CN114250377B - 高强度铝合金的时效强度预判方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度铝合金的时效强度预判方法，涉及铝合金加工的技术领域，本发明旨在解决现有铝合金加工时无法预判其时效后强度而导致同批次不合格产品较多的问题，本发明包括以下步骤：S1：在铝液加入铝中间合金并制得铝合金坯料；S2：根据滑动拉丝机的相邻鼓轮速比配模以满足其相对前滑系数大于1，将铝合金坯料拉制为铝合金单线；S3：根据铝合金单线的强度值和滑动拉丝机的模数得到铝合金单线的有效强度，将有效强度、铝合金坯料的强度值代入至预判公式：时效后的强度增值=铝合金坯料的强度值与有效强度值之差；S4：将步骤S3中预判结果与铝合金单线的强度值之和不小于终端产品要求强度的铝合金单线放入至时效炉中进行时效。

Description

高强度铝合金的时效强度预判方法
技术领域
本发明涉及铝合金加工的技术领域，具体是一种高强度铝合金的时效强度预判方法。
背景技术
生产Φ9.5mm铝合金杆坯料高强度铝合金过程中，如图1所示，会加入微量的铁和稀土合金，还会添加铝中间合金(即合金元素Mg和Si)，而铝中间合金中镁和硅决定了所制得坯料的机械性能和电气性能，坯料的性能对应终端产品的性能，而镁硅的配比差异性、静止时间、烧损、进轧温度等因素使得铝合金坯料存在严重的内在质量隐患，虽然铝合金坯料时效前会进行性能检测，但检测合格的坯料时效后仍会出现三种情况：
1、强度不增反降，由于镁与硅配比不正确，导致部分硅处于游离态，形成的Mg2Si分子不足；
2、增幅强度未满足终端产品要求，镁铝配比正确，但铝液静置时间过长，镁的烧损偏大或者铸坯的进轧温度偏低，镁铝的固溶不充分；
3、强度不增不减。
上述情况均为其内在隐患导致的，通过时效前检测性能是无法检测出来坯料中镁铝的准确配比，同时时效前的检测无法确定时效后的坯料强度是往哪个方向发展，实际工序生产中，一次时效完毕后，仍有部分检测合格的坯料成为不合格产品，由此如何在坯料时效前预判坯料时效后的性能，避免浪费时效炉内空间是亟需解决的问题。
综上所述，存在现有的铝合金工艺中无法确定产品经过时效后的性能变化趋势，更无法判定通过时效后是否能满足终端产品的技术要求，即无法预先判断其时效后强度的问题。
发明内容
为解决上述问题，即现有铝合金加工时无法预先判断其时效后强度而导致同批次不合格产品较多的问题，本发明提出了一种高强度铝合金的时效强度预判方法，其包括以下步骤：
S1：在铝液加入铝中间合金并制得铝合金坯料；
S2：根据滑动拉丝机的相邻鼓轮速比配模以满足其相对前滑系数大于1，将所述铝合金坯料通过滑动拉丝机拉制为铝合金单线；
S3：根据所述铝合金单线的强度值和所述滑动拉丝机的模数得到所述铝合金单线的有效强度，将所述有效强度、所述铝合金坯料的强度值代入至预判公式：时效后的强度增值＝所述铝合金坯料的强度值与所述有效强度值之差；
S4：将步骤S3中预判结果与所述铝合金单线的强度值之和不小于终端产品要求强度的所述铝合金单线放入至时效炉中进行时效。
通过采用上述技术方案，铝合金单线投入时效炉之前进行检测以及预判，同时淘汰检测不合格的铝合金单线和预判结果与坯料检测强度之和小于终端产品要求的铝合金单线，将同一批次剩余的铝合金单线进行时效，提高同一批次的产品合格率。
本发明的进一步设置为：所述滑动拉丝机的相对前滑系数范围取1.005-1.012。
通过采用上述技术方案，保证滑动拉丝机运行的稳定性，避免铝合金坯料在滑动拉丝机上出现断线，使得铝合金坯料在滑动拉丝机上滑动，实现了滑动拉丝机的自主调节张力，保证铝合金长时间不断线。
本发明的进一步设置为：步骤S2中，通过所述滑动拉丝机测得所述铝合金坯料强度值、所述铝合金单线的强度值及其强度极限，所述有效强度为所述铝合金单线的强度值依次与所述滑动拉丝机模数以及配模个数系数相除所得结果。
通过采用上述技术方案，确认预判公式中各项的具体含义，通过预判公式确定时效增量，提前判断出时效后产品的指标是否满足要求，提高工作效率。
本发明的进一步设置为：所述配模个数系数为0.187。
本发明的进一步设置为：所述铝合金坯料为高强度铝合金，所述铝合金坯料的直径为9.5mm。
本发明的进一步设置为：所述铝合金坯料的牌号为6201，所述滑动拉丝机的相对滑动系数取1.005。
通过采用上述技术方案，牌号为6201的铝合金多为军用，其性能更优。
本发明的有益技术效果为：
1、本申请的方法是在铝合金单线进行时效前进行，通过对铝合金单线进行预判，确认其时效后的强度是增或减或不增不减，通过测定结果确定加入至时效炉内的铝合金单线，由于时效炉内空间有限，进行预判操作，便能够减少不合格产品所占用的空间，增大每一批次加工后的成品率；
2、由于现场加工时，铝中间合金的配比不近相同，不同配比产生不同的效果，本申请的方法能够适用于不同的配比，通过预判公式计算得出强度增量，强度增量与铝合金单线的检测强度之和则为其时效后的强度，上述预判结果满足产品性能要求则最终产品的检测结果合格；
3、铝合金强度的提升重点取决于铝中间合金的配方、温度的控制和选择，再其次是配模技术中模具的个数，即便操作师傅手法熟练，但其仍无法准确预知铝合金时效后的强度，且现有技术中并未了解到存在能够预判铝合金时效后的方法，本申请通过预判公式结合实际实验数据得出，铝合金单线时效后强度均满足终端产品强度要求和产品性能要求。
附图说明
图1示出了本发明的高强度铝合金的时效强度预判方法的传统工艺流程图。
图2示出了本发明的高强度铝合金的时效强度预判方法的滑动拉丝机原理图。
图3示出了本发明的高强度铝合金的时效强度预判方法的铝合金坯料应力情况示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，由于本申请中的铝合金材料的工艺中存在多种状态，下述的铝合金坯料或者坯料指代的是铝合金材料拉制前的状态，铝合金单线或者单线指代的是铝合金材料拉制后的状态。
本发明提出了一种高强度铝合金的时效强度预判方法，包括以下步骤：
S1：在铝液加入铝中间合金并制得铝合金坯料；
S2：根据滑动拉丝机的相邻鼓轮速比配模以满足其相对前滑系数大于1，将铝合金坯料通过滑动拉丝机拉制为铝合金单线；
S3：根据铝合金单线的强度值和滑动拉丝机的模数得到铝合金单线的有效强度，将有效强度、铝合金坯料的强度值代入至预判公式：时效后的强度增值＝铝合金坯料的强度值与有效强度值之差；
S4：将步骤S3中预判结果与铝合金单线的强度值之和不小于终端产品要求强度的铝合金单线放入至时效炉中进行时效。
针对于高强度铝导线，滑动拉丝机的相对前滑系数范围为1.005-1.012，铝合金坯料的直径为9.5mm。
若铝合金坯料采用牌号为6201的铝合金，则滑动拉丝机的相对前滑系数采用1.005。
上述步骤S2中，需要预先测得铝合金坯料的强度值、铝合金单线的强度值及其强度极限，预判公式中的有效强度为铝合金单线的强度值依次与滑动拉丝机模数以及配模个数系数相除所得结果，上述配模个数为采用0.817。
相对前滑系数分析
如图2所示，使用铝合金用拉线模具(多为滑动式拉丝机)，其分为变形区和定径区，铝合金的强度为电工铝强度的2倍，模具变形区处的正压力较大，由此模具变形区的形变角度小于电工铝用模具的形变角度，其定径区的长度小于电工铝用模具的定径区。
两种模具对比如下：
Figure GDA0003697288460000061
滑动拉丝机依靠鼓轮上的线材与鼓轮之间的滑动摩擦力来牵引线材运动，由此增加了功能损耗，并且鼓轮表面摩擦形成沟槽，沟槽进一步导致鼓轮上的轴向移动困难，甚至导致线材与线材之间的压迭。
以图2中的K道和k-1道为例进行分析：
K道次没有滑动，若k-1道也未滑动，dk由于摩擦而增大，若此时dk-1没有增大，那么dk-1道次模孔线材的秒体积没有变化，而dk道次的线材秒体积增加，则张力Qk急剧增加，ρk同样急剧增加而断线。
在K道次没有滑动，而K-1道次上只要具有滑动使得Qk稍有增加，那么K-1道次的谷轮上线材便会紧一些，使得其滑动量减少，βk-1增加，自然满足K道次的需要。单只如果dk-1道次增加，dk道次没有变化，Qk-1便会减小，此时增加K-1道次上的滑动量，便能够避免鼓轮起槽。
由此为了保证滑动拉丝机上各鼓轮的正常滑动，相邻鼓轮速比γ＝γn-1/γn中仅需要使得μn/γn>1即可，μ/γ成为相对前滑系数，使用τn来表示，即τn＝μn/γn。
对于τn有以下三种情况：
1、当τn＝1时，n-1道次未滑动，很快发生断线；
2、当τn<1时，开车便断线；
3、当τn>1时，n-1道次上存在滑动，能够自动调节张力而保持上时间不断线。
由此通过申请人的实验测得并确认上述的相对前滑系数的取值范围为1.005-1.012时滑动效果最佳。
拉制分析
拉伸力、拉伸应力与拉伸变形：
拉伸力：加于被拉伸金属前端的正作用力，常用P表示。拉伸力的大小取决于金属的塑性变形所需能量大小；
拉伸应力：作用于被拉伸金属前端单位面积上的力，常用σp表示；
拉伸变形：金属受外力作用时，形状发生改变。
本申请中铝合金坯料受拉情况下应力与变形的关系如图3所示，其中s点为屈服点，z点为拉断应力点，也呈强度极限。
金属在受力变形的过程中，开始时，受力在一定的范围内，如不断加大外力，并在到达E点前除去外力，金属仍能恢复原状，或拉伸不大于原长的0.005％时，此时所产生的应力称为弹性极限；
如继续加大外力，在到达g点之间的一段，应力与变形成比例关系，外力加到此时，所产生的应力称为比例极限；
再加大外力，到达S点时，应力不增加，但金属却发生显著的变形，除去外力后，不能恢复到原有的长度，即存在一定的塑性变形，外力加到超过屈服点以上才能得到一定的塑性变形，即得到金属的永久变形；
外力加到Z点时，金属被拉断，Z点的应力为最大。
对于各点的应力极限，我们一般都用σ来表示，σE表示弹性极限，σξ表示屈服极限，σb表示强度极限。若想要使金属产生所要求的形变，需使拉伸应力不小于变形区内金属的变形抗力，即σp≥σF，其中σp＝P/Sk，
变形抗力则为铝合金坯料的强度与其拉伸后强度(即铝合金单线的强度)之和的平均值，即σF＝(σbo+σbk)/2。此为拉制过程中实现金属变形的必要条件，但需满足拉伸应力小于模孔出口段金属的屈服极限，屈服极限小于强度极限，即σp<σe<σb。
预判公式分析
结合上述分析，本申请的出发点为铝合金坯料经过拉制配模，控制拉制而成终端产品，根据线径的抗拉强度与拉制线径所用的模数计算出该坯料拉制成终端产品线径的有效强度。
预判公式为：铝合金坯料时效后的强度增值＝铝合金坯料的强度极限与有效强度值之差。
需要说明的是，铝合金坯料的强度极限即为铝合金坯料的强度检测值。
上述预判公式共存在三种结果：
1、有效强度大于强度极限时，预判结果小于0，时效后的强度值为负增量，产品存在严重质量问题。
2、有效强度等于强度极限时，预判结果等于0，时效后的强度值不变。
3、有效强度小于强度极限时，预判结果大于0，拉制正常且时效后的强度值增加，且时效后的强度增量为预判结果数值。
实际坯料的强度检测值与有效强度值的差值即为下一道产品时效后产品强度的增值，通过增值的大小可以确定是否能满足终端产品的性能要求，从而决定该产品是否能进行时效。
实验数据分析
实施例1
φ9.50mm的铝合金坯料拉制成φ4.22mm的铝合金单线，铝合金坯料为6201铝合金，滑动拉丝机的相对前滑系数为1.005，铝合金坯料的强度检测值为195Mpa，经7个拉制模后的铝合金单线强度为290Mpa，终端产品要求至少为315Mpa，由此必须进行时效。时效前通过预判公式计算的时效后强度增量为：290/7/0.187＝221(有效强度)，195-221＝-26。由此铝合金单线时效后的强度不增反降，降值为26Mpa。经1-2盘实验验证结果与预判结果相近，误差在1Mpa范围内，故该批次的铝合金坯料不能进行批量拉制，且时效后产品均不合格。
实施例2
φ9.50mm的铝合金坯料拉制成φ3.78mm的铝合金单线，滑动拉丝机的相对前滑系数为1.012，铝合金坯料的强度检测为200Mpa，经8个拉制模后铝合金单线强度为300Mpa，终端产品要求至少为315Mpa，由此时效前进行预判，有效强度200Mpa，预判结果为：0，由此时效后的强度不增不减，不满足产品要求，故不能进行批量拉制。
实施例3
φ9.50mm的铝合金坯料拉制呈φ3.60mm的铝合金单线，滑动拉丝机的相对前滑系数为1.008，铝合金坯料的强度检测为198Mpa，经9个拉制模后铝合金单线强度为290Mpa，终端产品要求至少315Mpa，由此是小钱进行预判，有效强度为172Mpa，预判结果为26Mpa，时效后的强度为290+26＝316Mpa，满足产品要求，由此该批次铝合金坯料能够进行批量拉制，且时效后的强度满足要求。
综上所述，本申请的方法是在铝合金单线进行时效前进行，通过对铝合金单线进行预判，确认其时效后的强度是增或减或不增不减，通过测定结果确定加入至时效炉内的铝合金单线，由于时效炉内空间有限，进行预判操作，便能够减少不合格产品所占用的空间，增大每一批次加工后的成品率；
由于现场加工时，铝中间合金的配比不近相同，不同配比产生不同的效果，本申请的方法能够适用于不同的配比，通过预判公式计算得出强度增量，强度增量与铝合金单线的检测强度之和则为其时效后的强度，上述预判结果满足产品性能要求则最终产品的检测结果合格；
铝合金强度的提升重点取决于铝中间合金的配方、温度的控制和选择，再其次是配模技术中模具的个数，即便操作师傅手法熟练，但其仍无法准确预知铝合金时效后的强度，但现有技术中并未了解到存在能够预判铝合金时效后的方法，本申请通过预判公式结合实验数据结果得出，铝合金单线时效后强度均满足终端产品强度要求和终端产品性能要求。
解决了虽然铝合金坯料拉制后进行检测时强度合格，但时效后的性能不达标的问题。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高强度铝合金的时效强度预判方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在铝液加入铝中间合金并制得铝合金坯料；
S2：根据滑动拉丝机的相邻鼓轮速比配模以满足其相对前滑系数大于1，将所述铝合金坯料通过滑动拉丝机拉制为铝合金单线；
S3：根据所述铝合金单线的强度值和所述滑动拉丝机的模数得到所述铝合金单线的有效强度，将所述有效强度、所述铝合金坯料的强度值代入至预判公式：时效后的强度增值＝所述铝合金坯料的强度值与所述有效强度值之差；
S4：将步骤S3中预判结果与所述铝合金单线的强度值之和不小于终端产品要求强度的所述铝合金单线放入至时效炉中进行时效；
所述滑动拉丝机的相对前滑系数范围取1.005-1.012，所述有效强度为所述铝合金单线的强度值依次与所述滑动拉丝机模数以及配模个数系数相除所得结果，所述配模个数系数为0.187。
2.根据权利要求1所述的高强度铝合金的时效强度预判方法，其特征在于：步骤S2中，通过所述滑动拉丝机测得所述铝合金坯料强度值、所述铝合金单线的强度值及其强度极限。
3.根据权利要求1所述的高强度铝合金的时效强度预判方法，其特征在于：所述铝合金坯料为高强度铝合金，所述铝合金坯料的直径为9.5mm。
4.根据权利要求3所述的高强度铝合金的时效强度预判方法，其特征在于：所述铝合金坯料的牌号为6201，所述滑动拉丝机的相对滑动系数取1.005。
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