CN110629137A - 一种提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法，本发明适用于铝合金材料，采用常规的挤压变形工艺挤压铝合金坯料，坯料截面积小于挤压筒截面积，在变形过程中，铝合金坯料先进行镦粗变形(亦即锻造)，随后进行热挤压变形，实现连续锻造挤压，得到累积两次的应变量，提高了坯料累积变形程度，增加了再结晶形核率，有效细化了晶粒，晶粒可以细化到数个微米或亚微米级，从而提高材料最终的综合力学性能。本发明工艺简单、可操作性强、适用范围广、适用于大规模工业生产，具有良好的应用前景和经济效益。

Description

一种提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法
技术领域
本发明涉及变形铝合金的加工方法，尤其涉及一种提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法，属于轻合金加工技术领域。
背景技术
铝合金由于其密度低、比强度高，能够广泛应用于交通运输、航空航天及国防军工领域。但是，大多数铝合金的绝对强度仍然较低，同时存在拉压屈服不对称的问题，这些缺点对于铝合金的进一步工业化应用产生了很大的阻碍，因而改善铝合金的力学性能是实际应用中亟待解决的问题。
金属材料的固溶强化、第二相强化、加工硬化等强化方式可以显著提高绝对强度，但一般来说又进一步损害塑性。晶粒细化被广泛认为是一种能够同时提高材料强度和塑性，即提高综合力学性能的方法，尤其是当晶粒尺寸达到数个微米时，材料的强度和塑性均会有极大的提升，同时拉压不对称性也能够得到显著改善。目前国内外细化金属材料晶粒的方法以剧烈变形法为主，主要包括等通道挤压、多向锻造、累积叠轧以及高压扭转等。这些方法均能够将铝合金材料的晶粒尺寸细化至超细晶尺度，但是这些方法所制备的材料尺寸相对较小，且加工道次多，设备要求较高，制备细晶铝合金材料的成本非常高，不益于工业化生产大批量、大尺寸的结构件。因此研究开发出一种低成本、工艺简单、设备要求低和综合性能高的的变形铝合金的制备方法有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法，解决现有制备方法存在工艺复杂、成本高、设备要求高、不适于大尺寸的结构件和综合性能不佳的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法，使用常规的挤压变形工艺挤压铝合金坯料，变形过程中，所述铝合金坯料先进行锻造发生镦粗变形，后进行挤压变形，实现两次应变，显著细化了变形铝合金的晶粒；所述挤压筒内腔横截面积与铝合金坯料的横截面积之比为5~1.2:1。
这样，在操作过程中若挤压筒内腔横截面积与铝合金坯料的横截面积之比过大，会致使坯料在挤压时失稳变形被破坏，进而不能成功制备变型材；若挤压筒内腔横截面积与铝合金坯料的横截面积之比过小，会致使坯料在一次变形受到的应变量较小，而起不到相应的效果。
具体包括以下步骤：
1）机加工：根据挤压筒的大小，将铝合金铸锭（坯料）加工至指定尺寸；所述铝合金铸锭加工至指定尺寸应满足：挤压筒内腔横截面积与铝合金坯料的横截面积之比为5~1.2:1；
2）连续热锻造挤压：将步骤1）得到的铝合金铸锭在150℃~550℃预热1~6h，放入挤压筒中，然后在150℃~550℃下进行热锻造，利用挤压机对挤压筒内的铝合金铸锭锻造至挤压筒大小，随即连续的在150℃~550℃下进行热挤压，挤压后的型材风冷至室温，即可有效细化铝合金的晶粒，获得综合性能提高的变形铝合金。
进一步，所述铝合金铸锭加工后横截面为圆形。
进一步，所述热挤压过程中挤压筒内腔横截面积与获得的挤压型材横截面积之比为2:1~100:1。
进一步，所述热锻造和热挤压过程中挤压速度为0.1~20.0 m/min。
由于挤压锭坯比挤压筒直径小，上述加工方法实现了在挤压筒中的锻造加工以及连续的挤压加工过程，该方法可得到晶粒细化至数个微米或亚微米级的变形铝合金组织。
本发明的机理：铝合金坯料在挤压筒内受到垫块、模具和挤压筒的限制，由于坯料的横截面积小于挤压筒内腔的横截面积，所以在挤压初期坯料在沿挤压筒径向方向上不会受到挤压筒的挤压或受到的较小的挤压力，而主要在沿挤压筒轴向方向上受到来自垫块的挤压压力而被镦粗，坯料尺寸发生变化，充满挤压筒，完成第一次类似锻造的变形；随后被镦粗的坯料再通过挤压模具受到沿挤压筒径向方向和轴向方向上的共同作用力，完成第二次挤压变形，从而实现连续锻造挤压。在变形过程中，第一次变形会形成较多的孪生和剪切带，并且在变形过程中能够发生一定程度上的再结晶，完成第一次变形后，相当于已经进行了一次动态再结晶，同时还为后续的挤压过程中的动态再结晶提供大量的形核点，促使后续再结晶行为的进一步发生；第二次挤压变形时，经过锻造的坯料中已经具备大量的再结晶形核点，能够在挤压变形时发生较为完全的再结晶行为，同时锻造后的组织已经具备的部分细小再结晶晶粒，这些细小的晶粒在挤压过程中能够协调变形，降低挤压变形抗力，从而使得挤压能够能顺利的进行。故相对于常规挤压变形，连续锻造挤压制备的合金材料具有高度均匀的微观组织和优良的综合力学性能。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明制备的变形铝合金，在变形过程中对一定温度的挤压坯料先进行一次锻造镦粗变形，随后进行挤压变形，从而实现连续锻造挤压，得到累积两次的应变量，提高了铝合金坯料累积变形程度，有效细化晶粒，晶粒尺寸可以细化到数个微米或亚微米级，从而提高最终铝合金的综合力学性能。
2、本发明的制备方法是基于现有的挤压设备，不改变现有加工方式，也无需改变或重新设计挤压设备，只需改变铝合金坯料横截面大小，控制挤压筒内腔与铝合金坯料的横截面的比值，即可达到连续锻造挤压变形，实现大应变变形的目的，使变形铝合金晶粒得到细化乃至超细化，从而提高铝合金的综合性能以及组织均匀性，大大降低了制备细晶铝合金的成本，适用于大尺寸铝合金构件的加工。缩小挤压锭坯的直径对挤压的起始压力要求较低，因此对设备要求低，本发明工艺简单、可操作性强、适用范围广、适用于大规模工业生产，具有良好的应用前景和经济效益。
3、在现有的普通挤压工艺中，低温变形时容易发生不完全再结晶行为，而高温变形时晶粒又十分容易长大，产生组织不均匀的问题。而本方法通过连续锻造挤压的两次变形，在低温变形时能够形成较多的孪晶和剪切带，提供再结晶形核点，促进再结晶的发生，提高再结晶程度；在高温变形时，通过两级变形发生更高程度的再结晶，消耗了更多的能量，即减小了晶粒长大的驱动力，使得后续晶粒不易长大，故高低温均有良好的细化晶粒的效果，且易于形成组织均匀的超细晶铝合金变型材。因此本方法在高温或低温变形时均具有良好的细化晶粒组织的效果。
实施例
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例所用的铝合金铸锭为商用铸造6063铝合金，成分质量百分含量为Mg:0.5 %，Si:0.2 %，余量为铝和不可避免的杂质。
将6063铝合金加工至直径为φ50 mm的圆柱体铸锭，并将铝合金铸锭在450℃预热1.5h，将预热后的铸锭放入内腔直径为φ80mm的挤压筒中，其中，挤压筒内腔横截面积与铝合金铸锭的横截面积比为2.5:1，然后在450℃下进行热锻造，利用挤压机对挤压筒内的铝合金铸锭锻造至挤压筒大小，随即连续在480℃下连续进行热挤压，挤压比10:1，挤压速度为1 m/min，挤压结束后的型材风冷至室温，即得到综合性能提高的变形铝合金。
运用拉伸和压缩试验及金相显微镜对制得的变形铝合金进行力学性能测试和微观结构观测，结果显示，该合金平均晶粒尺寸细化至0.6 μm，抗拉强度为341MPa，屈服强度为306 MPa，延伸率为9%。
实施例2
本实施例所用的铝合金铸锭为商用铸造6063铝合金，成分质量百分含量为Mg:0.6 %，Si:0.3 %，余量为铝和不可避免的杂质。
将6063铝合金加工至直径为φ60 mm圆柱体铸锭，并将铝合金铸锭在480℃预热1.5h，将预热后的铸锭放入内腔直径为φ80mm的挤压筒中，使挤压筒内腔横截面积与铝合金铸锭的横截面积比为1.8:1，然后在480℃下进行热锻造，利用挤压机对挤压筒内的铝合金铸锭锻造至挤压筒大小，随即连续在490℃下连续进行热挤压，挤压比20:1，挤压速度为2m/min，挤压结束后的型材风冷至室温，即得到综合性能提高的变形铝合金。
运用拉伸和压缩试验及金相显微镜对制得的变形铝合金进行力学性能测试和微观结构观测，结果显示，该合金平均晶粒尺寸细化至0.9 μm，抗拉强度为326 MPa，屈服强度为276 MPa，延伸率为9.4%。
实施例3
本实施例所用的铝合金铸锭为商用铸造6063铝合金，成分质量百分含量为Mg:0.7 %，Si:0.4 %，余量为铝和不可避免的杂质。
将6063铝合金加工至直径为φ70 mm圆柱体铸锭，并将铝合金铸锭在450℃预热1.5h，将预热后的铸锭放入内腔直径为φ80mm的挤压筒中，其中，挤压筒内腔横截面积与铝合金铸锭的横截面积比为1.3:1，然后在450℃下进行热锻造，利用挤压机对挤压筒内的铝合金铸锭锻造至挤压筒大小，随即连续在480℃下连续进行热挤压，挤压比22:1，挤压速度为5 m/min，挤压结束后的型材风冷至室温，即得到综合性能提高的变形铝合金。
运用拉伸和压缩试验及金相显微镜对制得的变形铝合金进行力学性能测试和微观结构观测，结果显示，该合金平均晶粒尺寸细化至2 .2 μm，抗拉强度为308 MPa，屈服强度为255 MPa，延伸率为9.5 %。
实施例4
本实施例所用的铝合金铸锭为商用铸造6063铝合金，成分质量百分含量为Mg:0.8%，Si:0.5 %，余量为铝和不可避免的杂质。
将6063铝合金加工至直径为φ60 mm圆柱体铸锭，并将铝合金铸锭在450℃预热2h，将预热后的铸锭放入内腔直径为φ80mm的挤压筒中，其中，挤压筒内腔横截面积与铝合金铸锭的横截面积比为1.8：1，然后在450℃下进行热锻造，利用挤压机对挤压筒内的铝合金铸锭锻造至挤压筒大小，随即连续在500℃下连续进行热挤压，挤压比25:1，挤压速度为5m/min，挤压结束后的型材风冷至室温，即得到综合性能提高的变形铝合金。
运用拉伸和压缩试验及金相显微镜对制得的变形铝合金进行力学性能测试和微观结构观测，结果显示，该合金平均晶粒尺寸细化至1.2 μm，抗拉强度为344 MPa，屈服强度为312 MPa，延伸率为8%。实施例5
本实施例所用的铝合金铸锭为商用铸造6063铝合金，成分质量百分含量为Mg:0.8%，Si:0.5 %，余量为铝和不可避免的杂质。
将6063铝合金加工至直径为φ40 mm圆柱体铸锭，并将铝合金铸锭在300℃预热2h，将预热后的铸锭放入内腔直径为φ80mm的挤压筒中，其中，挤压筒内腔横截面积与铝合金铸锭的横截面积比为4:1，然后在400℃下进行热锻造，利用挤压机对挤压筒内的铝合金铸锭锻造至挤压筒大小，随即连续在500℃下连续进行热挤压，挤压比25:1，挤压速度为5m/min，挤压结束后的型材风冷至室温，即得到综合性能提高的变形铝合金。
运用拉伸和压缩试验及金相显微镜对制得的变形铝合金进行力学性能测试和微观结构观测，结果显示，该合金平均晶粒尺寸细化至1.3 μm，抗拉强度为344 MPa，屈服强度为280 MPa，延伸率为10%。
实施例6
本实施例所用的铝合金铸锭为商用铸造6005A铝合金，成分质量百分含量为Mg:0.4%，Si:0.8%，余量为铝和不可避免的杂质。
将6005A铝合金加工至直径为φ60 mm圆柱体铸锭，并将铝合金铸锭在400℃预热2.5h，将预热后的铸锭放入内腔直径为φ80mm的挤压筒中，使挤压筒内腔横截面积与铝合金铸锭的横截面积比为1.8:1，然后在400℃下进行热锻造，利用挤压机对挤压筒内的铝合金铸锭锻造至挤压筒大小，随即连续在500℃下连续进行热挤压，挤压比28:1，挤压速度为0.5 m/min，挤压结束后的型材风冷至室温，即得到综合性能提高的变形铝合金。
运用拉伸和压缩试验及金相显微镜对制得的变形铝合金进行力学性能测试和微观结构观测，结果显示，该合金平均晶粒尺寸细化至1.5 μm，抗拉强度为330 MPa，屈服强度为266 MPa，延伸率为12%。
对比例 1
本对比例所用的铝合金铸锭为商用铸造6063铝合金，成分质量百分含量为Mg:0.5 %，Si:0.2 %，余量为铝和不可避免的杂质。
将6063铝合金加工至直径为φ75mm圆柱体铸锭，并将铝合金铸在480℃预热2.5h，将预热后的铸锭锭放入内腔直径为φ80mm的挤压筒中，其中，挤压筒内腔横截面积与铝合金铸锭的横截面积比为1.1:1，然后在480℃下进行热挤压，挤压比20:1，挤压速度为2 m/min，挤压结束后的型材风冷至室温，即得到变形铝合金。
运用拉伸和压缩试验及金相显微镜对制得的变形铝合金进行力学性能测试和微观结构观测，结果显示，该合金平均晶粒尺寸为14.8 μm，该铝合金的抗拉强度为242 MPa，屈服强度为219MPa，延伸率为11.7%。
综上，挤压筒内腔横截面积与铝合金铸锭的横截面积之比只有在一定范围内(1.2~5:1)可以有效细化合金的晶粒，其晶粒尺寸可以细化到微米或亚微米级，进而提高最终合金的综合性能。并且铝合金铸锭的横截面积还可以是不规则的任何形状，只要其各横截面积与挤压筒内腔横截面积比在上述范围内即可，在此没有详细列举。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法，其特征在于，使用常规的挤压变形工艺挤压铝合金坯料，变形过程中，所述铝合金坯料先进行锻造发生镦粗变形，随即进行热挤压变形，实现两次应变，显著细化变形铝合金的晶粒；所述挤压筒内腔横截面积与铝合金坯料的横截面积之比为5~1.2:1。
2.根据权利要求1所述提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1）机加工：根据挤压筒的大小，将铝合金坯料加工至指定尺寸；
2）连续热锻造挤压：将步骤（1）得到的坯料在150℃~550℃预热1~6h，放入挤压筒中，然后在150℃~550℃下进行热锻造，利用挤压机对挤压筒内的铝合金坯料锻造至挤压筒大小，随即连续的在150℃~550℃下进行热挤压，挤压后的型材风冷至室温，即可有效细化铝合金的晶粒，获得综合性能提高的变形铝合金。
3.根据权利要求1所述提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法，其特征在于，所述挤压筒内腔横截面积与铝合金坯料的横截面积之比为2.5~1.4:1。
4.根据权利要求2所述提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法，其特征在于，所述热锻造和热挤压过程中挤压速度为0.1~20.0 m/min。
5.根据权利要求2所述提高变形铝合金综合性能的连续锻造挤压加工新方法，其特征在于，所述热挤压过程中挤压筒内腔横截面积与获得的挤压型材横截面积之比为2:1~100:1。
6.一种如权利要求1~5任一项所述加工方法得到的变形铝合金，其特征在于，所述变形铝合金的晶粒能够细化至数个微米或亚微米级。
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