2XXX系铝合金及其挤压热处理生产技术

2XXX系铝合金及其挤压热处理生产技术肖亮1，梁世斌2（1.广东高登铝业有限公司，广东肇庆526241；2.广东兴发铝业有限公司，广东三水528137）摘要：本文介绍2XXX系铝合金的基本特性及用途，同时介绍了一些常用的2XXX系合金，挤压工艺及其热处理技术关键词：2XXX铝合金特性，挤压工艺，热处理技术2XXX系铝合金是仅次于7XXX系铝合金的高强度铝合金，应用非常广泛，由于生产难度大，过去只有几个大型国企可以生产。近年来，随着我国工业突飞猛进的发展，对这种高强度铝合金的需求越来越大，许多民营企业也开始生产，但生产量受到技术的制约，还不能满足市场的需求。本文力求用简练的语言介绍2XXX系铝合金及其生产技术，供各生产企业参考。一、2XXX系铝合金的基本特性及用途：2XXX系铝合金是以Al-Cu系为基础加入少量的Mg、Mn、Cr等元素,由于铜的密度远远大于铝，因此2XXX系铝合金的密度一般都大于其他铝合金。通常在2750-2850Kg/m3之间。2XXX系铝合金是属于可热处理强化加工的铝合金，由于它的强度高被称为硬铝。它的主要强化相是CuAl2（θ相）和Al2CuMg（s相）。可能的杂质相为Mg2Si,α-Fe2SiAl,Al7Cu2Fe等。添加少量Mg可以提高Al-Cu合金的自然时效后的力学性能，特别对人工时效后的力学性能的提高尤为显著，不过一定程度上会使伸长率下降。2XXX系合金中的锰、钛、钒、铬等元素有提高合金的再结晶温度，细化晶粒，改善合金可焊接性能的作用。2XXX系铝合金有几种，常用的有2011、2014、2017、2024、2219、2A02、2A12、2A14、2A16它们的主要成份见表1。常用2XXX系铝合金的室温力学性能及用途见表2表12XXX系常用铝合金主要化学成份合金CuMgMnSiFe其他20145.5-5.60.50.10.20.220115.0-6.00.40.720124.0-5.50.40.720143.9-5.00.2-0.80.4-1.20.5-1.20.520173.5-4.50.4-0.80.4-1.00.2-0.80.720243.8-4.91.2-1.80.3-0.90.50.522195.8-6.80.2-0.40.20.32A022.6-3.22.0-2.40.45-0.70.30.32A063.8-4.31.7-2.30.5-1.00.50.52A113.8-4.80.4-0.80.4-0.80.70.72A123.8-4.91.2-1.80.3-0.90.50.521243.8-4.91.2-1.80.3-0.90.20.32A143.9-4.80.4-0.80.4-1.00.6-1.20.72A166.0-7.00.050.4-0.80.30.32A176.0-7.00.25-0.450.4-0.80.30.32024是2XXX系硬铝中的典型合金。其成分比较合理。综合性能好，世界上大多数国家都生产这个合金。成分几乎相同，是硬铝中用量最大的。该合金的特点是强度高，有一定的耐热性，可用作150℃以下工作零件。在125-150℃工作温度范围内其强度比7075合金还高。在退火和新淬火状态下成形性能好，热处理强化效果明显。表22XXX系铝合金室温力学性能及用途合金状态σησ0.2伸长率用途2011-T337929615螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品2014-T648341413应用要求高强度和硬度的场合，卡车架构，航天品零件。2017-T442727522通用机械零件，结构与运输工具结构件。2024-T447032520飞机，导弹结构，螺旋桨元件等2219-T435918620航天，飞机结构零件，焊接性好2A06-T444030020航天，飞机结构铆钉2A11-T441025015飞机中强度结构件，交通和建筑结构件2A12-T452038012飞机翼梁，建筑与交通结构件2A14-T648038010应用于结构复杂的自由锻件和模锻件2A16-T640030010工作温度250-300℃的航天航空器零件2A17-T64303509工作温度225-250℃的航天航空器零件二、2XXX系铝合金的挤压特性及技术1、2XXX系铝合金的可挤压性2XXX系铝合金是变形铝合金中最难挤压的一个系列。通常评定铝合金挤压性能采用一个可挤压性（Z）来表示。为了更直观地理解铝合金的可挤压性，把挤压材用量最大的6063合金为基准，视它作为100来与其它合金进行对比，而得出其它铝合金的可挤压性能。一般把Z＞100定为易挤压铝合金Z在50-100定为中等挤压铝合金Z＜50定为难挤压铝合金显而易见，2XXX系铝合金为难挤压铝合金。如：表32XXX系铝合金的可挤压性合金20112014201720242A12Z值3020201510由于2XXX系合金的挤压难度大，挤压温度通常都在460℃以下，挤压过程中很难焊合，因此2XXX系铝合金大多数都不能使用组合模进行焊合挤压。2、挤压温度的选择2XXX系铝合金的过烧温度一般都在500℃左右，铸棒加热时的最高加热温度必须低于合金的低熔共晶温度，为防止过烧允许最高加热温度为490℃。几种常用2XXX系铝合金的最高挤压温度见表4表42XXX系几种合金的最高挤压温度合金铸棒允许最高加热温度℃最高挤压温度℃2011490460201748045020244804502A115004552A124904502A144904502XXX系铝合金在挤压过程随着温度提高塑性下降，易产生裂纹，因此选择适当挤压温度，以提高掠压速度。如2017合金，铸棒加热温度为380-450℃时，挤压速度只有1.5-2.5m/分，而将铸棒加热温度降至280-320℃时，挤压速度可以提高到7-9m/分。2024合金在380-450℃挤压，挤压速度仅为1.0-1.7m/分，而降至330-350℃挤压时，挤压速度可以提高到4.5-5.0m/分。一般在不考虑制品使用的热稳定性时都采用低温挤压，但是在低温挤压时如2017合金在320-340℃挤压时，易产生再结晶的粗晶组织降低力学性能。3、挤压系数的选择：挤压系数的大小对产品组织、性能和生产效率有很大影响。当挤压系数过大时则铸锭长度必须缩短，否则会产生闷车现象，造成生产中断。而且使几何废料增加，降低成品率。如果挤压系数过小，则因金属组织变性程度小，降低力学性能，满足不了技术要求。生产实践经验证明，为满足组织和力学性能要求，一般地挤压系数≥8，如挤压筒直径与铸棒直径相差较大时，如此值大于1.2时，可以采用λ≥6.5。挤压系数大小对于2XXX系铝合金的力学性能有很大影响，当挤压系数为9-12时，可以产生最佳的挤压效率，使其该合金的强度性能达到最大值。因此大型型材的强度通常比用大的挤压系数生产的小断面型材高。建议2XXX系合金生产时选用的挤压系数λ在8-20之间。4、制品断面壁厚的选择：2XXX系铝合金由于其热变形抗力较其它系铝合金大，制品的壁厚一般都较大。壁厚较小的制品极易产生闷车和制品挤出来时产生严重的裂口。一般壁厚都在2.0mm以上。以2017和2024合金为例，在不同挤压机上允许挤压的最小壁厚见表5表5不同挤压机上允许最小壁厚合同挤太筒内径尺寸（mm）10020030040050020171.22.43.64.86.020241.53.04.56.07.5三、2XXX系铝合金的热处理2XXX系铝合金由于挤压速度慢，挤压温度低，淬火敏感性强，一般都不能采用在线淬火，需要专用的淬火炉进行热处理。1、2XXX系铝合金的淬火工艺：淬火工艺制度包括：淬火加热温度、保温时间、淬火转移时间和淬火冷却速度。(1)淬火加热温度的选择：如图1所示，淬火加热温度的选择原则是必须大于金属化合物全部溶解于固溶体的温度t溶，而小于低熔点共晶温度t共。从理论上讲低熔点共晶温度就是过烧温度。实际上由于非平衡结晶和杂质元素的加入。实际上过烧温度低于共晶温度。一般淬火加热温度选择低于过烧温度10-30℃.图12XXX系铝合金的过烧温度及淬火温度见表6表62XXX系铝合金的淬火温度合金过烧温度℃淬火温度℃2011540520±52A11、2017510497±52024、2A12505495±52014、2A02511503±52A50545512±52A70545528±52A04、2A14515503±5（2）淬火保温时间：主要取决于强化相得固溶速度、合金本性、组织状态、制品断面大小、加热条件、介质种类、装炉量等因素。选用加热温度偏上限时，保温时间短一些；经高温挤压变形程度较大时，保温时间短一些；预先经退火的制品，强化相析出较粗大，保温时间应长一些；在空气介质中加热，保温时间较长，在盐浴介质中加热，时间要短很多。大多数情况都是采用立式空气炉加热，其保温时间如下：型材壁厚≤3.0mm保温时间30-45分钟型材壁厚3.1-5.0mm保温时间45-605分钟型材壁厚5.1-10.0mm保温时间60-75分钟型材壁厚＞10mm保温时间90-150分钟（3）淬火转移时间：2XXX系铝合金的淬火敏感性很强，从加热炉中转移到冷却介质中的时间哪怕只有10秒钟，都会使淬火后的力学性能降低5-10Mpa，不能达到该合金的最佳力学性能。因此2XXX系合金的淬火转移时间是淬火工艺的一个重要参数。一般要求淬火转移时间不超过10秒钟。立式空气淬火炉的冷却水大多设计在加热炉底部。加热炉门在炉子底部，炉门移开后制品迅速进入冷却池水中，转移速度可控制在3-8秒钟。（4）淬火冷却速度2XXX系合金的淬火冷却速度要确保过饱和固溶体被固定下来防止强化相析出，降低淬火时效后的力学性能，原则上冷却速度越大越好。对于断面较复杂的型材，冷却速度太大，易使制品变形。因此要适当控制冷却速度，对于用水作冷却介质的淬火，主要靠调节水温来控制冷却速度。简单断面型材一般水温在10-35oC之间，对形状复杂或壁厚差大的型材可用40-50oC的水淬火。2、2XXX系铝合金的时效工艺2XXX系铝合金淬火后可以进行人工时效，也可以停放在一个地方进行自然时效，究竟需要选用哪种方法时效，要看对产品性能的要求而定。一般来说，自然时效的铝合金，强度较低，耐腐蚀性能较好；而采用人工时效可以获得较高的强度，但伸长率和耐腐蚀性能有所下降。自然时效的合金一般在室温下放置48-96小时可以获得较好的力学性能。2A11、2A12为自然时效合金。2XXX系部分铝合金的人工时效工艺见表7表72XXX系合金的人工时效工艺合金时效温度保温时间（小时）2A14150+56-102A16165+5162A17185±512-162A02165+5162014170+582024185+58-162219160±5142018165+5162A50150+5162A80165+583、回归现象：2XXX系合金大多数都可以依靠自然时效达到强化效果。凡是经过自然时效的铝合金都可以产生回归现象。所谓回归现象是经过自然时效的铝合金，快速加热至210-250oC，短时保温30-300秒，然后快速冷却到室温，该合金发生软化，恢复到新淬火状态，这种现象叫回归。回归现象有下列特点：（1）凡自然时效的铝合金都具有回归现象（2）回归现象可以重复进行（3）回归处理温度越高，回归越快，所需加热时间越短（4）回归处理后的合金，耐腐蚀性能有所下降回归现象为加工制造提供了方便，如不少硬铝合金用作飞机上的铆钉，通过回归使铆接带来了方便，而铆接后经过自然时效又自然地提高了铆接件的强度，使铆接更牢固。结束语：2XXX系铝合金是属于高强度的铝合金，用途广泛，主要用于结构材料，生产工艺和热处理方法，我们就可以使他为我国的工业发展做出更大贡献。