CN108746447B - 一种高强耐蚀铝合金锻件制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高强耐蚀铝合金锻件制造工艺，该工艺包括以下步骤：备料、加热、多轴锻造、机加工、加热、马架扩孔、加热、辗环、机加工、固溶淬火、冷压变形、时效等，其中时效处理方法为：第一级时效：冷压后的环锻件室温装炉升温至90‑110℃保温1‑3h，空冷；第二级时效，环件到温装炉，在150‑160℃保温4‑8h，时效结束后空冷。

Description

一种高强耐蚀铝合金锻件制造工艺

技术领域

本发明涉及铝合金成形和热处理工艺，尤其涉及一种适用于 2A14高强耐蚀铝合金环锻件的生产工艺。

背景技术

2A14铝合金是Al-Cu-Mg系高强度锻造合金，该合金具有工艺性能良好，热塑性好和耐热性好等优点，主要用于形状复杂或耐热可焊的结构件、自由锻件和精密模锻件，是航空航天和交通运输等领域的重要材料。随着我国航空航天工业的快速发展，2A14铝合金环锻件的使用需求越来越大，对环件组织性能的均匀性和稳定性要求越来越高，对环件的成形和热处理工艺也提出了更高要求。生产中，2A14铝合金环锻件虽然形状简单，但具有薄壁，大直径等结构的特殊性。传统的自由锻+机加工成型方法，生产效率不高，材料利用率低，需要较大的吨位，且变形不均匀，变形量不易控制；现有的多轴锻造+辗环工艺，因锻造，辗环过程的成形特点， 2A14铝合金环锻件存在各向变形不均匀，变形量不一致，组织性能各向异性大等问题，力学性能的各向异性尤为明显，尤其是易出现径向伸长率偏低造成产品不合格的情况。经优化后的热处理工艺处理后性能虽能满足技术要求，但由于环锻件组织的方向性造成切、径、轴三个方向力学性能不一致，尤其是伸长率很低，富余量较小，稍有波动便出现产品性能不合格，因此难以满足航空航天领域对其使用要求。

发明内容

本发明针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的高强耐蚀2A14铝合金锻件生产工艺，并通过优化热处理工艺，有效减小铝合金环锻件组织和性能的各向异性，提高产品的综合力学性能和抗腐蚀能力。

为实现上述目的，本发明公开的一种高强耐蚀铝合金锻件制造工艺，所采用的工艺方案包括以下步骤：

(1)备料：将H112态铝合金圆棒料锯切至工艺尺寸要求,得原材料；

(2)加热：将步骤(1)所得原材料在室温装炉，按功率升温至 400±5℃，再以50℃/h升温速度升温至460±5℃后保温6 h，得均热原材料；

(3)多轴锻造：将步骤(2)所得均热原材料进行锻造，保持始锻温度为420-460℃，终锻温度≥400℃，在3600T液压机上进行三镦两拔多轴锻造开坯，所述锻造过程为：先Z向镦粗1次，然后 X向镦拔1次，Y向镦拔1次，接着倒棱、滚圆、镦粗、平端面，最后冲孔，得冲孔后坯料；

(4)机加工、加热：将步骤(3)所得冲孔后的坯料空冷至室温，用卧式车床清理环坯内外表面缺陷后，环坯室温装炉，加热至 440±5℃后保温2-4h，得环坯；

(5)马架扩孔、加热：利用预热至400±5℃的芯棒将步骤(4) 所得环坯扩孔至工艺尺寸，将扩孔后的环坯重新回炉加热至440±5 ℃后保温2-4h，得扩孔加热环坯；

(6)辗环：利用5米径轴向数控辗环机以0.1mm/s～0.5mm/s的芯辊进给速度在200～440℃温度段内将步骤(5)所得扩孔加热环坯均匀连续辗制至工艺尺寸，得辗制的环件；

(7)机加工、固溶淬火：将步骤(6)辗制的环件转移至地面平放，待完全冷却后机加工上下端面，将机加工后的环件室温装炉，加热至400±3℃保温30min后，以50℃/h升温速度继续升温至 500±3℃固溶保温3h，淬火转移时间≤10s，淬火水温为40-50 ℃，淬火时间15-20min，得固溶淬火后的环锻件；

(8)冷压变形：将步骤(7)所得固溶淬火后的环锻件进行6- 7％轴向冷压变形，得冷压后的环锻件；

(9)时效：将步骤(8)所得冷压后的环锻件进行时效处理，处理方法为：第一级时效：冷压后的环锻件室温装炉升温至90-110 ℃保温1-3h，空冷；第二级时效，环件到温装炉，在150-160 ℃保温4-8h，时效结束后空冷。

优选的本发明所述步骤(3)多轴锻造过程中每次镦拔的变形量为60％-65％，下压速度25-35mm/s。

优选的本发明所述步骤(5)所述马架扩孔的变形量为冲孔后的环坯到环锻件总变形量的40％-45％。

优选的本发明所述步骤(6)中辗环工艺分两个温度段进行辗制：第一温度段，变形温度400-440℃，芯辊进给速度0.2- 0.5mm/s，变形量20％；第二温度段，变形温度200-240℃，芯辊进给速度0.1-0.3mm/s，变形量10％-15％。

优选的本发明所述步骤(8)冷压变形工艺中每两次冷压位置的搭接率≥50％。

优选的本发明所述步骤(3)、(5)、(6)变形时在铝合金环坯和模具表面均匀涂覆具有高吸收率且有润滑作用的纳米润滑剂；

优选的本发明所述铝合金锻件为2A14铝合金锻件。

本发明的有益效果：

1、本发明通过优化的多轴锻造开坯技术、分温度段辗环技术、马架扩孔技术、冷变形和双级时效技术有效的调控晶内和晶界析出相，提高铝合金环锻件的综合力学性能和抗腐蚀能力。

2、本发明通过对H112态(热加工态)圆棒料进行多轴锻造开坯，尽量提高马架扩孔时环坯的径向变形量，减小辗环时环坯的径向变形量，且辗环时采用分温度段进行辗制，从而使环锻件的各向均产生较大的塑性变形，改善变形的均匀性，降低合金组织性能的各向异性，也有效促进了晶内和晶界残余相的充分破碎和溶解，晶粒细化和近等轴化；通过固溶处理，使环锻件变形组织发生再结晶，改善锻件组织纤维的方向性，并促使第二相更多地溶入固溶体中；最后通过冷压变形和双级时效制度调控晶内和晶界析出相尺寸和分布，使合金各方向的综合力学性能均达标，并较为接近，也有利于提高合金的抗腐蚀能力。

附图说明

图1：为本发明的分温度段辗环工艺示意图。

图2：为本发明的热处理工艺示意图。

图3：为本发明热处理后的铝合金环锻件在切、径、轴三个方向的微观组织图，其中(a)为切向；(b)为轴向；(c)为径向。

图4：为本发明热处理后的铝合金环锻件的腐蚀性能图，其中 (a)为电化学腐蚀性能；(b)为应力腐蚀性能。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例1：一种高强耐热2A14铝合金锻件制造工艺如下：

(1)备料：将H112态(热加工态)Φ300的铝合金挤压棒料按照工艺要求重量锯切790±5mm，锻造前用记号笔在坯料端面标记，以区分锻造时的三个方向,得原材料；

(2)加热：将步骤(1)所得原材料在室温装炉，按功率(≤150 ℃/h)升温至400±5℃，然后再以50℃/h升温速度升温至 460±5℃后保温6h进行锻前加热，并保证炉温的均匀性，得加热原材料；

(3)多轴锻造：将步骤(2)所得加热原材料进行锻造，保持始锻温度为420～460℃，终锻温度≥400℃，在3600T液压机上进行三镦两拔多轴锻造开坯，所述锻造过程为：先轴向(Z向)镦粗至290±3mm，然后X向拔长至790±3mm、X向镦粗至290± 3mm，Y向拔长至790±3mm、Y向镦粗至290±3mm，接着倒棱、滚圆、Z向镦粗至290±3mm，最后用预热至350±5 ℃的Φ180冲头冲孔，并平整上下端面至290±3mm，在多轴锻造过程中上砧板的下压速度均为30mm/s，得冲孔后坯料；

(4)机加工、加热：将步骤(3)所得冲孔后的坯料空冷至室温，用卧式车床等清理环坯内外表面及上下端面的氧化皮、分层、折叠和裂纹等缺陷后，环坯室温装炉，加热至440±5℃后保温2.5h，得环坯；

(5)马架扩孔、加热：利用预热至400±5℃的Ф180mm芯棒对步骤(4)所得环坯进行扩孔至壁厚98±2mm，其中马架扩孔的变形量为冲孔后环坯到环锻件成型总变形量的42％左右，将扩孔后的环坯重新回炉加热至440±5℃后保温2.5h，得扩孔加热环坯；进行马架扩孔时，尽量提高马架扩孔时环件的径向变形量，减小辗环时的径向变形量，从而降低合金组织性能的各向异性；

(6)辗环：利用5米径轴向数控辗环机以0.1mm/s-0.5mm/s的芯辊进给速度在200-440℃温度段内将步骤(5)所得扩孔加热环坯进行分温度段辗制成形，第一温度段，环坯出炉后快速转移至辗环机上，在400-440℃温度范围内进行变形量为20％左右的辗制成形，此阶段的芯辊进给速度为0.2-0.5mm/s；第二温度段，待环坯表面降温至220±5℃时进行变形量为11％左右的辗制成形，辗制结束后的热态尺寸为Ф920±5mm/Ф775±5mm×270±5mm，得辗制的环件；

(7)机加工、固溶淬火：将步骤(6)辗制的环件转移至地面平放，待完全冷却后机加工上下端面至265±1mm，将机加工后的环件室温装炉，加热至400±3℃保温30min后，以50℃/h的升温速度继续升温至500±3℃固溶保温3h，固溶后10s内转移至淬火水温为45±2℃水槽中，淬火入水时间为15 min，在淬火过程中，水循环***最大功率开启，并且在环锻件全部浸没的前提下不断上下、左右摆动环锻件保证淬火冷却效果，得固溶淬火后的环锻件；

(8)冷压变形：将步骤(7)所得固溶淬火后的环锻件进行6.2- 6％轴向冷压变形，其中每两次砧板下压位置的搭接率≥50％，得冷压后的环锻件；

(9)时效：将步骤(8)所得冷压后的环锻件进行时效处理，处理方法为：第一级时效：冷压后的环锻件室温装炉升温至100℃保温 2h，空冷；第二级时效，环件到温装炉，在157℃保温5h，时效结束后空冷；

成型过程中需要预热所有使用到的模具(包括上、下砧板，冲头、扩孔芯棒，轧辊等)，并在铝合金环坯和模具表面均匀涂覆具有高吸收率且有润滑作用的纳米润滑剂。

如图3所示，是热处理后铝合金环锻件的切向、轴向、径向三个方向的微观组织图，可以观察到铝合金环锻件各个方向的显微组织均达标，晶粒大小均匀，且较为接近。与此同时，对热处理后铝合金环锻件三个方向进行力学性能测试，其结果如下表1所示：

表1热处理后环锻件力学性能

从以上实验数据可以看出，经上述制造工艺所得铝合金环锻件的室温抗拉强度达到420MPa以上，硬度达到125HB，延伸率在 5％以上，三个方向的各项性能均能满足航空航天领域的要求。

如图4所示，是热处理后的铝合金环锻件的腐蚀性能图。图 4中的1和2分别为改进制造工艺前和本发明制造工艺的腐蚀性能，由图4(a)和4(b)可知，经上述本发明制造工艺所得铝合金环锻件的抗腐蚀能力得到很大提高。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (4)

1.一种高强耐蚀铝合金锻件制造工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：

(1)备料：将H112态铝合金圆棒料锯切至工艺尺寸要求,得原材料；

(2)加热：将步骤(1)所得原材料在室温装炉，按功率升温至400±5℃，再以50℃/h升温速度升温至460±5℃后保温6h，得均热原材料；

(3)多轴锻造：将步骤(2)所得均热原材料进行锻造，保持始锻温度为420-460℃，终锻温度≥400℃，在3600T液压机上进行三镦两拔多轴锻造开坯，所述锻造过程为：先Z向镦粗1次，然后X向镦拔1次，Y向镦拔1次，接着倒棱、滚圆、镦粗、平端面，最后冲孔，得冲孔后坯料，所述多轴锻造过程中每次镦拔的变形量为60％-65％，下压速度25-35mm/s；

(4)机加工、加热：将步骤(3)所得冲孔后的坯料空冷至室温，用卧式车床清理环坯内外表面缺陷后，环坯室温装炉，加热至440±5℃后保温2-4h，得环坯；

(5)马架扩孔、加热：利用预热至400±5℃的芯棒将步骤(4)所得环坯扩孔至工艺尺寸，将扩孔后的环坯重新回炉加热至440±5℃后保温2-4h，得扩孔加热环坯，所述马架扩孔的变形量为冲孔后的环坯到环锻件总变形量的40％-45％；

(6)辗环：利用5米径轴向数控辗环机以0.1mm/s～0.5mm/s的芯辊进给速度在200～440℃温度段内将步骤(5)所得扩孔加热环坯均匀连续辗制至工艺尺寸，得辗制的环件；所述辗环工艺分两个温度段进行辗制：第一温度段，变形温度400-440℃，芯辊进给速度0.2-0.5mm/s，变形量20％；第二温度段，变形温度200-240℃，芯辊进给速度0.1-0.3mm/s，变形量10％-15％；

(7)机加工、固溶淬火：将步骤(6)辗制的环件转移至地面平放，待完全冷却后机加工上下端面，将机加工后的环件室温装炉，加热至400±3℃后保温30min后，以50℃/h升温速度继续升温至500±3℃固溶保温3h，淬火转移时间≤10s，淬火水温为40-50℃，淬火时间15-20min，得固溶淬火后的环锻件；

(8)冷压变形：将步骤(7)所得固溶淬火后的环锻件进行6-7％轴向冷压变形，得冷压后的环锻件；

(9)时效：将步骤(8)所得冷压后的环锻件进行时效处理，处理方法为：第一级时效：冷压后的环锻件室温装炉升温至90-110℃保温1-3h，空冷；第二级时效，环件到温装炉，在150-160℃保温4-8h，时效结束后空冷。

2.根据权利要求1所述的高强耐蚀铝合金锻件制造工艺，其特征在于，所述步骤(8)冷压变形工艺中每两次冷压位置的搭接率≥50％。

3.根据权利要求1所述的高强耐蚀铝合金锻件制造工艺，其特征在于，所述步骤(3)、(5)、(6)变形时在铝合金环坯和模具表面均匀涂纳米润滑剂。

4.根据权利要求1-3任一项所述的高强耐蚀铝合金锻件制造工艺，其特征在于，所述铝合金锻件为2A14铝合金锻件。

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