CN105935733A - 一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法；属于铝合金材料加工技术领域。所述方法是将均匀化热处理后的铸造铝合金锭进行多次热锻墩粗、拔长处理，每次热锻墩粗，工件的温度较前一次热锻墩粗工件的温度低15～20℃。本发明利用材料变形后塑性提高的特点，选择每次变形以后降低变形温度的工艺，不仅可以保证变形过程中不开裂，又可以保证晶粒不发生长大，保证材料具有较高的力学性能。本发明不仅简化了变形铝合金的制坯工艺流程、降低了成本和提高了生产效率，而且有效的改善了变形铝合金的微观组织状态，提高了其综合力学性能，适合于工业化的推广和使用。

Description

一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法

技术领域

本发明属于铝合金材料加工技术领域，尤其涉及一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法。

背景技术

铝合金具有密度低，比强度高的重要优点，并且随着其冶炼和制备技术的提高，铝合金材料在航空航天、汽车工业以及兵器工业等领域得到广泛的应用。随着航空航天产业的发展，其对铝合金的需求也越来越大，尤其是大尺寸的高强铝合金零件。由于高强铝合金合金化程度高，决定了塑性变形能力较差，所以，目前应用的大型铝合金以中高强铝合金居多，但是中高强铝合金不宜用于受载较大的结构件。因此，制备承受载荷较大的铝合金零部件时，需采用高强变形铝合金。在塑性变形方式中，因为锻造变形可以制备各向性能均匀的制品，所以具有很好的应用前景。

现有变形铝合金锻饼的主要制备工艺流程为：铸锭→均匀化热处理→预变形(开坯挤压)→墩粗→拔长→修整端面，其中，墩粗时，道次变形量一般为25％～30％。在实际应用中，现有变形铝合金锻饼的加工工艺存在以下不足：

(1)开坯挤压虽然能从一定程度上改善铝合金的塑性，对于小尺寸工件很适用，而对于大尺寸工件的开坯挤压，由于不能进行较大挤压比的变形，导致其芯部与边部变形不一致，对后续加工产生不利影响，而且工序繁琐，所耗能源巨大，生产效率低；

(2)随着工件尺寸增大，上下表面的外摩擦影响变大，试样侧面鼓形严重，因此容易在鼓形区形成周向拉应力，在拉应力作用下易导致残留第二相粒子与基体开裂，进而形成周向表面裂纹；

(3)铝合金的导热系数较大，锻造时，锻件接触模具后，外表面温降很严重，导致塑性降低、变形抗力增大；

(4)由于墩粗时，道次变形量一般为25％～30％，因此对于形状复杂或变形量大的铝合金锻件需要多道次热变形，总应变越大，则其变形道次就越多；多次的回炉加热会导致晶粒粗大，锻件性能下降，能源损耗大。

(5)制备得到的锻饼抗拉强度约为380～420MPa，屈服强度约为300～340MPa，延伸率约为8～11％。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种直径大于等于800mm、性能优越的大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，将液压机模具预热，对均匀化热处理后的铸造铝合金锭进行多次热锻墩粗、拔长处理；每次热锻墩粗过程中，工件变形量达到30％～50％时，转入拔长，每次拔长过程中，工件变形量达到5-10％时，进行下一次热锻墩粗、拔长处理；每次热锻墩粗，工件的温度较前一次热锻墩粗工件的温度低15～20℃。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，液压机模具温度为200～250℃。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，第一次热锻墩粗中，工件的热锻墩粗温度为380-450℃。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，第一次热锻墩粗中，铸造铝合金锭加热制度为：以30～40℃/min的升温速率升温至300-350℃后再以20℃/h～30℃/h的升温速率升温至380～450℃，保温24～30h。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，自第二次热锻墩粗开始，工件在其热锻墩粗温度的保温时间为5～8h。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，每次热锻墩粗、拔长时的变形速度均为15～20mm/s。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，所述拔长为8-16面碾压拔长。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，铸造铝合金锭的直径为400mm～500mm，高径比为1.5～2。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，所述铸造铝合金以质量百分比计包括下述组分：锌(Zn)6～6.5、镁(Mg)2～2.8、铜(Cu)1.8～2.3、锆(Zr)0.1～0.12、铬(Cr)≤0.04、锰(Mn)≤0.12、钛(Ti)≤0.05、硅(Si)≤0.10、铁(Fe)≤0.12、余量为Al。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，所述铸造铝合金锭其内部无明显裂纹、缩孔、夹杂等缺陷。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，热锻墩粗、拔长的次数低于或等于3次。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，制备得到的大尺寸铝合金锻饼的性能参数为：直径800mm～1000mm，厚度120mm～160mm，抗拉强度≧465MPa，屈服强度≧355MPa，延伸率≧11％。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，制备得到的大尺寸铝合金锻饼抗拉强度465-475MPa，屈服强度355-372MPa，延伸率11-15％。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，墩粗、拔长时，其变形速度为液压机上砧的下行速度。

本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其具体实施流程为：均匀化热处理→锭坯探伤→加热→墩粗→高向拔长→加热保温→重复墩粗、高向拔长→端面修整→锻饼；其具体实施过程为：

a、材料探伤：将均匀化处理后的的铸造铝合金锭坯车去表面氧化皮和可见的裂纹，加工成直径D为400mm～500mm，高径比为1.5-2的锭坯，用超声波对锭坯进行探伤检测，确保锭坯内部无明显裂纹、缩孔、夹杂等缺陷；

b、加热：将内部无明显裂纹、缩孔、夹杂等缺陷的锭坯加热至380～450℃，并保温24～30h，加热液压机模具至200～250℃；

c、第一次墩粗：在380～450℃，将锭坯直立在锻压机下砧上，锻压机向下锻压，使锭坯的高向压缩，直径增大，墩粗至变形量为30％～50％，墩粗时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s，即墩粗的变形速度为15～20mm/s；

d、第一次高向拔长：将高向墩粗后的锭坯旋转90°,进行8-16面碾压拔长，拔长的变形量为5％～10％，拔长时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s，即拔长的变形速度为15～20mm/s；

e、第二次墩粗、拔长：将第一次拔长后的柱锭加热到T2温度，保温5-8h；加热液压机模具至200～250℃；在T2温度下，进行第二次墩粗后，拔长；所述T2温度比第一次墩粗温度低15～20℃，实际操作时，墩粗的变形量为30％～50％，拔长的变形量为5％～10％，墩粗、拔长时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s；

f、第三次墩粗、拔长：将第二次拔长后的柱锭加热到T3温度，保温5-8h；加热液压机模具至200～250℃；在T3温度下，进行第三次墩粗后，拔长；所述T3温度比T2温度低15～20℃，墩粗的变形量为30％～50％，拔长的变形量为5％～10％，墩粗、拔长时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s；

g、端面修整：获得直径≥800mm的铝合金锻饼。

原理及优势

对于铝合金和大部分金属材料而言，随着变形的进行，材料的塑性变形能力增强，本发明利用材料变形后塑性提高的特点，选择每次变形以后降低变形温度的工艺，不仅可以保证变形过程中不开裂，又可以保证晶粒不发生长大，保证材料具有较高的力学性能。采用本发明一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，能够制备出直径大于等于800mm的铝合金锻饼，本发明不仅简化了变形铝合金的制坯工艺流程、降低了成本和提高了生产效率，而且有效的改善了变形铝合金的微观组织状态，提高了其综合力学性能。

与现有技术相比，本发明具有下列特点和有益效果

(1)本发明有效的避开了开坯挤压，减少了工序的繁琐，提高了生产效率；本发明之所以能有效的避开开坯挤压，是因为：第一次墩粗、拔长采用较高的锻造温度，能使得组织得到一定的软化，提高了材料的组织回复能力；而材料的组织回复能力的增强和动态再结晶的软化和细化组织都能提高材料的可锻性；因此，本发明可以直接进行锻造，不需要预变形。

(2)本发明高向总变形量≧80％，而且每次墩粗的变形程度大(每次墩粗的变形程度为30％～50％)，不仅使得锭坯在锻造的过程中得到了充分的锻压变形，保证其内部的细小裂纹和缩孔等缺陷得到了很好的锻合，而且从一定程度上减少了回炉的次数，保证了锻件的微观组织和性能。

(3)本发明通过严格控制加热的温度和保温的时间，防止了在保温时发生晶粒粗化的问题，其原因为：加热温度过高或者保温时间过长会导致组织发生静态再结晶，且组织粗化，而这种晶粒的粗化和软化现象在后续热处理中也是不能消除的；

(4)本发明通过严格控制每次墩粗的锻造变形量，通过较大的道次变形量来细化组织，碾合组织中的缺陷，有利于后续道次的变形。同时也在一定程度上减少了变形道次。

(5)本发明通过严格控制每次拔长的锻造变形量，采取8～16多面碾压拔长，有效的消除鼓形以及周向拉应力，防止再次墩粗时开裂。

(6)由于铝合金塑性对变形速率非常敏感，变形速率增大时其塑性显著下降。速率过低，会导致变形速率变慢，而坯料的温度降低，会使得材料的塑性降低，从而使得道次变形量受限制，增加变形次数和回炉次数。本发明每次墩粗、拔长是在近似恒温的条件下进行的，通过严格控制每次墩粗、拔长的变形速率，在适当的变形速率条件下，使得坯料有时间发生回复、再结晶、软化以及细化，这就有利于后续的加工。

(7)本发明在锻造过程中通过适当的降低每次保温、墩粗的温度，既有效的保留上道次锻造的组织和位错结构，抑制新的晶粒长大，又有利于晶粒的细化。同时，适当的降温，使得变形组织中容易出现强化相析出现象，而强化相的钉扎作用也能很好的抑制晶粒长大。

(8)本发明操作简单，生产效率高，产品质量良好，实用性强；能制备出直径超过800mm的大尺寸铝合金锻饼，且组织性能良好；制备的锻饼的抗拉强度≧465MPa，屈服强度≧355MPa，延伸率≧11％；较现有技术制备的锻饼的抗拉强度提高13％-22％，屈服强度提高9％-18％，延伸率最少提高36％。

附图说明

附图1为实施例1制备的铝合金锻饼上表面的金相组织图片。

附图2为实施例1制备的铝合金锻饼心部的金相组织图片。

附图3为实施例1制备的铝合金锻饼侧表面的金相组织图片。

从附图1、附图2及附图3中可以看出铝合金锻饼上表面、心部及侧表面的晶粒形态和大小相当，组织均匀，无裂纹。

具体实施方式

下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明的保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1：

一种铝合金的锻饼锻造工艺，是以直径D＝400mm，成份为(wt.％)：锌(Zn)6～6.5、镁(Mg)2～2.8、铜(Cu)1.8～2.3、锆(Zr)0.1～0.12、铬(Cr)≤0.04、锰(Mn)≤0.12、钛(Ti)≤0.05、硅(Si)≤0.10、铁(Fe)≤0.12、余量为铝的均匀化处理后的铝合金半连铸坯锭坯锻造成直径810mm，厚160mm的铝合金锻饼；包括下列步骤：

a、材料探伤：将连铸坯车去表面氧化皮和可见的裂纹，加工成高为700mm，直径400mm的锭坯，用超声波对锭坯进行探伤检测，确保锭坯内部无明显裂纹、缩孔、夹杂等缺陷；

b、加热：将内部无明显裂纹、缩孔、夹杂等缺陷的锭坯加热至450℃，并保温24h，加热液压机模具至200℃；

c、墩粗：将加热保温后的锭坯直立在锻压机下砧上，锻压机向下锻压，使锭坯高向压缩，直径增大，墩粗时，控制墩粗变形量为45％，墩粗时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s，即墩粗的变形速度为15～20mm/s；墩粗后锭坯形成单鼓形；

d、高向拔长：将高向墩粗后的锭坯水平放与锻压机下砧上，使其高向与锻压机运动面向垂直；碾压墩粗后的坯料，并控制拔长的锻造变形量为5％，将锭坯进行12面碾压拔长；拔长时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s，即拔长的变形速度为15～20mm/s；高向拔长后利用液压机上砧空载重量轻拍，消除拔长后产生的棱角；

e、重复上述步骤b、c、d并将保温温度、锻造温度降至435℃；

f、重复上述步骤b、c、d并将保温温度、锻造温度降至415℃，使锭坯墩粗后尺寸高度为165mm，直径为810mm；修整端面使高度至160mm；得到大尺寸铝合金锻饼；

g、检测该大尺寸铝合金锻饼的力学性能，检测得出其抗拉强度为467MPa；屈服强度为361MPa；延伸率为11％。

实施例2：

一种铝合金的锻饼锻造工艺，是以直径D＝450mm，成份为(wt.％)：锌(Zn)6～6.5、镁(Mg)2～2.8、铜(Cu)1.8～2.3、锆(Zr)0.1～0.12、铬(Cr)≤0.04、锰(Mn)≤0.12、钛(Ti)≤0.05、硅(Si)≤0.10、铁(Fe)≤0.12、余量为铝的均匀化处理后的铝合金连铸坯锭坯锻造成直径900mm，厚140mm的铝合金锻饼；包括下列步骤：

a、材料探伤：将连铸坯车去表面氧化皮和可见的裂纹，加工成高为700mm，直径450mm的锭坯，用超声波对锭坯进行探伤检测，确保锭坯内部无明显裂纹、缩孔、夹杂等缺陷；

b、加热：将内部无明显裂纹、缩孔、夹杂等缺陷的锭坯加热至420℃，并保温26h，加热液压机模具至220℃；

c、墩粗：将加热保温后的锭坯直立在锻压机下砧上，锻压机向下锻压，使锭坯的高向压缩，直径增大，墩粗时，控制墩粗锻造变形量为40％，墩粗时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s，即墩粗的变形速度为15～20mm/s；墩粗后锭坯形成单鼓形；

d、高向拔长：将高向墩粗后的锭坯水平放与锻压机下砧上，使其高向与锻压机运动面向垂直；碾压墩粗后的锭坯，并控制拔长的锻造变形量为8％，将锭坯进行12面碾压拔长；拔长时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s，即拔长的变形速度为15～20mm/s；高向拔长后利用液压机上砧空载重量轻拍，消除拔长后产生的棱角；

e、重复上述步骤b、c、d并将保温温度、锻造温度降至400℃；

f、重复上述步骤b、c、d并将保温温度、锻造温度降至380℃，将坯料加工为高度145mm，直径为900mm；修整端面使高度至140mm；得到大尺寸铝合金锻饼；

g、检测该大尺寸铝合金锻饼的力学性能，检测得出其抗拉强度为475MPa、屈服强度为355MPa、延伸率为12％。

实施例3：

一种铝合金的锻饼锻造工艺，是以直径D＝500mm，成份为(wt.％)：锌(Zn)6～6.5、镁(Mg)2～2.8、铜(Cu)1.8～2.3、锆(Zr)0.1～0.12、铬(Cr)≤0.04、锰(Mn)≤0.12、钛(Ti)≤0.05、硅(Si)≤0.10、铁(Fe)≤0.12、余量为铝的均匀化处理后的连铸坯锭坯锻造成直径1000mm、厚140mm的铝合金锻饼；包括下列步骤：

a、材料探伤：将连铸坯车去表面氧化皮和可见的裂纹，加工成高900mm，直径500mm的锭坯，用超声波对锭坯进行探伤检测，确保锭坯内部无明显裂纹、缩孔、夹杂等缺陷；

b、加热：将内部无明显裂纹、缩孔、夹杂等缺陷的锭坯加热至430℃，并保温30h，加热液压机模具至200℃；

c、墩粗：将加热保温后的锭坯直立在锻压机下砧上，锻压机向下锻压，使锭坯的高向压缩，直径增大，墩粗时，控制墩粗变形量为50％，墩粗时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s，即墩粗的变形速度为15～20mm/s；墩粗后锭坯形成单鼓形；

d、高向拔长：将高向墩粗后的锭坯水平放与锻压机下砧上，使其高向与锻压机运动面向垂直；碾压墩粗后的锭坯，并控制拔长的锻造变形量为5％，将锭坯进行16面碾压拔长；拔长时，液压机上砧的下行速度为15～20mm/s，即拔长的变形速度为15～20mm/s；高向拔长后利用液压机上砧空载重量轻拍，消除拔长后产生的棱角；

e、重复上述步骤b、c、d并将保温温度、锻造温度降至415℃；

f、重复上述步骤b、c、d并将保温温度、锻造温度降至400℃，将锻饼加工为高度145mm；直径为1000mm；修整端面使高度至140mm；得到大尺寸铝合金锻饼；

g、检测该大尺寸铝合金锻饼的力学性能，检测得出其抗拉强度为465MPa、屈服强度为372MPa、延伸率为15％。

本发明内容及上述实施例中未具体叙述的技术内容同现有的技术。

本发明不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims (10)

1.一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：将液压机模具预热，对均匀化热处理后的铸造铝合金锭进行多次热锻墩粗、拔长处理；每次热锻墩粗过程中，工件变形量达到30％～50％时，转入拔长，每次拔长过程中，工件变形量达到5-10％时，进行下一次热锻墩粗、拔长处理；每次热锻墩粗，工件的温度较前一次热锻墩粗工件的温度低15～20℃。

2.根据权利要求1所述的一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：液压机模具预热温度为200-250℃。

3.根据权利要求1所述的一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：第一次热锻墩粗中，工件的热锻墩粗温度为380-450℃。

4.根据权利要求3所述的一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：第一次热锻墩粗中，铸造铝合金锭加热制度为：以30～40℃/min的升温速率升温至300-350℃后再以20℃/h～30℃/h的升温速率升温至380～450℃，保温24～30h。

5.根据权利要求1所述的一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：自第二次热锻墩粗开始，工件在其热锻墩粗温度的保温时间为5～8h。

6.根据权利要求1所述的一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：每次热锻墩粗、拔长时的变形速度均为15～20mm/s。

7.根据权利要求1所述的一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：所述拔长为8-16面碾压拔长。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：铸造铝合金锭的直径为400mm～500mm，高径比为1.5～2。

9.根据权利要求8所述的一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：所述铸造铝合金锭的质量百分比为：Zn 6～6.5，Mg 2～2.8，Cu 1.8～2.3，Zr 0.1～0.12，Cr≤0.04，Mn≤0.12，Ti≤0.05，Si≤0.10，Fe≤0.12，余量为Al。

10.根据权利要求9所述的一种大尺寸高强铝合金锻饼的制备方法，其特征在于：制备得到的大尺寸铝合金锻饼的性能参数为：直径800mm～1000mm，厚度120mm～160mm，抗拉强度≧465MPa，屈服强度≧355MPa，延伸率≧11％。