CN109355538A - 一种高强7系铝合金管材生产工艺 - Google Patents

一种高强7系铝合金管材生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于铝合金热处理技术领域，涉及一种高强7系铝合金管材生产工艺，铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Zn：7.5～8.5％、Mg：1.0～3.5％、Cu：0.10～0.20％、Zr：0.05～0.3％、Mn：0.1～1.5％、Cr：0.05～0.3％、Ti：0.05％、B：0.05％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al，铝合金管材生产工艺采用了双级均匀化处理和双级时效热处理，其中双级均匀化制度为在470℃保温24h，在480℃保温10h，双级时效制度为在110～130℃保温7h，在165～170℃保温10h，力学综合性能得到有效提升。

Description

一种高强7系铝合金管材生产工艺
技术领域
本发明属于铝合金热处理技术领域，涉及一种高强7系铝合金管材生产工艺。
背景技术
7系铝合金属于可热处理强化合金，具有高强、高韧、耐腐蚀等优良性能，广泛应用于航空航天、军事装备及相关民用工业领域。其性能主要取决于内部组织、晶界组态及析出相的种类、尺寸、形态。因此，通过热处理来调整铝合金组织结构，充分挖掘7系铝合金的潜力，以满足航空航天等高技术领域对铝合金高性能的要求，具有极强的现实意义及使用价值。在提高其强度的基础上、一定程度提高其塑性和韧性以及抗疲劳性能、抗腐蚀性能是7系铝合金一种必然趋势。
发明内容
有鉴于此，本发明为了解决现有技术中7系铝合金管材强度、塑性、韧性以及抗疲劳性能、抗腐蚀性能不能协调增强的问题，提供一种高强7系铝合金管材生产工艺。
为达到上述目的，本发明提供一种高强7系铝合金管材生产工艺，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Zn：7.5～8.5％、Mg：1.0～3.5％、Cu：0.10～0.20％、Zr：0.05～0.3％、Mn：0.1～1.5％、Cr：0.05～0.3％、Ti：0.05％、B：0.05％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
C、双级均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭进行双级均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，其中双级均匀化制度为在470±5℃保温24h，在480±5℃保温10h；
D、挤压成型：将双级均匀化处理的铝合金铸锭置于挤压机模具中均匀挤压，得到尺寸及形位公差符合标准要求的铝合金管材，其中挤压筒的加热温度为430～450℃，挤压机挤压速度为1.0～2.0m/min，铝合金铸锭采用分段梯度式加热，铝合金铸锭头部温度为480～490℃，中部温度为465～475℃，尾部温度为455～465℃；
E、淬火处理：将挤压后的铝合金管材进行淬火处理，淬火方式为水冷，淬火过程的冷却速度为150～200℃/min；
F、时效热处理：将淬火处理后的铝合金管材进行双级时效热处理，其中时效制度为在110～130℃保温7～8h，在165～170℃保温9～12h；
G、整形处理：将双级时效热处理后的铝合金管材内壁进行抛光打磨，去除毛刺和拉痕。
进一步，步骤A中铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Zn：7.5～8.5％、Mg：1.5～3.0％、Cu：0.10～0.20％、Zr：0.08～0.2％、Mn：0.2～1.0％、Cr：0.1～0.2％、Ti：0.05％、B：0.05％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al。
进一步，步骤B中熔炼后的液态铝合金温度为700～750℃，浇注后的铝合金铸锭温度为200～250℃，液态铝合金的冷却速度为40～50℃/min。
进一步，步骤C中双级均匀化制度为在470℃保温24h，在480℃保温10h。
进一步，步骤E铝合金管材经过淬火区的温度高于固溶线温度，固溶线温度为475℃。
进一步，步骤E淬火处理后的铝合金管材进行拉伸矫直，其中拉伸变形量为2～3％。
进一步，步骤F双级时效制度为在110～130℃保温7h，在165～170℃保温10h。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所公开的高强7系铝合金管材生产工艺中，作为必需合金元素的Zn与Mg一起形成时效析出物，Mg和Zn的金属间化合物，与Mg同时提高强度。当Zn含量小于7.0％时，制备的铝合金管材强度不足，而当其含量超过14.0％时，在铸造时很可能发生铸锭开裂，使得难以形成铸锭。作为必需合金元素的Mg，在双级人工时效处理时，与Zn一起形成时效析出物，提高强度和伸长率。当Mg含量小于1.0％时，制备的铝合金管材强度不足，而当其含量超过3.5％时，低于铸造坯料的再结晶温度的低温下挤出性降低。Cu起到提高Al-Zn-Mg合金抗应力腐蚀敏感性的作用。当Cu含量小于0.5％时，提高应力腐蚀抗性的效果小；Cu含量超过2.0％，则铸造时的裂纹在低于铸造坯料的再结晶温度的低温下降低了可挤出性，并且耐腐蚀性也劣化。Zr通过细化晶粒而有助于提高铸锭强度。当Zr含量小于0.05％时，细化效果不明显。另一方面，如果Zr含量超过0.3％，则在浇铸时形成粗大的初晶化合物，这导致挤出产品伸长率降低。Mn、Cr使强化相弥散，从而有助于提高强度。另一方面，当Mn、Cr的含量超过每个上限时，形成粗结晶产物会使伸长率降低。Ti和B是作为挤出材料的杂质，但由于它们具有精炼铝合金锭的晶粒的效果。
2、本发明所公开的高强7系铝合金管材生产工艺中，由于合金凝固时存在枝晶偏析，通过均匀化处理可以消除或降低晶内化学成分和组织的不均匀性，消除或减少在铸锭快速冷却时所产生的内应力，改善铸锭的热塑性。均匀化处理能促使铸造过程中形成的非平衡第二相溶解，减少第二相的体积分数，改善合金的塑性，并提高合金元素在基体中的固溶度，从而提高合金的固溶强度。均匀化时间越长，过程越彻底，时效后合金的强度越高。然而，高强铝合金由于合金元素含量高，因此均匀化比较困难。从改善合金性能的角度出发，目前有几种均匀化制度。研究发现，两级均匀化优于单级均匀化；短时保温能够促进粒子的弥散析出，细化亚晶粒，有利于提高合金的综合性能。高温均匀化比低温均匀化更能促进合金元素的溶解，为后续时效提供了较高的过饱和度。均匀化处理后的合金组织中，枝晶间偏析明显减少，大部分呈断续分布；枝晶内部析出相密集。均匀化保温完成后快速冷却，获得的析出相密度较高。慢速冷却条件下，由于铸锭在高温停留时间长，枝晶内部析出物难以形核，数量减少。
3、本发明所公开的高强7系铝合金管材生产工艺中，双级时效是指在不同温度进行两次时效，第一级时效为低温预时效(预时效)是成核处理阶段，形成高密度的GP区。GP区通常是均匀生核，当其达到一定尺寸，就可以成为随后时效沉淀相的核心，从而大大提高组织的均匀性。预时效温度应低于GP区的溶解温度。那些能在高温时效温度下稳定存在的GP区优先成核转化为η′相。第二级是高温时效，为稳定化阶段，在晶内主要形成均匀分布的盘状相，在亚晶界上形成尺寸较大的η′相，在大角度晶界上形成粗大稳定的η相。随着时效时间的延长，晶内η′相粗化，晶界η相稳定并长大，亚晶界上PFZ明显增宽。
经双级时效处理，合金中的主要强化相是较细的η′相。合金晶界上分布着断续的粗大η沉淀相，η相是平衡相，与基体不共格，产生的基体点阵畸变程度较弱，因此对自由电子散射作用减弱，位错滑移机制也从切过转变为绕过，所以处理后的合金电导率升高而强度降低。这种晶界组织提高了抗腐蚀性能，但基体中强化相同时长大粗化，使合金强度大约下降0～15％。
4、本发明所公开的高强7系铝合金管材生产工艺中，综合性能得到有效提升，其中抗拉强度提升到495Mpa。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
一种高强7系铝合金管材生产工艺，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
元素 Zn Mg Cu Zr Mn Cr Ti B Al
含量 8.0 1.5 0.15 0.08 0.2 0.1 0.05 0.05 余量
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，其中熔炼后的液态铝合金温度为700℃，浇注后的铝合金铸锭温度为200℃，液态铝合金的冷却速度为40℃/min；
C、双级均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭进行双级均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，其中双级均匀化制度为在470℃保温24h，在480℃保温10h；
D、挤压成型：将双级均匀化处理的铝合金铸锭置于挤压机模具中均匀挤压，得到尺寸及形位公差符合标准要求的铝合金管材，其中挤压筒的加热温度为430～450℃，挤压机挤压速度为1.0～2.0m/min，铝合金铸锭采用分段梯度式加热，铝合金铸锭头部温度为480～490℃，中部温度为465～475℃，尾部温度为455～465℃；
E、淬火处理：将挤压后的铝合金管材进行淬火处理，淬火方式为水冷，淬火过程的冷却速度为150℃/min；
F、时效热处理：将淬火处理后的铝合金管材进行双级时效热处理，其中时效制度为在110℃保温7h，在165℃保温12h；
G、整形处理：将双级时效热处理后的铝合金管材内壁进行抛光打磨，去除毛刺和拉痕。
实施例2
一种高强7系铝合金管材生产工艺，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
元素 Zn Mg Cu Zr Mn Cr Ti B Al
含量 8.0 2.0 0.20 0.1 0.8 0.15 0.05 0.05 余量
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，其中熔炼后的液态铝合金温度为700℃，浇注后的铝合金铸锭温度为200℃，液态铝合金的冷却速度为40℃/min；
C、双级均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭进行双级均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，其中双级均匀化制度为在470℃保温24h，在480℃保温10h；
D、挤压成型：将双级均匀化处理的铝合金铸锭置于挤压机模具中均匀挤压，得到尺寸及形位公差符合标准要求的铝合金管材，其中挤压筒的加热温度为430～450℃，挤压机挤压速度为1.0～2.0m/min，铝合金铸锭采用分段梯度式加热，铝合金铸锭头部温度为480～490℃，中部温度为465～475℃，尾部温度为455～465℃；
E、淬火处理：将挤压后的铝合金管材进行淬火处理，淬火方式为水冷，淬火过程的冷却速度为200℃/min；
F、时效热处理：将淬火处理后的铝合金管材进行双级时效热处理，其中时效制度为在130℃保温7h，在170℃保温9h；
G、整形处理：将双级时效热处理后的铝合金管材内壁进行抛光打磨，去除毛刺和拉痕。
实施例3
一种高强7系铝合金管材生产工艺，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
元素 Zn Mg Cu Zr Mn Cr Ti B Al
含量 8.0 2.2 0.16 0.2 1.0 0.2 0.05 0.05 余量
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，其中熔炼后的液态铝合金温度为700℃，浇注后的铝合金铸锭温度为200℃，液态铝合金的冷却速度为40℃/min；
C、双级均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭进行双级均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，其中双级均匀化制度为在470℃保温24h，在480℃保温10h；
D、挤压成型：将双级均匀化处理的铝合金铸锭置于挤压机模具中均匀挤压，得到尺寸及形位公差符合标准要求的铝合金管材，其中挤压筒的加热温度为430～450℃，挤压机挤压速度为1.0～2.0m/min，铝合金铸锭采用分段梯度式加热，铝合金铸锭头部温度为480～490℃，中部温度为465～475℃，尾部温度为455～465℃；
E、淬火处理：将挤压后的铝合金管材进行淬火处理，淬火方式为水冷，淬火过程的冷却速度为200℃/min；
F、时效热处理：将淬火处理后的铝合金管材进行双级时效热处理，其中时效制度为在120℃保温7h，在170℃保温10h；
G、整形处理：将双级时效热处理后的铝合金管材内壁进行抛光打磨，去除毛刺和拉痕。
对比例
一种高强7系铝合金管材生产工艺，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
元素 Zn Mg Cu Zr Mn Cr Ti B Al
含量 5.0 2.2 0.08 0.07 0.2 0.1 0.05 0.05 余量
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，其中熔炼后的液态铝合金温度为700℃，浇注后的铝合金铸锭温度为200℃，液态铝合金的冷却速度为40℃/min；
C、均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭进行均匀化处理，其中均匀化制度为在470℃保温30h；
D、挤压成型：将均匀化处理的铝合金铸锭置于挤压机模具中均匀挤压，得到尺寸及形位公差符合标准要求的铝合金管材，其中挤压筒的加热温度为430～450℃，挤压机挤压速度为1.0～2.0m/min，铝合金铸锭采用分段梯度式加热，铝合金铸锭头部温度为480～490℃，中部温度为465～475℃，尾部温度为455～465℃；
E、淬火处理：将挤压后的铝合金管材进行淬火处理，淬火方式为水冷，淬火过程的冷却速度为200℃/min；
F、时效热处理：将淬火处理后的铝合金管材进行时效热处理，其中时效制度为在150℃保温15h；
G、整形处理：将双级时效热处理后的铝合金管材内壁进行抛光打磨，去除毛刺和拉痕。
对实施例1～3和对比例制得的铝合金管材进行力学性能测试，测试结果见表一：
表一
实施例1 实施例2 实施例3 对比例
抗拉强度(MPa) 490 495 485 470
屈服强度(MPa) 465 470 468 430
延伸率(％) 12.0 13.0 12.5 11.0
由上表可以看到，通过本专利高强7系铝合金管材生产工艺制备的铝合金管材，力学性能得到了很大提升，其抗拉强度提升到了485～495MPa，屈服强度提升到了465～470MPa，延伸率基本在12～13％。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种高强7系铝合金管材生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
A、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Zn：7.5～8.5％、Mg：1.0～3.5％、Cu：0.10～0.20％、Zr：0.05～0.3％、Mn：0.1～1.5％、Cr：0.05～0.3％、Ti：0.05％、B：0.05％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al；
B、熔炼：将配制好的铝合金原料置于熔炼炉中熔炼为液态铝合金，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭；
C、双级均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭进行双级均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，其中双级均匀化制度为在470±5℃保温24h，在480±5℃保温10h；
D、挤压成型：将双级均匀化处理的铝合金铸锭置于挤压机模具中均匀挤压，得到尺寸及形位公差符合标准要求的铝合金管材，其中挤压筒的加热温度为430～450℃，挤压机挤压速度为1.0～2.0m/min，铝合金铸锭采用分段梯度式加热，铝合金铸锭头部温度为480～490℃，中部温度为465～475℃，尾部温度为455～465℃；
E、淬火处理：将挤压后的铝合金管材进行淬火处理，淬火方式为水冷，淬火过程的冷却速度为150～200℃/min；
F、时效热处理：将淬火处理后的铝合金管材进行双级时效热处理，其中时效制度为在110～130℃保温7～8h，在165～170℃保温9～12h；
G、整形处理：将双级时效热处理后的铝合金管材内壁进行抛光打磨，去除毛刺和拉痕。
2.如权利要求1所述的高强7系铝合金管材生产工艺，其特征在于，步骤A中铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：Zn：7.5～8.5％、Mg：1.5～3.0％、Cu：0.10～0.20％、Zr：0.08～0.2％、Mn：0.2～1.0％、Cr：0.1～0.2％、Ti：0.05％、B：0.05％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为Al。
3.如权利要求1所述的高强7系铝合金管材生产工艺，其特征在于，步骤B中熔炼后的液态铝合金温度为700～750℃，浇注后的铝合金铸锭温度为200～250℃，液态铝合金的冷却速度为40～50℃/min。
4.如权利要求1所述的高强7系铝合金管材生产工艺，其特征在于，步骤C中双级均匀化制度为在470℃保温24h，在480℃保温10h。
5.如权利要求1所述的高强7系铝合金管材生产工艺，其特征在于，步骤E铝合金管材经过淬火区的温度高于固溶线温度，固溶线温度为475℃。
6.如权利要求1所述的高强7系铝合金管材生产工艺，其特征在于，步骤E淬火处理后的铝合金管材进行拉伸矫直，其中拉伸变形量为2～3％。
7.如权利要求1所述的高强7系铝合金管材生产工艺，其特征在于，步骤F双级时效制度为在110～130℃保温7h，在165～170℃保温10h。
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