CN107236916A - 一种高耐热性能2618合金挤压棒材的生产工艺 - Google Patents

一种高耐热性能2618合金挤压棒材的生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高耐热性能2618合金挤压棒材的生产工艺，所述工艺包括以下步骤：1)加热高耐热性能2618合金材料制成的合金锭；2)加热模具和挤压筒；3)将加热后的模具和锭加入挤压机后进行挤压；4)对挤压后的棒材进行固溶处理；5)对固溶处理后的棒材淬火；6)拉伸淬火后的棒材；7)对拉伸后的棒材进行时效处理。本发明还提供了所述的方法中使用的合金锭，所述合金锭包括按重量百分比计的以下组分Si：0.2‑0.25％、Fe：0.95‑1.18％、Cu：2.2‑2.4％、Mg：1.5‑1.8％、Ni：0.95‑1.18％、Zn≤0.1％、Ti：0.04‑0.1％，余量为Al。

Description

一种高耐热性能2618合金挤压棒材的生产工艺
技术领域
本发明涉及合金领域，具体而言，涉及一种高耐热性能2618合金和一种挤压棒材及其制备方法。
背景技术
2618合金属于2系铝合金，该合金中的Cu、Mg、Fe、Ni元素通过形成强化相和高温稳定相，能够显著提升其耐热性能。通常情况下，2618合金在120℃以上温度下的力学性能高于7系铝合金。正是由于2618铝合金的耐高温特性，已被广泛应用于150℃以上具有较高强度的重要承力构件，如发动机叶片和机壳。
就国内外现有铝挤压加工技术水平而言，2618合金挤压材经T6状态热处理后布氏硬度一般为140左右，抗拉强度410MPa左右，屈服强度340MPa左右，断后伸长率4％～8％。对于较低的T6态力学性能，不但制约着2618合金的应用范围，而且会显著缩短其在高温条件下的服役寿命。因此，国内外科研院所和高校等研究机构均致力于提升2618合金T6态性能和耐高温性能。
据相关报道称：采用形变热处理进行强化，可使2618合金时效后布氏硬度达到155左右，抗拉强度达到460MPa左右，屈服强度达到420MPa左右，断后伸长率控制在4％～6％范围内。但形变热处理是在淬火后需进行较大程度的冷变形(如16％的冷变形)，这对于挤压材而言，无法在保证产品外形尺寸的前提下一次性完成如此大的变形量。因此，通过形变热处理提高2618合金挤压材性能的难度极大。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高耐热性能2618合金挤压棒材的生产工艺，所述工艺通过选择合适的原料以及匹配特定原料组分的工艺参数，使得制备出的成品具有良好的拉伸性能。
本发明的第二目的在于提供一种应用于所述方法中的合金锭，所述合金锭根据工艺的需求在国标范围内选取了最优的组分配比。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明的一个方面涉及一种高耐热性能2618合金挤压棒材的生产工艺，所述工艺包括以下步骤：
1)加热高耐热性能2618合金材料制成的合金锭；
2)加热模具和挤压筒；
3)将加热后的模具和锭加入挤压机后进行挤压；
4)对挤压后的棒材进行固溶处理；
5)对固溶处理后的棒材淬火；
6)拉伸淬火后的棒材；
7)对拉伸后的棒材进行时效处理。
其中，所述挤压的挤压比为10-30。
本发明通过优化固溶处理和人工时效热处理工艺，将一般1-3％的拉伸率提升至2.5-4％，在保证棒材尺寸公差和表面质量的前提下，最大程度的加大了拉伸变形量。
优选地，所述步骤1)中，将锭加热至350-430℃。
优选地，所述步骤2)中，将模具加热至400-480℃，优选地，将挤压机的挤压筒加热至400-450℃。
优选地，所述步骤3)中的挤出速度为0.5m/min-3.5m/min。
优选地，所述步骤4)中的固溶处理具体包括，将挤压后的棒材加热至500℃-540℃进行保温，优选地，保温时间为60min-180min。
优选地，所述步骤5)中的淬火处理，具体包括，将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在25℃-80℃。
根据上述的高耐热性能2618挤压棒材的生产工艺，所述淬火处理中的淬火转移要求为：从打开淬火炉炉门到挤压材全部进入淬火区的转移时间要控制在35秒以内，冷却水在机械装置搅动下形成流动。
优选地，所述步骤6)中，沿棒材长度方向进行2.5％-4％的拉伸。
根据上述的高耐热性能2618挤压棒材的生产工艺，述淬火后拉伸过程，要在淬火后4小时内完成。
优选地，所述步骤7)中的时效处理包括，将拉伸处理后的棒材在170℃-205℃范围内保温10小时-22小时。
本发明中所述的固溶保温温度和时间、人工时效温度和时间参数选择时，保温温度选择上限时保温时间要优先选择下限，保温温度选择下限时保温时间要优先选择上限，否则有可能导致拉伸性能达不到预期效果。
本发明的另一个方面涉及一种合金锭，所述合金包括按重量百分比计的以下组分：
Si：0.2-0.25％、Fe：0.95-1.18％、Cu：2.2-2.4％、Mg：1.5-1.8％、Ni：0.95-1.18％、Zn≤0.1％、Ti：0.04-0.1％，余量为Al。
合金成分中Si元素可提高合金液态下的流动性，也能提高合金耐磨性，为此将其控制在国标上限，即0.2-0.25％；Cu元素是形成Al2Cu和Al2CuMg强化相的主要合金元素之一，含量不宜过高否则合金强度偏低，但含量过高又会降低合金耐蚀性和焊接性能，为此将其控制在中限，即2.2-2.4％；Mg元素是形成Al2CuMg和少量Mg2Si强化相的主要合金元素之一，为提高合金强度，应控制在上限，即1.5-1.8％；Fe和Ni是形成Al9FeNi高温强化相的主要合金元素，Fe和Ni含量比例为1:1才能够保证该强化相含量达到最大值，而且在其他成分不变前提下，Fe含量在1.1％左右时合金强度达到最大值，为此将Fe和Ni含量均控制在0.95-1.18％范围内，Zn为杂质元素应尽量控制在较低限度，根据现有熔铸技术水平，Zn≤0.1％；Ti为细化晶粒微量元素，一般通过AlTiB细化剂加入，宜控制在0.06-0.08％即可。
优选地，所述合金包括按重量百分比计的以下组分：
Si：0.2-0.23％、Fe：0.95-1.05％、Cu：2.25-2.35％、Mg：1.6-1.7％、Ni：0.95-1.05％、Zn≤0.08％、Ti：0.06-0.08％，余量为Al，优选地，Fe和Ni的含量相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的有益效果在于，所述高耐热性能2618合金成分配比优化了合金中各类强化相的比例，易于通过国内现有铝合金熔炼和铸造设备实现；
(2)本发明的高耐热性能2618合金挤压棒材的生产工艺易于实现，根据本发明所述成分配比和工艺生产的2618合金挤压棒材室温拉伸性能提升了10％，220℃下热暴露240小时后抗拉强度仍保持在400MPa左右；
(3)本发明的生产工艺能够使棒材耐热性达到较高程度。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为430℃，所用合金锭合金成分包括按重量百分比计的：
Si：0.21％、Fe：1.15％、Cu：2.25％、Mg：1.64％、Ni：1.12％、Zn：0.06％、Ti：0.07％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为400℃，挤压筒温度控制范围为400℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在0.5m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至500℃±3℃进行保温，保温时间为180min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在80℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行2.5％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在175℃±5℃范围内保温22小时进行时效处理。
实施例2
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为350℃，所用合金锭合金成分包括按重量百分比计的：
Si：0.23％、Fe：1.12％、Cu：2.24％、Mg：1.64％、Ni：1.12％、Zn：0.05％、Ti：0.06％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为480℃，挤压筒温度控制范围为450℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在3.5m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至530℃±3℃进行保温，保温时间为80min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在25℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行3.5％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在200℃±5℃范围内保温10小时进行时效处理。
实施例3
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为430℃，所用合金锭合金成分包括按重量百分比计的：
Si：0.21％、Fe：0.98％、Cu：2.26％、Mg：1.75％、Ni：1.01％、Zn：0.06％、Ti：0.06％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为400℃，挤压筒温度控制范围为400℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在2m/min～2.5m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至510℃±3℃进行保温，保温时间为140min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在40℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行4％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在185℃±5℃范围内保温12小时进行时效处理。
实施例4
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为350℃～430℃，所用合金锭合金成分包括按重量百分比计的：
Si：0.22％、Fe：1.05％、Cu：2.31％、Mg：1.55％、Ni：1.07％、Zn：0.06％、Ti：0.06％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为400℃，挤压筒温度控制范围为400℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在1.5m/min～2.5m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至515℃±3℃进行保温，保温时间为130min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在40℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行3.0％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在175℃±5℃范围内保温14小时进行时效处理。
实施例5
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为350℃～430℃，所用合金锭合金成分包括按重量百分比计的：
Si：0.24％、Fe：1.12％、Cu：2.32％、Mg：1.66％、Ni：1.09％、Zn：0.06％、Ti：0.07％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为400℃，挤压筒温度控制范围为400℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在0.5m/min～2.3m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至535℃±3℃进行保温，保温时间为65min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在40℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行3.5％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在180℃±5℃范围内保温13小时进行时效处理。
实施例6
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为350℃～430℃，所用合金锭合金成分包括按重量百分比计的：
Si：0.22％、Fe：1.03％、Cu：2.31％、Mg：1.62％、Ni：1.02％、Zn：0.07％、Ti：0.05％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为400℃，挤压筒温度控制范围为400℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在0.5m/min～3.5m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至520℃±3℃进行保温，保温时间为110min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在40℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行4.0％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在175℃±5℃范围内保温14小时进行时效处理。
实验例
对以上实施例所得成品取样进行室温拉伸性能试验，相应结果见表1；取样进行热暴露试验，即将试样从室温加热至220℃，并在此温度下保温240小时后再空冷至室温，热暴露试验后取样进行室温拉伸性能试验，结果见表2。
表1时效后2618棒材室温拉伸性能结果(实施例)
表2热暴露试验后2618棒材室温拉伸性能结果(实施例)
从实施例试验数据可以看出，采用本发明所述工艺生产的T6态挤压棒材的室温抗拉强度可达460MPa，与行业内现有数据相比可提升40MPa以上，热暴露后室温抗拉强度可达400MPa以上。
对比例1
合金成分中Fe和Ni含量对合金耐热性能至关重要，其含量偏离本发明所述范围时，将直接导致Al9FeNi耐热相含量的减少。本对比例中，除Fe和Ni含量不符合本发明所述范围外，其余成分和工艺条件均与本发明所述范围相符。
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为430℃，所用合金锭合金成分重量百分比为：
Si：0.23％、Fe：1.25％、Cu：2.28％、Mg：1.71％、Ni：0.92％、Zn:0.07％、Ti：0.06％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为400℃，挤压筒温度控制范围为400℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在0.5m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至500℃±3℃进行保温，保温时间为180min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在80℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行3.5％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在175℃±5℃范围内保温22小时进行时效处理。
对比例2
固溶处理保温温度和保温时间直接决定了溶质原子的固溶程度，若超出本发明所述工艺参数范围，将无法保证固溶效果，从而降低棒材拉伸性能和耐热性能，或者直接导致棒材显微组织过烧报废。
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为320℃，所用合金锭合金成分重量百分比为：
Si：0.23％、Fe：1.12％、Cu：2.24％、Mg：1.64％、Ni：1.12％、Zn：0.05％、Ti：0.06％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为480℃，挤压筒温度控制范围为450℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在1.5-2.8m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至540℃±3℃进行保温，保温时间为190min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在25℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行3.5％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在200℃±5℃范围内保温10小时进行时效处理。
对比例3
固溶处理保温温度和保温时间直接决定了溶质原子的固溶程度，若超出本发明所述工艺参数范围，将无法保证固溶效果，从而降低棒材拉伸性能和耐热性能，或者直接导致棒材显微组织过烧报废。
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为450℃，所用合金锭合金成分重量百分比为：
Si：0.23％、Fe：1.12％、Cu：2.24％、Mg：1.64％、Ni：1.12％、Zn：0.05％、Ti：0.06％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为400℃，挤压筒温度控制范围为400℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在2m/min～2.5m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至505℃±3℃进行保温，保温时间为50min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在40℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行4.0％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在185℃±5℃范围内保温12小时进行时效处理。
对比例4
人工时效是强化相析出过程，保温温度和保温时间直接决定了析出强化相的类型、数量、尺寸，从而直接影响棒材的拉伸性能和耐热性能。若超出本发明所述人工时效参数范围，棒材室温拉伸性能和耐热性能将达不到本发明所述460MPa和400MPa。
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为380℃，所用合金锭合金成分重量百分比为：
Si：0.23％、Fe：1.12％、Cu：2.24％、Mg：1.64％、Ni：1.12％、Zn：0.05％、Ti：0.06％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为400℃，挤压筒温度控制范围为400℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在1.5m/min～2.5m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至515℃±3℃进行保温，保温时间为130min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在40℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行2.5％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在155℃±5℃范围内保温22小时进行时效处理。
对比例5
人工时效是强化相析出过程，保温温度和保温时间直接决定了析出强化相的类型、数量、尺寸，从而直接影响棒材的拉伸性能和耐热性能。若超出本发明所述人工时效参数范围，棒材室温拉伸性能和耐热性能将达不到本发明所述460MPa和400MPa。
(1)合金锭加热：2618合金挤压用合金锭加热温度为380℃，所用合金锭合金成分重量百分比为：
Si：0.23％、Fe：1.12％、Cu：2.24％、Mg：1.64％、Ni：1.12％、Zn：0.05％、Ti：0.06％，余量为Al。
(2)模具和挤压筒加热：挤压用模具加热温度为400℃，挤压筒温度控制范围为400℃。
(3)挤压：将温度满足要求的模具和合金锭装入挤压机，调整挤压杆速度使棒材挤出速度控制在1.5m/min～2.5m/min进行挤压。
(4)固溶处理：将挤压后的棒材加热至515℃±3℃进行保温，保温时间为130min。
(5)淬火处理：将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在40℃。
(6)拉伸：将冷却后的2618合金挤压棒材沿长度方向上进行4.0％的拉伸。
(7)人工时效：将拉伸后的2618合金挤压棒材在215℃±5℃范围内保温10小时进行时效处理。
对按照以上对比例工艺条件生产所得的成品进行取样，并室温拉伸性能测试，相应结果见表3；取样进行热暴露试验，即将试样从室温加热至220℃，并在此温度下保温240小时后再空冷至室温，热暴露试验后取样进行室温拉伸性能试验，结果见表4。
表3时效后2618棒材室温拉伸性能结果(对比例)
表4热暴露试验后2618棒材室温拉伸性能结果(对比例)
从对比例的试验数据可以看出，不采用本发明所述合金成分配比或工艺参数生产的T6态2618合金挤压棒材的室温抗拉强度无法达到460MPa，基本维持在420MPa左右，与行业内现有数据相当，热暴露后室温抗拉强度衰减至342-386MPa。由此可见，不采用本发明所述合金成分配比或工艺参数生产的T6态2618合金挤压棒材的室温拉伸性能和耐热性能无法得到提高。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种高耐热性能2618合金挤压棒材的生产工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
1)加热高耐热性能2618合金材料制成的合金锭；
2)加热模具和挤压筒；
3)将加热后的模具和锭加入挤压机后进行挤压；
4)对挤压后的棒材进行固溶处理；
5)对固溶处理后的棒材淬火；
6)拉伸淬火后的棒材；
7)对拉伸后的棒材进行时效处理；
其中，所述挤压的挤压比为10-30。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，将锭加热至350-430℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中，将模具加热至400-480℃，优选地，将挤压机的挤压筒加热至400-450℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中的挤出速度为0.5m/min-3.5m/min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中的固溶处理具体包括，将挤压后的棒材加热至500℃-540℃进行保温，优选地，保温时间为60min-180min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中的淬火处理，具体包括，将保温后的棒材快速放入水中进行冷却处理，冷却水温控制在25℃-80℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6)中，沿棒材长度方向进行2.5％-4％的拉伸。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7)中的时效处理包括，将拉伸处理后的棒材在170℃-205℃范围内保温10小时-22小时。
9.权利要求1-8中任意一项所述的方法中使用的合金锭，其特征在于，所述合金锭包括按重量百分比计的以下组分：
Si：0.2-0.25％、Fe：0.95-1.18％、Cu：2.2-2.4％、Mg：1.5-1.8％、Ni：0.95-1.18％、Zn≤0.1％、Ti：0.04-0.1％，余量为Al。
10.根据权利要求9所述的合金锭，其特征在于，所述合金锭包括按重量百分比计的以下组分：
Si：0.2-0.23％、Fe：0.95-1.05％、Cu：2.25-2.35％、Mg：1.6-1.7％、Ni：0.95-1.05％、Zn≤0.08％、Ti：0.06-0.08％，余量为Al，优选地，Fe和Ni的含量相同。
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