CN105543596B - 一种航空用铝合金棒材的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空用铝合金棒材的制造方法，各合金元素质量百分含量为：Si：0.3％‑0.6％，Fe：0.1％‑0.5％，Cu:3.4％‑3.8％，Mg:0.3％‑0.5％，Mn：0.5％‑0.7％，Zn：0.05％‑0.1％，Ti：0.015％‑0.025％，Zr：0.02％‑0.05％，其它元素单个含量≤0.045％，其它元素总量≤0.1％，剩余为铝。其制造方法包括以下工序：1)熔炼：熔炼温度为740℃‑760℃；2)升温到850℃‑860℃，保温30min，冷却到730℃‑740℃净化处理、铸造成棒，铸造温度为730℃‑740℃，模盘温度控制在690℃‑710℃之间，铸造速度为95‑105mm/min，铸造水压为0.06‑0.12Mpa；3)均匀化退火；4)热剥皮挤压:挤压时采用高温低速的方式。本发明制造的航空用铝合金棒材不会发生晶粒长大、无粗晶环、组织均匀、切削性能良好，可以在工业上大批量生产应用。
Description
技术领域
本发明属于及铝合金制造领域，具体涉及一种航空用铝合金棒材的合金元素配方及生产方法，尤其是涉及一种2017铝合金棒材合金元素成分设计与生产方法。
背景技术
2017铝合金棒材是一种广泛应用于航空领域的铝合金切削材料，这种铝合金棒材的生产一般包括熔炼、铸造、均匀化退火、挤压、冷拉、淬火、矫直、自然时效处理这几个工序。在铝合金棒材的生产过程中会产生粗大晶粒组织即粗晶环，根据粗晶环出现的时间，将其分为两类:第一类是在挤压过程中已形成的粗晶环，这类粗晶环的形成是由于挤压模具工作带的长度以及入口的形状与摩擦力的作用造成金属流动不均匀。在反向挤压过程中，加热炉加热后会使得铸棒外层温度高，中心温度低，外层金属所承受的变形程度比内层大，晶粒受到剧烈的剪切变形，晶格畸变严重，再加上高温，从而使外层金属再结晶温度降低，发生再结晶长大，形成粗晶环，而内层金属保持纤维晶组织；第二类粗晶环是在铝合金棒材的淬火过程形成的，例如6061、7075、7050铝合金在淬火后，常常会出现较为严重的粗晶环组织，这类粗晶环的形成一方面与挤压过程的挤压比(即不均匀变形)有关，还与合金里面的元素Fe、Ti、Zr元素以及铸造晶粒组织有关。
在发明人对现有技术的研究中发现，现有的工艺技术在挤压时存在以下问题：
(1)2017铝合金棒材的化学成分设计不够合理；
(2)反向挤压挤压温度过高，达到460℃；
(3)反向挤压挤压比设计过大；
(4)反向挤压模具工作带设计过长；
(5)挤压模具出口采用在线淬火后进行冷拔工艺；
(6)加热时采用到温加热，保温时间过久。
上述6个方面决定了2017铝棒挤压出来会产生粗晶，以及对后续加工是否会产生粗晶有直接影响。同时，2017铝合金棒材在挤压过程中也会造成变形的不均匀性。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种无粗晶环、组织均匀、切削性能良好、可以大批量生产的航空用铝合金棒材的制造方法。
为实现本发明的上述目的，本发明一种航空用铝合金棒材的制造方法对合金元素成分进行优化设计，各合金元素质量百分含量为：Si：0.3％-0.6％，Fe：0.1％-0.5％，Cu:3.4％-3.8％，Mg:0.3％-0.5％，Mn：0.5％-0.7％，Zn：0.05％-0.1％，Ti：0.015％-0.025％，Zr：0.02％-0.05％，其它元素单个含量≤0.045％，其它元素总量≤0.1％，剩余为铝。
本发明一种航空用铝合金棒材之各合金元素质量百分含量优选为：Si：0.3％-0.5％，Fe：0.2％-0.4％％，Cu:3.4％-3.6％，Mg:0.3％-0.4％，Mn：0.55％-0.7％，Zn：0.06％-0.08％，Ti：0.022％-0.025％，Zr：0.02％-0.05％。
本发明提供的一种航空用铝合金棒材的制造方法包括以下工序：
1)熔炼：将各合金元素原料放入倾倒式熔炼炉内进行熔炼，熔炼温度为740℃-760℃，使原料完全熔化，并得到成分分布均匀的熔体；
2)净化处理、铸造成棒：对上述熔体进行净化处理，然后升温到850℃-860℃，保温26-35min，以保温30min为佳；接着再冷却到730℃-740℃将净化处理后的熔体铸造成铸棒，铸造温度为730℃-740℃，模盘温度控制在690℃-710℃之间，铸造速度为95-105mm/min，铸造水压为0.06-0.12MPa；
3)均匀化退火：将铸造出来的铸棒进行均匀化退火工艺处理；
4)热剥皮挤压:将均匀化退火后的铸棒放到挤压筒中进行热剥皮挤压处理得到铝合金棒材半成品,挤压时采用高温低速的方式，将铸棒温度设置为420℃-440℃，挤压筒内筒温设置为400℃-420℃，并且以1.2-1.5mm/s的速度进行挤压，采用风冷淬火。
所述的挤压筒采用2500T的挤压筒为宜，挤压处理的挤压比为27-29，挤压比优选29。所述第3)步均匀化退火采用的工艺为：铸造出来的铸棒是在(460±5)℃—(28±2)h的条件下进行均匀化退火工艺处理；最优的条件是在460℃—28h的条件下进行均匀化退火工艺处理，即：采用50℃/h的升温速率到460℃，保温28h，采用渐进式冷却方法。
对第4)步获得的铝合金棒材半成品进行限量冷拉拔处理，冷拉拔处理次数为两次，第一次拉拔余量控制在7％-9％，第二次拉拔余量控制在4％-6％。所述冷拉拔采用打头抽管的方式，加工率范围设置为10％-12％。
对冷拉拔处理后的棒材半成品进行淬火处理，所述淬火采用的淬火炉为电加热炉，淬火温度范围设置为495℃-510℃，淬火保温时间为30-45min。
对淬火后的铝合金棒材半成品切头300mm、切尾100mm后制成长度符合标准要求的铝合金棒材，以利于进行自然时效处理。
本发明一种航空用铝合金棒材的制造方法采用以上技术方案后，具有以下优点：
(1)本发明通过对对合金元素成分进行优化设计后，使得材料不易发生晶粒长大现象。
(2)本发明通过制造工艺的调整以及后期限量变形量的增加，使得材料内部储存了足够的能量，在淬火过程中，由原来的纤维晶变化为再结晶组织。这样材料就不会形成粗晶环，而是形成了再结晶组织，材料的抗拉强度在420-450MPa之间，屈服强度在340-360MPa，延伸率>12％，最终获得切削性能良好好、性能优异的航空用2017铝合金棒材。而常规的工艺生产出来的2017棒材多数是纤维晶组织，各向异性明显，切削性能较差。
(3)本发明一种航空用铝合金棒材的制造方法，能够使得生产出来的铝合金棒材具有良好的室温力学性能和切削性能，并且棒材无粗晶环，从而使各项性能达到标准要求，实现该合金棒材的工业化批量生产。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合具体实施例对本发明一种航空用铝合金棒材的制造方法做进一步详细说明。
为了保证生产出来的航空用2017铝合金棒材具有良好的室温力学性能和切削性能，并且棒材粗晶环较浅甚至无粗晶环，材料晶界和晶内沿着挤压方向分布着较大的初生相，有利于切削性能的提高，最终使得各项性能达到标准要求，实现该铝合金棒材的工业化批量生产，本发明一种航空用铝合金棒材实施例中各合金元素质量百分含量如表1所示。
表1航空用2017铝合金棒材各合金元素质量百分含量(％)
| 合金元素 | Si | Fe | Cu | Mg | Mn | Zn | Ti | Zr | 其它 | Al | 合计 |
| 实施例1 | 0.3 | 0.4 | 3.4 | 0.3 | 0.7 | 0.06 | 0.015 | 0.035 | 0.09 | 余量 | 100 |
| 实施例2 | 0.4 | 0.3 | 3.4 | 0.3 | 0.55 | 0.07 | 0.023 | 0.03 | 0.08 | 余量 | 100 |
| 实施例3 | 0.45 | 0.5 | 3.5 | 0.35 | 0.5 | 0.08 | 0.02 | 0.02 | 0.1 | 余量 | 100 |
| 实施例4 | 0.6 | 0.2 | 3.4 | 0.35 | 0.6 | 0.05 | 0.022 | 0.03 | 0.1 | 余量 | 100 |
| 实施例5 | 0.5 | 0.1 | 3.45 | 0.4 | 0.65 | 0.1 | 0.025 | 0.04 | 0.08 | 余量 | 100 |
| 实施例6 | 0.48 | 0.35 | 3.48 | 0.4 | 0.55 | 0.09 | 0.019 | 0.05 | 0.07 | 余量 | 100 |
试验表明，在实施例1-6中，由于通过化学成分的调整可以控制粗晶环以及再结晶的形成，按表1中的各合金元素质量百分含量进行配料，在进行熔炼时能有效地降低粗晶环的形成。
本发明提供的一种航空用铝合金棒材的制造方法包括以下工序：
1)熔炼：将各合金元素原料放入倾倒式熔炼炉内进行熔炼，熔炼温度为740℃-760℃，使原料完全熔化，并得到成分分布均匀的熔体；
2)净化处理、铸造成棒：对上述熔体进行净化处理，对上述熔体进行净化处理，然后升温到850℃-860℃，保温30min，冷却到730℃-740℃将净化处理后的熔体铸造成铸棒，铸造温度为730℃-740℃，模盘温度控制在690℃-710℃之间，铸造速度为95-105mm/min，铸造水压为0.06-0.12MPa；
3)均匀化退火：将铸造出来的铸棒在460℃-28h条件下进行均匀化退火工艺处理；
均匀化退火的主要目的是为了减少铝合金铸锭在铸造过程中引起的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保温，然后进行缓慢冷却，以达到化学成分和组织均匀化的目的。
4)热剥皮挤压:将均匀化退火后的铸棒放到挤压筒中进行热剥皮反向挤压处理得到铝合金棒材半成品。
反向挤压就是将加热到一定温度的铸棒，放在挤压筒内，通过施加外力，使之从平面模具的模孔中流出，从而获得所需的棒材尺寸的棒材的一种塑性加工方法。所述铸棒的直径采用254mm。
挤压时采用高温低速的方式，将铸棒温度设置为420℃-440℃，挤压筒内筒温设置为400℃-420℃，并且以1.2-1.5mm/s的速度进行挤压。采用风冷淬火。
所述的挤压筒采用2500T的挤压筒，挤压模具模孔尺寸为34.5mm，为两孔挤压模式，挤压比为29。
将两孔挤压形成的棒材半成品，放置18-30h，进行2道次不同余量的冷拉拔处理，第一次拉拔余量控制在8％，第二次拉拔余量控制在5％。冷拉拔采用打头抽管的方式，加工率范围设置为10％-12％。
研究实践中发现2017铝合金棒材在淬火前进行限量的冷拉拔处理，能够增加棒材内部的储存能，使得棒材的外层和内层之间因挤压产生的组织的不均匀性得到一定程度的改善，从而改善淬火后2017铝棒的晶粒组织状况，形成沿着挤压方向的再结晶组织，无粗晶环形成，并且提高生产出来的棒材的室温力学性能和各批次的一致性，最终使得材料的切削性能得到了明显提高。
对冷拔处理后的2017铝合金棒材半成品进行煤油清洗，然后进行随炉加热淬火处理。
所述淬火处理采用的淬火炉为电加热炉，淬火温度范围设置为495℃-510℃，淬火保温时间为30-45min。
对淬火后的铝合金棒材半成品切头300mm、切尾100mm后制成长度符合标准要求的铝合金棒材，以利于进行自然时效处理。
通过本发明实施例制造而成的航空用2017铝合金棒材的材料的抗拉强度在420-450MPa之间，屈服强度在340-360MPa，延伸率>12％。其中实施例2材料的抗拉强度达449MPa、屈服强度在360MPa、延伸率达14.5％。
本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而非全部实施例。本领域普通技术人员在本发明中的实施例的启示下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例具有以下优点：
在本发明实施例中，2017铝合金的化学成分进行了优化设计，铝合金挤压工艺进行了改进，并在淬火处理前进行了两次不同限量的冷拉拔处理，在冷拉拔时铝合金棒材半成品的外层金属组织受到与挤压时相反的力，挤压造成的铝合金棒材半成品的外层金属组织的畸变成都就会减小，这样势必减小了铝合金棒材半成品的外层金属与内层金属组织之间的不均匀性，增加了储存能，减少了在随后的热处理过程中晶粒长大的可能，增加的储存能使得铝合金棒材在后续的热处理过程容易形成再结晶组织，使得铝合金棒材室温性能较好，且具有极好的切削性能，并且无粗晶环组织，从而使其室温力学性能、粗晶环和切削性能均达标，最终实现了铝合金棒材的工业化批量生产。
Claims (5)
1.一种航空用铝合金棒材的制造方法，其特征在于各合金元素质量百分含量为：Si：0.3％-0.6％，Fe：0.1％-0.5％，Cu:3.4％-3.8％，Mg:0.3％-0.5％，Mn：0.5％-0.7％，Zn：0.05％-0.1％，Ti：0.015％-0.025％，Zr：0.02％-0.05％，其它元素单个含量≤0.045％，其它元素总量≤0.1％，剩余为铝；
其制造方法包括以下工序：
1)熔炼：将各合金元素原料放入倾倒式熔炼炉内进行熔炼，熔炼温度为740℃-760℃，使原料完全熔化，并得到成分分布均匀的熔体；
2)净化处理、铸造成棒：对上述熔体进行净化处理，然后升温到850℃-860℃，保温26-35min，冷却到730℃-740℃将净化处理后的熔体铸造成铸棒，铸造温度为730℃-740℃，模盘温度控制在690℃-710℃之间，铸造速度为95-105mm/min，铸造水压为0.06-0.12MPa；
3)均匀化退火：将铸造出来的铸棒进行均匀化退火工艺处理；
4)热剥皮挤压:将均匀化退火后的铸棒放到挤压筒中进行热剥皮挤压处理得到铝合金棒材半成品,挤压时采用高温低速的方式，将铸棒温度设置为420℃-440℃，挤压筒内筒温设置为400℃-420℃，并且以1.2-1.5mm/s的速度进行挤压；
对第4)步获得的铝合金棒材半成品进行限量冷拉拔处理，所述冷拉拔采用打头抽管的方式，加工率范围设置为10％-12％；冷拉拔处理次数为两次，第一次拉拔余量控制在7％-9％，第二次拉拔余量控制在4％-6％，对冷拔处理后的铝合金棒材半成品进行煤油清洗，然后进行淬火处理，所述淬火采用的淬火炉为电加热炉，淬火温度范围设置为495℃-510℃，淬火保温时间为30-45min。
2.如权利要求1所述的一种航空用铝合金棒材的制造方法，其特征在于各合金元素质量百分含量为：Si：0.3％-0.5％，Fe：0.2％-0.4％％，Cu:3.4％-3.6％，Mg:0.3％-0.4％，Mn：0.55％-0.7％，Zn：0.06％-0.08％，Ti：0.022％-0.025％，Zr：0.02％-0.05％。
3.如权利要求1或2所述的一种航空用铝合金棒材的制造方法，其特征在于：所述的挤压筒采用2500T的挤压筒，挤压处理的挤压比为27-29。
4.如权利要求3所述的一种航空用铝合金棒材的制造方法，其特征在于所述第3)步均匀化退火采用的工艺为：铸造出来的铸棒是在(460±5)℃-(28±2)h条件下进行均匀化退火工艺处理。
5.如权利要求4所述的一种航空用铝合金棒材的制造方法，其特征在于：对淬火后的铝合金棒材半成品切头300mm、切尾100mm后制成长度符合标准要求的铝合金棒材。
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