胡瓊

摘 要：本文對(duì)鋁合金2A50特定試件不同冷變形量與該試件的尺寸穩(wěn)定性關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過測(cè)量不同的冷變形量試件其宏觀尺寸及形狀的變化，研究了多種變形量對(duì)試件尺寸穩(wěn)定性以及對(duì)試件的力學(xué)性能影響。在同樣的變形條件下，變形量過小對(duì)提高尺寸穩(wěn)定性起不到任何效果，變形量過大雖然對(duì)尺寸穩(wěn)定性有效果但容易改變?cè)撛嚰?yīng)有的物理性能。探索一種對(duì)尺寸穩(wěn)定性既有明顯的效果又能將材料的物理性能控制在允許的范圍內(nèi)的冷變形量是本課題研究的核心內(nèi)容。經(jīng)多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明試件毛坯鍛造結(jié)束后進(jìn)行熱處理時(shí)，在固溶處理和人工時(shí)效處理中間安排一次冷變形，其冷變形量嚴(yán)格控制在5%，該冷變形量所導(dǎo)致材料的物理性能改變量既在允許范圍內(nèi)，又對(duì)提高該特定試件的尺寸穩(wěn)定性效果明顯。

關(guān)鍵詞：冷變形處理;熱處理;穩(wěn)定化處理;殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TG319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）04-0095-04

1 緒論

2A50鋁合金屬鋁-銅-鎂-硅系中等強(qiáng)度的鋁合金，多數(shù)以鍛件形式作為零件毛坯出現(xiàn)（也被稱為5#鍛鋁）。由于該材料具有好的耐高溫特性以及高溫狀態(tài)下的耐腐蝕性，較適合制造形狀較復(fù)雜而工作環(huán)境溫度較高的結(jié)構(gòu)類零件。在過去采用該材料零件毛坯的生產(chǎn)采用通常鍛造工藝，即;鍛造加工+淬火+人工時(shí)效，材料受基本應(yīng)力及殘余內(nèi)應(yīng)力的影響所加工的零件宏觀尺寸及形狀變化較大。所以該材料大多用來制造加工精度要求不高的結(jié)構(gòu)類零件。某企業(yè)采用了該材料作為控制器機(jī)箱箱體的制造材料。該企業(yè)所制定的零件加工工藝：鍛造毛坯→淬火+人工時(shí)效熱處理→毛坯的粗加工→恒溫時(shí)效去應(yīng)力熱處理→零件的半精加工→恒溫時(shí)效去應(yīng)力熱處理→零件精加工→裝配。由于該零件采用恒溫時(shí)效去應(yīng)力熱處理作為穩(wěn)定化處理效果不理想，材料的基本應(yīng)力及殘余內(nèi)應(yīng)力得不到有效的消除或降低，導(dǎo)致零件尺寸、形狀精度得不到有效控制，使得最后零件裝配無法順利進(jìn)行，無奈降低該零件的配合精度及加大零件的制造公差來彌補(bǔ)零件應(yīng)力變形帶來的誤差。由于零件的制造精度達(dá)不到要求從而降低部件的使用性能。如：機(jī)箱內(nèi)的線路板應(yīng)該穩(wěn)定的固定在機(jī)箱內(nèi)部的卡槽內(nèi)，由于箱體內(nèi)部卡槽的尺寸不穩(wěn)定而導(dǎo)致機(jī)箱在受到振動(dòng)的情況下線路板發(fā)生松動(dòng)而引起線路板的輸入、輸出信號(hào)不穩(wěn)定。為了提高試件的尺寸穩(wěn)定性又不破壞材料原有的特性，對(duì)鋁合金2A50-T6特定試件進(jìn)行冷變形量與尺寸穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，找到該試件的最佳變形量，為該材料被廣泛應(yīng)用于精密結(jié)構(gòu)類零件的制造有著十分重要的意義。

2 尺寸穩(wěn)定性的主要特征

尺寸穩(wěn)定性的主要特征較多，但便于觀察、測(cè)量、經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用范廣主要有如下兩種：

2.1 尺寸及形狀的變化

試件隨著時(shí)間的變化其宏觀尺寸及形狀發(fā)生變化是尺寸及形狀穩(wěn)定性的最直觀的反映。由于采用普通的測(cè)量就可大致評(píng)估出該試件尺寸及形狀的穩(wěn)定性高低，該方法應(yīng)用較為廣泛。雖然某些零件的變形較小、變形周期較長，對(duì)進(jìn)行高精度的評(píng)估還較為困難，但該方法應(yīng)用較為普遍。

2.2 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是導(dǎo)致零件尺寸及形狀不穩(wěn)定的主要因素，零件尺寸及形狀變化的大小取決于殘余應(yīng)力的大小。通過測(cè)量殘余應(yīng)力來評(píng)估該零件的尺寸及形狀變化的大小。

測(cè)量一個(gè)試件的殘余應(yīng)力其方法較多，但最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、對(duì)零件損傷小、測(cè)量精度較高的還數(shù)盲孔法。基本原理是在需測(cè)試件相關(guān)部位鉆一個(gè)或多個(gè)小孔，由于該零件材料內(nèi)部有殘余應(yīng)力存在，它就要進(jìn)行應(yīng)力釋放，應(yīng)力釋放過程中必然導(dǎo)致該小孔產(chǎn)生位移，再通過計(jì)算可以得出該區(qū)域的殘余應(yīng)力。

3 尺寸不穩(wěn)定的原因

尺寸穩(wěn)定性是指零件在加工完成后，在固定的環(huán)境條件下，無外力作用或在低于該材料的彈性極限的外力作用下尺寸和形狀的變化，及零件經(jīng)過非恒定環(huán)境暴露后在固定的環(huán)境下所測(cè)得的尺寸變化。導(dǎo)致零件尺寸不穩(wěn)定的原因較多，但主要有三個(gè)：（1）外應(yīng)力作用;（2）內(nèi)應(yīng)力的作用;（3）內(nèi)部組織的變化。

（1）外應(yīng)力除了能使材料產(chǎn)生彈性應(yīng)變外，還可能使材料產(chǎn)生滯彈性、應(yīng)力應(yīng)變滯后環(huán)、微塑性應(yīng)變及顯微蠕變，從而導(dǎo)致零件尺寸和形狀的不穩(wěn)定[1]。外應(yīng)力導(dǎo)致的零件尺寸不穩(wěn)定有時(shí)難于改變但通過零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如;單點(diǎn)受力為多點(diǎn)受力，提高零件受力的均勻性）和選擇抗彈性變形較強(qiáng)的材料來設(shè)計(jì)、制造該零件。（2）內(nèi)應(yīng)力的作用是導(dǎo)致零件尺寸和形狀不穩(wěn)定的重要因素。內(nèi)應(yīng)力是指無外力作用時(shí)已存在于零件材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力分宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力，前者作用于零件的宏觀體積內(nèi)，后者的作用尺度不超過晶粒尺寸的數(shù)量級(jí)。（3）內(nèi)部組織的變化也是導(dǎo)致零件尺寸不穩(wěn)定的主要原因。它來源于各種加工，這些加工導(dǎo)致零件內(nèi)部不同部位發(fā)生不均勻的形變而產(chǎn)生的宏觀殘余應(yīng)力。其產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的大小直接導(dǎo)致零件變形量的大小。零件內(nèi)部的微觀內(nèi)應(yīng)力主要來自于零件材料的微觀組織的變化，即，再結(jié)晶、晶粒長大、空位濃度的變化、原子排列的變化等從而產(chǎn)生微觀的殘余應(yīng)力。

對(duì)于高精度零件來說，內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力時(shí)，由于在長時(shí)間使用過程中會(huì)發(fā)生應(yīng)力釋放，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的變化，必然會(huì)伴隨著尺寸和形狀的變化。

4 提高尺寸穩(wěn)定化處理的途徑

尺寸的不穩(wěn)定性其原因在前面已提了是由于零件在外力的作用下產(chǎn)生不均勻的塑性變形，破壞了內(nèi)部組織的平衡從而產(chǎn)生宏觀殘余應(yīng)力，而宏觀殘余應(yīng)力是導(dǎo)致尺寸及形狀不穩(wěn)定的主要因素。另外顯微組織的變化也是導(dǎo)致尺寸及形狀不穩(wěn)定的重要原因，由于顯微組織的變化必然導(dǎo)致比容的變化，比容的變化導(dǎo)致材料體積（即零件尺寸及形狀）發(fā)生變化。在選定零件材料（2A50）的前提下，從二個(gè)方面入手來提高尺寸的穩(wěn)定性：

（1）在零件加工過程中適當(dāng)增加穩(wěn)定化處理，去除加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力并提高材料顯微組織的穩(wěn)定性。

（2）如何來對(duì)材料通過塑性變形及內(nèi)部原子序列的重新排序來降低和釋放宏觀殘余應(yīng)力。

為了去除或降低零件中的殘余應(yīng)力，改善其顯微組織方法較多。但本文介紹冷變形處理來提高尺寸穩(wěn)定性。

所謂冷變形就是工件在再結(jié)晶溫度以下通過外力作用產(chǎn)生塑性變形。冷變形按其作用來說有兩種類型的冷變形。第一種類型，對(duì)不可強(qiáng)化處理的鋁合金來說，通過冷變形處理也稱為冷作硬化，即：材料在再結(jié)晶溫度以下的變形加工，來達(dá)到提高材料的綜合機(jī)械性能目的。綜合機(jī)械性能的高低隨著冷變形量不同而不同。同一種材料在同一溫度下的冷變形，變形量越大則該材料的強(qiáng)度越高，但塑性程度降低[2]。冷變形是不可強(qiáng)化處理的鋁合金，如：1XXX系列和3XXX系列鋁合金主要的強(qiáng)化方式。第二種類型，對(duì)可強(qiáng)化處理的鋁合金來說，在毛坯鍛件進(jìn)行熱處理的過程中間進(jìn)行一定量的塑性變形（一般在毛坯鍛件進(jìn)行淬火后）。

按變形時(shí)機(jī)分為四種：

（1）淬火→冷（溫）變形→終時(shí)效;（2）淬火→預(yù)時(shí)效→冷（溫）變形→終時(shí)效;（3）淬火→終時(shí)效→冷變形;（4）淬火→自然時(shí)效→冷變形→人工時(shí)效。

所謂終時(shí)效包括自然時(shí)效和人工時(shí)效。這里只研究（1）淬火→冷（溫）變形→人工時(shí)效;材料的冷變形為過渡相的非均勻形核提供了更多的位置，使過渡相分布更加彌散，在提高強(qiáng)度的前提下，還能提高抗應(yīng)力腐蝕能力。冷變形可以加速材料的時(shí)效過程，對(duì)改善材料的抗疲勞性能，降低殘余應(yīng)力有明顯的效果[3]。但變形量的多少是該工藝技術(shù)的研究核心，不同材料其冷變形量不同，尺寸穩(wěn)定性的效果也不盡相同。通過冷變形來提高尺寸穩(wěn)定性的材料較多，很難一一進(jìn)行試驗(yàn)。變形量過大會(huì)提高毛坯表層的殘余拉應(yīng)力，對(duì)消除和降低殘余應(yīng)力無任何效果或效果不明顯。變形量小無法改善毛坯內(nèi)部的拉應(yīng)力，反而對(duì)零件的機(jī)械性能有一定量的負(fù)影響[5]。這里通過對(duì)部分專業(yè)廠家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析對(duì)2A50鋁合金冷變形量在3%～6%進(jìn)行試驗(yàn)研究。

前些年冷變形工藝方法復(fù)雜程度和處理成本較高，在應(yīng)用上不是很廣泛，主要應(yīng)用于軍工行業(yè)的零部件制造，從而該項(xiàng)工藝得不到深入的研究。近年來國家科技興國戰(zhàn)略的影響，改革創(chuàng)新力的驅(qū)動(dòng)，許多先進(jìn)的技術(shù)和工藝在民用產(chǎn)品的制造領(lǐng)域得到逐步的應(yīng)用。由于該工藝的良好效果，該方法在民用相關(guān)領(lǐng)域中也在應(yīng)用，而且在積極的探索研究采用該工藝來消除或降低不同可強(qiáng)化處理的鋁合金零件的殘余應(yīng)力，不斷提高零件的科技含量，提高市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。尤其是在國家創(chuàng)導(dǎo)軍民融合，鼓勵(lì)企業(yè)積極參與軍工產(chǎn)品的研發(fā)和制造。本課題就是在這樣的一個(gè)大環(huán)境下孕育而生。

5 試驗(yàn)方法

5.1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)樣件材料要求為2A50-T6（Ⅱ類鍛件GBn223 -84）。

該材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、2所示。

5.2 試件圖樣及要求

試件的圖樣按加工工序：圖2鍛造毛坯→圖3毛坯粗加工→圖4毛坯半精加工→圖5毛坯精加工。

5.3 試驗(yàn)方案

試件（圖2）按鍛造工藝路線在尺寸215方向（變形方向一般在面積最大的方向進(jìn)行），按壓縮變形量3%、4%、5%、6%，分四組每組試件數(shù)量為3件進(jìn)行試件毛坯的制造試驗(yàn)。然后按試件切削加工工藝路線對(duì)毛坯進(jìn)行加工。通過對(duì)切削加工過程中特定的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到特定測(cè)量點(diǎn)相對(duì)位置的變化，評(píng)估該試件的變形量對(duì)提高尺寸穩(wěn)定性的作用。

6 試驗(yàn)結(jié)果

6.1 試件毛坯的制造工藝路線（單件、小批量）

采用C41-400型空氣錘制胚（毛坯直接進(jìn)行加熱，加熱溫度475℃/2.5h，保溫5.5h，鍛造溫度475℃～355℃，火次2）→固溶處理（510℃/3h，保溫5h，20℃水淬）→冷變形（1500T油壓機(jī)）（通過加限位塊嚴(yán)格控制變形量）→人工時(shí)效170℃保溫16h（室溫冷卻）。

4組每組3個(gè)試件鍛造后呈交付狀態(tài)其縱、橫向力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表3、表4、表5、表6。

4組共12個(gè)試件毛坯的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果符合Ⅱ類鍛件GBn223-84標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 試件切削加工工藝路線

試件的粗加工→人工時(shí)效170℃保溫16h（室溫冷卻）→試件的半精加工→人工時(shí)效170℃保溫16h（室溫冷卻）→試件的精加工→對(duì)試件特定尺寸的檢測(cè)（檢驗(yàn)精度0.01mm）。

（1）壓縮變形量3%的3個(gè)試件經(jīng)半精加工完成后12-φ4孔的位置a=178、b=178尺寸檢驗(yàn)記錄如見表7。（2）壓縮變形量4%、5%、6% 3組試件經(jīng)半精加工完成后12-φ4孔的位置a=178、b=178尺寸檢驗(yàn)和壓縮變形量3%試件半精加工檢驗(yàn)結(jié)果基本一致。（3）壓縮變形量為3%、4%、5%、6% 4組試件經(jīng)精加工完成后12-φ4孔的位置a=178、b=178尺寸變化值基本一致，尺寸a=178變化曲線可以代表尺寸b=178變化曲線，這里畫尺寸a的變化曲線。

7 結(jié)語

（1）冷變形工藝對(duì)提高2A50-T6Ⅱ類鍛件GBn223-84的尺寸穩(wěn)定性效果明顯。（2）冷變形工藝必須安排在鍛造后的毛坯進(jìn)行熱處理時(shí)，固溶處理與人工時(shí)效之間，固溶處理→冷變形→人工時(shí)效整個(gè)過程必須連續(xù)不間斷完成。（3）壓縮方向必須是壓力方向垂直于最大的平面。（4）壓縮變形量6%的試件其尺寸穩(wěn)定性效果比壓縮變形量5%的要好，但壓縮變形量6%試件的延伸率接近允許值甚至超過允許值，因此綜合認(rèn)為控制在變形方向總尺寸的5%是最合理的冷變形量。壓縮量必須嚴(yán)格控制，壓縮過程：室溫、緩慢、均勻、一次到位。（5）在零件毛坯經(jīng)冷變形處理后，在后續(xù)的機(jī)械加工過程中必須穿插一定數(shù)量的恒溫時(shí)效去應(yīng)力處理，消除后續(xù)加工產(chǎn)生新的應(yīng)力變形。

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