2XXX系铝合金及其挤压热处理生产技术.doc

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-Fe 2SiAl,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 1 2XXX 系常用铝合金主要化学成份合金 Cu Mg Mn Si Fe 其他2014 5.5-5.6 0.5 0.1 0.2 0.22011 5.0-6.0 0.4 0.72012 4.0-5.5 0.4 0.72014 3.9-5.0 0.2-0.8 0.4-1.2 0.5-1.2 0.52017 3.5-4.5 0.4-0.8 0.4-1.0 0.2-0.8 0.72024 3.8-4.9 1.2-1.8 0.3-0.9 0.5 0.52219 5.8-6.8 0.2-0.4 0.2 0.32A02 2.6-3.2 2.0-2.4 0.45-0.7 0.3 0.32A06 3.8-4.3 1.7-2.3 0.5-1.0 0.5 0.52A11 3.8-4.8 0.4-0.8 0.4-0.8 0.7 0.72A12 3.8-4.9 1.2-1.8 0.3-0.9 0.5 0.52124 3.8-4.9 1.2-1.8 0.3-0.9 0.2 0.32A14 3.9-4.8 0.4-0.8 0.4-1.0 0.6-1.2 0.72A16 6.0-7.0 0.05 0.4-0.8 0.3 0.32A17 6.0-7.0 0.25-0.45 0.4-0.8 0.3 0.32024 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 2 2XXX 系铝合金室温力学性能及用途合金状态 σ η σ 0.2 伸长率 用途2011-T3 379 296 15螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品2014-T6 483 414 13应用要求高强度和硬度的场合，卡车架构，航天品零件2017-T4 427 275 22通用机械零件，结构与运输工具结构件2024-T4 470 325 20 飞机，导弹结构，螺旋桨元件等2219-T4 359 186 20 航天，飞机结构零件，焊接性好2A06-T4 440 300 20 航天，飞机结构铆钉2A11-T4 410 250 15飞机中强度结构件，交通和建筑结构件2A12-T4 520 380 12 飞机翼梁，建筑与交通结构件2A14-T6 480 380 10 应用于结构复杂的自由锻件和模锻件2A16-T6 400 300 10工作温度 250-300℃的航天航空器零件2A17-T6 430 350 9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 3 2XXX 系铝合金的可挤压性合金 2011 2014 2017 2024 2A12Z 值 30 20 20 15 10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 4 2XXX 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℃2011 490 4602017 480 4502024 480 4502A11 500 4552A12 490 4502A14 490 4502XXX 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 7-9 m/分2024 合金在 380-450℃挤压，挤压速度仅为 1.0-1.7 m/分，而降至 330-350℃挤压时，挤压速度可以提高到 4.5-5.0 m/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挤太筒内径尺寸（mm）合同100 200 300 400 5002017 1.2 2.4 3.6 4.8 6.02024 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5三、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 6 2XXX 系铝合金的淬火温度合金 过烧温度℃ 淬火温度℃2011 540 520±52A11、2017 510 497±52024、2A12 505 495±52014、2A02 511 503±52A50 545 512±52A70 545 528±52A04、2A14 515 503±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≤3.0 mm 保温时间 30-45 分钟型材壁厚 3.1-5.0 mm 保温时间 45-605 分钟型材壁厚 5.1-10.0 mm 保温时间 60-75 分钟型材壁厚＞10 mm 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 7 2XXX 系合金的人工时效工艺合金 时效温度 保温时间（小时）2A14 150+5 6-10　2A16 165+5 162A17 185±5 12-16　2A02 165+5 162014 170+5 82024 185+5 8-162219 160±5 142018 165+5 162A50 150+5 162A80 165+5 8　3、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。