CN110791721A - 2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，将锻件放入淬火炉中，淬火温度为502℃±5℃，加热介质为空气，并采用空气保温，保温时间为170‑190min，保温结束后转移至淬火介质中，转移时间≤25秒，浸泡时间≥12分钟，铝合金构件经固溶处理后，必须经过快速淬火才能避免脱溶析出，获得高过饱和度的固溶体，为时效提高合金的强度奠定基础。针对轮毂锻件而言，由于该锻件的技术要求为只固溶淬火，不进行去应力处理，因此，需要选择较优的工艺参数，从而保证在淬火后锻件残余应力在一较为合理的范围。本发明提供的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其工艺参数能够提高产品质量。

Description

2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法

技术领域

本发明涉及航空精密轮毂模锻件制造技术领域，尤其涉及一种2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法。

背景技术

大型飞机上具有一个典型规格锻件，为高强2014铝合金航空精密轮毂模锻件中的最大模锻件：半轮(舱内侧)模锻件。该半轮(舱内侧)模锻件为精密模锻件，为圆盘类模锻件，零件最大外轮毂尺寸φ593.3×309.1mm mm，模锻件最大外轮廓尺寸为φ616.5×314.2mm。

半轮舱内侧零件如图1和图2所示，图1为本发明实施例提供的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的第一侧视结构示意图；图2为本发明实施例提供的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的第二侧视结构示意图，是一个比较复杂的大型铝合金锻件，该锻件的最大外形尺寸为φ600mm×310mm，筒形最大深度为240mm，筒壁最小处仅为7.6mm，筒壁最厚处为16mm，是一个典型的深筒薄壁件，其基本体为筒体12，筒体12的上部具有环形的外延部11，外延部11的上方具有内凹部，内凹部与筒体12的内壁交接处具有呈环形排列的9个凸耳14，筒体12的底部具有呈环形的9个椭圆形凹坑13，具体的，该零件在筒形底部较薄，同时存在9个均匀分布的椭圆形凹坑13，形状复杂；对应在零件上侧存在9个凸耳14，该凸耳14高度较高、壁厚薄、斜度小，竖直方向投影面积较小，属于较难成型及易出现缺陷部分。

半轮(舱内侧)模锻件本身为精密模锻件，为圆盘类模锻件，型腔深、壁薄、高筋、圆角小、内腔和底部的凸台多、型腔较复杂。半轮(舱内侧)模锻件为有大量非加工面、机加工余量小，表面质量要求高，尺寸精度要求极高；模锻件型腔深，筋高且薄，精密模锻成型难；2014合金容易产生粗晶，组织性能均匀性控制难；轮毂安全性能要求高，综合性能要求极高。因此，轮毂模锻件最大的难点为尺寸控制难度大、组织性能均匀性控制难度大。

因此，如何提供一种2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，以提高产品质量，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，以提高产品质量。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，将锻件放入淬火炉中，淬火温度为502℃±5℃，加热介质为空气，并采用空气保温，保温时间为170-190min，

保温结束后转移至淬火介质中，转移时间≤25秒，浸泡时间≥12分钟。

优选的，上述淬火温度为502℃。

优选的，上述保温时间为180min。

优选的，待所述淬火炉的炉温稳定在502℃±5℃后，将所述锻件放入所述淬火炉中。

优选的，上述锻件为多个且均放在料框中，所述锻件之间的间隔≥100mm。

优选的，上述锻件的单炉最大装炉数量不超过24件。

优选的，上述淬火介质为恒温35℃到水，热交换系数恒定为11N/sec/mm/C。

优选的，上述浸泡时间为16分钟。

优选的，上述淬火介质为NaCl溶液，或者为20％PAG溶液，或者为空气。

本发明提供的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，将锻件放入淬火炉中，淬火温度为502℃±5℃，加热介质为空气，并采用空气保温，保温时间为170-190min，保温结束后转移至淬火介质中，转移时间≤25秒，浸泡时间≥12分钟，铝合金构件经固溶处理后，必须经过快速淬火才能避免脱溶析出，获得高过饱和度的固溶体，为时效提高合金的强度奠定基础。针对轮毂锻件而言，由于该锻件的技术要求为只固溶淬火，不进行去应力处理，因此，需要选择较优的工艺参数，从而保证在淬火后锻件残余应力在一较为合理的范围。本发明提供的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其工艺参数能够提高产品质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的第一侧视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的第二侧视结构示意图；

图3为不同淬火转移时间X方向残余应力示意图；

图4为不同淬火转移时间Y方向残余应力示意图；

图5为不同淬火转移时间Z方向残余应力示意图；

图6为不同淬火介质X方向残余应力示意图；

图7为不同淬火介质Y方向残余应力示意图；

图8为不同淬火介质Z方向残余应力示意图。

上图1-8中：

外延部11、筒体12、椭圆形凹坑13、凸耳14。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图3至图8，图3为不同淬火转移时间X方向残余应力示意图；图4为不同淬火转移时间Y方向残余应力示意图；图5为不同淬火转移时间Z方向残余应力示意图；图6为不同淬火介质X方向残余应力示意图；图7为不同淬火介质Y方向残余应力示意图；图8为不同淬火介质Z方向残余应力示意图。

本发明实施例提供的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，将锻件放入淬火炉中，淬火温度为502℃±5℃，加热介质为空气，并采用空气保温，保温时间为170-190min，保温结束后转移至淬火介质中，转移时间≤25秒，浸泡时间≥12分钟，铝合金构件经固溶处理后，必须经过快速淬火才能避免脱溶析出，获得高过饱和度的固溶体，为时效提高合金的强度奠定基础。针对轮毂锻件而言，由于该锻件的技术要求为只固溶淬火，不进行去应力处理，因此，需要选择较优的工艺参数，从而保证在淬火后锻件残余应力在一较为合理的范围。本发明提供的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其工艺参数能够提高产品质量。

具体的，淬火温度为502℃，保温时间为180min。待淬火炉的炉温稳定在502℃±5℃后，将锻件放入淬火炉中。

具体的，锻件为多个且均放在料框中，锻件之间的间隔≥100mm。锻件的单炉最大装炉数量不超过24件。

具体的，淬火介质为恒温35℃到水，热交换系数恒定为11N/sec/mm/C。浸泡时间为16分钟。当然，淬火介质还可以为NaCl溶液，或者为20％PAG溶液，或者为空气。

轮毂模锻件标准为AMS4133《固溶和沉淀热处理的4.4Cu-0.85Si-0.80Mn-0.50Mg(2014-T6)铝合金锻件和轧制环》，根据标准热处理按标准AMS 2772《铝合金原材料的热处理》执行。

由于轮毂模锻件在淬火过程中都会产生极大的残余内应力、淬火后容易产生翘曲变形，因此首先研究淬火过程对其残余应力的影响，再结合标准确定淬火工艺。

一、锻件淬火过程：

铝合金构件经固溶处理后，必须经过快速淬火才能避免脱溶析出，获得高过饱和度的固溶体，为时效提高合金的强度奠定基础。一般来说，采用较快的淬火速率，可以使材料达到较高的强度，获得强度与韧性的最佳组合。然而在淬火过程中，由于工件快速冷却，工件外表面与心部的冷却速度不一致，存在较大的温度梯度，使得材料冷却收缩不均匀，在工件中产生严重的淬火残余应力。残余应力的存在会极大地影响工件的加工性能、疲劳寿命以及耐蚀性能等。铝合金构件在淬火时，其温度、应力、应变等量场是随着时间不断变化的。在目前的技术条件下欲对铝合金构件尤其是某些复杂形状及大尺寸的构件的温度、组织、应力进行在线测量是不现实的。随着有限元仿真技术的发展，采用数值模拟方法对某合金构件的工艺过程进行分析变成可能。因此，可采用数值模拟方法对合金构件的工艺结果进行合理预测。

针对轮毂锻件而言，由于该锻件的技术要求为只固溶淬火，不进行去应力处理，因此，需要选择较优的工艺参数，从而保证在淬火后锻件残余应力在一较为合理的范围。本章通过采用数值模拟技术，探索铝合金构件在不同淬火工艺下的残余应力大小、分布及规律，从而得到最佳的参数组合。为了更加直观地表现锻件的残余应力及温度分布等，本次实验中所有图片采用1/2模型表示，其中所截截面为X-Z平面，后续分析应力时主要分析X平面及Z平面。

①、淬火过程全过程

(1)固溶过程

为对锻件进行固溶处理，首先对锻件进行加热处理。而选择淬火温度的基本原则是在防止出现过烧、晶粒粗化、包铝层污染等现象的前提下，尽可能采取较高的加热温度，以使强化相充分固溶。铝合金的淬火加热温度主要是根据合金中低熔点共晶的最低熔化温度来确定，同时也要考虑生产工艺和其他方面的要求。一般来说，加热温度越高，合金中的强化相溶入固溶体中越充分，固溶体成分越均匀，则淬火时效后的力学性能就越高，但过高的温度会导致晶粒粗大，甚至发生过烧，使产品报废。但若固溶温度过低，导致强化相不能完全溶解，固溶体浓度大大降低，最后的强度及硬度也相应显著降低，同时会降低合金的耐蚀性能。2014铝合金的固溶温度一般在496℃-507℃。为保证在加热炉温度偏差范围内尽可能高的固溶温度，设定锻件的固溶温度为502℃，同时保证加热后锻件温度均匀，设计保温时间为180min。

当锻件加热时，外筒壁温度先上升，内部工字形的结构升温稍慢，但由于锻件较薄，在加热时内部与外部温度并没有产生较大差异。其中点追踪选择了14个点进行分析，点1-点7为锻件外表面，此类点的升温速度较快；点8-点14为锻件内部点，此类点随着离表面的的距离升温速度逐渐变慢。但整个锻件在2500s时均达到了设定温度502℃。而2500s-10800s则主要为强化相固溶过程。

加热过程中锻件应力情况，其中Z方向的与X方向的相似不单独列出。在加热初期，锻件在连皮处有较小的拉应力及少部分压应力，随着加热时间增加，当温度完全均匀后，锻件的应力逐渐减少，当时间到1800s后锻件基本无应力。其中由于锻件右侧为与平台接触处，始终有20Mpa左右的应力。

(2)转移过程

淬火转移时间是把材料从淬火炉或盐浴炉中转移到淬火槽中的时间，改时间的长短对锻件性能的影响较大。因为材料一出炉就和冷空气接触，温度迅速降低，因此转移时间的影响与降低平均冷却速度的影响相似。为了防止过饱和固溶体发生局部的分解和析出使淬火和时效效果降低，因此，淬火时间越短越好。就一般金属而言，淬火转移时间越短，锻件最后的抗拉强度与屈服强度越好。但淬火转移时间还受到生产现场实际工况影响，不同生产条件的淬火转移时间不同。根据实际工况，确定该工序转移时间小于25s，现以淬火转移时间为25s对转移过程进行分析。

锻件截面温度场随时间变化的分布情况，在锻件淬火转移初始阶段，锻件表面部分冷却最快。其中锻件筒壁较薄，以及上方的9个凸耳与空气接触面积较大，该部位冷却较快，而锻件中心的工字形结构，由于其腹板较厚，温度相比其他部分下降的慢。当转运到25s时，锻件最高温度出现在锻件工字形结构的筋条心部，值为491℃；温度最低出现在9个凸耳及锻件9个连皮处，其值为473℃。从点追踪图也可以看出，锻件在表面的冷却速度比心部大很多(X-Z平面)。

锻件在转运过程中的X方向应力(由于Y、Z方向与X方向应力相差不大，故只分析X方向)情况，从锻件出炉到锻件最后25s，锻件内部应力变化较小，始终在小于等于5Mpa范围内。其主要原因为锻件转运时，接触的介质为空气，热交换系数较小，温度下降比较均匀，锻件内部无较大应力存在。

(3)淬火过程

将固溶后的锻件转运25s后放入淬火水槽中进行淬火，为简化运算，采用水温恒定为35℃的水，同时，其热交换系数恒定为11N/sec/mm/C，淬火时间为16min。当锻件入水后，温度会迅速下降，当锻件入水3s后筒壁温度迅速下降到200℃左右，而凸耳的温度则迅速下降到140℃左右，只有工字形结构腹板处温度最高，为450℃左右。当时间为10s时，筒壁温度已经下降到55℃左右，工字结构最高温度也下降到了200℃。当时间大于40s时，绝大部分锻件温度已经与水温度相同为35℃，而工字形最高温度处也只有40℃左右。此时随着时间的增加，锻件内外温差逐步减小，锻件整体温度下降较为缓慢，当时间为80s时，锻件所有部分温度与水温相同，均为35℃。

淬火时的X方向残余应力分布情况，截面为X-Z平面，锻件在刚入水3s后锻件表层为正值，芯部为负值。锻件表层处于一拉应力状态，芯部呈压应力。此时残余拉应力范围为50Mpa～100Mpa，而芯部的残余压应力范围为-50Mpa～-100Mpa，其原因为刚如水时锻件表层温度下降，而芯部由于热传导原因仍处于高温状态，根据热膨胀原因，外侧金属收缩相互之间形成拉应力，同时对内部金属进行压缩。随着淬火时间增加，当温度趋于相同时，锻件表层呈现处压应力状态，锻件芯部产生拉应力。同时拉应力范围为0Mpa～50Mpa，压应力范围为-50Mpa～0Mpa。产生此种现象的原因为淬火时间增加后，先冷却的外层金属在时间增长后不变，而芯部金属温度逐渐下降，从而导致芯部金属呈拉应力状态，外层金属呈压应力。同时，该种锻件的残余应力在淬火100s后不在发生改变。此时最大压应力存在与锻件连皮处，其值为-178Mpa，最大拉应力出现在工字形结构外侧，其值为100Mpa。从典型点的残余应力可以看出其表面点与芯部点残余应力的分布与上述分析相同。

根据分析X方向的残余应力方法对Y方向及Z方向残余应力进行分析，其中Y方向的残余应力与X方向类似，最大拉应力出现在工字形结构腹板处，其值约为100Mpa，最大压应力存在于锻件连皮处，其值约为200Mpa，其残余应力变化情况与X方向相同。Z方向的与X、Y均类似，最大拉应力存在与锻件的工字形结构腹板，值为70Mpa左右，最大压应力存在与工字形结构外侧根部，值为100Mpa～150Mpa。

②、淬火转移时间对残余应力的影响

工件从固溶处理炉转移至淬火介质中需要一定时间，这段时间相当于工件在空气中淬火，工件温度会有一定程度降低，对后期淬火冷却速度有一定程度的影响。按照常规数值模拟淬火工艺参数设置，其他参数不变，分别取淬火转移时间为5s、25s及60s，模拟研究淬火转移时间对锻件截面淬火残余应力的影响。由于不同淬火转移时间最后的锻件残余应力不同，但其整个残余应力的分布情况大致相同，故为探究不同转移时间对锻件残余应力的影响时只对其最大拉应力及最大压应力进行比较。如图3、图4和图5所示，图3为不同淬火转移时间X方向残余应力示意图，图4为不同淬火转移时间Y方向残余应力示意图，图5为不同淬火转移时间Z方向残余应力示意图，以上图为不同淬火转移时间情况下的最大拉应力及最大压应力(最值出现在某一网格点，并不代表大体应力情况，但仍能反映不同淬火转移时间下压应力及拉应力的大小情况)。

通过图3、图4和图5可知，随着淬火转移时间增加，锻件的残余应力下降，这是由于当锻件淬火时间增加后相当于锻件在淬火时平均温降速度下降，因此锻件最后的残余应力均减小。采用较长时间的淬火转移时间能较好地降低材料的残余应力。但淬火转移时间的长短与锻件的性能有关，故需要采用一个较为平衡的淬火转移时间。

③、淬火介质对残余应力的影响

不同的淬火介质可以使工件在淬火时以不同的冷却速度冷却。按照常规数值模拟淬火工艺参数设置，其他参数不变，分别取淬火介质为空气、水、NaCl溶液及20％PAG溶剂，模拟研究淬火介质对锻件截面淬火残余应力的影响。研究方法同上文，通过比较不同淬火溶液的最大拉应力及最大压应力进行分析，图6为不同淬火介质X方向残余应力示意图，图7为不同淬火介质Y方向残余应力示意图，图8为不同淬火介质Z方向残余应力示意图。

如图6、图7和图8所示，当介质为水时，锻件的残余应力最大，分别为X向：最大拉应力为91Mpa，最大压应力为175Mpa；Y向：最大拉应力为104Mpa，最大压应力为277Mpa；Z向：最大拉应力为69Mpa，最大压应力为197Mpa。当介质为空气时，分别为：X向：最大拉应力为6.54Mpa，最大压应力为23.7Mpa；Y向：最大拉应力为14.4Mpa，最大压应力为16.9Mpa；Z向：最大拉应力为33.7Mpa，最大压应力为9.82Mpa。四种介质的热传导系数大小分别为：水＞NaCl溶液＞20％PAG溶液＞空气。所有热传导系数越大的淬火介质淬火后材料残余应力越大，热传导系数越小的淬火后锻件残余应力越小。这与转移时间类似，当热传导系数越大意味着材料冷却速度越快，从而残余应力越大。为降低材料的残余应力需要采取热传导系数小的淬火介质，但是若该系数越小则使锻件无法取到固溶强化的效果。因此，需综合材料残余应力及力学性能等因素选择淬火介质，根据现场设备选取水作为淬火介质。

二、确定淬火工艺：

根据上述淬火研究结果，确定合理的轮毂淬火工艺如下：

使用设备：4#淬火炉；

装炉：用热处理料框装料，锻件侧立放置、间隔100mm以上，单炉最大装炉数量不超过24件。炉温稳定在502±5℃后装炉；

淬火制度：半轮舱内侧锻件的最大热处理厚度是56mm，温度502±5℃，空气保温180分钟，加热介质为空气，保温结束后出炉水淬，淬火水温30-40℃，转移时间≤25秒，浸泡时间≥12分钟。

确定时效工艺如下：

使用设备：12吨时效炉；

装炉：允许几个淬火热处理批合炉时效，单炉最大装炉数量不得超过24件，用专用料框装料，锻件间隔100mm以上，并沿时效炉循环风风向摆放；

时效制度：177±5℃，保温9小时，加热介质为空气，保温结束后出炉空冷。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其特征在于，将锻件放入淬火炉中，淬火温度为502℃±5℃，加热介质为空气，并采用空气保温，保温时间为170-190min，

保温结束后转移至淬火介质中，转移时间≤25秒，浸泡时间≥12分钟。

2.根据权利要求1所述的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其特征在于，所述淬火温度为502℃。

3.根据权利要求1所述的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其特征在于，所述保温时间为180min。

4.根据权利要求1所述的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其特征在于，待所述淬火炉的炉温稳定在502℃±5℃后，将所述锻件放入所述淬火炉中。

5.根据权利要求1所述的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其特征在于，所述锻件为多个且均放在料框中，所述锻件之间的间隔≥100mm。

6.根据权利要求5所述的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其特征在于，所述锻件的单炉最大装炉数量不超过24件。

7.根据权利要求1所述的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其特征在于，所述淬火介质为恒温35℃到水，热交换系数恒定为11N/sec/mm/C。

8.根据权利要求1所述的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其特征在于，所述浸泡时间为16分钟。

9.根据权利要求1所述的2014铝合金航空精密轮毂模锻件的淬火方法，其特征在于，所述淬火介质为NaCl溶液，或者为20％PAG溶液，或者为空气。

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