CN104046863A - 大宽厚比超高强韧铝合金板材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种大宽厚比超高强韧铝合金板材的制备方法，步骤：采用喷射沉积工艺制备沉积圆锭，对沉积圆锭进行机械加工，接着加热至370℃～420℃，保温2h～6h；配装非对称挤压模具；对模具和盛定筒整体预热，加热350℃～400℃，保温12h～18h；热挤压成形板材，挤压杆运行速度0.1mm/s～2.5mm/s，挤压完成后进行压余剪切；空冷至室温进行板坯下料。采用非对称挤压模具进行挤压，通过改变原始坯料挤压流动状态，增大合金变形流动流程，有效改善挤压变形均匀性，进一步细化微观组织，实现了挤压板材微观组织尺寸均匀性控制；采用本发明挤压成形的板材热处理后的抗拉强度750～800Mpa，屈服强度710～760MPa，延伸率8～14％，力学性能无各向异性，实现了高强韧铝合金中厚板材无缩尾挤压成形，提高了材料利用率。
Description
技术领域
本发明属于金属板材制备技术领域，涉及一种铝合金板材的制备方法，具体是一种大宽厚比超高强韧铝合金板材的制备方法。
背景技术
7000系列超高强铝合金板材广泛应用于航空航天、兵器、汽车、核工业的领域。目前，中厚板都是用铸锭热轧法生产的，轧制一般在热轧生产线上由热粗轧机完成，也可在热轧生产线上设置专门的兼用的中轧机，也可在热轧生产线外另建一条独立的热轧生产线，对于薄的中板还需要进行冷轧，以获得所需要的性能与表面质量。
轧制工艺制备的7000系列超高强铝合金板材的抗拉强度、屈服强度以及延伸率等力学性能各向异性明显。轧制过程中原始合金锭承受二向压应力作用下产生塑性流动取向致使板材内部变形不均匀，变形为微观变形组织晶粒尺寸大小和板材内部形变畸变能分布不均。在后续热处理过程中，畸变能分布不均匀进一步加剧了微观变形组织晶粒尺寸大小分布不均匀，宏观上表现为力学性能的各向异性。而挤压工艺制备板材过程中，原始合金在三向压应力的作用下，与轧制工艺相比，金属合金变形更加均匀，表现为微观变形组织晶粒尺寸大小分布均匀。但是采用常规挤压工艺成形板材时，一方面，随着挤压板材的宽厚比增大，在摩擦力的作用下，原始合金锭心部金属流动较快，金属流动不均匀，致使挤压成形的板材中心部分微观组织较边缘部分的微观组织粗大。另一方面，由于常规挤压工艺无法消除挤压缩尾，致使成形板材内部出现分层，影响板材力学性能的同时降低了材料利用率。
因此，如何消除金属流动不均匀和挤压分层对挤压板材内部组织和力学性能的影响是制约挤压工艺制备高性能板材的技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大宽厚比超高强韧铝合金板材的制备方法，采用喷射沉积和非对称挤压的工艺进行制备，可有效改善挤压变形均匀性，消除挤压缩尾，提高材料的利用率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大宽厚比超高强韧铝合金板材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)选取铝合金板材的材料成分质量百分比为：Zn11.0％～13.4％，Mg2.0％～2.4％，Cu1.0％～1.6％，Ni0.10％～0.20％，杂质≤0.15％，其余Al，采用喷射沉积工艺制备沉积圆锭，沉积圆锭直径Ф120mm～Ф300mm，高度400mm～1000mm；
2)对沉积圆锭进行机械加工，使加工后的坯料直径Ф100mm～Ф280mm，坯料高度300mm～900mm；
3)将步骤2)机械加工后的沉积圆锭进行加热，加热温度至370℃～420℃，保温时间2h～6h；
4)根据所需板材规格，配装非对称挤压模具；配装完成后将挤压凸模、挤压凹模配装在挤压机上，其中，挤压凹模配装后不可移动；
5)接着启动挤压机，移动挤压凸模和盛锭筒，到位后，关闭挤压机，开启挤压机加热系统对模具和盛锭筒进行预热，加热温度至350℃～400℃，保温时间12h～18h；
6)开启挤压机，挤压凸模和盛锭筒回程至初始位置，在挤压凸模、挤压凹模工作端面上涂抹润滑剂，将经步骤3)加热保温的沉积圆锭运装入挤压机盛锭筒内，进行板材热挤压成形，挤压杆挤压运行速度0.1mm/s～2.5mm/s，挤压完成后，挤压凸模和盛锭筒回程至初始位置，进行压余剪切；
7)将经步骤6)挤压成形的板材进行空冷至室温后，根据尺寸要求进行板坯下料。
作为改进，所述步骤2)中对沉积圆锭进行机械加工是指对沉积圆锭表面进行机械扒皮和片平沉积圆锭两端面。
作为改进，所述步骤4)中的板材的宽厚比范围为10～60，厚度范围为10mm～20mm。
作为改进，所述步骤4)中的非对称挤压模具包括挤压凸模、挤压凹模和盛锭筒，挤压凹模的凹腔内设置第一垫块、第二垫块和第三垫块，第一垫块、第二垫块和第三垫块之间成型供金属流入的非对称挤压型腔，非对称挤压型腔的截面为大体Z字形，厚度是逐渐收缩变小，在转弯处是光滑过渡，非对称挤压型腔的后端与挤压凹模的金属流动出口相连通。
作为改进，所述步骤5)中的移动挤压凸模和盛锭筒的具体要求为：挤压凸模移动要求挤压凸模、挤压凹模工作端面间距15mm～25mm；盛锭筒移动要求挤压凸模、挤压凹模在盛锭筒内。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用喷射沉积工艺制备沉积圆锭，采用非对称挤压模具进行挤压，通过改变原始坯料挤压流动状态，增大了合金变形流动流程，有效改善了挤压变形均匀性，进一步细化了微观组织，实现了挤压板材微观组织尺寸均匀性控制；采用本发明挤压成形的板材热处理后的抗拉强度750Mpa～800Mpa,屈服强度710Mpa～760MPa，延伸率8％～14％，力学性能无各向异性，实现了高强韧铝合金中厚板材无缩尾挤压成形，提高了材料利用率。
附图说明
图1是本发明实施例1所采用的非对称挤压模具的结构示意图；
图2是传统的对称挤压模具的结构示意图；
图3是本发明实施例1中宽厚比为60的挤压板材显微组织；
图4是本发明实施例2中宽厚比为30的挤压板材显微组织；
图5是本发明实施例3中宽厚比为10的挤压板材显微组织。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
(1)材料制备
7000系列铝合金成分：Zn11.0％,Mg2.0％,Cu1.0％,Ni0.10％,杂质≤0.15％，其余Al。
采用喷射沉积工艺制备沉积锭，沉积锭Ф120mm，高度400mm。
(2)沉积圆锭机械加工
沉积圆锭表面进行机械扒皮和片平沉积锭两端面，见光即后。加工后的坯料Ф100mm，高度300mm。
(3)沉积圆锭加热
经步骤(2)处理后的沉积圆锭进行加热温度，加热温度范围370℃，到温度后保温，保温时间2h。
(4)非对称挤压模具配装
非对称挤压模具如图1所示，包括挤压凸模1、挤压凹模2和盛锭筒3以及设置在挤压凹模2的凹腔中的第一垫块4、第二垫块5和第三垫块6，第一垫块4、第二垫块5和第三垫块6之间成型供金属流入的非对称挤压型腔11，非对称挤压型腔11的后端与挤压凹模2的金属流动出口21相连通；非对称挤压型腔11的截面呈大体Z字形，非对称挤压型腔11的开口截面呈便于金属流入的V字形，非对称挤压型腔11的截面厚度是逐渐收缩变小，在转弯处是光滑过渡。原理是这样的：金属在非对称中心的非对称挤压型腔开口作用下率先发生非对称流动，有效消除了对称挤压引起不可避免的挤压缩尾；发生非对称流动的金属进一步在非对称挤压型腔11中流动，从而增大了金属非对称流动流程，有效改善了对称挤压引起的金属流动变形的不均匀性，进一步改善变形金属微观组织尺寸的均匀性，金属流出挤压凹模2之前，在金属流动出口21处实现挤压制品的尺寸规格确定，下面实施例子是相同的。
挤压成形的板材宽厚比为60(厚10mm)。根据所需板材规格，配装非对称挤压模具；配装完成后将挤压凸模1、挤压凹模2配装在挤压机上。其中，挤压凹模2配装后不可移动。
(5)模具和盛定筒整体预热
经步骤(4)后，启动挤压机，移动挤压凸模1和盛锭筒3。挤压凸模1移动要求挤压凸模1、挤压凹模2工作端面间距15mm；盛锭筒3移动要求挤压凸模1、挤压凹模2在盛锭筒3内。关闭挤压机，开启挤压机加热系统，加热温度350℃，到温后进行保温，保温时间12h。
(6)热挤压成形板材
经步骤(5)加热和保温后，开启挤压机，挤压凸模1和盛锭筒3回程至初始位置，挤压凸模1、挤压凹模2工作端面上涂抹润滑剂。将经步骤(3)加热和保温后，将沉积圆锭运装入挤压机盛锭筒3内，进行板材热挤压成形，挤压杆挤压运行速度0.1mm/s。挤压完成后，挤压凸模1和盛锭筒3回程至初始位置，进行压余剪切。
(7)空冷与下料
将经步骤(6)挤压成形的板材进行空冷至室温后，根据尺寸要求进行板坯下料。
实施例2
(1)材料制备
7000系列铝合金成分：Zn12.0％,Mg2.2％,Cu1.3％,Ni0.15％,杂质≤0.15％，其余Al。采用喷射沉积工艺制备沉积锭，沉积锭直径Ф240mm，高度600mm。
(2)沉积圆锭机械加工
沉积锭表面进行机械扒皮和片平坯锭端面，见光即可。加工后的坯料Ф220mm，高度550mm。
(3)沉积圆锭加热
经步骤(2)处理后的沉积圆锭进行加热温度，加热温度为400℃，到温度后保温，保温时间4h。
(4)非对称挤压模具配装
挤压成形的板材宽厚比为30(厚15mm)。根据所需板材规格，配装非对称挤压模具；配装完成后将挤压凸模、挤压凹模配装在挤压机上。其中，挤压凹模配装后不可移动。
(5)模具和盛定筒整体预热
经步骤(4)后，启动挤压机，移动挤压凸模和盛锭筒。挤压凸模移动要求挤压凸模、挤压凹模工作端面间距20mm；盛锭筒移动要求挤压凸模、挤压凹模在盛锭筒内。关闭挤压机，开启挤压机加热系统，加热温度至380℃，保温时间16h。
(6)热挤压成形板材
经步骤(5)加热和保温后，开启挤压机，挤压凸模和盛锭筒回程至初始位置，挤压凸模、挤压凹模工作端面上涂抹润滑剂。将经步骤(3)加热和保温后，将沉积圆锭运装入挤压机盛锭筒内，进行板材热挤压成形，挤压杆挤压运行速度1.0mm/s。挤压完成后，挤压凸模和盛锭筒回程至初始位置，进行压余剪切。
(7)空冷与下料
将经步骤(6)挤压成形的板材进行空冷至室温后，根据尺寸要求进行板坯下料。
实施例3
(1)材料制备
7000系列铝合金成分：Zn13.4％,Mg2.4％,Cu1.6％,Ni0.20％,杂质≤0.15％，其余Al。
采用喷射沉积工艺制备沉积圆锭，沉积锭直径300mm，高度1000mm。
(2)沉积圆锭机械加工
沉积圆锭表面进行机械扒皮和片平坯锭端面，见光即可。加工后的坯料直径Ф280mm，坯料高度900mm。
(3)沉积圆锭加热
经步骤(2)处理后的沉积圆锭进行加热，加热温度为420℃，保温时间6h。
(4)非对称挤压模具配装
可以挤压成形的板材宽厚比为10(厚20mm)。根据所需板材规格，配装非对称挤压模具；配装完成后将挤压凸模、挤压凹模配装在挤压机上。其中，挤压凹模配装后不可移动。
(5)模具和盛定筒整体预热
经步骤(4)后，启动挤压机，移动挤压凸模和盛锭筒。挤压凸模移动要求挤压凸模、挤压凹模工作端面间距25mm；盛锭筒移动要求挤压凸模、挤压凹模在盛锭筒内。关闭挤压机，开启挤压机加热系统，加热温度400℃，到温后进行保温，保温时间18h。
(6)热挤压成形板材
经步骤(5)加热和保温后，开启挤压机，挤压凸模和盛锭筒回程至初始位置，挤压凸、凹模工作端面上涂抹润滑剂。
将经步骤(3)加热和保温后，将沉积圆锭运装入挤压机盛锭筒内，进行板材热挤压成形，挤压杆挤压运行速度2.5mm/s。
挤压完成后，挤压凸模和盛锭筒回程至初始位置，进行压余剪切。
(7)空冷与下料
将经步骤(6)挤压成形的板材进行空冷至室温后，根据尺寸要求进行板坯下料。
Claims (5)
1.一种大宽厚比超高强韧铝合金板材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)选取铝合金板材的材料成分质量百分比为：Zn11.0％～13.4％，Mg2.0％～2.4％，Cu1.0％～1.6％，Ni0.10％～0.20％，杂质≤0.15％，其余Al，采用喷射沉积工艺制备沉积圆锭，沉积圆锭直径Ф120mm～Ф300mm，高度400mm～1000mm；
2)对沉积圆锭进行机械加工，使加工后的坯料直径Ф100mm～Ф280mm，坯料高度300mm～900mm；
3)将步骤2)机械加工后的沉积圆锭进行加热，加热温度至370℃～420℃，保温时间2h～6h；
4)根据所需板材规格，配装非对称挤压模具；配装完成后将挤压凸模、挤压凹模配装在挤压机上，其中，挤压凹模配装后不可移动；
5)接着启动挤压机，移动挤压凸模和盛锭筒，到位后，关闭挤压机，开启挤压机加热系统对模具和盛锭筒进行预热，加热温度至350℃～400℃，保温时间12h～18h；
6)开启挤压机，挤压凸模和盛锭筒回程至初始位置，在挤压凸模、挤压凹模工作端面上涂抹润滑剂，将经步骤3)加热保温的沉积圆锭运装入挤压机盛锭筒内，进行板材热挤压成形，挤压杆挤压运行速度0.1mm/s～2.5mm/s，挤压完成后，挤压凸模和盛锭筒回程至初始位置，进行压余剪切；
7)将经步骤6)挤压成形的板材进行空冷至室温后，根据尺寸要求进行板坯下料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中对沉积圆锭进行机械加工是指对沉积圆锭表面进行机械扒皮和片平沉积圆锭两端面。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中的板材的宽厚比范围为10～60，厚度范围为10mm～20mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中非对称挤压模具，包括挤压凸模、挤压凹模和盛锭筒，挤压凹模的凹腔内设置第一垫块、第二垫块和第三垫块，第一垫块、第二垫块和第三垫块之间成型供金属流入的非对称挤压型腔，非对称挤压型腔的截面为大体Z字形，厚度是逐渐收缩变小，在转弯处是光滑过渡，非对称挤压型腔的后端与挤压凹模的金属流动出口相连通。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤5)中的移动挤压凸模和盛锭筒的具体要求为：挤压凸模移动要求挤压凸模、挤压凹模工作端面间距15mm～25mm；盛锭筒移动要求挤压凸模、挤压凹模在盛锭筒内。
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