的热处理工艺制度,生产出的板材
符合 GB/T3880-1997标准中规定的要求。

1 试验
1.1 试验用料的制备
按表 1化学成分配制 2014铝合金熔体,用半连续水冷铸造法生产255 mm×1 500 mm的铸锭,经490℃～500℃24 h均匀化处理、锯切、铣面后,在金属温度390℃～430℃热轧,再经过中温轧制到成品板材厚度,剪切板材取横向试样供试验用。

表1 2014铝合金的各元素质量分数 %其他杂质项目 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
Al单个合计标准 0.50～1.2 0.70 3.9～5.0 0.4～1.2 0.20～0.8 0.10 0.25 0.25
0.05 0.15 余量实际 0.80 0.40 4.5 0.8 0.6 0.10 0.20 0.20 0.05 0.15 余量
1.2 试验目标值
GB/T3880-1997标准中规定 2014铝合金 O、T4和T6状态3.6mm厚度板材的力学性能指标列于表2,以它作为本试验的目标值。

表2 3.6 mm厚的2014铝合金O、T4和T6状态板材试验目标值状态
Rm/(N◦mm-2) Rp0.2/(N◦mm-2) A/%O ≤220 ≤140 ≥16 T4 ≥395 ≥240 ≥14
6≥440 ≥390 ≥7
1.3 试验内容
1.3.1 退火试验
将 2014铝合金冷轧板分别在150℃、170℃、190℃、210℃、230℃、250℃、
270℃、290℃、310℃、330℃、350℃、370℃、390℃、410℃退火,分别保温1 h、2 h,研究退火温度、退火保温时间对板材组织与性能的影响,确定可行的退火工艺参数。

1.3.2 淬火试验
(1)将板材分别加热到460℃、470℃、480℃、490℃、500℃、510℃、520℃,各保温 10min,水淬。

研究淬火温度对 2014铝合金板材组织与性能的影响,确定可行的淬火温度范围。

(2)在 2014铝合金板材确定的淬火温度加热,分别保温2min、6 min、10m in、14 min、18 min,水淬。

研究淬火加热保温时间对板材性能和组织的影响,确定合适的淬火加热保温时间。

1.3.3 时效试验
(1)将淬火矫直后的2014铝合金板材在100℃、120℃、140℃、160℃、180℃温度时效,保温 10 h。

研究时效温度对板材组织与性能的影响,确定可行的时效温度范围。

(2)将板材在确定的时效温度下分别保温 8 h、10 h、12 h、14 h、16 h进行时效处理,检测常温性能和金相组织,确定合适的时效保温时间。

1.4 试验过程
2014铝合金板材生产工艺流程：熔铸→均火→锯切→铣面→加热→热轧→中温轧制→预剪切→
2 试验结果与分析
2.1 退火试验结果与分析
3.6 mm厚的2014铝合金冷轧板材在各退火温度下保温1 h、2 h,其退火温度和退火时间对力学性能及组织的影响见图 1及图 2。

图1 2014铝合金板材力学性能与退火温度的关系曲线
图2 2014铝合金板材不同温度退火后的X射线照片
从图 1和图 2中可见,随着 2014铝合金板材的退火温度升高,其强度降低而伸长率升高,其组织由室温下冷变形组织向再结晶组织转变。

在退火温度低于210℃时,合金组织处于回复阶段,由于退火温度相对较低,不足以激起晶粒内变形储能,只能使在冷加工形成的点缺陷和位错在加热过程中发生迁移,晶粒的大小没有发生变化。

其亚组织发生多边化,位错重新排布,亚晶粒粗化,即位相差很小的两个或多个亚晶粒通过位错的攀移等运动形成一个较大的亚晶粒。

在回复过程中,板材的力学性能变化很小,原因在于回复阶段点缺陷浓度明显降低。

在退火温度高于210℃时,由 X射线照片可以看出,其衍射环中出现数个衍射斑点,说明 2014铝合金板材在210℃开始发生再结晶;在300℃X射线照片中呈现连续的衍射环斑点;在350℃连续的衍射环已消除,呈现不连续的衍射斑点环,2014铝合金板材在350℃时已处于完全再结晶状态。

随着退火温度升高,板材中冷变形储能释放,在原来的变形组织中,亚晶通过合并或亚晶界的迁移而长大,并与周围亚晶形成大角度晶界,从而成为再结晶的晶核。

再结晶的晶核形成以后,它就借界面的迁移而向周围畸变区域长大。

再结晶晶核是无畸变的新晶粒,能量低,而核心周围的基体仍处于高能量的冷加工状态,两者之间的这种应变能差就是晶界迁移的推动力。

当旧的晶粒完全消失,全部被新生的无畸变的再结晶晶粒代替时,再结晶过程即告完成。

在退火温度高于390℃时,2014铝合金板材处于晶粒长大的过程,板材的强度及伸长率有下降趋势。

从图 1中可看出,退火保温时间对 2014铝合金板材性能的影响。

在相同退火温度下保温时间长的其强度低一些而伸长率高一些,这种变化趋势在退火温度高时更显著。

可见退火保温时间对 2014铝合金板材力学性能的影响决定于退火温度,保温时间的长短对力学性能的影响有限。

根据2×××铝合金板材的现场生产特点及本次试验的结果,确定 2014铝合金 O状态板材的热处理制度为：退火温度370℃～380℃,保温时间 1.0 h。

2.2 淬火试验结果与分析
2.2.1 淬火温度对板材性能与组织的影响
将2014铝合金3.6mm厚度板材试样在470℃～520℃温度范围内进行淬火加热、保温10 min,水淬,淬火转移时间10 s,自然时效48 h后检测力学性能,结果见图3。

从图 3可以看出,在淬火温度470℃～510℃范围内,板材的抗拉强度、屈服强度、
伸长率随着淬火温度的提高而上升,在温度高于510℃后板材的抗拉强度、屈服强度、伸长率随着淬火温度提高而下降。

淬火温度520℃时,2014铝合金板材发生过烧现象,其伸长率则急剧下降。

图3 2014铝合金板材淬火温度与力学性能的关系曲线
分析认为,淬火温度低于500℃时,随淬火温度升高强化相固溶充分,淬火后Mg2 Si、CuAl2强化相的固溶度提高,自然时效后强度升高。

当温度达到505℃并继续升高时,因为强化相已经充分固溶,自然时效后强度无明显变化。

观察淬火温度500℃时板材的显微组织,强化相固溶充分,残留相少,晶界清晰完整,晶粒均匀细小。

淬火温度升高至510℃时,显微组织虽未出现过烧现象,但晶粒有所长大,晶界变粗,点状聚集
物长大,残留相增多,合金的强度有所下降。

淬火温度升高至520℃时,显微组织出现明显过烧现象。

有关文献报道,2014铝合金的过烧温度为509℃。

根据2×××铝合金的特点以及从便于工业性生产等综合考虑,选择 2014铝合金板材的淬火温度为(500±2)℃。

2.2.2 淬火保温时间对板材性能与组织的影响
将2014铝合金3.6 mm厚度板材试样在(500±2)℃温度进行淬火加热,保温2 min～18 min,水淬,淬火转移时间10 s,自然时效 48 h后检测力学性能,试验结果见图 4。

可以看出,在(500±2)℃保温时间2min～10min范围内,板材的抗拉强度、
屈服强度、伸长率随着保温度时间增加而上升,在保温时间10min～18min范围内,板材的抗拉强度、屈服强度、伸长率随着保温时间增加而有下降趋势。

分析认为,在相同的淬火加热温度下,随着保温时间增加,固溶体中合金元素的浓度增大,淬火、时效后板材的力学强度升高。

但是保温时间过长使固溶体的晶粒长大,晶
界变粗,点状聚集物长大,残留相增多,从而导致板材的强度下降。

综合考虑生产实际情况,选择 2014铝合金板材的淬火加热保温时间为10min。

因此,2014铝合金板
材淬火加热参数为：淬火温度(500±2)℃、保温10min。

图4 2014铝合金板材淬火保温时间与力学性能的关系曲线
2.3 时效试验结果与分析
2.3.1 时效温度对板材性能与组织的影响
对淬火后的试样进行人工时效试验,时效温度120℃～200℃、保温时间 12 h。

时
效温度对 2014铝合金板材力学性能的影响见图 5。

图5 2014铝合金板材时效温度与力学性能的关系曲线
由图 5可以看出,随着时效温度增加,板材的强度升高,时效温度160℃强度出现峰值后开始下降。

单级峰值时效板材的强度比双级时效的要高一些,其主要强化相是大
量的GP区和少量的θ′过渡相。

随着时效温度升高,2014铝合金板材内形成大量的GP区和少量的θ′过渡相,GP区与基体共格,基体点阵中产生较多的晶格畸变区,对
位错的阻力加大,强度增加。

当温度从160℃增加到200℃,板材强度下降,说明随着温度升高,GP区逐渐向θ′相转化,强化相与基体逐渐失去共格关系,强化效果减弱。

2.3.2 时效保温时间对板材性能与组织的影响
不同时效保温时间的试验在时效温度160℃下进行,时效时间为8 h、10 h、12 h、14 h、16 h。

时效保温时间对板材力学性能的影响见图 6。

图6 2014铝合金板材时效保温时间与力学性能的关系曲线
由图 6可以看出,随着时效保温时间延长,板材的强度升高,保温时间 12 h强度出现
峰值后开始降低。

随着时效保温时间增加,2014铝合金内形成大量的GP区和少量的θ′过渡相,GP区与基体共格,基体点阵中产生了较多的晶格畸变区,对位错的阻力加大,板材强度增加。

当保温时间从 12 h增加到 16 h,板材强度下降,这说明 GP区逐渐向θ′相转化,强化相与基体逐渐失去共格关系,强化效果减弱。

根据现场生产情况及试验结果,确定 2014铝合金板材的时效制度为：时效温度(160±5)℃,保温时间12 h。

3 工业生产考核
在工业生产条件下,按本试验确定的工艺生产出的 2014铝合金三种状态下板材的力学性能如表 3所示。

从表中可以看出三种状态板材的性能,完全符合标准中规定的要求。

表3 3.6 mm厚的2014铝合金板材的实测性能值与标准中规定值对照状态
Rm/(N◦mm-2)Rp0.2/(N◦mm-2) A/% 备注≤220 ≤140 ≥16 标准值O 180～198 118～127 19.3～21.2 实测值≥395 ≥240 ≥14 标准值T4 416～440 263～280 18.1～20.5 实测值≥440 ≥390 ≥7 标准值T6 459～476 415～434 11.5～13.8 实测值
4 结论
通过对 2014铝合金板材热处理工艺的试验研究,得出如下结论：
(1)退火：板材的强度随退火温度的升高而降低,伸长率随退火温度的升高而增加。

(2)淬火：板材的强度、伸长率随淬火加热温度的升高而增加,在淬火温度500℃时出现峰值。

(3)时效：随着时效保温时间延长,板材的强度升高,保温时间 12h时出现峰值后开始下降。

(4)板材的热处理工艺参数：退火温度380℃,保温时间 1 h;淬火加热温度500℃,保温时间 10 min;时效温度160℃,保温时间12 h。

按此工艺生产的2014铝合金板
材的主要性能指标均达到 GB/T3880-1997标准的要求。