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薄壁深腔零部件采用PAG介质固溶处理后的残留应力

薄壁深腔零件铝合金热处理剧烈冷却的过程极易产生严重的开裂与变形,是热处理工作者面临的棘手难题。PAG(聚烷撑二醇,Polyalkylene glycols,一种环氧乙烷和环氧丙烷的共聚物)水溶性淬火介质是提高零件加工精度和使用可靠性的一种全新热处理方法。2A12铝合金薄壁深腔类零件采用水介质进行固溶时效处理后残余应力过大,易造成零件畸变开裂的问题一直是制约生产加工的“瓶颈”,通过对薄壁深腔零件铝合金采用PAG淬火介质进行固溶处理后,有效地降低了残余应力,即避免了固溶后出现的开裂倾向,又能保证硬度等技术要求,使产品合格率为100%,延长了精密零件的使用寿命。


1.技术要求


薄壁深腔零件结构如图1所示,原材料为 2A12H112,最终的使用状态为2A12T4。


从性能看, 2A12H112合金薄壁深腔零部件采用PAG淬火介质固溶后对零件残余应力、显微组织、常规力学性能、尺寸稳定性的影响较小,提高了零部件的尺寸加工稳定性,满足设计性能要求。


2.原热处理工艺


采用了两种工艺方法均未达到技术要求。

第一种采用常规水淬方法,工艺曲线如图2所示(水温一般调节至30~50℃)。

第二种采用调节水温淬火工艺方法,工艺曲线如图3所示(水温一般调节至50~55℃)。


从显微组织结果看,如图4所示。水淬后,薄壁深腔零部件的金相组织为基底的α相与以弥散状态析出的强化相S’相。


从残留应力有限元分析结果看,如图5所示。水淬后,薄壁深腔零部件大部分区域的残留应力值都在100MPa以上,根部的区域甚至达到147MPa,单向应力达到该值对于2A12铝合金来说是比较危险的。


从常规力学性能结果看,如表1所示。水淬后,薄壁深腔零部件的屈服强度、抗拉强度及硬度均可满足GB/T3191-1998要求的不小于255MPa和420MPa及GJB1694-93要求的不小于68HRB的要求。

表1 水淬后薄壁深腔零部件的屈服、抗拉强度和硬度测量结果

介质

屈服强度/MPa

抗拉强度/MPa

硬度HRB

水淬后

260.3

520.3

77

从尺寸变形量上看,如表2所示。水淬后,薄壁深腔零部件垂直变形量≥0.10mm。

表2 水淬后薄壁深腔零部件的尺寸变形量测量结果

内容

技术要求/mm

水淬后(机械加工)/mm

垂直变形量

φ0.02

φ0.12


3.原因分析及改进措施


(1)原因分析

针对上述检测结果,通过热处理原理和实践经验分析原因如下:

①常规水淬方法(水温一般调节至30~50℃),易出现淬火畸变、开裂现象,是因为水的淬火冷却特性与水温有关,冷却速度随水温的升高而降低。常温下的水,冷却能力大,冷却太快,最大冷却速度可达750℃/s以上。使其在淬火时,薄壁深腔零部件内部产生了巨大残余拉应力。


②调节水温淬火工艺方法(水温一般调节至50~55℃)易出现淬火畸变、开裂现象是虽然采用调节水温的办法对薄壁深腔零部件获得了一定的淬火冷却速度,但依然会在淬火时出现表面压应力、内部拉应力不一致导致畸变和裂纹。如继续提高水温虽然可以降低应力,减小畸变和裂纹,但水温过高,会导致零件淬火后硬度达不到要求,影响工件的使用性能。


(2)改进措施

通过对上述分析可知,水作为铝合金最常用的淬火冷却介质由于冷却能力大,冷却太快,人为无法控制介质的冷却速度,解决不了铝合金淬火应力大、出现畸变和裂纹的问题。因此,对铝合金淬火件采用新的淬火冷却介质降低淬火后的残留应力,是可以避免淬火畸变与裂纹的。降低冷却速度、减小了淬火时表面压应力、内部拉应力不一致性而产生的淬火综合应力,以期满足工件最佳尺寸加工稳定性和使用性能。


通过工艺实验,发现用了PAG水溶性淬火冷却介质代替水介质后,工件淬火后硬度高而均匀,且淬火变形小,还可以有效防止淬火开裂现象。


由于PAG淬火冷却介质有逆溶性,即室温时溶于水,但温度升高时,PAG从水中析出。这种现象提供了淬火时的冷却机制,即热金属淬火时在金属表面覆盖着一层聚合物膜,控制了热量被吸收到周围水溶液中的速率。因此,可获得介于水和油之间的冷却能力。


综合生产实际,薄壁深腔零部件采用PAG作为淬火冷却介质进行固溶处理工艺方法,工艺曲线图6所示。



从显微组织结果看,如图7所示。PAG淬火后与水淬火后的显微组织基本相同,薄壁深腔零部件的金相组织仍为基底的α相与以弥散状态析出的强化相S’相。



从残留应力有限元分析结果看,如图8所示。PAG淬火后,薄壁深腔零部件大部分区域残留应力值在70MPa以下,只有少数区域的残留应力值在70~96MPa之间。因此,可以更有效地控制淬火残留应力。

从常规力学性能结果看,如表3所示。PAG淬后,薄壁深腔零部件的屈服强度、抗拉强度及硬度可以保证工件的强度。远远满足GB/T3191-1998要求的不小于255MPa和420MPa及GJB1694-93要求的不小于HRB68的要求。

表3  PAG淬后薄壁深腔零部件的屈服、抗拉强度和硬度测量结果

介质

屈服强度/MPa

抗拉强度/MPa

硬度HRB

PAG淬后

257.6

534.7

77

从尺寸变形量上看,如表4所示。PAG淬后,薄壁深腔零部件垂直变形量≤0.02mm。

表4 PAG淬后薄壁深腔零部件的尺寸变形量测量结果

内容

技术要求/mm

水淬后(机械加工)/mm

垂直变形量

φ0.02

φ0.010


4.结语


薄壁深腔零部件采用PAG介质固溶处理后的残留应力较小,残留应力值为1~4kg/mm2;经PAG介质固溶处理后的尺寸变形量较水介质减小;采用PAG介质固溶处理方法可以使表面与心部的降温速度一同变慢,减小了温度梯度,从而减小了残余应力值。


综上所述,针对薄壁深腔零部件选用PAG介质进行淬火,可以控制残留应力,提高尺寸加工稳定性,满足设计性能要求。



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