2219铝合金力学性能及生产加工工艺

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2219铝合金具有比强度高,低温和高温力学性能好,断裂韧度高,抗应力腐蚀性能好等特点,适用于在高温315℃下工作的结构件、高强度焊接件,在航天和航空得到广泛的应用。2219铝合金属于可热处理强化形变形铝合金,在固溶时效处理之后,铝合金的力学性能得到很大提高。

一、 化学成分 2219 铝合金管材的化学成分应符合 GB/T3190《变形铝及铝合金化学成分》 国标的规定, 具体化学成分见表 1。 表 1 2219铝合金的化学成分 Cu Mn Si Zr Fe Mg Zn V Ti Al 5.8~6.8 0.2~0.4 ≤0.2 0.1~0.25 ≤0.3 ≤0.02 0.10 0.05~0.15 0.02~0.1 Ba

二、2219铝合金的主要性能 不同热处理状态下的 2219铝合金在20°C 时的体积电导率为 44/%IACS(O态)、28/%IACS(T31、T37、T351 态)、30/%IACS(T62、T81、T87、T851 态);不同状态的 2219 铝合金在 20 °C 时的电阻率为 39/nΩ·m(O 态)、62/nΩ·m(T31、T37、T351 态)、57/nΩ·m(T62、T81、T87、T851 态);各种状态下的 2219 铝合金在20 °C 时的电阻温度系数均为 0.1/ nΩ·m·K-1。其中 T3 表示经过热处理之后再冷加工处理,最后自然时效到基本稳定的状态,第二位数字表示经过热处理之后进行冷加工的变形量。T62 适用于退火态或者自由加态的材料,经过固溶热处理之后,进行人工时效的产品。T8 表示经过固溶热处理之后进行经冷加工,最后人工时效的状态,第二位数字代表冷加工时,对材料进行的变形量。此外,在上述所述热处理状态的代号后面添加“51”,表示产品进行了消除应力处理。 2219-O热处理状态下的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及弹性模量分别为175 MPa、75 MPa、18 %以及73 GPa;2219-T42 热处理状态下的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及弹性模量分别为360 MPa、185 MPa、20 %以及73 GPa;2219-T31和2219-T351热处理状态下的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及弹性模量分别为 360 MPa、250 MPa、17 %以及73 GPa;2219-T37 热处理状态下的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及弹性模量分别为 395 MPa、315 MPa、11%以及73 GPa;2219-T62 热处理状态下的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及弹性模量分别为 415 MPa、290 MPa、10%以及 73 GPa;2219-T81 和 2219-T851 热处理状态下的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及弹性模量分别为 455 MPa、350 MPa、10 %以及73 GPa;2219-T87 热处理状态下的抗拉强度、屈服强度、延伸率以及弹性模量分别为475 MPa、395 MPa、10 %以及73 GPa。

三、加工工艺 a.铝合金型材生产包括熔铸、挤压和氧化三个过程。 1、熔铸是铝材生 产的首道工序。主要过程为:(1)配料:根据需要生产的具体合金牌号,计算出各种合金成分的添加量,合理搭配各种原材料。(2)熔炼:将配好的原材料按工艺要求加入熔炼炉内熔化,并通过除气、除渣精炼手段将熔体内的杂渣、气体有效除去。(3)铸造:熔炼好的铝液在一定的铸造工艺条件下,通过深井铸造系统,冷却铸造成各种规格的圆铸棒。 2、挤压:挤压是型材成形的手段。先根据型材产品断面设计、制造出模具,利用挤压机将加热好的圆铸棒从模具中挤出成形。 3、氧化:挤压好的铝合金型材,其表面耐蚀性不强,须通过阳极氧化进行表面处理以增加铝材的抗蚀性、耐磨性及外表的美观度。其主要过程为:(1)表面预处理:用化学或物理的方法对型材表面进行清洗,裸露出纯净的基体,以利于获得完整、致密的人工氧化膜。还可以通过机械手段获得镜面或无光(亚光)表面。(2)阳极氧化:经表面预处理的型材,在一定的工艺条件下,基体表面发生阳极氧化,生成一层致密、多孔、强吸附力的AL203膜层。(3)封孔:将阳极氧化后生成的多孔氧化膜的膜孔孔隙封闭,使氧化膜防污染、抗蚀和耐磨性能增强。氧化膜是无色透明的,利用封孔前氧化膜的强吸附性,在膜孔内吸附沉积一些金属盐,可使型材外表显现本色(银白色)以外的许多颜色,如:黑色、古铜色、金黄色及不锈钢色等。 b. 2219管材制作工艺流程 1、2219-T6 铝合金Φ42 mm ×15 mm( 外径 × 壁厚)管材试制工艺流程: 熔炼铸造空心铸锭→均匀化退火→车皮→铸锭( Φ270 mm/106 mm ×750 mm) 加热→ 35 MN 水压机挤压管毛料( Φ135 mm/20mm × L)→切断、 车皮、 镗孔( Φ132.5 mm/20 mm × 250 mm) →铸锭加热→ 6 MN 水压机二次挤压管材( Φ42 mm×15 mm) →切尾→淬火→矫直→取样、 切成品→时效→检查。 2、铸锭及均火制度,空心铸锭尺寸为 Φ270 mm/106 mm × 750 mm,铸锭需要进行均匀化退火,其工艺制度为: 铸锭加热温度 515℃~530℃,保温 24 h。 3、采用二次挤压工艺挤压Φ42 mm×15mm( 外径×壁厚)的管材。首先在35 MN挤压机上挤压管材毛料,规格为 Φ135 mm/20 mm,挤压系数为 3.6,残料为50 mm;然后在6MN立式水压机挤压,挤压系数为11.6,残料为 10 mm,挤压后管材尺寸为Φ42mm×15mm。表2 为试验中一次挤压温度为 350~390℃时最终管材的力学性能。

表 2 一次挤压温度为 350 ~390℃时最终管材的力学性能

二次挤压 机/MN 挤压筒温 度/℃ 挤压温 度/℃ Rm N/mm 2 Rp0.2 N/mm 2 A/%

6 360 350 ~390 383 228 22.4 420 ~450 385 228 22.1

400 350 ~390 385 227 21.9 420 ~450 389 231 21.5

450 350 ~390 389 229 21.9 420 ~450 396 234 21.2 c. 2219 铝合金大型锻环加工工艺 1.Φ2000 mm/1 800 mm×400 mm 锻环成型工艺流程为:熔炼铸造→切头、 切尾、取低倍检测氧化膜→切毛料→铸锭加热→自由锻造→冲孔→环锻→机加工→淬火→矫直→时效→取样→探伤→成品验收。 2. 铸造及均火制度,铸锭尺寸Φ680 mm×1 380 mm,铸锭进行均匀化退火,均匀化退火温度515℃ ~530℃,保温24 h。 3. 锻造工艺 (1)备料:Φ680 mm×1 380 mm铸锭。 (2)加热:430℃~450℃,保温9 h以上。 (3)锻造:镦粗至高度为460 mm,用Φ330 mm冲头中心冲孔,冲后平整,平整后高度H为460 mm。

(4)机加中心孔:加工后尺寸Φ3500+10mm。 (5)环锻:采用马架环锻方式进行铸造,环锻机加后尺寸:Φ2000+10mm/1800−10

0mm×

4000

+10

mm。成品的常温力学性能,淬火、时效后需要达到表3中规定的力学性能指标。

表 3 力学性能指标要求

纵向 横向 高向

Rm /(N·mm-2 ) Rp0.2 /(N·mm-2 ) A/% Rm /(N·mm-2 ) Rp0.2 /(N·mm-2 ) A/% Rm /(N·mm-2

) Rp0.2 /(N·mm-2 ) A/%

390 270 7 380 260 5 360 240 4 四、部分2219合金的标定抗拉性能极限

轧制的或冷精拉线材、棒材 状态与产品规格/mm σ0.2/MPa σb/MPa δ/%

T851 12.700~50.800 50.825~101.600 275 270 400 395 4 4

挤压的线、棒、型材 状态与产品规格/mm σ0.2/MPa σb/MPa δ/%

O 125max 221max 12 T31、T3510、T3511 ≤12.675 180 290 14

12.700~76.174 185 310 14 T62 250 370 6 T81、T8510、T8511 290 400 6 自由锻件 状态与产品规格/mm σ0.2/MPa σb/MPa δ/%

T6 纵轴向 275 400 6 轴的长横向 255 380 4 轴的短横向 240 365 2 T852 纵轴向 345 425 6 轴的长横向 340 425 4 轴的短横向 315 415 3 [1] H.-K. Kim, W.-J. Kim, Failure prediction of magnesium alloy sheets deforming at warm temperatures using the Zener-Holloman parameter, Mech. Mater. 42 (2010) 293–303. doi:10.1016/j.mechmat.2009.12.003. [2] G. Ji, F. Li, Q. Li, H. Li, Z. Li, A comparative study on Arrhenius-type constitutive model and artificial neural network model to predict high-temperature deformation behaviour in Aermet100 steel, Mater. Sci. Eng. A. 528 (2011) 4774–4782. doi:10.1016/j.msea.2011.03.017.