铝合金锻件的缺陷与对策

铝合金锻件常见的缺陷与对策来源：中国铝材信息网，更新时间：2007-4-2816:57:52，阅读：1861次（一）概述铝合金是以铝为基，加入了锰、镁、铜、硅、铁、镍、锌等各种元素而形成的。它密度较小，强度适宜，因而得到了愈来愈广泛的应用。根据成分和工艺性能不同，铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金按其热处理强化能力可分为热处理不强化铝合金和热处理强化铝合金（见图5-11）。图5-11铝合金分类图变形铝合金按其使用性能及工艺性能分为防锈铝合金（用LF表示）、硬铝合金（用LY表示），超硬铝合金（用LC表示）和锻铝合金（用LD表示）。它们的主要牌号和成分见表5-10。表5-10变形铝合金主要牌号的化学成分及挤压棒材的力学性能类别牌号化学成分（质量分数）（%）力学CuMgMnFeSi其它直径尺寸/mm材料状态σb/MPaδ5（%）≥防锈铝合金LF22.0～2.8或Cr0.15～0.40所有尺寸M或R≤22610LF54.0～5.00.3～0.6V0.02～0.10厚0.5～4.5M27015LF11LF124.8～5.58.3～9.60.30～0.600.40～0.80Ti或V0.02～0.15Ti0.05～0.15≤200＞200Sb0.004～0.05M＞200直径≤150270M，RM或R152503731015LF211.0～1.6所有尺寸M或R≤16720硬铝合金LY12.2～3.00.20～0.50线材CZM3001602424LY43.2～3.72.1～2.60.50～0.80Ti0.05～0.40Be0.001～0.01－－－－LY113.8～4.80.40～0.800.40～0.80＜160＞160CZ3733531210LY123.8～4.91.2～1.80.30～0.90≤2223～160＞160CZ39242241212108LY134.0～5.00.30～0.50≤2223～160CZ34134344LY166.0～7.00.40～0.80Ti0.01～0.2所有尺寸CS353253超硬铝合金LC41.4～2.01.8～2.80.20～0.60Zn5.0～5.7≤2223～160＞160CS490530510765LC50.30～1.01.2～2.00.3～0.80.60.4－－－LC62.2～2.82.5～3.20.2～0.50.50.3－－－LC91.2～2.02.0～3.0Zn5.1～6.1同LC4锻铝合金LD20.20～0.600.45～0.90或Cr0.15～0.350.50～1.2所有尺寸CS29412LD51.8～2.60.40～0.800.40～0.800.7～1.2所有尺寸CS35312LD71.9～2.51.4～1.80.90～1.5Ti0.02～0.1Ni0.9～1.5所有尺寸CS3538LD81.9～2.51.4～1.81.0～1.60.5～1.2Ni0.9～1.5所有尺寸CS3538LD93.5～4.50.40～0.800.5～1.00.5～1.0Ni1.8～2.3所有尺寸CS35310L3.0.40.40～0.6～≤22C410D109～4.80～0.801.01.223～160＞160S41451432108注：状态符号表示意义：M—退火，CZ—淬火（自然时效），CS—淬火（人工时效），R—热挤。Cu、Mg、Zn等是铝合金中的主要强化元素。它们一方面溶解在铝中使固溶体强化；另一方面，它们在铝合金中形成大量的化合物，成为铝合金中的强化相和过剩相（见表5-11）。表5-11铝合金中的过剩相和强化相类型合金类别过剩相和强化相防锈铝Al-Mn系合金Al-Mg系合金（MnFe）Al8，Al10Mn3Si（T相），α相（AlFeSi），FeSiAl3，MnAl6，Mg5Al8（β）相，（AlFeSiMn）相及Mg2Si硬铝Al-Cu-Mg系合金CuAl2（θ相），Al2CuMg（S相），（AlFeCuMn）超硬铝Al-Cu-Mg-Zn系合金MgZn2，Al2CuMg（S相），Al2Zn3Mg3（T相）锻铝Al–Mg-Si系合金AlMgSiCu系合金Al–Mg-Cu-SiFe-Ni系合金Mg2Si，少量CuAl2，少量MnAl6，Mg2Si，CuAl，少量Al2CuMg（S相），CuAl2，Mg2Si，Al2CuMg（S相），FeNiAl6，AlNiCu，Al2Cu2Fe铝合金中锰、铬、钛的作用主要是提高合金的再结晶温度，减弱其晶粒长大的倾向性。镍在铝合金中可以改善合金的抗腐蚀性能和提高热强性。Fe、Si、Na、K等都属于铝合金中的杂质元素，其中主要是Fe和St。Fe在铝中的溶解度很小，在655℃时为0.5％，在室温时仅为0.002％。Fe主要形成金属化合物FeAl3，是硬脆的针状化合物。Si在铝中的溶解度略大一些，在577℃时可溶入1.65％，在室温时为0.05％。Si除溶入铝中外，多余的则单独存在于铝中，通常称为“游离硅”。铝合金中由于存在大量的强化相和过剩相，因此，其铸态组织中呈现多相混杂的状态。另外，在某些铝合金（例如LY12）铸态组织中还常常存在共晶混合物。这些物质通常又硬又脆，且呈网状分布于晶界。而且，由于铸造时的冷却条件，使这些化合物相在铸锭中形成了区域偏析，枝晶偏析和晶间偏析，此外，还有气孔、缩孔等缺陷，严重降低了铝合金铸锭的塑性。通过热塑性变形可以使铝合金铸态组织得到较大改善，性能得到较大提高。以LY11为例，经挤压变形后，形成纤维状组织，在挤压变形程度小于70％之前，随着变形程度的增加，材料纵向及横向的强度指标都不断提高。当变形程度继续增加时，纵向性能继续提高，而横向性能急剧下降，即引起了性能的异向性。流线的分布情况对铝合金的性能有很大影响，流线不顺、涡流和穿流都使铝合金的塑性指标、疲劳强度和抗腐蚀性能有明显降低。因此，编制成形工艺时，应当使流线方向与零件最大受力方向一致。某些热处理可以强化的变形铝合金，按照一定的规范热变形之后，可以使变形强化的效果保存下来，使合金的强度提高，即所谓热形变强化效应，这是因为，按照一定的规范热变形之后，某些合金的再结晶温度高于淬火加热温度，所以热处理后的制品具有未再结晶组织。这种组织的晶粒细小，并且晶粒中形成许多亚晶块，故强度性能远远高于再结晶组织的制品。影响铝合金再结晶温度的主要因素有：合金成分、压力加工前的均匀化规范、压力加工方式（应力状态）、变形温度、变形速度、变形程度和最终热处理制度等。图5-12是LD10合金的组织状态与变形温度和变形速度的关系。图5-12淬火后的LD10合金的组织状态和变形温度和变形速度的关系Ⅰ—不存在再结晶Ⅱ—完全再结晶Ⅲ—变形后就开始了再结晶其余为混合组合铝合金的晶粒尺寸对力学性能有较大影响，铝合金锻件中的粗晶显著降低强度极限和屈服极限，降低零件的使用性能和寿命。因此，锻造铝合金时需注意控制晶粒度。铝合金锻件的晶粒大小与变形温度、变形程度、受剪切变形的情况以及固溶处理前的组织状态等有关。详见几种主要缺陷形成的机理和对策中的备料不当产生的缺陷及其对锻件的影响。供锻造和模锻的铝合金原坯料，一般采用铸锭和挤庄坯料，个别情况下亦采用轧制坯料。铸锭坯料往往具有疏松、气孔、缩孔、裂纹、成层、夹渣、氧化膜和树枝状偏析等缺陷。挤压坯料一般具有粗晶环、成层、缩尾、夹渣、氧化膜和表皮气泡等缺陷。铝合金坯料的上述缺陷，不仅锻造时容易开裂，而且直接影响到锻件质量，所以锻前需要按标准对坯料进行检查，合格后方能投产。铝合金的锻造特点如下：1.塑性较低铝合金的塑性受合金成分和锻造温度的影响较大。大多数铝合金对变形速度不十分敏感，但是随着合金中合金元素含量的增加，合金的塑性不断下降，对变形速度的敏感性逐渐增加（图5－13），由图还可以看出，当变形温度较低时，铝合金的塑性急剧下降，特别是高强度铝合金（LC4等）表现最为突出。图5-13不同变形温度和速度对铝合金塑性的影响—静载变形---动载变形2.流动性差铝合金质地很软，外摩擦系数较大（表5-12），所以流动性较差，模锻时难于成形。表5-12铁碳合金与铝合金变形时的外摩擦系数合金铁碳合金（%）铝合金(%)变形速度/（m/s）＜1＞1①＜1＞1变形温度/℃（0.8～0.95）T熔②0.400.350.500.48（0.5～0.8）T熔0.450.400.480.45注：若采用润滑剂摩擦系数可降低15%～25%。①锤击作用也适用。②T熔是指绝对熔化温度。3.锻造温度范围窄铝合金的锻造温度范围一般都在150℃以内，少数高强度铝合金的锻造温度范围甚至不到100℃，由于铝合金的锻造温度范围很窄，所以一般都采用能精确控制加热温度的带强制循环空气的箱式电阻炉或普通箱式电阻炉进行加热，温差控制在上±10℃以内。同时，为了保证适当的终锻温度，提高合金的塑性和流动性，改善合金的成形条件，用于锻造和模锻的工具或模具需要预热。4.导热性良好铝合金由于导热性好，加热时内应力小，且易于均匀热透，所以坯料可以直接装人接近始锻温度的高温炉膛内进行快速加热。挤压坯料在不产生锻造裂纹的条件下，不必进行保温，但铸造坯料加热时需要保温。5.始锻温度和终锻温度要严加控制始锻温度一般取上限，这样有利于提高合金的塑性和流动性，使金属易于成形。但有些合金始锻温度太高，将引起强度下降。例如，LD10合金始锻温度高于470℃时，强度约下降24MPa；LF6合金始锻温度从360℃提高到420℃，强度约下降15MPa。终锻温度高有利于保持挤压坯料的挤压效应，能得到具有未再结晶组织和力学性能高的锻件。终锻温度过低，容易产生大晶粒，使锻件的力学性能大大降低。同时，终锻温度过低，使合金的塑性和流动性急剧下降，容易产生表面和内部裂纹。（二）锻造过程中常见的缺陷与对策1.过烧由于铝合金的温度范围窄，其锻造加热温度，尤其是淬火加热温度很接近合金的共晶熔化温度，容易发生过烧。所以在锻件和模具加热以及锻件淬火加热时，必须十分注意温度上限，严格遵守工艺操作规程，否则会引起锻件过烧。锻件过烧后，表面发暗、起泡，一锻就裂。在热处理时产生的过烧，也可能形成裂纹。过烧锻件的高倍组织特点是：晶界发毛、加粗，出现低熔点化合物的共晶复熔球，形成三角晶界。轻微过烧的锻件，强度稍有提高，但疲劳性能较差。严重过烧后各项性能急剧下降，使锻件成为废品。2.裂纹由于铝合金的塑性和流动性较差，很容易产生表面和内部裂纹。产生表面裂纹的原因与坯料种类有关。用铸锭做坯料，往往由于铸锭含氢量高、有严重的疏松、氧化夹渣、粗大的柱状晶、存在有严重的内部偏析、高温均匀化处理不充分以及铸锭表面缺陷（凹坑、划痕、棱角等）都会在锻造时产生表面裂纹。另外，坯料加热不充分，保温时间不够、锻造温度过高或过低，变形程度太大，变形速度太高、锻造过程中产生的弯曲、折叠没有及时消除，再次进行锻造，都可能产生表面裂纹。挤压坯料表面的粗晶环、表皮气泡等，也容易在锻造时产生开裂。铝合金锻件的内部裂纹，主要是由于坯料内部存在有粗大的氧化物夹渣和低熔点脆性化合物，变形时在拉应力或切应力的作用下产生开裂，并不断扩大。此外，锻造时多次滚圆，当每次变形量较小（小于15％～20％）时，也会产生内部中心裂纹。由于铝合金的锻造温度范围很窄，如果锻造工具和模具没有预热，或预热温度不够也会引起锻件产生裂纹。因此，要防止产生表面和内部裂纹，必须采取如下对策：1）选择高质量的原坯料，坯料表面的各种缺陷要彻底清除干净。例如，挤压坯料常常需要车皮。在锤上锻造不便于车皮的小棒料时，开始要轻击，打碎粗晶环，然后逐渐加重打击；2）铸锭坯料要进行充分的高温均匀化处理，消除残余内应力和品内偏析，以提高金属塑性。锻造加热时，要保证在规定的加热温度进行加热并充分保温；3）根据不同合金，选择最佳锻造温度范围。例如，LC4合金铸锭的最佳锻造温度范围为：在440℃左右加热保温，然后缓冷至410～390℃左右锻造，塑性最好；4）铝合金由于流动性差，不宜采用变形激烈的锻造工序（如滚压），并且变形程度要适当，变形速度要越低越好；5）锻造操作时要注意防止弯