CN104858260B - 一种超长铝镁合金管的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种超长铝镁合金管的制备方法，是将铝镁合金铸坯热挤压，得到杆坯，杆坯对焊得到长杆坯；将长杆坯采用增压模连续挤压加工成管后在400℃以下进行两级退火；本发明的加工方法，采用增压模进行连续挤压，解决了Al‑Mg合金管分流挤压焊合不良的问题，制备出长度达180米以上的超长铝合金管；随后，通过两级退火调整晶界和晶内析出相的形貌与分布，稳定和优化管材力学性能及耐腐蚀性能，提高焊合质量。本发明的铝镁合金管加工方法，对其它中强和高强铝合金管的挤压成形具有参考价值。与传统方法相比，具有操作方便，效率高，成本低的优势。本发明制备的Al‑Mg耐蚀合金管可应用于石油和天然气钻探设备、核能发电、日用五金等领域，具有广阔市场前景。

Description

一种超长铝镁合金管的制备方法

技术领域

本发明涉及一种超长铝镁合金管的制备方法，属于有色金属材料即压力加工技术领域。

背景技术

随着石油和天然气工业及地质勘探业的急剧发展，对钻井和开采装备提出了越来越高的技术要求。在钻探设备上所需的冷却管，目前主要为不锈钢管和白铜管，但其成本高，重量大；而铝合金管具有重量轻、抗疲劳、柔性好、耐蚀、耐寒等优点，如果采用铝合金管取代不锈钢管和白铜管，则可明显降低成本和运输费用。钻探设备、核能发电等领域的热交换器所需冷却管通常要求具有高耐腐蚀性和数百米的长管(最小长度需要150米)，Al-Mg合金具有力学性能、焊接性能和耐蚀性的良好匹配，可广泛应用于要求好的抗蚀性、优良可焊性和中等强度的场合，如钻探制冷设备、核能发电、制冷装置、交通运输设备、雨伞杆等。铝镁合金能满足其基本性能要求，但是铝镁合金管材的生产工艺通常采用常规热挤压成形方法，而这种常规的间断式挤压方法无法制备出超长管。连续挤压作为一种短流程新技术，理论上可以生产无限长的挤压制品，但是铝镁系合金属于中高强度合金，塑性变形时流动性较差，连续挤压时分流焊合困难，成为实际生产的一大技术瓶颈。

此外，Al-Mg合金在热处理的过程中沉淀相β相形核率低，数量少，呈粗大的杆状或棒状在晶界析出，故该合金沉淀强化效果不显著。在室温下长期存放的过程中存在软化倾向，在腐蚀环境下常常引起晶间腐蚀和应力腐蚀裂纹，对合金的尺寸稳定性及耐腐蚀性能等造成极大损害，影响其使用寿命。这是由于合金中的β相(Mg₅Al₈)在滑移带和晶界上缓慢地沉淀，固溶强化作用减弱，强度降低，出现所谓的时效软化现象。

为了获得组织均匀和性能稳定的超长Al-Mg合金管，进一步扩大其应用范围，迫切的需要开发研制出适合该合金的有效加工方法，在保证其力学性能稳定的基础上，获得优良的耐蚀性。

迄今为止，尚未有铝镁合金超长管材制备方法的相关专利报道，更无该合金耗时短、效率高的热处理工艺技术的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有Al-Mg合金管存在尺寸与性能不稳定、分流挤压焊合不良的问题，提供一种超长铝镁合金管的制备方法，本发明方法可制备出长度达180米以上的超长管材，且管材的力学性能稳定，力学性能参数得到提高。

本发明一种超长铝镁合金管的制备方法，包括下述步骤：

第一步：按铝镁合金组分配比，采用常规熔铸工艺得到铸坯，铸坯经过热挤压，得到圆截面杆坯，杆坯经清洗后头尾对焊连接，得到清洁长杆坯；或采用连铸连轧、清洗后制备清洁长杆坯。

第二步：将第一步得到的圆截面长杆坯采用增压模连续挤压加工成管；连续挤压工艺参数为：模具为三孔分流增压模，分流比3～6，焊合角15～25°，模口为阶梯模口，焊合室高度H与铝镁合金管外径D的尺寸满足：H＝(0.3～0.4)D；

第三步：将第二步得到的铝镁合金管在400℃以下进行两级退火。

本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，第一步中，热挤压的挤压比为5-15。

本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，第二步中，所述阶梯模口的高度为1-4mm，宽度为1-4mm；阶梯模口级数至少为1级，合适的阶梯级数为1-4级。

本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，第二步中，连续挤压时，挤压轮直径为300mm，转速为4-6转/分钟。

本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，第三步中，两级退火工艺参数为：首先加热至300～400℃，保温30～60min，进行一级退火；一级退火后随炉降温至150～220℃，保温4～7h，进行二级退火；然后出炉空冷至室温。

本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，二级退火温度为180-210℃，保温4～5h，更优选为200℃，保温4h。

本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，所述铝镁合金选自镁的质量百分含量为4-5％，余量为铝的铝镁合金或包含有锰、稀土中的至少一种微合金化元素的铝镁合金。

本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，所述铝镁合金包括下述组分，按质量百分比组成：

Mg：4.0％～5.0％，Mn：0.3％～0.7％，La：0.1％～0.4％，Ce：0.2％～0.7％，不可避免杂质≤0.3％，余量为Al。

本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，退火在箱式电阻炉内进行。

本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，制备的铝镁合金管长度大于等于180米。

本发明的机理简述于下：

在加工方法上，本发明采用一种连续挤压工艺实现铝镁合金管的加工成形。该技术无需加热坯料，由挤压轮与坯料接触产生的摩擦提供温度和驱动力。主要特征包括两个方面，第一，采用采用了两次挤压，即先用常规卧式挤压机将Al-Mg合金锭挤成杆坯后，再采用连续挤压加工成管；第二，挤压成管后进行了一种特殊的热处理，以稳定组织，提高制品的综合性能。用于连续挤压的杆坯，由于先经过了一次常规热挤压，内部组织已得到改善，致密度得到有效提高，尤其是组织中的粗大第二相被破碎并均匀分布，显著降低了对连续挤压管焊合强度的有害影响。

在模具方面也有两个主要特征，第一是采用合理的焊合室高度，使材料在挤压过程中获得足够高的焊合压力；第二是优化了焊合角，减少焊缝处存积的气体和杂质；此外，采用阶梯型模口，使材料在挤出模口时压力进一步增大，实现强力焊合。所述“焊合”是固态下两股分开的金属重新汇合成整体，而不是普通的“焊接”。本发明在连续挤压时设计采用三孔分流增压模具，在保证模具强度、刚度和挤出制品厚度均匀性的基础上，通过合理调整分流比、减小焊合角和提高焊合室高度H，来增加焊合室内的静水压力；此外，采用阶梯型模口结构进一步增压，强化焊合。上述多方面改善后，其协同效果是获得了焊合质量良好的挤压管。通过连续喂料，实现超长管材高效率、短流程的连续成形。传统认识上认为，铝镁合金由于塑性变形时抗力高，流动性差，分流挤压时难以实现良好固态焊合。本发明打破了传统认识，取得技术上的突破。

本发明对连续挤压后的铝镁合金管，采用分步退火热处理工艺，提高其后续使用性能。其基本原理为：(1)Al是高层错能金属，其拓展位错较窄，位错通过交互作用容易形成大量的位错缠结区域；镁原子沿着通向晶界的位错扩散，易形成β相网膜，而这种β相沿晶沉淀网膜通常作为阳极被优先腐蚀，诱发应力腐蚀和晶间裂纹的产生。高温退火阶段消除了连续挤压大变形中的残余应力，合金发生回复，位错在短时间内重新分布到亚晶界和晶界上，破坏了β相形成的连续网膜，并随位错的重新分布，沉淀在亚晶界和晶界处，可以有效提高合金管的耐腐蚀性能；(2)连续挤压所得到的铝镁合金管属于有缝管，焊缝处的晶粒较粗大，与远离焊缝处组织有明显差异。采用分段式稳定化热处理，由于热处理温度未达到挤压焊合时的温度，焊缝处晶粒组织基本不变，而基体晶粒稍有粗化，最终使管壁整体组织趋于均匀，由此优化焊缝组织，提高焊合强度。(3)稀土元素的加入可以促进含Mg相的沉淀，可以改善合金的组织，生成细小的针状和球状相，强烈钉扎位错与亚晶界，抑制Al-Mg合金管的再结晶，提高合金的强度和硬度；但是，在晶界处也会部分生成粗大的杆状相，这对材料耐腐蚀性能是有害的；本发明通过两级退火，利用高温退火，使粗大的杆状相破碎球化，紧随其后，采用随炉缓冷至低温退火，此过程，可以充分保证基体固溶体和非平衡组织的溶解，在低温退火阶段，获得不连续的晶界析出相和细小弥散的晶内析出相，避免析出相的进一步粗化长大，在保证耐腐蚀性能的基础上，进一步提高塑性和强度。

本发明对铝镁合金的组分进行了一些调整，主要效果在于：

针对铝镁合金存在时效软化现象的问题，加入适量的Mn固溶入基体中，形成的MnAl₆相，提高基体与焊缝的强度，并提高再结晶温度。发明人经实验表明，稀土元素La、Ce等的加入可以促进含Mg相的沉淀，可以改善合金的组织，生成细小的针状和球状相，强烈钉扎位错与亚晶界，抑制Al-Mg合金管的再结晶，提高合金的强度和硬度。但是，在晶界处也会部分生成粗大的杆状相，这对材料耐腐蚀性能是有害的。

本发明与传统技术相比，具有以下优越性：

(1)本发明采用连续挤压加工得到铝镁合金超长管，随后进行分级热处理，实现了强度和塑性匹配良好，几何尺寸和力学性能稳定，易于进行后续加工的铝镁合金超长管的制备。

(2)采用本发明的方法制备的超长铝镁合金管，通过模具结构优化设计，实现强力固态焊合，获得了焊合良好的铝镁合金管，加工成长度达到180米以上的超长管，这是常规加工方法难以达到的指标；也打破了该系合金传统观念上不能分流挤压的认识，取得新的技术突破。

(3)本发明采用分级热处理工艺，使连续挤压的铝镁合金管强度和塑性匹配良好，几何尺寸和力学性能稳定，兼轻质、耐蚀的特点，克服了常规铝镁合金在后续使用过程中易出现软化的问题。

(4)本发明的连续挤压加工工艺和热处理方法与传统方法相比，操作方便，效率高，成本低。

综上所述，本发明的一种超长铝镁合金管加工方法，采用连续挤压工艺和特殊结构模具，解决了铝镁合金分流焊合不良的难题；采用两级退火热处理工艺调整晶界和晶内析出相的形貌与分布，稳定和优化了合金的力学性能，提高管材的焊合质量，并获得优良的耐腐蚀性能。本发明的铝镁合金管加工方法，对其它中强和高强铝合金管的挤压成形具有参考价值。

附图说明：

附图1为对比例1经普通挤压挤制出的管材实物图；

附图2为本发明实施例1挤制出的管材实物图

附图3为对比例2未添加稀土元素的常规铝镁合金管的TEM照片；

附图4为对比例3添加稀土元素的常规铝镁合金管的TEM照片；

附图5为对比例4经过常规热处理的铝镁合金管TEM照片；

附图6为本发明实施例1采用分步退火处理的铝镁合金管TEM照片；

附图7(a)为对比例3未经分步退火处理的铝镁合金管焊缝附近的金相照片；

附图7(b)为本发明实施例2采用分步退火处理方法的铝镁合金管焊缝附近的金相照片；

附图8为本发明实施例2制备的铝镁合金管扩口实物照片；

附图9为本发明铝镁合金管阶梯型增压模具的主视图；

图中：

由图1和图2可以看出：对比例1采用普通连续挤压方法挤出的管材无法实现焊合，表面出现明显周期性裂纹；实施例1采用本发明挤压工艺，挤出制品焊合良好，表面质量高。

由图3和图4可以看出：经过挤压大变形后，对比例2的Al-Mg连续挤压管组织内存在位错缠结的现象，但析出相较少；对比例3添加适量的La、Ce稀土元素后，Al-Mg连续挤压管中的合金中出现大量针状或粗大杆状强化相。

由图4、图4和图6可以看出：实施例1采用本发明的分步退火处理后，相对于对比例2、3而言，位错相互抵消，位错缠结现象减少，铝镁合金管中非平衡沉淀相溶解，原始的粗大的杆状相发生分解球化，获得不连续的晶界析出相和细小弥散的晶内析出相。

由图5和图6可知：较对比例4的常规热处理手段而言，实施例1采用本发明的分步退火处理可获得非平衡相溶解更充分，强化相尺寸更均匀细小的组织。

由图7(a)和图7(b)可知：实施例2经分步退火处理后，与对比例3相比，铝镁合金管焊缝处晶粒组织基本不变，基体晶粒粗化，最终使整体组织均匀一致，焊缝组织优化。

由图8可知：当扩口率达到39.2％时，采用本发明的方法制备的铝镁合金管出现开裂，但开裂并没有在焊缝处，表明本发明的方法焊合质量好，焊缝结合强度高。

附图9中，1--内模、2--阶梯模口、3--外模、H--焊合室高度、D--挤压管外径。

具体实施方式：

本发明实施例及对比例(对比例1的模具除外)中所使用的阶梯模具的模口的高度为2mm，宽度为2mm；阶梯模口级数为1级。

对比例1：采用实施例1的合金组分配比，利用普通模具连续挤压制管，不进行退火

合金成分(质量百分比)为：Mg：4.8％，Mn：0.6％，La：0.3％，Ce：0.5％，不可避免杂质<0.3％，余量为Al。按上述配方采用常规熔铸和热挤压方法制备杆坯，杆坯经清洗后头尾对焊连接，然后采用普通模具进行连续挤压，分流比3，焊合角40°；焊合室高度为2.5毫米，；

本对比例1的挤压结果不理想，管材无法实现良好焊合，管材表面出现周期性裂纹，本对比例1挤压制品如图1所示；

对比例2：采用镁锰铝合金，利用本发明模具连续挤压制管后不进行退火

合金成分(质量百分比)为：Mg：4.8％，Mn：0.6％，不可避免杂质<0.3％，余量为Al；按上述配方采用常规熔铸和热挤压方法制备杆坯，杆坯经清洗后头尾对焊连接，然后采用增压模具经连续挤压加工成超长管材，管材长度为221米，壁厚为2毫米，外径为12毫米；增压模具分流比为5，模具焊合室高度为4.8毫米；

对经过变形处理后得到的合金管进行显微组织分析，其组织分析透射照片见图3，取样根据标准GB/T7998-2005进行晶间腐蚀实验，以晶间腐蚀最大深度评定材料晶间腐蚀的敏感性，将经变形处理后的合金管置于室温下长期存放，10天后测量其力学性能，本对比例材料性能指标见表1；

对比例3：采用实施例1的合金组分配比，利用本发明模具连续挤压制管后不进行退火

合金成分(质量百分比)为：Mg：4.8％，Mn：0.6％，La：0.3％，Ce：0.5％，不可避免杂质<0.3％，余量为Al。按上述配方采用常规熔铸和热挤压方法制备杆坯，杆坯经清洗后头尾对焊连接，然后采用增压模具经连续挤压加工成超长管材，管材长度为184米，壁厚为2毫米，外径为12毫米，增压模具分流比为5，模具焊合室高度为4.8毫米；

对经过该处理后得到的合金管进行金相显微组织分析和力学性能检测，其组织分析照片见图4和图7(a)，根取样据标准GB/T7998-2005进行晶间腐蚀实验，以晶间腐蚀最大深度评定材料晶间腐蚀的敏感性，将经变形处理后的合金管至于室温下长期存放，10天后测量其力学性能，本对比例的材料性能指标见表1；

对比例4：采用实施例1的合金组分配比，利用本发明模具连续挤压制管后进行一次退火

合金成分(质量百分比)为：Mg：4.8％，Mn：0.6％，La：0.3％，Ce：0.5％，不可避免杂质<0.3％，余量为Al。按上述配方采用常规熔铸和热挤压方法制备杆坯，杆坯经清洗后头尾对焊连接，然后采用增压模具经连续挤压加工成超长管材，管材长度为185米，厚度为2毫米，外径为12毫米，增压模具分流比为5，模具焊合室高度为4.8毫米；对挤压后盘卷的铝镁合金管进行常规热处理，将管材放在电阻炉内加热至190℃，保温时间15h。

经过该处理后得到的合金管进行力学性能检测和显微组织分析，其组织分析透射照片见图5，取样根据标准GB/T7998-2005进行晶间腐蚀实验，以晶间腐蚀最大深度评定材料晶间腐蚀的敏感性，将经常规热处理后的合金管至于室温下长期存放，10天后测量其力学性能，本实施例的力学性能指标见表1；

实施例1：

合金成分(质量百分比)为：Mg：4.8％，Mn：0.6％，La：0.3％，Ce：0.5％，不可避免杂质<0.3％，余量为Al。按照设计好的合金成分进行熔炼铸造后，先进行常规挤压得到圆杆坯料，杆坯经清洗后头尾对焊连接然后采用增压模具经连续挤压加工成超长管材，管材长度为203米，壁厚为2毫米，外径为12毫米，增压模具分流比为5，模具焊合室高度为4.8毫米；对挤压后盘卷的稀土铝镁合金管进行分步退火处理，将管材放在箱式电阻炉内加热至350℃，保温50min，将第一步加热的管材随炉冷却至200℃，保温4h，再空冷至室温。

本实施例挤压制品如图2所示，经过该处理后得到的合金管进行力学性能检测和显微组织分析，其组织分析照片见图3和图7(b)，取样根据标准GB/T7998-2005进行晶间腐蚀实验，以晶间腐蚀最大深度评定材料晶间腐蚀的敏感性，将经分步退火处理后的合金管至于室温下长期存放，10天后测量其力学性能，本实施例的力学性能指标见表1；

实施例2：

合金成分(质量百分比)为：Mg：4.8％，Mn：0.6％，La：0.3％，Ce：0.5％，不可避免杂质<0.3％，余量为Al。按照设计好的合金成分进行熔炼铸造后，先进行常规挤压得到圆杆坯料，杆坯经清洗后头尾对焊连接，然后采用增压模具经连续挤压加工成超长管材，管材长度为189米，壁厚为2毫米，外径为12毫米，增压模具分流比为5，模具焊合室高度为4.8毫米；对挤压后盘卷的铝镁合金进行分步退火处理，将管材放在箱式电阻炉内加热至350℃，保温时间50min，将第一步加热的管材随炉冷却至200℃，保温7h，再空冷至室温。

经过该处理后得到的合金管进行力学性能检测，根据标准GB/T7998-2005进行晶间腐蚀实验，以晶间腐蚀最大深度和腐蚀前后材料单位面积的失重速率评定晶间腐蚀的敏感性，将经分步退火处理后的合金管至于室温下长期存放，10天后测量其力学性能，本实施例的力学性能指标见表1。

表1 实施实例及对比实例的力学性能和腐蚀性能

从表1的数据可以看出：

1、实施例1相对于对比例2，铝镁合金管的力学性能和耐腐蚀性能都明显提高。稀土元素La和Ce的加入，在合金中生成尺寸均匀细小的球状相，见图3和图6，强烈钉扎合金中的位错与亚晶界，抑制铝镁合金管的再结晶，从而显著提高金属的强度和硬度；同时，位错缠结区域消失，避免镁原子沿着通向晶界的位错扩散，形成易被腐蚀β相网膜，故腐蚀失重速率降低，晶间腐蚀等级由3级降低到2级。对比例2中随着时间延长，室温下出现明显软化现象，而实施例1经分级退火处理后，合金管稳定性显著提高。

2、将实施例1与对比例3进行较，可知；采用本发明的分步退火处理后，在保证硬度和强度的基础上，实施例1制备的铝镁合金管的延伸率和耐腐蚀性能明显改善，力学性能稳定性也进一步提高。结合图4和图5可知，这是由于沿晶界析出的大量针状相和粗大的杆状相分解球化，降低了腐蚀敏感性。

3、比较实施例1和对比例4可知，采用本发明的分步退火较常规的热处理而言，实施例1耗时更短且操作方便，节约了将近60％的时间，并充分保证了基体固溶体和非平衡组织的溶解，避免退火过程中第二相的粗化长大，见图5和图6，兼有良好稳定力学性能和耐腐蚀性能。

4、比较实施例1和实施例2，二者的力学性能和耐腐蚀性能都较为理想，但实施例2低温阶段保温时间比较长。表明，延长低温退火保温时间是不必要的。

本发明提供了一种超长铝镁合金管加工方法的思路与方法。上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超长铝镁合金管的制备方法，包括下述步骤：

第一步：按铝镁合金组分配比，采用常规熔铸工艺得到铸坯，铸坯经过热挤压，得到圆截面杆坯，杆坯经清洗后头尾对焊连接，得到长杆坯；或采用连铸连轧制备长杆坯；

第二步：将第一步得到的圆截面长杆坯采用增压模连续挤压加工成管，制备的铝镁合金管长度大于等于180米；连续挤压工艺参数为：模具为三孔分流增压模，分流比3~6，焊合角15~25°，模口为阶梯模口，焊合室高度H与铝镁合金管外径D的尺寸满足：H=(0.3~0.4)D；

第三步：将第二步得到的铝镁合金管在400℃以下进行两级退火。

2.根据权利要求1所述一种超长铝镁合金管制备方法，其特征在于：第一步中，热挤压的挤压比为5-15。

3.根据权利要求1所述一种超长铝镁合金管制备方法，其特征在于：所述阶梯模口的高度为1-4mm，宽度为1-4mm；阶梯模口级数至少为1级。

4.根据权利要求1所述一种超长铝镁合金管制备方法，其特征在于：第二步中，连续挤压时，挤压轮直径为300mm，转速为4-6转/分钟。

5.根据权利要求1-4任意一项所述一种超长铝镁合金管制备方法，其特征在于：第三步中，两级退火工艺参数为：首先加热至300~400℃，保温30~60min，进行一级退火；一级退火后随炉降温至150~220℃，保温4~7h，进行二级退火；然后出炉空冷至室温。

6.根据权利要求5所述一种超长铝镁合金管制备方法，其特征在于：二级退火温度为180-210℃，保温4~5h。

7.根据权利要求5所述一种超长铝镁合金管制备方法，其特征在于：所述铝镁合金选自镁的质量百分含量为4-5%，余量为铝的铝镁合金或包含有锰、稀土中的至少一种微合金化元素的铝镁合金。

8.根据权利要求7所述一种超长铝镁合金管制备方法，其特征在于：所述铝镁合金包括下述组分，按质量百分比组成：

Mg：4.0%~5.0%，Mn：0.3%~0.7%，La：0.1%~0.4%，Ce：0.2%~0.7%，不可避免杂质≤0.3%，余量为Al。

9.根据权利要求5所述一种超长铝镁合金管制备方法，其特征在于：退火在箱式电阻炉内进行。