CN110284084A - 一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法 - Google Patents

一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属加工技术领域，具体涉及一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法，包括：(1)均匀化处理：对待加工的铸态铝合金板进行均匀化处理；(2)表面处理：将上述均匀化处理后的铝合金板的表面进行打磨处理和物理清洗；(3)搅拌摩擦加工：将上述表面处理后的铝合金板进行单道次搅拌摩擦加工，并瞬时强制冷却；(4)机加工处理：将上述搅拌摩擦加工后的铝合金板进行机加工后，进行打磨处理；(5)激光冲击：对上述机加工处理后的铝合金板的搅拌摩擦加工区域进行激光冲击处理。经过本发明处理后，不仅能改善铝合金板表面的宏观和微观组织形貌，其力学性能和耐磨损性能大幅提高，在塑性提高的同时，强度也能较好的提高，磨损率也大大降低。

Description

一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法
技术领域
本发明属于金属加工技术领域，具体涉及一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法，尤其涉及一种适用于可热处理强化的铝合金板材局部改性及表面大塑性成形方法。
背景技术
铝合金结构件在汽车、通信、交通、航空航天、国防军事工业、冶金等许多领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，合金的主要失效形式疲劳和腐蚀均始于材料表面，所以铝合金表面局部的组织性能直接影响材料的综合性能。晶粒细化能有效提高铝合金的强度和塑性，从而提高铝合金的综合力学性能。作为近年来备受青睐的一种大塑性加工技术，搅拌摩擦加工是利用轴肩和搅拌针组成的搅拌头高速旋转插入工件，通过搅拌头与工件间的摩擦作用将工件局部加热，软化、强塑性变形，使搅拌区的材料发生动态再结晶，晶粒细化，从而在搅拌区内形成致密的、缺陷少的细晶组织，改善材料的力学性能。此外，作为一种高新技术，激光冲击强化是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的重要工艺方法。它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。
现有技术中，2A14铝合金板材的常规生产工艺是对均匀化处理后的铝合金铸锭进行热轧成形，矫直并在线淬火，淬火后根据生产需要进行预拉伸或冷轧，最后进行时效和精整，通过这种方法得到的合金组织不均匀，晶粒粗大，并且存在热处理后析出相不完全等问题，造成材料性能不稳定，力学性能较低。随着航空航天和交通运输工业的迅猛发展，对制备局部性能优良、高强耐磨的铝合金板材提出了更高的要求，因常规轧制成形方法制备的大尺寸铝合金板材存在晶粒粗大，组织性能不均匀等问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的局部强度不高，耐磨性能不好的缺陷，本发明提供一种高强耐磨铝合金塑性成形方法，通过搅拌摩擦加工对组织进行细化，结合表面激光冲击成形工艺使搅拌摩擦加工区的表面组织形成微纳米晶，在晶粒细化的基础上调节表面加工硬化水平，达到较优的强度和耐磨组织特征。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种高强耐磨铝合金板材塑性成形方法，包括如下步骤：
(1)均匀化处理：对待加工的铸态铝合金板进行均匀化处理；
(2)表面处理：将上述均匀化处理后的铝合金板的表面进行打磨处理和物理清洗；
(3)搅拌摩擦加工：将上述表面处理后的铝合金板进行单道次搅拌摩擦加工，并瞬时强制冷却；
(4)机加工处理：将上述搅拌摩擦加工后的铝合金板进行机加工去除非搅拌摩擦加工区域，然后对表面进行打磨处理；
(5)激光冲击：对上述机加工处理后的铝合金板的搅拌摩擦加工区域进行激光冲击处理。
优选地，所述铝合金板为2系铝合金板、6系铝合金板或7系铝合金板；
当所述铝合金板为2系铝合金板时，步骤(1)中所述均匀化处理为在430～530℃的温度下保温8-18h，且保温结束后先随炉冷却至160±5℃，再开炉门冷却至室温；
当所述铝合金板为6系铝合金板时，步骤(1)中所述均匀化处理为在500～580℃的温度下保温8-18h，且保温结束后先随炉冷却至180±5℃，再开炉门冷却至室温；
当所述铝合金板为7系铝合金板时，步骤(1)中所述均匀化处理为在410～490℃的温度下保温8-18h，且保温结束后先随炉冷却至130±5℃，再开炉门冷却至室温。
优选地，步骤(2)中所述物理清洗为采用水基型清洗剂和水进行冲洗。
优选地，步骤(3)中所述搅拌摩擦的参数为：转速为800-1000rpm，进给速度为80-100mm/min，轴肩下压量为0.2±0.05mm，搅拌头倾角为2.5-2.7°；所述瞬时强制冷却采用24±2℃的流动水进行边搅拌摩擦加工边冷却。
优选地，步骤(5)中所述激光冲击处理的参数为：波长为1064nm，光斑直径为2-3mm，脉冲能量为6-8J，脉冲宽度为8-12ns，搭接率为50％，采用对铝合金板的双面进行激光冲击。
本发明的有益效果：
(1)本发明先对铸态铝合金板进行均匀化处理，有效消除或减少各种气孔、夹杂和难溶共晶化合物等铸造缺陷，然后通过搅拌摩擦加工过程中，铝合金板发生剪切变形，从而发生大塑性变形，使搅拌摩擦加工区的粗大第二相和析出相加速溶解或破碎，难溶共晶相开始消失，搅拌摩擦加工区的晶粒明显细化，得到均匀细小的再结晶组织；再通过对搅拌摩擦加工后的区域进行瞬时强制冷却，快速降低搅拌区内产生的大量塑性变形热和摩擦热，有效提高其散热速率，抑制再结晶晶粒的生长，使搅拌区呈现出更细更均匀的晶粒；此外，快速冷却后的搅拌区内仅能观察到少量大尺寸析出相，说明过时效的趋势也受到抑制，因此搅拌摩擦加工并强制冷却后搅拌区组织均匀细小、第二相分布均匀且无内部缺陷。相对于现有技术中的变形后再退火再加工的工艺，省略一个变形工艺，却达到了同等的强度和塑性。
(2)本发明通过对铝合金板搅拌摩擦加工后的区域进行激光冲击强化，促使搅拌区的表面形成微纳米晶结构，高位错密度和析出相区域，并且显著提高激光冲击区域表层的显微硬度和残余应力，从而进一步提升铝合金板的强度和表面的耐磨性能。
(3)本发明可以显著提高铝合金板材的局部强度和表面耐磨性能，生产效率高、能耗低，绿色环保，可以解决工业界局部改性难题，扩大铝合金的使用范围。
附图说明
图1为本发明中铝合金板塑性成形方法的工艺流程图。
图2为对比例2、对比例4和实施例1得到的铝合金板横截面的微观组织形貌图；(a)-对比例2；(b)-对比例4；(c)-实施例1。
图3为对比例2(a)、对比例4(b)和实施例1(c)得到的铝合金板的磨损形貌图；(a)-对比例2；(b)-对比例4；(c)-实施例1。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述一下本发明的具体内容。本发明将通过具体实施例作进一步说明，以下所述仅是本发明的优选实施方式，需要指出的是，此处所描述的具体实施例仅是为了做详细说明，解释本发明，并不用于限定本发明，本发明所保护内容也不局限于下述实施例。
如图1所示，按照图1中的铝合金板塑性成形方法的工艺流程图对铸态2A14铝合金板进行塑性成形操作。
实施例1
(1)均匀化处理：将待加工的铸态2A14铝合金板按照设备尺寸要求锯切150mm×300mm×5mm，将锯切好的板材室温装炉，在490℃下均匀化处理10h，保温结束后先随炉冷却至160±2℃，再从热处理炉中取出空冷至室温；
(2)表面处理：将均匀化处理后的2A14铝合金板待加工区域表面用打磨机打磨干净，水基型清洗剂清洗后并用水冲洗，接着用吹风机吹干备用。
(3)搅拌摩擦加工：将表面处理后的2A14铝合金板装夹在搅拌摩擦焊设备上进行单道次搅拌摩擦加工并采用24±2℃的流动水进行边搅拌边冷却，搅拌摩擦加工参数为转速1000rpm，进给速度100mm/min，轴肩下压量为0.2±0.05mm，搅拌头倾角为2.7°，搅拌摩擦加工用搅拌针为长度4.6mm带螺纹的圆台搅拌针，圆台搅拌针的头部和根部直径分别为4mm和6mm，轴肩直径为15mm。
(4)机加工处理：用打磨机打磨搅拌区表面的弧形纹路、氧化皮和飞边等缺陷，用线切割在搅拌摩擦加工后的2A14铝合金板搅拌区切取片状拉伸试样，使拉伸试样的平行部位完全位于搅拌区内，且拉伸试样的中心线平行于加工方向，并与搅拌区的中心线在一条直线上。
(5)激光冲击：将上述切取的搅拌区拉伸试样正反面进一步打磨光滑，在激光器上进行双面激光冲击强化，每面各冲击2次，其中激光冲击参数为波长1064nm，光斑直径3mm，脉冲能量8J，脉冲宽度10ns，搭接率50％，得到高强耐磨2A14铝合金板。
实施例2
(1)均匀化处理：将待加工的铸态2A14铝合金板按照设备尺寸要求锯切150mm×300mm×5mm，将锯切好的板材室温装炉，在460℃下均匀化处理14h，保温结束后先随炉冷却至160±2℃，再从热处理炉中取出空冷至室温；
(2)表面处理：将均匀化处理后的2A14铝合金板待加工区域表面用打磨机打磨干净，水基型清洗剂清洗后并用水冲洗，接着用吹风机吹干备用。
(3)搅拌摩擦加工：将表面处理后的2A14铝合金板装夹在搅拌摩擦焊设备上进行单道次搅拌摩擦加工并采用24±2℃的流动水进行边搅拌边冷却，搅拌摩擦加工参数为转速800rpm，进给速度80mm/min，轴肩下压量为0.2±0.05mm，搅拌头倾角为2.5°，搅拌摩擦加工用搅拌针为长度4.6mm带螺纹的圆台搅拌针，圆台搅拌针的头部和根部直径分别为4mm和6mm，轴肩直径为15mm。
(4)机加工处理：用打磨机打磨搅拌区表面的弧形纹路、氧化皮和飞边等缺陷，用线切割在搅拌摩擦加工后的2A14铝合金板搅拌区切取片状拉伸试样，使拉伸试样的平行部位完全位于搅拌区内，且拉伸试样的中心线平行于加工方向，并与搅拌区的中心线在一条直线上。
(5)激光冲击：将上述切取的搅拌区拉伸试样正反面进一步打磨光滑，在激光器上进行双面激光冲击强化，每面各冲击2次，其中激光冲击参数为波长1064nm，光斑直径2mm，脉冲能量6J，脉冲宽度12ns，搭接率50％，得到高强耐磨2A14铝合金板。
对比例1
尺寸为150mm×300mm×5mm的铸态2A14铝合金板。
对比例2
与实施例1基本相同，不同之处在于将实施例1中的步骤(2)～(5)省略，其他均同实施例1。
对比例3
与实施例1基本相同，不同之处在于将实施例1中的步骤(3)和(4)省略，其他均同实施例1。
对比例4
与实施例1基本相同，不同之处在于将实施例1中的步骤(5)省略，其他均同实施例1。
将实施例1-2和对比例1-4所得铝合金板试样进行力学性能测试，其结果如表1所示：
表1
从表1数据可以看出，经实施例1和实施例2塑性成形方法得到的高强耐磨2A14铝合金板，其抗拉强度可以达到518MPa以上，最高硬度可以达到266HV，延伸率在10.3％以上，各项性能均能满足航空航天领域的要求。
对比例2、对比例4和实施例1得到的铝合金板的横截面的微观组织形貌，如图2所示，可以看出，实施例1所得铝合金的微观组织较均匀，且形成微纳米晶结构，具有细晶强化的作用。
将对比例2、对比例4和实施例1得到的铝合金板在往复式磨擦磨损试验机上进行耐磨损性能测试，其磨损形貌如图3所示，可以看出，实施例1得到的铝合金耐磨损性能较好，说明对铝合金板材试样进行搅拌摩擦加工(包括瞬时强制冷却)和激光冲击强化后，表面耐磨性能得到极大的提高，与搅拌摩擦加工但未激光冲击的铝合金板试样(对比例4)相比，搅拌摩擦加工(包括瞬时强制冷却)和激光冲击强化铝合金板样品的质量损失减少了26.9％。
上述具体实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用同等替换或等效变换的方式获得的技术方案均属于本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)均匀化处理：对待加工的铸态铝合金板进行均匀化处理；
(2)表面处理：将上述均匀化处理后的铝合金板的表面进行打磨处理和物理清洗；
(3)搅拌摩擦加工：将上述表面处理后的铝合金板进行单道次搅拌摩擦加工，并瞬时强制冷却；
(4)机加工处理：将上述搅拌摩擦加工后的铝合金板进行机加工去除非搅拌摩擦加工区域，然后对表面进行打磨处理；
(5)激光冲击：对上述机加工处理后的铝合金板的搅拌摩擦加工区域进行激光冲击处理。
2.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法，其特征在于，所述铝合金板为2系铝合金板、6系铝合金板或7系铝合金板；
当所述铝合金板为2系铝合金板时，步骤(1)中所述均匀化处理为在430～530℃的温度下保温8-18h，且保温结束后先随炉冷却至160±5℃，再开炉门冷却至室温；
当所述铝合金板为6系铝合金板时，步骤(1)中所述均匀化处理为在500～580℃的温度下保温8-18h，且保温结束后先随炉冷却至180±5℃，再开炉门冷却至室温；
当所述铝合金板为7系铝合金板时，步骤(1)中所述均匀化处理为在410～490℃的温度下保温8-18h，且保温结束后先随炉冷却至130±5℃，再开炉门冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法，其特征在于，步骤(2)中所述物理清洗为采用水基型清洗剂和水进行冲洗。
4.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法，其特征在于，步骤(3)中所述搅拌摩擦的参数为：转速为800-1000rpm，进给速度为80-100mm/min，轴肩下压量为0.2±0.05mm，搅拌头倾角为2.5-2.7°；所述瞬时强制冷却采用24±2℃的流动水进行边搅拌边冷却。
5.根据权利要求1所述的一种高强耐磨铝合金板塑性成形方法，其特征在于，步骤(5)中所述激光冲击处理的参数为：波长为1064nm，光斑直径为2-3mm，脉冲能量为6-8J，脉冲宽度为8-12ns，搭接率为50％，采用对铝合金板的双面进行激光冲击。
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