CN108103371A - 一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，它涉及一种航天紧固件用铝合金线材制作方法。本发明的目的要解决现有铝合金线材存在抗拉强度低，规定非比例延伸强度低，断后伸长率低的问题。制作方法：一、以纯镁锭、锌锭、纯铜板、Al‑Zr中间合金和高纯铝锭为原料进行熔炼；二、精炼；三、喷射成形；四、车削得到铝合金短棒锭；五、一次挤压；六、二次挤压；七、退火；八、拉伸和退火；九、盘卷；十、经过淬火和双级时效，得到高性能航天紧固件用铝合金线材。优点：力学性能抗拉强度可以达到660MPa以上，规定非比例延伸强度达到650MPa以上，断后伸长率达到11.0％以上。本发明主要用于制备高性能航天紧固件用铝合金线材。

Description

一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法
技术领域
本发明涉及一种航天紧固件用铝合金线材制作方法。
背景技术
随着我国航天事业的发展，对于紧固件材料也提出了更高的要求，随着航天减重的要求，对于紧固件多采用钛合金代替钢材，而近两年超高强铝合金的快速发展，也出现了少量的铝合金材料代替钢材和钛合金的紧固件，但是现有的铝合金线材的抗拉强度仅为500MPa，规定非比例延伸强度仅为500MPa，断后伸长率仅为10％，因此现有的铝合金线材无法应用于航天紧固件。
发明内容
本发明的目的要解决现有铝合金线材存在抗拉强度低，规定非比例延伸强度低，断后伸长率低的问题，而提供一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法。
一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，具体是按以下步骤完成的：
一、熔炼：按Zn的质量分数为7.6％～8.4％、Mg的质量分数为1.8％～3.2％、Cu的质量分数为2.0％～2.6％、Zr的质量分数为0.12％～0.25％、Ti的质量分数为0.02％～0.05％、Mn的质量分数为0.02％～0.05％、Si的质量分数≤0.05％、Fe的质量分数为≤0.05％、Cr的质量分数为≤0.04％和余量为Al，且Zr和Ti的质量分数之和≤0.25％称取纯镁锭、锌锭、纯铜板、Al-Zr中间合金和高纯铝锭作为原料，将高纯铝锭加入熔炼炉中，在温度为770℃～800℃条件下熔炼至高纯铝锭完全融化，然后加入纯镁锭、锌锭、纯铜板和Al-Zr中间合金，继续在温度为770℃～800℃熔炼至原料全部融化为止，得到铝合金熔液；
二、精炼：将铝合金熔液转到静置炉内，将静置炉内炉温控制为740℃～760℃，并通氩气，在温度为740℃～760℃氩气保护下精炼25min～40min，再静置20min～30min后得到铸造熔体；
三、成形：采用喷射成形方式将铸造熔体进行成形，喷射成形工艺参数：雾化温度为740℃～760℃，雾化距为450mm～600mm，斜喷角为30°～40°，接收盘旋转速度为40r·min-1～60r·min-1,下降速度为2mm·s-1～4mm·s-1，得到喷射锭坯；
四、车削：将喷射锭坯车削去表面的氧化皮，得到直径为480mm～482mm的铝合金喷射皮料，再切成长度为1000mm～1050mm的短棒，得到铝合金短棒锭；
五、一次挤压：将铝合金短棒锭放置在空气加热炉中加热，当温度达到420℃～460℃后对铝合金短棒锭进行热挤压，热挤压过程如下：先采用盲模进行挤压，挤压力不小于300MN，盲模挤压时间25s，然后采用挤压直径为162mm铝合金棒材工具挤压棒材，得到铝合金棒材，所述铝合金棒材的直径为162mm；
六、二次挤压：将铝合金棒材切成长度为450mm的棒坯，然后将长度为450mm的棒坯放置在空气加热炉中加热，当温度达到420℃～460℃后对长度为450mm的棒坯进行热挤压，得到Φ14mm的直条圆棒；
七、退火：将Φ14mm的直条圆棒在退火炉中进行退火，退火工艺参数：温度为460℃，退火时间3h，然后以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃～250℃后出炉，得到退火棒材；
八、拉伸、退火：将退火棒材按照冷拉棒材工艺对其进行拉伸，由Φ14mm拉伸至Φ10.84mm，得到拉伸后棒材，然后进行退火，退火工艺参数：温度为460℃，退火时间3h，然后以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃～250℃后出炉，得到退火后成品线材；
九、盘卷：将退火后成品线材在线材判卷机上进行盘卷，得到紧固件用铝合金线材；
十、淬火：将紧固件用铝合金线材打钉后采用469℃淬火温度淬火，淬火保温时间为1h，时效采用双级时效，先在温度为120℃保温5h，然后后升温至160℃，并在温度为160℃保温7h，得到高性能航天紧固件用铝合金线材。
本发明优点：本发明制备的高性能航天紧固件用铝合金线材在合金成分设计上就有较高的优化效果，如此高合金化的铝合金紧固件是首次被研发和应用，在坯料制备上采用的喷射方式进行料成形代替传统的铸造成形，解决溶体质量问题，本发明步骤三中得到的喷射锭坯质量可以达到AAA级的探伤级别，是传统熔铸高合金化铝合金难以实现的。在挤压过程中增加了盲目挤压的新工艺要求，保证了合金的综合性能和内部组织，因此本发明制备的高性能航天紧固件用铝合金线材的力学性能抗拉强度可以达到660MPa以上，规定非比例延伸强度达到650MPa以上，断后伸长率达到11.0％以上。
本发明主要用于制备高性能航天紧固件用铝合金线材。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，具体是按以下步骤完成的：
一、熔炼：按Zn的质量分数为7.6％～8.4％、Mg的质量分数为1.8％～3.2％、Cu的质量分数为2.0％～2.6％、Zr的质量分数为0.12％～0.25％、Ti的质量分数为0.02％～0.05％、Mn的质量分数为0.02％～0.05％、Si的质量分数≤0.05％、Fe的质量分数为≤0.05％、Cr的质量分数为≤0.04％和余量为Al，且Zr和Ti的质量分数之和≤0.25％称取纯镁锭、锌锭、纯铜板、Al-Zr中间合金和高纯铝锭作为原料，将高纯铝锭加入熔炼炉中，在温度为770℃～800℃条件下熔炼至高纯铝锭完全融化，然后加入纯镁锭、锌锭、纯铜板和Al-Zr中间合金，继续在温度为770℃～800℃熔炼至原料全部融化为止，得到铝合金熔液；
二、精炼：将铝合金熔液转到静置炉内，将静置炉内炉温控制为740℃～760℃，并通氩气，在温度为740℃～760℃氩气保护下精炼25min～40min，再静置20min～30min后得到铸造熔体；
三、成形：采用喷射成形方式将铸造熔体进行成形，喷射成形工艺参数：雾化温度为740℃～760℃，雾化距为450mm～600mm，斜喷角为30°～40°，接收盘旋转速度为40r·min-1～60r·min-1,下降速度为2mm·s-1～4mm·s-1，得到喷射锭坯；
四、车削：将喷射锭坯车削去表面的氧化皮，得到直径为480mm～482mm的铝合金喷射皮料，再切成长度为1000mm～1050mm的短棒，得到铝合金短棒锭；
五、一次挤压：将铝合金短棒锭放置在空气加热炉中加热，当温度达到420℃～460℃后对铝合金短棒锭进行热挤压，热挤压过程如下：先采用盲模进行挤压，挤压力不小于300MN，盲模挤压时间25s，然后采用挤压直径为162mm铝合金棒材工具挤压棒材，得到铝合金棒材，所述铝合金棒材的直径为162mm；
六、二次挤压：将铝合金棒材切成长度为450mm的棒坯，然后将长度为450mm的棒坯放置在空气加热炉中加热，当温度达到420℃～460℃后对长度为450mm的棒坯进行热挤压，得到Φ14mm的直条圆棒；
七、退火：将Φ14mm的直条圆棒在退火炉中进行退火，退火工艺参数：温度为460℃，退火时间3h，然后以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃～250℃后出炉，得到退火棒材；
八、拉伸、退火：将退火棒材按照冷拉棒材工艺对其进行拉伸，由Φ14mm拉伸至Φ10.84mm，得到拉伸后棒材，然后进行退火，退火工艺参数：温度为460℃，退火时间3h，然后以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃～250℃后出炉，得到退火后成品线材；
九、盘卷：将退火后成品线材在线材判卷机上进行盘卷，得到紧固件用铝合金线材；
十、淬火：将紧固件用铝合金线材打钉后采用469℃淬火温度淬火，淬火保温时间为1h，时效采用双级时效，先在温度为120℃保温5h，然后后升温至160℃，并在温度为160℃保温7h，得到高性能航天紧固件用铝合金线材。
本实施方式制备的高性能航天紧固件用铝合金线材在合金成分设计上就有较高的优化效果，如此高合金化的铝合金紧固件是首次被研发和应用，在坯料制备上采用的喷射方式进行料成形代替传统的铸造成形，解决溶体质量问题，本实施方式步骤三中得到的喷射锭坯质量可以达到AAA级的探伤级别，是传统熔铸高合金化铝合金难以实现的。在挤压过程中增加了盲目挤压的新工艺要求，保证了合金的综合性能和内部组织，因此本实施方式制备的高性能航天紧固件用铝合金线材的力学性能抗拉强度可以达到660MPa以上，规定非比例延伸强度达到650MPa以上，断后伸长率达到11.0％以上。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中按Zn的质量分数为8％、Mg的质量分数为2.7％、Cu的质量分数为2.4％、Zr的质量分数为0.18％、Ti的质量分数为0.04％、Mn的质量分数为0.04％、Si的质量分数≤0.05％、Fe的质量分数为≤0.05％、Cr的质量分数为≤0.04％和余量为Al称取纯镁锭、锌锭、纯铜板、Al-Zr中间合金和高纯铝锭作为原料。其他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之一不同点是：步骤一中将高纯铝锭加入熔炼炉中，在温度为780℃条件下熔炼至高纯铝锭完全融化，然后加入纯镁锭、锌锭、纯铜板和Al-Zr中间合金，继续在温度为780℃熔炼至原料全部融化为止，得到铝合金熔液。其他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点是：步骤二中将铝合金熔液转到静置炉内，将静置炉内炉温控制为750℃，并通氩气，在温度为750℃氩气保护下精炼30min，再静置30min后得到铸造熔体。其他与具体实施方式一至三相同。
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点是：步骤三中喷射成形工艺参数：雾化温度为750℃，雾化距为550mm，斜喷角为37°，接收盘旋转速度为50r·min-1,下降速度为2mm·s-1，得到喷射锭坯。其他与具体实施方式一至四相同。
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点是：步骤五中将铝合金短棒锭放置在空气加热炉中加热，当温度达到430℃后对铝合金短棒锭进行热挤压。其他与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤六中将铝合金棒材切成长度为450mm的棒坯，然后将长度为450mm的棒坯放置在空气加热炉中加热，当温度达到430℃后对长度为450mm的棒坯进行热挤压，得到Φ14mm的直条圆棒。其他与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤七中以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃后出炉，得到退火棒材。其他与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤八中以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃后出炉，得到退火后成品线材。其他与具体实施方式一至八相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果
实施例1：一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，具体是按以下步骤完成的：
一、熔炼：按Zn的质量分数为8.0％、Mg的质量分数为2.7％、Cu的质量分数为2.4％、Zr的质量分数为0.18％、Ti的质量分数为0.04％、Mn的质量分数为0.04％、Si的质量分数≤0.05％、Fe的质量分数为≤0.05％、Cr的质量分数为≤0.04％和余量为Al称取纯镁锭、锌锭、纯铜板、Al-Zr中间合金和高纯铝锭作为原料，将高纯铝锭加入熔炼炉中，在温度为780℃条件下熔炼至高纯铝锭完全融化(熔炼6h～8h)，然后加入纯镁锭、锌锭、纯铜板和Al-Zr中间合金，继续在温度为780℃熔炼至原料全部融化为止(熔炼1h)，得到铝合金熔液；
二、精炼：将铝合金熔液转到静置炉内，将静置炉内炉温控制为750℃，并通氩气，在温度为750℃氩气保护下精炼30min，再静置30min后得到铸造熔体；
三、成形：采用喷射成形方式将铸造熔体进行成形，喷射成形工艺参数：雾化温度为750℃，雾化距为550mm，斜喷角为37°，接收盘旋转速度为50r·min-1,下降速度为2mm·s-1，得到喷射锭坯；
四、车削：将喷射锭坯车削去表面的氧化皮，得到直径为482mm的铝合金喷射皮料，再切成长度为1050mm的短棒，得到铝合金短棒锭；
五、一次挤压：将铝合金短棒锭放置在空气加热炉中加热，当温度达到430℃后对铝合金短棒锭进行热挤压，热挤压过程如下：先采用盲模进行挤压，挤压力不小于300MN，盲模挤压时间25s，然后采用挤压直径为162mm铝合金棒材工具挤压棒材，得到铝合金棒材，所述铝合金棒材的直径为162mm；
六、二次挤压：将铝合金棒材切成长度为450mm的棒坯，然后将长度为450mm的棒坯放置在空气加热炉中加热，当温度达到430℃后对长度为450mm的棒坯进行热挤压，得到Φ14mm的直条圆棒；
七、退火：将Φ14mm的直条圆棒在退火炉中进行退火，退火工艺参数：温度为460℃，退火时间3h，然后以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃后出炉，得到退火棒材；
八、拉伸、退火：将退火棒材按照冷拉棒材工艺对其进行拉伸，由Φ14mm拉伸至Φ10.84mm，得到拉伸后棒材，然后进行退火，退火工艺参数：温度为460℃，退火时间3h，然后以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃后出炉，得到退火后成品线材；
九、盘卷：将退火后成品线材在线材判卷机上进行盘卷，得到紧固件用铝合金线材；
十、淬火：将紧固件用铝合金线材打钉后采用469℃淬火温度淬火，淬火保温时间为1h，时效采用双级时效，先在温度为120℃保温5h，然后后升温至160℃，并在温度为160℃保温7h，得到高性能航天紧固件用铝合金线材。
对本实施例步骤三得到的喷射锭坯进行检测可知，本实施例步骤三得到的喷射锭坯达到AAA级的探伤级别，是传统熔铸高合金化铝合金难以实现的。
本实施例在挤压过程中增加了盲目挤压的新工艺要求，保证了合金的综合性能和内部组织，对本实施例得到的高性能航天紧固件用铝合金线材进行检测可知，本实施例得到的高性能航天紧固件用铝合金线材的力学性能抗拉强度为676MPa，规定非比例延伸强度为668MPa，断后伸长率为13.8％。

Claims (9)

1.一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，其特征在于一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法是按以下步骤完成的：
一、熔炼：按Zn的质量分数为7.6％～8.4％、Mg的质量分数为1.8％～3.2％、Cu的质量分数为2.0％～2.6％、Zr的质量分数为0.12％～0.25％、Ti的质量分数为0.02％～0.05％、Mn的质量分数为0.02％～0.05％、Si的质量分数≤0.05％、Fe的质量分数为≤0.05％、Cr的质量分数为≤0.04％和余量为Al，且Zr和Ti的质量分数之和≤0.25％称取纯镁锭、锌锭、纯铜板、Al-Zr中间合金和高纯铝锭作为原料，将高纯铝锭加入熔炼炉中，在温度为770℃～800℃条件下熔炼至高纯铝锭完全融化，然后加入纯镁锭、锌锭、纯铜板和Al-Zr中间合金，继续在温度为770℃～800℃熔炼至原料全部融化为止，得到铝合金熔液；
二、精炼：将铝合金熔液转到静置炉内，将静置炉内炉温控制为740℃～760℃，并通氩气，在温度为740℃～760℃氩气保护下精炼25min～40min，再静置20min～30min后得到铸造熔体；
三、成形：采用喷射成形方式将铸造熔体进行成形，喷射成形工艺参数：雾化温度为740℃～760℃，雾化距为450mm～600mm，斜喷角为30°～40°，接收盘旋转速度为40r·min-1～60r·min-1,下降速度为2mm·s-1～4mm·s-1，得到喷射锭坯；
四、车削：将喷射锭坯车削去表面的氧化皮，得到直径为480mm～482mm的铝合金喷射皮料，再切成长度为1000mm～1050mm的短棒，得到铝合金短棒锭；
五、一次挤压：将铝合金短棒锭放置在空气加热炉中加热，当温度达到420℃～460℃后对铝合金短棒锭进行热挤压，热挤压过程如下：先采用盲模进行挤压，挤压力不小于300MN，盲模挤压时间25s，然后采用挤压直径为162mm铝合金棒材工具挤压棒材，得到铝合金棒材，所述铝合金棒材的直径为162mm；
六、二次挤压：将铝合金棒材切成长度为450mm的棒坯，然后将长度为450mm的棒坯放置在空气加热炉中加热，当温度达到420℃～460℃后对长度为450mm的棒坯进行热挤压，得到Φ14mm的直条圆棒；
七、退火：将Φ14mm的直条圆棒在退火炉中进行退火，退火工艺参数：温度为460℃，退火时间3h，然后以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃～250℃后出炉，得到退火棒材；
八、拉伸、退火：将退火棒材按照冷拉棒材工艺对其进行拉伸，由Φ14mm拉伸至Φ10.84mm，得到拉伸后棒材，然后进行退火，退火工艺参数：温度为460℃，退火时间3h，然后以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃～250℃后出炉，得到退火后成品线材；
九、盘卷：将退火后成品线材在线材判卷机上进行盘卷，得到紧固件用铝合金线材；
十、淬火：将紧固件用铝合金线材打钉后采用469℃淬火温度淬火，淬火保温时间为1h，时效采用双级时效，先在温度为120℃保温5h，然后后升温至160℃，并在温度为160℃保温7h，得到高性能航天紧固件用铝合金线材。
2.根据权利要求1所述的一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，其特征在于步骤一中按Zn的质量分数为8％、Mg的质量分数为2.7％、Cu的质量分数为2.4％、Zr的质量分数为0.18％、Ti的质量分数为0.04％、Mn的质量分数为0.04％、Si的质量分数≤0.05％、Fe的质量分数为≤0.05％、Cr的质量分数为≤0.04％和余量为Al称取纯镁锭、锌锭、纯铜板、Al-Zr中间合金和高纯铝锭作为原料。
3.根据权利要求1所述的一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，其特征在于步骤一中将高纯铝锭加入熔炼炉中，在温度为780℃条件下熔炼至高纯铝锭完全融化，然后加入纯镁锭、锌锭、纯铜板和Al-Zr中间合金，继续在温度为780℃熔炼至原料全部融化为止，得到铝合金熔液。
4.根据权利要求1所述的一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，其特征在于步骤二中将铝合金熔液转到静置炉内，将静置炉内炉温控制为750℃，并通氩气，在温度为750℃氩气保护下精炼30min，再静置30min后得到铸造熔体。
5.根据权利要求1所述的一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，其特征在于步骤三中喷射成形工艺参数：雾化温度为750℃，雾化距为550mm，斜喷角为37°，接收盘旋转速度为50r·min-1,下降速度为2mm·s-1，得到喷射锭坯。
6.根据权利要求1所述的一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，其特征在于步骤五中将铝合金短棒锭放置在空气加热炉中加热，当温度达到430℃后对铝合金短棒锭进行热挤压。
7.根据权利要求1所述的一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，其特征在于步骤六中将铝合金棒材切成长度为450mm的棒坯，然后将长度为450mm的棒坯放置在空气加热炉中加热，当温度达到430℃后对长度为450mm的棒坯进行热挤压，得到Φ14mm的直条圆棒。
8.根据权利要求1所述的一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，其特征在于步骤七中以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃后出炉，得到退火棒材。
9.根据权利要求1所述的一种高性能航天紧固件用铝合金线材制作方法，其特征在于步骤八中以不大于30℃/h的冷却速度冷却至240℃后出炉，得到退火后成品线材。
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