CN102689161B - 7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括如下步骤：1）熔炼；2）液态模锻：将模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，合金溶液浇注到模锻模具内，浇注温度680-700℃，加压速度35-40mm/s，充型时间1-6s，比压160-200MPa，并在该压力下保压35-45s，得到近终截面环坯；3）均匀化：近终截面环坯冷却至440-470℃时，保温6-24h；4）余热等温轧制：均匀化后的近终截面环坯温度降低至440-460℃时，在径轴复合轧环机上进行等温轧制；5）热处理：环坯在460-477℃保温1-2h，冷水淬火，随后在100-110℃保温6-8h后升温至170-180℃保温6-8h；6）精整。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有复杂截面的大直径金属环件的短流程加工成形方法，具体的涉及一种7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法。
背景技术
随着我国航天事业的飞速发展，大推力运载火箭急需直径5米以上级的大型复杂截面铝合金环件。所谓复杂截面环件，是指环件轴向方向截面积尺寸差异较大、环件截面方向形状和尺寸变化较大、以及内表面和外表面形状均较为复杂的金属环件，它是大推力运载火箭项目能否成功的重要环节，是运载火箭的关键连接件。特殊的使用环境对环件的尺寸精度和综合力学性能提出了近乎苛刻的要求：一方面要求零件具有高精度的外形尺寸，避免后续机加成形，浪费大量人力物力的同时严重降低环件使用性能；另一方面要求零件具有优异的组织状态以达到综合力学性能的要求。
目前，复杂截面环件的制备通常采用热轧制（也称作热辗扩）与机械切削加工联合完成。该工艺基于成形锭坯轧制出矩形截面的环坯，再通过机械切削将矩形截面加工成所需要的复杂截面。主要加工工艺流程为：冶炼→开坯→下料→镦粗→冲孔→热轧制→热处理→机械加工。该工艺存在以下几个方面的问题：
1）流程冗长，工序繁多，生产效率低；
2）辗扩环坯需冲孔制备，且最终截面形状需通过切削多余敷料保证，材料利用率低；
3）机械加工过程切断金属流线，导致环件综合力学性能下降；
4）制备过程需反复加热，导致晶粒粗大，表面氧化严重，能源损耗大。
公开号为CN 101817134A的中国专利公开了一种金属环件短流程铸辗复合成形的方法，该金属环件短流程铸辗复合成形的方法虽然在一定程度上满足生产流程短，节省能源、材料和人力的有益效果，但是该方法采用离心铸造环坯，无法满足复杂截面环件的加工要求，且生产得到的金属环件的综合力学性能还达不到如运载火箭的使用要求。
鉴于此，本发明旨在探索一种7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，该7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法不仅能够简化铝合金环件的制坯工艺流程、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善铝合金环件的微观组织状态，提高综合力学性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，该7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法不仅能够简化铝合金环件的制坯工艺流程、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善铝合金环件的微观组织状态，提高综合力学性能。
要实现上述技术目的，本发明的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，包括如下步骤：
1）熔炼：将7075铝合金在熔化炉中按成分配比熔炼；
2）液态模锻：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将第1）步骤中得到的铝合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为680-700 ℃，加压速度为35-40 mm/s，充型时间1-6s，比压为160-200MPa，并在该压力下保压35-45 s，得到近终截面环坯；
3）均匀化：近终截面铝合金环坯冷却至440-470 ℃时，保温6-24 h；
4）余热等温轧制：当近终截面环坯降温至440-460 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制；
5）热处理：经余热等温轧制得到的环坯在460-477 ℃保温1-2 h，冷水淬火，随后在100-110 ℃保温6-8h后升温至170-180℃保温6-8h；
6）精整。
进一步，所述第2）步骤中，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至100-150 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度10-20微米，继续预热液态模锻模具至230-250 ℃；
进一步，所述第4）步骤中，余热等温轧制包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V轴向与径向进给速度V径向满足V轴向=0.5-0.6V径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差30-50 mm 时，轴向轧辊抬起；
进一步，轧制模具与坯料温差为±10℃；
进一步，所述第4）步骤中，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值；
进一步，所述第1）步骤中，熔炼铝合金的原材料选用纯铝锭、纯锌块、镁块、铜块及中间合金；
进一步，纯铝锭、纯锌块和镁块在使用前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽；
进一步，将熔化炉升温，待温度上升到300-320℃时，先将纯铝锭加入熔化炉；当炉内温度升高到760-780℃，待铝锭基本熔化后，加入中间合金，并撒上覆盖剂；当温度下降到740~750 ℃时，将预热到200-300 ℃的镁块及纯锌块压入熔化炉的熔池中心，并加入用量为铝液重量的1-2%的精炼剂及用量为铝液重量的1-2%的晶粒细化剂，用钟罩将精炼剂和晶粒细化剂压入距熔化炉坩埚底部100 mm深度，并用充分预热的搅拌棒搅拌，对合金进行精炼细化10-40分钟；在730-735℃时用高纯氮气或氩气对铝合金液进行除气，通气5-10分钟；静置10-30分钟后加入用量为铝液重量的0.1-0.3%的除渣剂，采用多孔陶瓷板对铝合金液过滤除渣，并将合金熔体转入电阻静置炉，保持铝合金熔体温度在730℃，进行二次除气以减少含气量和含渣量对组织的影响，最后在720-730℃的温度下静置20-30分钟；
进一步，所述中间合金为AlCu50和AlCr2，所述覆盖剂为NaCl和KCl的组合物，所述NaCl和KCl的重量比为1:1；
进一步，所述液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热等温轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸；
进一步，所述余热等温轧制的辗扩比≥1.4，控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。
本发明的有益效果为：
本发明的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼铝合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：
1）短流程，有效提高生产效率；
2）无冲孔工序，铝合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；
3）液锻环坯组织状态显著优于普通铸造环坯，辅以后续的热轧制成形可充分保证环坯材料的锻态改性，获得细密且均匀化的组织。
4）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；
5）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。
因此，本发明的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法有效简化制坯工艺，缩短工艺流程，降低成本，提高生产率和经济效益，具有巨大的发展潜力和广阔的推广应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法进行详细说明。
第一实施例
本实施例的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法包括如下步骤：
1）熔炼：将铝合金熔炼完成后，在725℃的温度下静置25分钟；具体的，本实施例熔炼铝合金的原材料选用纯铝锭、纯锌块、镁块、铜块及中间合金；纯铝锭、纯锌块和镁块在使用前均用砂纸打磨，除去表面的氧化皮和污物，然后在清水中清洗，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。
熔炼过程中，当熔化炉温度上升到310℃时，先将纯铝锭加入熔化炉；当炉内温度升高到770℃，待铝锭基本熔化后，加入中间合金，并撒上覆盖剂；当温度下降到745℃时，将预热到200℃的镁块及纯锌块压入熔化炉的熔池中心，并加入用量为铝液重量的1.5%的精炼剂及用量为铝液重量的1.7%的晶粒细化剂，用钟罩将精炼剂和晶粒细化剂压入距熔化炉坩埚底部100 mm深度，并用充分预热的搅拌棒搅拌，对合金进行精炼细化30分钟；在730℃时用高纯氮气或氩气对铝合金液进行除气，通气6分钟；静置25分钟后加入用量为铝液重量的0.3%的除渣剂，采用多孔陶瓷板对铝合金液过滤除渣，并将合金熔体转入电阻静置炉，保持铝合金熔体温度在730℃，进行二次除气以减少含气量和含渣量对组织的影响，最后在725 ℃的温度下静置25分钟。本实施例的中间合金采用AlCu50和AlCr2的组合物。本实施例的覆盖剂为NaCl和KCl的组合物，所述NaCl和KCl的重量比为1:1。
2）液态模锻：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将第1）步骤中得到的铝合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为685 ℃，加压速度为38mm/s，充型时间4s，比压为160 MPa，并在该压力下保压42 s，得到近终截面环坯，比压是指液态金属在压力下冷却承受的单位压力，本文所述的定量即为液态模锻轧制异截面大型环件所需的铝合金溶液的量。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至150℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度18微米，继续预热液态模锻模具至250℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。
采用液态模锻制成近终截面环坯，使铝合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。
3）均匀化：近终截面7075铝合金环坯冷却至462 ℃时，保温6 h；
4）余热等温轧制：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，当近终截面环坯降温至450℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具温度为450℃。所述余热等温轧制包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V轴向与径向进给速度V径向满足V轴向=0.6V径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当近终截面环坯的外径与成品环相差50 mm 时，轴向轧辊抬起；优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。
5）热处理：环坯在460 ℃保温2 h，冷水淬火，随后在110 ℃保温6h后升温至170℃保温8h；
6）精整。
进一步，本实施例的铝合金的化学成分（wt. %）：Si：0.06，Fe：0.16，Cu：1.50，Mn：0.05，Mg：2.57，Cr：0.21，Ti：0.02，Zn：5.85，其余为Al。
进一步，液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热等温轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，有效避免毛坯截面形状复杂导致轧制初期环坯与轧辊之间的点/线接触，导致打滑或咬合不良的问题。液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸，具体尺寸根据辗扩比确定。
进一步，余热等温轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=1.4，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为1°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。
本实施例的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼铝合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：
1）短流程，有效提高生产效率；
2）无冲孔工序，铝合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；
3）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；
4）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。
第二实施例
本实施例的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法包括如下步骤：
1）熔炼：将铝合金熔炼完成后，在730℃的温度下静置30分钟；具体的，本实施例熔炼铝合金的原材料选用纯铝锭、纯锌块、镁块、铜块及中间合金；纯铝锭、纯锌块和镁块在使用前均用砂纸打磨，除去表面的氧化皮和污物，然后在清水中清洗，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。
熔炼过程中，当熔化炉温度上升到320℃时，先将纯铝锭加入熔化炉；当炉内温度升高到760℃，待铝锭基本熔化后，加入中间合金，并撒上覆盖剂；当温度下降到740 ℃时，将预热到250℃的镁块及纯锌块压入熔化炉的熔池中心，并加入用量为铝液重量的1%的精炼剂及用量为铝液重量的2%的晶粒细化剂，用钟罩将精炼剂和晶粒细化剂压入距熔化炉坩埚底部100 mm深度，并用充分预热的搅拌棒搅拌，对合金进行精炼细化10分钟；在735℃时用高纯氮气或氩气对铝合金液进行除气，通气8分钟；静置20分钟后加入用量为铝液重量的0.2%的除渣剂，采用多孔陶瓷板对铝合金液过滤除渣，并将合金熔体转入电阻静置炉，保持铝合金熔体温度在730℃，进行二次除气以减少含气量和含渣量对组织的影响，最后在730 ℃的温度下静置30分钟。本实施例的中间合金采用AlCu50和AlCr2的组合物。本实施例的覆盖剂为NaCl和KCl的组合物，所述NaCl和KCl的重量比为1:1。
2）液态模锻：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将第1）步骤中得到的铝合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为680 ℃，加压速度为35 mm/s，充型时间3s，比压为180 MPa，并在该压力下保压35s，得到近终截面环坯。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至150 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度10微米，继续预热液态模锻模具至230 ℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。
采用液态模锻制成近终截面环坯，使铝合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。
3）均匀化：近终截面铝合金环坯冷却至440 ℃时，保温24 h；
4）余热等温轧制：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，当近终截面环坯降温至440℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具温度为430℃。所述余热等温轧制包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V轴向与径向进给速度V径向满足V轴向=0.55V径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当近终截面环坯的外径与成品环相差30 mm 时，轴向轧辊抬起；优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。
5）热处理：环坯在477 ℃保温1 h，冷水淬火，随后在100 ℃保温8h后升温至180℃保温6h；
6）精整。
进一步，本实施例所述的铝合金的化学成分（wt. %）：Si：0.08，Fe：0.18，Cu：1.50，Mn：0.05，Mg：2.58，Cr：0.25，Ti：0.05，Zn：5.65，其余为Al。
进一步，液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热等温轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，有效避免毛坯截面形状复杂导致轧制初期环坯与轧辊之间的点/线接触，导致打滑或咬合不良的问题。液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸。
进一步，余热等温轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=3，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为2°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。
本实施例的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼铝合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：
1）短流程，有效提高生产效率；
2）无冲孔工序，铝合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；
3）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；
4）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。
第三实施例
本实施例的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法包括如下步骤：
1）熔炼：将铝合金熔炼完成后，在720℃的温度下静置25分钟；具体的，本实施例熔炼铝合金的原材料选用纯铝锭、纯锌块、镁块、铜块及中间合金；纯铝锭、纯锌块和镁块在使用前均用砂纸打磨，除去表面的氧化皮和污物，然后在清水中清洗，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。
熔炼过程中，当熔化炉温度上升到300℃时，先将纯铝锭加入熔化炉；当炉内温度升高到780℃，待铝锭基本熔化后，加入中间合金，并撒上覆盖剂；当温度下降到750 ℃时，将预热到200℃的镁块及纯锌块压入熔化炉的熔池中心，并加入用量为铝液重量的2%的精炼剂及用量为铝液重量的1.5%的晶粒细化剂，用钟罩将精炼剂和晶粒细化剂压入距熔化炉坩埚底部100 mm深度，并用充分预热的搅拌棒搅拌，对合金进行精炼细化40分钟；在733℃时用高纯氮气或氩气对铝合金液进行除气，通气5分钟；静置10分钟后加入用量为铝液重量的0.1%的除渣剂，采用多孔陶瓷板对铝合金液过滤除渣，并将合金熔体转入电阻静置炉，保持铝合金熔体温度在730℃，进行二次除气以减少含气量和含渣量对组织的影响，最后在720℃的温度下静置25分钟。本实施例的中间合金采用AlCu50和AlCr2的组合物。本实施例的覆盖剂为NaCl和KCl的组合物，所述NaCl和KCl的重量比为1:1。
2）液态模锻：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将第1）步骤中得到的铝合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为700 ℃，加压速度为40 mm/s，充型时间1s，比压为170MPa，并在该压力下保压45 s，得到近终截面环坯；优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至100℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度20微米，继续预热液态模锻模具至250 ℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。
采用液态模锻制成近终截面环坯，使铝合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。
3）均匀化：近终截面铝合金环坯冷却至470 ℃时，保温10 h；
4）余热等温轧制：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，当近终截面环坯降温至460 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具温度为460℃。所述余热等温轧制包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V轴向与径向进给速度V径向满足V轴向=0.6V径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当近终截面环坯的外径与成品环相差40 mm 时，轴向轧辊抬起；优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。
5）热处理：环坯在465 ℃保温1.5 h，冷水淬火，随后在105 ℃保温7h后升温至175℃保温7h；
6）精整。
进一步，本实施例所述的铝合金的化学成分（wt. %）：Si：0.10，Fe：0.20，Cu：1.52，Mn：0.08，Mg：2.75，Cr：0.22，Ti：0.07，Zn：5.90，其余为Al。
进一步，液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热等温轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，有效避免毛坯截面形状复杂导致轧制初期环坯与轧辊之间的点/线接触，导致打滑或咬合不良的问题。液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸。
进一步，余热等温轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=2，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为3°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。
本实施例的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼铝合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：
1）短流程，有效提高生产效率；
2）无冲孔工序，铝合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；
3）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；
4）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。
第四实施例
本实施例的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法包括如下步骤：
1）熔炼：将铝合金熔炼完成后，在730℃的温度下静置20分钟；具体的，本实施例熔炼铝合金的原材料选用纯铝锭、纯锌块、镁块、铜块及中间合金；纯铝锭、纯锌块和镁块在使用前均用砂纸打磨，除去表面的氧化皮和污物，然后在清水中清洗，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。
熔炼过程中，当熔化炉温度上升到310℃时，先将纯铝锭加入熔化炉；当炉内温度升高到770℃，待铝锭基本熔化后，加入中间合金，并撒上覆盖剂；当温度下降到745℃时，将预热到300℃的镁块及纯锌块压入熔化炉的熔池中心，并加入用量为铝液重量的1.5%的精炼剂及用量为铝液重量的1%的晶粒细化剂，用钟罩将精炼剂和晶粒细化剂压入距熔化炉坩埚底部100 mm深度，并用充分预热的搅拌棒搅拌，对合金进行精炼细化20分钟；在730℃时用高纯氮气或氩气对铝合金液进行除气，通气10分钟；静置30分钟后加入用量为铝液重量的0.3%的除渣剂，采用多孔陶瓷板对铝合金液过滤除渣，并将合金熔体转入电阻静置炉，保持铝合金熔体温度在730℃，进行二次除气以减少含气量和含渣量对组织的影响，最后在730 ℃的温度下静置20分钟。本实施例的中间合金采用AlCu50和AlCr2的组合物。本实施例的覆盖剂为NaCl和KCl的组合物，所述NaCl和KCl的重量比为1:1。
2）液态模锻：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，将第1）步骤中得到的铝合金溶液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为690 ℃，加压速度为37mm/s，充型时间6s，比压为200MPa，并在该压力下保压38 s，得到近终截面环坯。优选的，将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至120 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度15微米，继续预热液态模锻模具至240 ℃，喷涂脱模剂能够方便液态模锻模具脱模。
采用液态模锻制成近终截面环坯，使铝合金在压力下结晶、成形并产生少量塑性变形，获得内部组织致密，晶粒细小，表面光洁的优质液态模锻件。液态模锻具有以下工艺特点：1）液态模锻可以消除铸件内部的气孔、缩孔和疏松等缺陷，产生局部的塑性变形，使铸件组织致密；2）液态金属在压力下成形和凝固，使铸件与型腔壁贴合紧密，因而液态模锻件有较高的表面光洁度和尺寸精度，其级别能达到压铸件的水平；3）液态模锻件在凝固过程中，各部位处于压应力状态，有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生；4）液态模锻工艺非常适合制备截面复杂的环坯，可有效降低成本，提高环件的材料利用率。液态模锻技术还具有工艺简单、铸件机械性能好、生产效率高、成本相对较低等优点。
3）均匀化：近终截面铝合金环坯冷却至455 ℃时，保温12 h；
4）余热等温轧制：采用均匀化后的余热降温到轧制温度直接实施热轧制过程，而不需要二次加热，当近终截面环坯降温至450 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制，轧制模具温度为460℃。所述余热等温轧制包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V轴向与径向进给速度V径向满足V轴向=0.5V径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当近终截面环坯的外径与成品环相差45 mm 时，轴向轧辊抬起；优选的，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。
5）热处理：环坯在470 ℃保温1 h，冷水淬火，随后在110 ℃保温6h后升温至170℃保温8h；
6）精整。
进一步，本实施例所述的铝合金的化学成分（wt. %）：Si：0.05，Fe：0.18，Cu：1.68，Mn：0.08，Mg：2.38，Cr：0.19，Ti：0.03，Zn：5.88，其余为Al。
进一步，液态模锻模具的型腔形状与环件的形状相似，在液态模锻模具的设计时，选取内/外截面上形状简单的一侧作为定位基准面，并根据余热等温轧制时轧辊与近终截面环坯接触的形状设置液态模锻模具的型腔，有效避免毛坯截面形状复杂导致轧制初期环坯与轧辊之间的点/线接触，导致打滑或咬合不良的问题。液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸。
进一步，余热等温轧制的辗扩比≥1.4，本实施例的辗扩比=1.5，以保证最终环件具有明显的周向纤维。控制轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，本实施例的近终截面环坯内孔偏心度为3°，保证最终环坯几何精度和重量精度，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。
本实施例的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法采用熔炼→液态模锻→均匀化→余热等温轧制→热处理→精整的工艺流程，该方法首先熔炼铝合金溶液，随后采用液态模锻工艺得到近终截面环坯，并利用环坯凝固的余热直接辗扩成形，与传统工艺相比，具有以下优点：
1）短流程，有效提高生产效率；
2）无冲孔工序，铝合金环件的复杂截面依靠液态模锻模具与轧辊孔型共同保证，显著提高材料利用率，实现近终成形；
3）精整工序有效保证环件截面尺寸和表面精度，避免机加工造成环件流线切断的问题，显著提高综合力学性能；
4）坯料无须反复加热，节能减排，实现绿色制造。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）熔炼：将7075铝合金在熔化炉中按成分配比熔炼；
2）液态模锻：将液态模锻模具固定于间接挤压铸造机上后，预热至100-150 ℃时，在液态模锻模具型腔内均匀喷上一层脱模剂，涂层厚度10-20微米，继续预热液态模锻模具至230-250 ℃，将第1）步骤中得到的铝合金熔液定量浇注到液态模锻模具内，浇注温度为680-700 ℃，加压速度为35-40 mm/s，充型时间1-6s，比压为160-200MPa，并在该压力下保压35-45 s，得到近终截面环坯；
3）均匀化：近终截面铝合金环坯冷却至440-470 ℃时，保温6-24 h；
4）余热等温轧制：当近终截面环坯降温至440-460 ℃时，采用径轴复合轧环机上进行等温轧制；
5）热处理：经余热等温轧制得到的环坯在460-477 ℃保温1-2 h，冷水淬火，随后在100-110 ℃保温6-8h后升温至170-180℃保温6-8h；
6）精整。
2.根据权利要求1所述的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述第4）步骤中，余热等温轧制包括快速辗扩阶段、稳定辗扩阶段、减速辗扩阶段和成圆整形阶段，所述快速辗扩阶段和稳定辗扩阶段时的轴向进给速度V轴向与径向进给速度V径向满足V轴向=（0.5-0.6）V径向，所述减速辗扩阶段和成圆整形阶段时，径轴复合轧环机的锥辊不进给，仅轧制由于径向轧制引起的宽展，当环坯的外径与成品环相差30-50 mm 时，轴向轧辊抬起。
3.根据权利要求2所述的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：轧制模具与坯料温差为±10℃。
4.根据权利要求1所述的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述第4）步骤中，径轴复合轧环机的径向进给量选择锻透所要求的最小进给量和咬入孔型所允许的最大进给量之间的较小值。
5.根据权利要求1所述的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述第1）步骤中，熔炼铝合金的原材料选用纯铝锭、纯锌块、镁块、铜块及中间合金，且纯铝锭、纯锌块和镁块在使用前均需除去表面的氧化皮和污物，清洗后放入电炉中烘烤，去除所含水汽。
6.根据权利要求5所述的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：将熔化炉升温，待温度上升到300-320℃时，先将纯铝锭加入熔化炉；当炉内温度升高到760-780℃，待铝锭基本熔化后，加入中间合金，并撒上覆盖剂；当温度下降到740-750 ℃时，将预热到200-300 ℃的镁块及纯锌块压入熔化炉的熔池中心，并加入用量为铝液重量的1-2%的精炼剂及用量为铝液重量的1-2%的晶粒细化剂，用钟罩将精炼剂和晶粒细化剂压入距熔化炉坩埚底部100 mm深度，并用充分预热的搅拌棒搅拌，对合金进行精炼细化10-40分钟；在730-735℃时用高纯氮气或氩气对铝合金液进行除气，通气5-10分钟；静置10-30分钟后加入用量为铝液重量的0.1-0.3%的除渣剂，采用多孔陶瓷板对铝合金液过滤除渣，并将合金熔体转入电阻静置炉，保持铝合金熔体温度在730℃，进行二次除气以减少含气量和含渣量对组织的影响，最后在720-730℃的温度下静置20-30分钟。
7.根据权利要求6所述的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述中间合金为AlCu50和AlCr2，所述覆盖剂为NaCl和KCl的组合物，所述NaCl和KCl的重量比为1:1。
8.根据权利要求1-7任一项所述的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：在设计液态模锻模具时，选取环件上的相应面作为定位基准面，并根据环件形状设置液态模锻模具型腔，且液态模锻模具型腔的闭合尺寸与环件最终截面尺寸相比：液态模锻模具的径向尺寸大于环件的径向尺寸，液态模锻模具的轴向尺寸小于环件的径向尺寸。
9.根据权利要求1所述的7075铝合金异截面大型环件的液态模锻轧制复合成形方法，其特征在于：所述余热等温轧制的辗扩比≥1.4，轧制后的近终截面环坯的内孔偏心度≤3°，液态模锻得到的近终截面环坯的芯孔直径≥330mm。
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