CN117181971A - 一种大规格超高强铝合金挤压材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大规格超高强铝合金挤压材及其制备方法,该制备方法包括以下步骤:将铝合金锭坯进行表面处理后依次采取变温锻造处理、挤压处理、固溶处理和时效处理,即得。本发明通过高温和中温锻造处理制成挤压坯,结合后续的高温挤压工艺,然后进行固溶和人工时效处理,可制备得到大规格铝合金挤压材。本发明具有制备工艺周期短,成本低,适用性广,得到的大规格铝合金挤压材消除了固有的性能不足,具有强度高韧性好,具有更低的残余应力,机械加工性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及一种大规格超高强铝合金挤压材及其制备方法,属于铝合金热变形及热处理领域。
背景技术
采用大规格铝合金材料通过机加工的方式,制备航空、航天、兵器等领域用整体部件,可以满足武器装备高减重、高可靠性的要求。与自由锻件以及模锻件相比,大规格铝合金挤压材的工序简单,批次稳定性好,同时,挤压材可通过预拉伸的方式消除基体中的残余应力,残余应力的分布均匀性远好于锻件,在机械加工变形程度相对较低,产品成品率较高;然而大规格挤压材存在心部区域变形量不足,各向异性较为强烈等不足,制约了大规格挤压材的直接使用,现阶段大规格挤压材大多作为自由锻件、模锻件的坯料使用。
目前,不断有研究者提出通过提高合金淬火敏感性、优化制备加工工艺参数等方式降低型材性能不均匀性的方法,如中国专利CN111286650A公开了一种喷射成形7055超高强铝合金挤压板材均匀化退火加固溶时效新型热处理工艺,通过喷射成形技术来制备组织成分均匀的大规格铝合金圆锭,通过均匀化退火加固溶时效的热处理工艺,大幅度改善喷射成形超高强铝合金挤压板材的各向异性,该方法可一定程度改善铝合金挤压板材的各向异性,但喷射的沉积态坯件有一定的疏松,同时喷射成形容易造成损耗,且最终成品的塑性依然不高。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明的第一个目的是提供一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,该方法通过变温锻造处理协同挤压处理,可改善大规格铝合金挤压材内外组织性能差异大,各向异性显著等缺点,使其综合性能获得较大提升,具有工艺流程简单、生产成本低,适合应用于工业化生产等优势。
本发明的第二个目的是在于提供一种大规格超高强铝合金挤压材,该铝合金挤压材具有各向异性低、心部区域变形量大、强度高韧性好、残余应力低、机械加工性能优良等优点。
为了实现上述技术目的,本发明提供了一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,将铝合金锭坯进行表面处理后依次采取变温锻造处理、挤压处理、固溶处理和时效处理,即得。
本发明的关键是在于通过变温锻造处理,结合后续的挤压工艺才能得到具有大规格、超高强及各向异性低的铝合金挤压材。在本发明中变温锻造处理是先通过先进行高温锻造再进行中温锻造的工艺,一方面通过高温锻造可以使铸锭的原始晶粒组织充分碎化,增加心部变形量;另一方面,中温锻造能向铝合金锭坯中引入足够的变形储能。同时,本发明的挤压处理所采用的温度较高,旨在通过高温挤压,使锻造坯料在挤压前高温加热以及挤压过程中发生静态与动态再结晶,消除由于“挤压效应”带来的各向异性;结合上述工艺的优点,大幅度提高挤压材的性能均匀性、改善各向异性特别是横向的塑性,获得具有优良综合性能的产品。
作为一个优选的方案,所述变温锻造处理具体为:将铝合金锭坯进行表面处理后,加热至350~500℃进行两镦两拔处理,再将锻坯冷却至温度为210~300℃或重新进行空气炉进行加热,温度为210~300℃,保温时间为4~12h,然后进行滚圆处理。本发明中表面处理为均匀化+表面扒皮处理,将均匀化处理后的合金锭坯进行加热,在较高温度下进行两镦两拔的锻造处理,随后,将锻造完坯料冷却在中温条件下,进行一定变形量滚圆;滚圆后的锻坯进行高温加热、挤压,将挤压材进行固溶、预拉伸、人工时效处理至所需状态。通过高温和中温锻造的方式可以充分破碎原始铸态晶粒组织,增加心部变形量,同时引入变形储能;在随后的高温加热及挤压过程中发生动态以及静态再结晶,从而消除大规格挤压材心部组织的不均匀性并降低各项异性差异,提高合金的综合性能。同时经过滚圆处理,可以为后续的挤压处理提供便利。进一步优选,将铝合金锭坯进行表面处理后,加热至350~440℃进行两镦两拔处理,再将锻坯冷却至温度为210~280℃或重新进行空气炉进行加热,温度为210~280℃,保温4~12h,然后进行滚圆处理。作为一个优选的方案,所述两镦两拔处理的方式依次为镦粗、换向拔长、镦粗、换向十字拔长。
作为一个优选的方案,所述滚圆的变形量控制为10~30%。本发明技术方案中滚圆的变形量对于铝合金的组织和性能以及各项异性有着直接影响。通过控制变形量主要是引入部分的变形储能,使得材料在后续的热加工过程中发生部分再结晶。若变形量太小,储能不够,不足以引起后续的再结晶,变形量太大则会使得材料的材料的各向异性变大,影响材料的组织和性能。进一步优选,滚圆的变形量为10~25%。
作为一个优选的方案,所述挤压处理的加热温度为400~450℃,待坯料充分热透后,放入挤压机中进行挤压,挤压筒加热温度410~430℃。本发明中的挤压处理采用较高的挤压温度旨在通过高温挤压,可使锻造坯料在挤压过程中发生静态与动态再结晶,消除由于“挤压效应”带来的各向异性,进而改善铝合金挤压材的各向异性。若挤压处理的加热温度过低,变形抗力大,容易引起闷车,变形难以进行。适度高的挤压处理加热问题有利于减小挤压材的各项异性,但挤压处理的加热温度过高,挤压材的表面质量变差,易产生挤压裂纹,甚至导致材料发生过烧,材料报废。进一步优选,挤压处理的加热温度为400~440℃。
作为一个优选的方案,所述挤压比为7~16:1。进一步优选,挤压比为7~10:1。
作为一个优选的方案,所述固溶处理具体为:将挤压处理后的铝合金挤压材加热到温度为440~500℃,保温时间为:当挤压材的最大截面厚度或直径T不超过20mm时,保温时间为30~60min,当最大截面厚度或直径T超过20mm后,保温时间为T×3min;然后进行水淬火,淬火的水温为室温,淬火的转移时间不超过25s,随后进行预拉伸,变形量为1.0~3.0%。
作为一个优选的方案,所述时效处理为单级时效或双级时效处理。本发明可以根据实际需要自主选择单级时效或双级时效处理。
作为一个优选的方案,所述时效处理为单级时效时,时效温度为110~150℃;所述时效处理为双级时效时,双级时效的一级时效温度为110~135℃,双级时效的二级时效温度为140~165℃。本发明中时效处理的时间与铝合金的成分和材料的大小有关,可以根据实际需要进行调整。
本发明还提供了一种大规格超高强铝合金挤压材,由以下重量百分比的元素组成:Zn:7.5~12%,Mg:1.2~3.0%,Cu:0.8~2.4%,微量元素:0.01~0.8%,杂质元素:Si≤0.15%,Fe≤0.15%,单杂≤0.05%,总杂≤0.15%,余量为Al;所述微量元素为Zr、Ti、Mn、Cr、Sc、Ag和Er中至少一种。本发明通过控制铝合金挤压材的元素组成和百分比,可有效制备得到具有强度高韧性好,具有更低的残余应力,机械加工性能优良的铝合金挤压材。
与现有技术相比,本发明的技术方案带来的有益技术效果:
1、本发明通过控制锻造工艺参数,结合后续的高温挤压工艺,并合理控制铝合金元素组成和百分比,可使大规格铝合金挤压材消除了固有的性能不足,获得了与自由锻件、模锻件相类似的综合性能,同时,具有比上述二者更低的残余应力,机加工性能优良。
2、本发明通过在挤压前增加锻造处理,结合挤压工艺的优化制备的大规格挤压材,可直接用于零部件制备,相对于自由锻件、模锻件具有批次稳定性好,成本低廉,制备周期短等优点,扩大了挤压材的使用范围,使其工程应用变为可行。
3、本发明的铝合金材料在保证强度的同时,LT方向的伸长率大幅提升。
具体实施方式
以下实施例仅就本发明的优选实施方案进行具体描述,并非对本发明的实施范围进行限定,对于技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的前提下,所作出的改进应当视为本发明的保护范围内。
实施例1
本实施例中铝合金的挤压材的成分及重量百分比为:Zn 8.0%,Mg 1.8%,Cu1.0%,Ag 0.2%,Zr 0.12%,Ti 0.02%,Si 0.06%,Fe 0.08%,单杂≤0.05%,总杂≤0.15%,余量为Al。
本实施例铝合金挤压材的制备方法如下:
S1、锻造处理:将直径600mm的铝合金圆锭坯进行表面扒皮处理后,在420℃下进行加热,然后进行锻造,经过镦粗、换向拔长、镦粗、换向十字拔长处理后,得到直径为580mm的圆棒,然后将圆棒冷却至室温,然后在空气加热炉中对圆棒重新加热至温度为280℃,保温时间为8h,再进行滚圆成550mm,滚圆的变形量为11.2%;
S2、挤压处理:将滚圆后棒料加热到温度为440℃,保温1h,挤压筒加热温度为420℃,挤压成直径为200mm的棒料,挤压比为7.5:1;
S3、固溶处理:再将挤压棒加热到温度为468℃,保温2h,再加热到475℃,保温3h,再进行室温水淬火,淬火后将棒料进行预拉伸处理,拉伸变形量在2.0%;
S4、时效处理:预拉伸完毕后进行双级时效处理,一级时效温度为120℃,时效时间为6h,二级时效温度为157℃,时效时间为12h。
实施例2
本实施例中铝合金的挤压材的成分及重量百分比为:Zn 7.93%,Mg 1.75%,Cu1.82%,Zr 0.12%,Ti 0.04%,Si 0.02%,Fe 0.03%,Mn 0.01%,Cr 0.01%,余量为Al,单杂≤0.05%,总杂≤0.15%。
本实施例铝合金挤压材的制备方法如下:
S1、锻造处理:将直径650mm的铝合金圆锭坯进行表面扒皮处理后,在410℃下进行加热,然后进行锻造,经过镦粗、换向拔长、镦粗、换向十字拔长处理后,得到直径为605mm的圆棒,然后将圆棒冷却至温度为265℃,再进行滚圆成550mm,滚圆的变形量为21%;
S2、挤压处理:将滚圆后棒料加热到温度为420℃,保温1h,挤压筒加热温度为420℃,挤压成直径为200mm的棒料,挤压比为7.5:1;
S3、固溶处理:再将挤压棒加热到温度为465℃,保温2h,然后加热到475℃,保温4h,进行室温水淬火,淬火后将棒料进行预拉伸处理,拉伸变形量在2.0%;
S4、时效处理:预拉伸完毕后进行双级时效处理,一级时效温度为120℃,时效时间为8h,二级时效温度为157℃,时效时间为14h。
实施例3
本实施例中铝合金的挤压材的成分及重量百分比同实施例1。
本实施例铝合金挤压材的制备方法如下:
S1、锻造处理:将直径600mm的铝合金圆锭坯进行表面扒皮处理后,在450℃下进行加热,然后进行锻造,经过镦粗、换向拔长、镦粗、换向十字拔长处理后,得到直径为580mm的圆棒,然后将圆棒冷却至温度为290℃,再进行滚圆,滚圆的变形量为15%;
S2、挤压处理:将滚圆后棒料加热到温度为400℃,保温1h,挤压筒加热温度为430℃,挤压成直径为200mm的棒料,挤压比为8:1;
S3、固溶处理:再将挤压棒加热到温度为468℃,保温2h,然后加热到475℃,保温3h,进行室温水淬火,淬火后将棒料进行预拉伸处理,拉伸变形量在2.0%;
S4、时效处理:预拉伸完毕后进行单级时效处理,时效温度为150℃,时效时间为16h。
实施例4
本实施例中铝合金的挤压材的成分及重量百分比同实施例1。
本实施例铝合金挤压材的制备方法如下:
S1、锻造处理:将直径600mm的铝合金圆锭坯进行表面扒皮处理后,在380℃下进行加热,然后进行锻造,经过镦粗、换向拔长、镦粗、换向十字拔长处理后,得到直径为580mm的圆棒,然后将圆棒冷却至温度为220℃,再进行滚圆,滚圆的变形量为18%;
S2、挤压处理:将滚圆后棒料加热到温度为440℃,保温1h,挤压筒加热温度为420℃,挤压成直径为200mm的棒料,挤压比为8:1;
S3、固溶处理:再将挤压棒加热到温度为468℃,保温2h,然后加热到475℃,保温3h,进行室温水淬火,淬火后将棒料进行预拉伸处理,拉伸变形量在2.0%;
S4、时效处理:预拉伸完毕后进行双级时效处理,一级时效温度为120℃,时效时间为6h,二级时效温度为157℃,时效时间为12h。
对比例1
本对比例与实施例1的区别仅在于不进行锻造处理,其余条件一致。
结果表明,虽然挤压材的屈服强度和抗拉强度要大于实施例1,但是由于其未进行锻造处理,不能使铸锭的原始组织充分碎化,心部变形量不足,导致各向异性差异明显,伸长率和断裂韧度也低于实施例1。
对比例2
本对比例与实施例1的区别仅在于锻造处理过程中仅在420℃下进行加热,然后进行锻造,得到直径为550mm的圆棒,不进行中温锻造,其余条件一致。
结果表明,虽然挤压材的屈服强度和抗拉强度接近实施例1,但是由于其未进行中温锻造处理,未引入足够的变形储能,导致各向异性差异明显,且伸长率和断裂韧度也低于实施例1。
对比例3
本对比例与实施例2的区别仅在于不进行锻造处理,其余条件一致。结果表明,由于其未进行锻造处理,不能使铸锭的原始组织充分碎化,心部变形量不足,导致挤压材的各向异性差异明显,伸长率和断裂韧度也低于实施例2。
对比例4
本对比例与实施例1的区别仅在于锻造处理过程中仅加热至280℃,其余条件一致。工艺过程中因为温度低、变形抗力大、材料的塑性差,导致材料开裂,无法进行后续工艺。。
对比例5
本对比例与实施例1的区别仅在于挤压处理的加热温度为300℃,其余条件一致。工艺过程中由于变形抗力大,引起闷车,变形难以进行,无法进行后续工艺。
对比例6
本对比例与实施例1的区别仅在于挤压处理的加热温度为500℃,其余条件一致。工艺过程中,由于加热温度过高,挤压材表面产生多处裂纹,材料报废。
将以上实施例以及对比例所制备的铝合金挤压材进行性能测试,测试方法参照标准:GB/T 228.1,测量挤压棒表层、D/4、D/2位置处纵向以及横向的拉伸性能,结果汇总于表1,断裂韧度结果汇总于表2。
表1实施例1~4以及对比例1~3所制备的铝合金挤压材拉伸性能测试结果
表2实施例1~4以及对比例1~3所制备的铝合金挤压材断裂韧度性能测试结果
Claims (10)
1.一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,其特征在于:将铝合金锭坯进行表面处理后依次采取变温锻造处理、挤压处理、固溶处理和时效处理,即得。
2.根据权利要求1所述的一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,其特征在于:所述变温锻造处理具体为:将铝合金锭坯进行表面处理后,加热至350~500℃进行两镦两拔处理,再将锻坯冷却至温度为210~300℃或重新进行空气炉进行加热,温度为210~300℃,保温时间为4~12h,然后进行滚圆处理。
3.根据权利要求2所述的一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,其特征在于:所述两镦两拔处理的方式依次为镦粗、换向拔长、镦粗、换向十字拔长。
4.根据权利要求2或3所述的一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,其特征在于:所述滚圆的变形量控制为10~30%。
5.根据权利要求1所述的一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,其特征在于:所述挤压处理的加热温度为400~450℃,所述挤压比为7~16:1。
6.根据权利要求1所述的一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,其特征在于:所述固溶处理具体为:将挤压处理后的铝合金挤压材进行固溶处理,固溶温度为440~500℃,保温时间为:当挤压材的最大截面厚度或直径T不超过20mm时,保温时间为30~60min,当最大截面厚度或直径T超过20mm后,保温时间为T×3min;然后进行水淬火,淬火的水温为室温,淬火的转移时间不超过25s,随后进行预拉伸,变形量为1.0~3.0%。
7.根据权利要求1所述的一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,其特征在于:所述时效处理为单级时效或双级时效处理。
8.根据权利要求1或7所述的一种大规格超高强铝合金挤压材制备方法,其特征在于:
所述时效处理为单级时效时,时效温度为110~150℃;
所述时效处理为双级时效时,双级时效的一级时效温度为110~135℃,双级时效的二级时效温度为140~165℃。
9.一种大规格超高强铝合金挤压材,其特征在于:由权利要求1~8任一项所述的制备方法制得。
10.根据权利要求9所述的一种大规格超高强铝合金挤压材,其特征在于:由以下重量百分比的元素组成:Zn:7.5~12%,Mg:1.2~3.0%,Cu:0.8~2.4%,微量元素:0.01~0.8%,杂质元素:Si≤0.15%,Fe≤0.15%,单杂≤0.05%,总杂≤0.15%,余量为Al;
所述微量元素为Zr、Ti、Mn、Cr、Sc、Ag和Er中至少一种。
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