CN106756333B - 一种高强度航天用铝合金铆钉线材的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强度航天用铝合金铆钉线材的制造方法，本发明涉及一种新型铝合金铆钉线材的制造方法，它是满足我国航天工业对于高强度的铆接材料有了迫切的需求，特别是轻质的铝合金铆钉材料，在保证材料强度的同时，要求铆钉仍然有一定的塑性。制造方法：一、合金溶液制备；二、铝液精炼处理；三、铸造合金铸棒；四、均匀化退火；五、铸棒锯切；六、热挤压成型；七、中间退火；八、冷拉；九、固溶处理；十、时效处理。本发明制备的铝合金铆钉线材的抗拉强度不小于580Mpa，规定非比例延伸强度不小于500Mpa，断后伸长率不小于6％，抗剪切强度不小于320Mpa，满足航天产品的应用要求。本发明可用于航天铝合金铆钉的加工制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金铆钉线材的制造方法，尤其涉及一种高强度航天用铝合金铆钉线材的制造方法。
背景技术
随着我国航天事业的发展，对于高强度的铆接材料有了迫切的需求，特别是轻质的铝合金铆钉材料，在保证材料强度的同时，要求铆钉仍然有一定的塑性，根据我国航天设计需求，需要铆钉线材的抗拉强度达到580Mpa，规定非比例延伸强度达到500Mpa，断后伸长率达到6％，抗剪切强度达到320Mpa。但现有工艺生产中各类铝合金铆钉线材制备得到的铆钉在满足断后伸长率的前期下，铆钉线材的强度和抗剪切强度无法满足航空用品的应用要求。
发明内容
本发明为了解决现有工艺生产制备的铝合金铆钉线材在满足断后伸长率的前期下，铆钉线材的强度和抗剪切强度无法满足航空用品的应用要求的问题，提出一种高强度航天用铝合金铆钉线材制造方法。
本发明高强度航天用铝合金铆钉线材制造方法按以下步骤进行：
一、按各元素质量百分比为Zn：6.5％～7.2％、Mg：2.8％～3.2％、Cu：1.0％～1.2％、Zr：0.08％～0.18％、V：0.05％～0.15％、Mn：≤0.10％、Si：≤0.08％、Fe：≤0.10％、Cr：≤0.10％和余量的Al称取纯锌锭、纯镁锭、电解铜、Al-Zr中间合金、Al-V中间合金和高纯铝锭作为原料，然后将原料加入到熔炼炉中，在720℃～740℃条件下熔炼6～8小时，得到铝合金熔液；其中原料中Mn、Si、Fe和Cr为杂质元素，来源于铝锭及中间合金，这些杂质元素及含量对铝合金铆钉线材的性能没有影响；
二、将步骤一得到的铝合金熔液导入静置炉中，在温度为720℃～740℃和通有氩氯混合气体的条件下精炼5min～15min，然后在温度为720℃～730℃和通入氩气的条件下精炼10min～20min，静置后得到铸造熔体；所述氩氯混合气体中按体积比包含氩气90％～94％和氯气6％～10％，并且氩氯混合气体中H2、O2、N2或H2O的体积浓度不大于2ppm，CH4体积浓度不大于1ppm；
三、将步骤二得到的铸造熔体在温度为720℃～740℃、铸造速度为65mm/min～70mm/min、冷却水强度为0.01MPa～0.04MPa、冷却水温度为20℃～30℃和炉外在线除气的条件下采用热顶半连续铸造法制备得到直径为205mm～210mm的铸棒；
四、将步骤三得到的铸棒放置在退火炉中，在400℃～420℃的温度下保温10h～15h进行第一级均匀化退火，然后在440℃～470℃的温度下保温20h～25h进行第二级均匀化退火，完成后取出空冷；
五、将经步骤四处理的铸棒车去表面的氧化皮，得到直径为190mm～192mm的铝合金铸棒，并将铸棒切成长度为650mm～700mm的短铸棒；
六、将经步骤五得到的短铸棒放置在空气加热炉中加热，在铝合金短铸锭温度达到420℃～450℃后热挤压成型，得到直径为10mm～12mm铝合金线材；
七、将步骤六制得的铝合金线材进行中间退火；所述中间退火为在380℃～400℃下保温2～3小时；
八、将步骤七退火后的铝合金线材在变形率为10％～20％的条件下通过拉伸模具进行冷拉；
九、将步骤八冷拉得到的铝合金铆钉线材在精度为±2.5℃的固溶热处理炉中固溶处理，得到固溶后的铝合金铆钉线材；所述固溶处理的温度为465℃，固溶处理的时间为1h～2h，固溶处理的介质为水；
十、将步骤九得到的固溶后的铆钉线材放置在精度为±5℃的时效炉中进行时效处理，得高强度铝合金铆钉线材；即完成；所述时效处理的工艺为：在温度为115℃保温4～6h后，升温至135℃保温8～10h。
本发明具备以下有益效果：
本发明高强度航天用铝合金铆钉线材的制备方法，在合金成分设计上就有较高的优化效果，其主元素Zn高于现有用于铝合金制造的其他铝合金，显著提高了铝合金性能。通过保持适当的Mg、Cu含量确保了合金的热处理效果，从而提高了铝合金热处理的效果，提高了铝合金强度，另外，增加了Zr作为细化元素，保证了合金的延伸性能，增加了微量的V，可以提高线材的加工性能；同时，配合优化后的热处理工艺，确保了线材的性能达到了最佳的效果。同时本发明制备的线材抗拉强度不小于580MPa，规定非比例延伸强度不小于500MPa，断后伸长率不小于6％，T4态丝材的抗剪强度不小于320MPa。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：
本实施方式高强度航天用铝合金铆钉线材制造方法按以下步骤进行：
一、按各元素质量百分比为Zn：6.5％～7.2％、Mg：2.8％～3.2％、Cu：1.0％～1.2％、Zr：0.08％～0.18％、V：0.05％～0.15％、Mn：≤0.10％、Si：≤0.08％、Fe：≤0.10％、Cr：≤0.10％和余量的Al称取纯锌锭、纯镁锭、电解铜、Al-Zr中间合金、Al-V中间合金和高纯铝锭作为原料，然后将原料加入到熔炼炉中，在720℃～740℃条件下熔炼6～8小时，得到铝合金熔液；
二、将步骤一得到的铝合金熔液导入静置炉中，在温度为720℃～740℃和通有氩氯混合气体的条件下精炼5min～15min，然后在温度为720℃～730℃和通入氩气的条件下精炼10min～20min，静置后得到铸造熔体；
三、将步骤二得到的铸造熔体在温度为720℃～740℃、铸造速度为65mm/min～70mm/min、冷却水强度为0.01MPa～0.04MPa、冷却水温度为20℃～30℃和炉外在线除气的条件下采用热顶半连续铸造法制备得到直径为205mm～210mm的铸棒；
四、将步骤三得到的铸棒放置在退火炉中，在400℃～420℃的温度下保温10h～15h进行第一级均匀化退火，然后在440℃～470℃的温度下保温20h～25h进行第二级均匀化退火，完成后取出空冷；
五、将经步骤四处理的铸棒车去表面的氧化皮，得到直径为190mm～192mm的铝合金铸棒，并将铸棒切成长度为650mm～700mm的短铸棒；
六、将经步骤五得到的短铸棒放置在空气加热炉中加热，在铝合金短铸锭温度达到420℃～450℃后热挤压成型，得到直径为10mm～12mm铝合金线材；
七、将步骤六制得的铝合金线材进行中间退火；
八、将步骤七退火后的铝合金线材在变形率为10％～20％的条件下通过拉伸模具进行冷拉；
九、将步骤八冷拉得到的铝合金铆钉线材在精度为±2.5℃的固溶热处理炉中固溶处理，得到固溶后的铝合金铆钉线材；
十、将步骤九得到的固溶后的铆钉线材放置在精度为±5℃的时效炉中进行时效处理，得高强度铝合金铆钉线材；即完成。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式高强度航天用铝合金铆钉线材的制备方法，在合金成分设计上就有较高的优化效果，其主元素Zn高于现有用于铝合金制造的其他铝合金，显著提高了铝合金性能。通过保持适当的Mg、Cu含量确保了合金的热处理效果，从而提高了铝合金热处理的效果，提高了铝合金强度，另外，增加了Zr作为细化元素，保证了合金的延伸性能，增加了微量的V，可以提高线材的加工性能；同时，配合优化后的热处理工艺，确保了线材的性能达到了最佳的效果；同时本实施方式制备的线材抗拉强度不小于580MPa，规定非比例延伸强度不小于500MPa，断后伸长率不小于6％，T4态丝材的抗剪强度不小于320MPa。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述按元素质量百分比为Zn：6.8％、Mg：3.0％、Cu：1.1％、Zr：0.15％、V：0.08、Mn：≤0.10％、Si：≤0.08％、Fe：≤0.10％、Cr：≤0.10％和余量的Al称取纯锌锭、纯镁锭、电解铜、Al-Zr中间合金、Al-V中间合金和高纯铝锭作为原料。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述氩氯混合气体中按体积比包含氩气90％～94％和氯气6％～10％，并且氩氯混合气体中H2、O2、N2或H2O的体积浓度不大于2ppm，CH4体积浓度不大于1ppm。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤七所述中间退火为在380℃～400℃下保温2～3小时。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤九所述固溶处理的温度为465℃，固溶处理的时间为1h～2h，固溶处理的介质为水。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤十所述时效处理的工艺为：在温度为115℃保温4～6h后，升温至135℃保温8～10h。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
实施例1：
本实施例高强度航天用铝合金铆钉线材制造方法按以下步骤进行：
一、按元素质量百分比为Zn：6.8％、Mg：3.0％、Cu：1.1％、Zr：0.15％、V：0.08、Mn：≤0.10％、Si：≤0.08％、Fe：≤0.10％、Cr：≤0.10％和余量的Al称取纯锌锭、纯镁锭、电解铜、Al-Zr中间合金、Al-V中间合金和高纯铝锭作为原料，然后将原料加入到熔炼炉中，在720℃～740℃条件下熔炼6～8小时，得到铝合金熔液；其中原料中Mn、Si、Fe和Cr为杂质元素，来源于铝锭及中间合金，这些杂质元素及含量对铝合金铆钉线材的性能没有影响；
二、将步骤一得到的铝合金熔液导入静置炉中，在温度为730℃和通有氩氯混合气体的条件下精炼10min，然后在温度为725℃和通入氩气的条件下精炼15min，静置后得到铸造熔体；所述氩氯混合气体中按体积比包含氩气94％和氯气6％，并且氩氯混合气体中H2、O2、N2或H2O的体积浓度不大于2ppm，CH4体积浓度不大于1ppm；
三、将步骤二得到的铸造熔体在温度为730℃、铸造速度为68mm/min、冷却水强度为0.03MPa、冷却水温度为25℃和炉外在线除气的条件下采用热顶半连续铸造法制备得到直径为208mm的铸棒；
四、将步骤三得到的铸棒放置在退火炉中，在420℃的温度下保温13h进行第一级均匀化退火，然后在450℃的温度下保温23h进行第二级均匀化退火，完成后取出空冷；
五、将经步骤四处理的铸棒车去表面的氧化皮，得到直径为191mm的铝合金铸棒，并将铸棒切成长度为680mm的短铸棒；
六、将经步骤五得到的短铸棒放置在空气加热炉中加热，在铝合金短铸锭温度达到420℃～450℃后热挤压成型，得到直径为12mm铝合金线材；
七、将步骤六制得的铝合金线材进行中间退火；所述中间退火为在390℃下保温2.5小时；
八、将步骤七退火后的铝合金线材在变形率为15％的条件下通过拉伸模具进行冷拉；
九、将步骤八冷拉得到的铝合金铆钉线材在精度为±2.5℃的固溶热处理炉中固溶处理，得到固溶后的铝合金铆钉线材；所述固溶处理的温度为465℃，固溶处理的时间为1.5h，固溶处理的介质为水；
十、将步骤九得到的固溶后的铆钉线材放置在精度为±5℃的时效炉中进行时效处理，得高强度铝合金铆钉线材；即完成；所述时效处理的工艺为：在温度为115℃保温5h后，升温至135℃保温9h。
本实施例具备以下有益效果：
本实施例高强度航天用铝合金铆钉线材的制备方法，在合金成分设计上就有较高的优化效果，其主元素Zn高于现有用于铝合金制造的其他铝合金，显著提高了铝合金性能。通过保持适当的Mg、Cu含量确保了合金的热处理效果，从而提高了铝合金热处理的效果，提高了铝合金强度，另外，增加了Zr作为细化元素，保证了合金的延伸性能，增加了微量的V，可以提高线材的加工性能；同时，配合优化后的热处理工艺，确保了线材的性能达到了最佳的效果；
本实施例制备的航天用铝合金铆钉线材实体尺寸和表面质量良好，工业生产中成型性能好，综合力学性能优良，通过GB/T 16865《变形铝、镁及其合金加工制品拉伸试验用试样及方法》试验测得抗拉强度为615MPa，规定非比例延伸强度为526MPa，断后伸长率为7.5％；通过GB/T3250《铝及铝合金铆钉线与铆钉剪切试验方法及铆钉线铆接试验方法》试验测的T4态丝材的抗剪强度为345MPa。
Claims (3)
1.一种高强度航天用铝合金铆钉线材的制造方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：
一、按各元素质量百分比为Zn：6.5%~7.2%、Mg：2.8%~3.2%、Cu：1.0%~1.2%、Zr：0.08%~0.18%、V：0.05%~0.15%、Mn：≤0.10%、Si：≤0.08%、Fe：≤0.10%、Cr：≤0.10%和余量的Al称取纯锌锭、纯镁锭、电解铜、Al-Zr中间合金、Al-V中间合金和高纯铝锭作为原料，然后将原料加入到熔炼炉中，在720℃~740℃条件下熔炼6~8小时，得到铝合金熔液；
二、将步骤一得到的铝合金熔液导入静置炉中，在温度为720℃~740℃和通有氩氯混合气体的条件下精炼5min~15min，然后在温度为720℃~730℃和通入氩气的条件下精炼10min~20min，静置后得到铸造熔体；
三、将步骤二得到的铸造熔体在温度为720℃~740℃、铸造速度为65mm/min~70mm/min、冷却水强度为0.01MPa~0.04MPa、冷却水温度为20℃~30℃和炉外在线除气的条件下采用热顶半连续铸造法制备得到直径为205mm~210mm的铸棒；
四、将步骤三得到的铸棒放置在退火炉中，在400℃~420℃的温度下保温10h~15h进行第一级均匀化退火，然后在440℃~470℃的温度下保温20h~25h进行第二级均匀化退火，完成后取出空冷；
五、将经步骤四处理的铸棒车去表面的氧化皮，得到直径为190mm~192mm的铝合金铸棒，并将铸棒切成长度为650mm~700mm的短铸棒；
六、将经步骤五得到的短铸棒放置在空气加热炉中加热，在铝合金短铸锭温度达到420℃~450℃后热挤压成型，得到直径为10mm~12mm铝合金线材；
七、将步骤六制得的铝合金线材进行中间退火；
所述中间退火为在380℃~400℃下保温2~3小时；
八、将步骤七退火后的铝合金线材在变形率为10%~20%的条件下通过拉伸模具进行冷拉；
九、将步骤八冷拉得到的铝合金铆钉线材在精度为±2.5℃的固溶热处理炉中固溶处理，得到固溶后的铝合金铆钉线材；
所述固溶处理的温度为465℃，固溶处理的时间为1h~2h，固溶处理的介质为水；
十、将步骤九得到的固溶后的铆钉线材放置在精度为±5℃的时效炉中进行时效处理，得高强度铝合金铆钉线材；即完成；
所述时效处理的工艺为：在温度为115℃保温4~6h后，升温至135℃保温8~10h。
2.根据权利要求1所述的高强度航天用铝合金铆钉线材的制造方法，其特征在于：步骤一所述按元素质量百分比为Zn：6.8%、Mg：3.0%、Cu：1.1%、Zr：0.15%、V：0.08%、Mn：≤0.10%、Si：≤0.08%、Fe：≤0.10%、Cr：≤0.10%和余量的Al称取纯锌锭、纯镁锭、电解铜、Al-Zr中间合金、Al-V中间合金和高纯铝锭作为原料。
3.根据权利要求1所述的高强度航天用铝合金铆钉线材的制造方法，其特征在于：步骤二所述氩氯混合气体中按体积比包含氩气90％～94％和氯气6％～10％，并且氩氯混合气体中H2、O2、N2或H2O的体积浓度不大于2ppm，CH4体积浓度不大于1ppm。
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