CN109175908A - 紧固件坯料用大卷重无接头高强度铝合金盘圆的制备方法 - Google Patents

紧固件坯料用大卷重无接头高强度铝合金盘圆的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金加工领域，提出了紧固件坯料用大卷重无接头高强度铝合金盘圆的制备方法，制备方法包括以下步骤：通过直冷连铸方法制备直径60‑100mm，单根长度10‑27米范围内的高强铝合金铸棒；对铸棒进行双级均质和铣面处理；将处理后的铸棒进行梯度加热并通过短应力线连轧机组轧至直径10‑12mm的铝合金杆；将粗轧铝杆退火，然后通过精连轧机组冷轧至3.6‑8mm的盘圆；将轧制盘圆经过1道次整径拉拔后打卷包装。本发明方法能够实现大卷重无接头、高品质、高强度铝合金盘圆的生产制备。无接头单根盘圆最大重量可达550公斤，合金组织细小均匀，头部与尾部性能差异小于5％。

Description

紧固件坯料用大卷重无接头高强度铝合金盘圆的制备方法
技术领域
本发明属于铝合金加工领域，具体涉及一种紧固件坯料用大卷重无接头高强度铝合金盘圆的制备方法。
背景技术
伴随着轻量化的发展趋势，铝合金作为轻合金结构材料的代表，愈来愈多的应用于现代工业的各个领域。铝合金的大量应用必将涉及材料之间的连接问题，由于铝合金自身特性，强度大于460MPa的铝合金通常不建议采用焊接的方式连接，铆接和栓接是高强铝合金常用的连接方式。出于性能匹配和防止腐蚀的原则，铝合金的连接应该采用铝合金紧固件。目前国内的铝合金紧固件生产方式比较落后，最突出的问题就是国内不能提供大卷重无接头的高强度铝合金盘圆，导致无法通过先进的自动化设备连续高效率的生产铝合金铆钉和螺栓。当前铝合金盘圆的制备方法包括挤压-拉拔、连铸连轧、连续挤压等。
挤压-拉拔的工艺流程是首先通过半连续铸造技术制备出铝合金圆铸棒，铸棒定尺锯切后通过挤压机将铸棒挤压成直径10mm左右的铝杆，然后再通过多道次拉拔获得盘圆。该方式适应性广，基本可以生产所有系列的变形铝合金，但由于受到挤压筒长度和挤压比的限制，单根无接头盘圆的长度和重量受限，最多也就是二、三十公斤，满足不了现代化自动紧固件生产设备的需求。另外，由于挤压过程金属流动的不均匀性和挤压温度的不稳定性，导致制品存在组织性能不均的问题。
连铸连轧的工艺流程是通过轮带式连铸生产出梯形连铸坯，然后热连轧至10mm左右的棒材，该工艺产品不受重量限制，理论上可以生产无限长的无接头铝材。但是该工艺只能生产中低强度的铝合金，受工艺特点的限制，无法生产抗拉强度460MPa以上的高强度铝合金盘圆。
连续挤压的工艺流程是先通过水平连铸生产出10-16mm的小直径圆铸坯，然后通过连续挤压机进行连续挤压，最终获得3-10mm的铝合金线材。该工艺也可以解决铝材的长度问题，但是由于该工艺的铸坯直径较小，导致铸态偏析层相对占比过大，另外，还存在变形量不足的问题。因此，该工艺不适合生产对组织性能要求比较高的高强铝合金。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种“半连续铸造+粗连轧+精连轧+整径拉拔”制备高强度铝合金线棒材的方法，先通过直冷连铸制备高强铝合金铸棒，然后再通过粗连轧、精连轧、整径拉拔制备大卷重无接头铝合金盘圆，并辅以一系列的关键工艺参数控制，实现了大卷重无接头、高品质、高强度铝合金盘圆的生产制备。
本发明技术方案如下：
一种紧固件坯料用大卷重无接头高强度铝合金盘圆的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：通过直冷连铸方法制备高强铝合金铸棒；
步骤2：对铸棒进行均质和铣面处理；
步骤3：将经过均质和铣面处理的铸棒通过粗连轧机组热轧至杆材；
步骤4：将粗轧铝杆退火，然后通过精连轧机组冷轧至盘圆；
步骤5：将轧制盘圆经过1道次整径拉拔；
步骤6：成品打卷包装。
所述步骤1高强铝合金铸棒制备要求：(1)合金牌号为2000系列和7000系列的高强度或超高强度铝合金；(2)采用直冷铸造工艺，铸造温度680-750℃，铸造速度115-300mm/min；(3)在结晶区施加电磁搅拌以细化晶粒，磁场频率50Hz，励磁电流100-200A，平均晶粒尺寸控制在30-100μm；(4)在结晶区施加油膜控制铸锭与结晶器之间的一次冷却强度和界面润滑，保证控制铸棒表面偏析层小于3mm；(4)铸棒直径60-100mm，单根铸棒长度10-27米。
所述步骤2铸棒均质和铣面要求：(1)均质温度460-550℃，均质时间10-36小时，均质分两级进行，第二级均质温度比第一级高5-15℃，第二级均质时间为第一级均质时间的20-30％；(2)均质效果需保证铸态组织残余相比例在1.5％以下，最大残余相尺寸小于60μm；(3)铸棒铣面厚度1-3.5mm。
所述步骤3的轧制要求：(1)采用短应力线连轧机组，轧制道次10-16道，每一道次机架均为独立动力传动；(2)轧机轧辊采用平-立交替布置，第一道次轧机为水平轧机；(3)前50％道次延伸系数范围1.27-1.39，后50％道次延伸系数1.20-1.32；(4)轧制温度360-510℃，铸棒呈梯度加热，先入轧机端比尾端加热温度高15-35℃，温度梯度沿铸棒长度均匀分布；(5)轧制速度0.5-10m/s；(6)通过轧制温度、轧制速度、轧制道次、道次变形量的配合，控制轧制过程动态再结晶晶粒比例小于30％；(7)热轧成品直径10-12mm。
所述步骤4的轧制要求：(1)轧机机型为二辊轧机，轧辊采用平-立交替布置；(2)采用冷连轧，轧制道次6-12；(3)道次延伸系数范围1.1-1.2；(4)冷轧成品直径3.6-8mm。
所述步骤5的拉拔要求：(1)拉拔为单道次整径拉拔；(2)拉拔延伸系数1.03-1.15；(3)拉拔成品直径公差小于等于±(直径×0.01)。
本发明的有益效果为：通过以上步骤实现了大卷重无接头、高品质、高强度铝合金盘圆的生产，制备的无接头单根成品重量范围为70-550公斤，成品率95％以上，成品晶粒组织呈纤维状，合金组织细小均匀，纤维晶粒直径控制在10-40μm，盘圆表层与中部晶粒尺寸差异小于10％，头部与尾部性能差异小于5％。
具体实施方式
实施例1
合金铸造：合金牌号为7050铝合金，在反射式熔铝炉中进行熔炼和合金化，通过直冷铸造法进行铸造；铸造温度为710℃，铸造速度140mm/min，铸棒直径95mm，单支铸棒长度20米；在结晶区施加电磁搅拌以细化晶粒，磁场频率50Hz，励磁电流180A，平均晶粒尺寸70-90μm；在结晶区施加油膜控制铸锭与结晶器之间的一次冷却强度和界面润滑，控制铸棒表面偏析层小于2.5mm。
铸棒均质与铣面：铸棒进行两级均质处理，经过均质处理才能使非平衡相充分溶解、消除微观偏析、提高成份的均匀性，以利于后续的轧制变形。均质温度过低不能保证均质效果，而均质温度过高则容易产生过烧而使材料成为废品。两级均质可以保证在获得良好均质效果的同时避免过烧。第一级温度465℃，保温时间26小时，第二级均质温度温度480℃，均质时间5.5小时；均质后取样检测残余相面积比例为1.2％，最大残余相尺寸10μm；均质后铸棒铣面，铣面厚度2.5mm。
热连轧：将均质铣面后的铸棒加热至390-410℃后开始轧制，铸棒入轧端温度410℃，铸棒尾端加热温度390℃。轧机采用短应力线连轧机组，轧辊直径350mm，轧辊分平-立交替布置，轧制道次16道，道次延伸系数分别为1.34-1.33-1.36-1.34-1.36-1.34-1.35-1.33-1.31-1.29-1.31-1.29-1.29-1.26-1.23-1.21；最后道次轧制速度1.5m/s；轧制成品直径10.5mm，轧制组织无明显动态再结晶组织。
冷连轧：将热轧成品退火后进行冷轧，轧机机型为二辊轧机，轧辊采用平-立交替布置；轧制道次为8，道次延伸系数分别为1.18-1.16-1.16-1.15-1.16-1.15-1.14-1.13，冷轧成品直径5.9mm。
整径拉拔：单道次整径拉拔，拉拔延伸系数1.06，拉拔成品直径5.7mm，拉拔成品直径公差±0.05mm。
通过以上步骤实现了高强度7075铝合金盘圆的连轧生产，制备的无接头单根成品重量为327公斤，成品晶粒组织呈纤维状，纤维晶粒直径控制在10-30μm，盘圆表层与中部晶粒尺寸差异小于10％，头部与尾部性能差异小于5％。
实施例2
合金铸造：合金牌号为2A12铝合金，在反射式熔铝炉中进行熔炼和合金化，通过直冷铸造法进行铸造；铸造温度为730℃，铸造速度260mm/min，铸棒直径60mm，单支铸棒长度27米；在结晶区施加电磁搅拌以细化晶粒，磁场频率50Hz，励磁电流100A，平均晶粒尺寸30-60μm；在结晶区施加油膜控制铸锭与结晶器之间的一次冷却强度和界面润滑，控制铸棒表面偏析层小于1.8mm。
铸棒均质与铣面：铸棒进行两级均质处理，经过均质处理才能使非平衡相充分溶解、消除微观偏析、提高成份的均匀性，以利于后续的轧制变形。均质温度过低不能保证均质效果，而均质温度过高则容易产生过烧而使材料成为废品。两级均质可以保证在获得良好均质效果的同时避免过烧。第一级温度490℃，保温时间30小时，第二级均质温度温度500℃，均质时间7小时；均质后取样检测残余相面积比例为1％，最大残余相尺寸15μm；均质后铸棒铣面，铣面厚度1.8mm。
热连轧：将均质铣面后的铸棒加热至420-440℃后开始轧制，铸棒入轧端温度440℃，铸棒尾端加热温度420℃。轧机采用短应力线连轧机组，轧辊直径350mm，轧辊分平-立交替布置，轧制道次12道，道次延伸系数分别为1.34-1.33-1.38-1.36-1.34-1.38-1.29-1.31-1.30-1.26-1.23-1.21；最后道次轧制速度2m/s；轧制成品直径11.2mm，轧制组织无明显动态再结晶组织。
冷连轧：将热轧成品退火后进行冷轧，轧机机型为二辊轧机，轧辊采用平-立交替布置；轧制道次为12，道次延伸系数分别为1.18-1.16-1.18-1.16-1.15-1.15-1.16-1.15-1.14-1.13-1.12-1.12，冷轧成品直径4.8mm。
整径拉拔：单道次整径拉拔，拉拔延伸系数1.12，拉拔成品直径4.5mm，拉拔成品直径公差±0.05mm。
通过以上步骤实现了高强度2A12铝合金盘圆的连轧生产，制备的无接头单根成品重量为176公斤，成品晶粒组织呈纤维状，纤维晶粒直径控制在10-30μm，盘圆表层与中部晶粒尺寸差异小于10％，头部与尾部性能差异小于5％。
以上通过具体实施例对本发明技术方案作了进一步说明，给出的例子仅是应用范例，不能理解为对本发明权利要求保护范围的一种限制。

Claims (10)

1.紧固件坯料用大卷重无接头高强度铝合金盘圆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过直冷连铸方法制备高强铝合金铸棒；
步骤2：对铸棒进行均质和铣面处理；
步骤3：将经过均质和铣面处理的铸棒通过粗连轧机组热轧至杆材；
步骤4：将粗轧铝杆退火，然后通过精连轧机组冷轧至盘圆；
步骤5：将轧制盘圆经过1道次整径拉拔；
步骤6：成品打卷包装。
2.根据权利要求1所述的紧固件坯料用大卷重无接头高强度铝合金盘圆的制备方法，其特征在于，所述步骤1高强铝合金铸棒制备方法：
(1)合金牌号为2000系列和7000系列的高强度或超高强度铝合金；采用直冷铸造工艺，铸造温度680-750℃，铸造速度115-270mm/min；
(2)在结晶区施加电磁搅拌以细化晶粒，磁场频率50Hz，励磁电流100-200A，平均晶粒尺寸控制在30-100μm；
(3)在结晶区施加油膜控制铸锭与结晶器之间的一次冷却强度和界面润滑，保证控制铸棒表面偏析层小于3mm；
(4)铸棒直径60-100mm，单根铸棒长度10-27米。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2铸棒均质和铣面要求：(1)均质温度460-550℃，均质时间10-36小时，均质分两级进行，第二级均质温度比第一级高5-15℃，第二级均质时间为第一级均质时间的20-30％；(2)均质效果需保证铸态组织残余相比例在1.5％以下，最大残余相尺寸小于60μm；(3)铸棒铣面厚度1-3.5mm。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3的轧制要求：(1)采用短应力线连轧机组，轧制道次10-16道，每一道次机架均为独立动力传动；(2)轧机轧辊采用平-立交替布置，第一道次轧机为水平轧机；(3)前50％道次延伸系数范围1.27-1.39，后50％道次延伸系数1.20-1.32；(4)轧制温度360-510℃，铸棒呈梯度加热，先入轧机端比尾端加热温度高15-35℃，温度梯度沿铸棒长度均匀分布；(5)轧制速度0.5-10m/s；(6)通过轧制温度、轧制速度、轧制道次、道次变形量的配合，控制轧制过程动态再结晶晶粒比例小于30％；(7)热轧成品直径10-12mm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3的轧制要求：(1)采用短应力线连轧机组，轧制道次10-16道，每一道次机架均为独立动力传动；(2)轧机轧辊采用平-立交替布置，第一道次轧机为水平轧机；(3)前50％道次延伸系数范围1.27-1.39，后50％道次延伸系数1.20-1.32；(4)轧制温度360-510℃，铸棒呈梯度加热，先入轧机端比尾端加热温度高15-35℃，温度梯度沿铸棒长度均匀分布；(5)轧制速度0.5-10m/s；(6)通过轧制温度、轧制速度、轧制道次、道次变形量的配合，控制轧制过程动态再结晶晶粒比例小于30％；(7)热轧成品直径10-12mm。
6.根据权利要求1或2或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4的轧制要求：(1)轧机机型为二辊轧机，轧辊采用平-立交替布置；(2)采用冷连轧，轧制道次6-12；(3)道次延伸系数范围1.1-1.2；(4)冷轧成品直径3.6-8mm。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4的轧制要求：(1)轧机机型为二辊轧机，轧辊采用平-立交替布置；(2)采用冷连轧，轧制道次6-12；(3)道次延伸系数范围1.1-1.2；(4)冷轧成品直径3.6-8mm。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4的轧制要求：(1)轧机机型为二辊轧机，轧辊采用平-立交替布置；(2)采用冷连轧，轧制道次6-12；(3)道次延伸系数范围1.1-1.2；(4)冷轧成品直径3.6-8mm。
9.根据权利要求1或2或5或7或8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5的拉拔要求：(1)拉拔为单道次整径拉拔；(2)拉拔延伸系数1.03-1.15；(3)拉拔成品直径公差小于等于±直径×0.01。
10.根据权利要求1或2或5或7或8所述的制备方法，其特征在于，制备的无接头单根成品重量范围为70-550公斤，成品率95％以上，成品晶粒组织呈纤维状，纤维晶粒直径控制在10-40μm，盘圆表层与中部晶粒尺寸差异小于10％，头部与尾部性能差异小于5％。
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