CN109402471B - 一种基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铝基合金技术领域，公开了一种基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料及其制造方法；熔铸工艺获得7系铝合金铸锭；合金铸锭经热处理后，整体挤压成形大型复杂断面构件，再通过时效处理，获得较高的综合性能。本发明7系铝合金铸锭，具有化学成分稳定性好，铸锭表面质量良好、铸锭微观组织均匀细小、热加工性能佳；挤压件挤出速度最大可达9m/min，且表面无明显裂纹，稳定生产速度可达2‑5m/min；挤压件经时效热处理后，抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，断后延伸率≥11％；制备φ630mm大直径7系铝合金铸锭为我国航空航天构件整体成形制造具有重要意义。

Description

一种基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料及其制造方法

技术领域

本发明属于铝基合金技术领域，尤其涉及一种基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料及其制造方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：我国航空航天技术朝着重载、高速方向发展，需要轻质高强构件作为支撑；由于具有高强度、低密度、较好焊接性能等特点，7系铝合金是目前航空航天领域运用最广泛的构件材料，如火箭用7A09铝合金和飞机机翼等位置用7075铝合金，均属于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，该合金材料强度高，但热加工性能差；因此，现役航空航天用高强铝合金构件一般先挤压成形为截面简单构件，再利用铆接或焊接等方式连接成形为大型复杂构件，这种生产方式所得到的构件整体性能均一性差、重量大，材料利用率和生产效率低下，显著增加了构件制造成本。通过整体挤压成形大型复杂断面构件的方法，有助于大幅降低构件整体重量，大大提高生产、装配效率，提高构件整体强度，是目前航空航天领域构件制备热点。这种制造方法对铝合金材料的强度和成形性能提出了很高要求。与现役航空航天用Al-Zn-Mg-Cu系铝合金类似，市场现有7系铝合金虽强度高，均存在加工性能差的问题，现有7系铝合金在复杂断面构件挤压过程中存在挤出困难、挤压速度极低，且非常容易出现弯曲、开裂，对设备和模具要求非常高，故难以满足整体挤压成形大型复杂断面构件的要求。同时，国内未见利用7系铝合金整体成形大型复杂断面构件的案例，国外关于7系铝合金整体成形大型复杂断面构件的报道亦甚少。Al-Zn-Mg系铝合金强度较低，热加工性能较好，可通过整体挤压成形大型复杂断面构件提高构件整体强度，弥补材料本身强度的不足。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)传统7系高强铝合金通过高合金化，获得了较高的力学性能，但也带来了挤压加工性能差的问题，在整体挤压成形大型复杂断面构件时，困难极大，非常容易出现弯曲、开裂等挤压缺陷。

(2)传统7系高强铝合金挤压成形时挤压速度极慢，生产效率过低，与传统铆接或焊接成形方式相比，无优势。

(3)由于传统7系铝合金存在先天性成形困难的问题，要在保证其强度的前提下，保持较好的热加工性能十分困难，可用于提高热加工性能的方式少，研究难度大，所以国内未见相关案例，故本发明人首次提出利用本发明7系铝合金整体成形大型复杂断面构件。

通过采用一种基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料的制备方法，可以解决传统7系铝合金材料挤压加工性能差，挤压速度极慢，生产效率过低的问题，在此基础上，解决了大型复杂断面构件整体挤压成形过程中，材料强度和加工性能难以平衡等技术问题。

解决上述技术问题的难度和意义：解决上述问题的难度在于7系铝合金在熔铸过程中，对铸锭中夹杂、粗晶及成分偏析等缺陷的有效控制；在于7系铝合金在挤压过程中，非均匀断面挤压流变易失稳，易出现尺寸超差、弯曲变形甚至断裂等挤压缺陷；在于7系铝合金在拉拔过程中，各部位变形均匀性控制与起皮、表面断裂等缺陷抑制难度大；在于寻找7系铝合金强度和加工性能之间的平衡点，使其在保证具有较高强度的同时，也具有较好的成形性能。本发明在传统7系Al-Zn-Mg合金基础上进行了合金成分优化和熔铸、挤压成形工艺优化，使得合金在保持较高强度的同时，很大程度上改善了合金的挤压成形性能。本发明通过整体挤压成形大型复杂断面构件，减少或去除构件间铆接或焊接等连接工序，提高构件整体强度，并降低大型复杂断面构件整体质量，解决了性能均一性差以及生产装配成本高等主要问题。利用本发明的7系铝合金进行整体挤压成形大型复杂断面构件，对我国航空航天用大型构件的轻量化、制造效率的提高具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料及其制造方法。通过该方法，可以得到化学成分稳定性好，铸锭表面质量良好、铸锭微观组织均匀细小、热加工性能佳的合金。

为实现上述发明目的，具体提供了如下的技术方案：

一种基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料及其制造方法，包括以下步骤:

按照如下质量百分比配料：Zn 6.0～7.0％、Mg 1.7～2.5％、Zr 0.10～0.20％、Ti0.05～0.10％、V 0.02～0.05％、Si≤0.03％、Fe≤0.06％和Al组成；Al补足至100％。

将纯铝、Zn、Mg、Al-Zr，Al-V中间合金及Ti剂在熔炼炉中合金化，得到第一合金熔液；将所述第一合金溶液在保温炉中进行精炼、除气、除渣、搅拌和扒渣处理，并在线除气、过滤后，得到第二合金熔液；利用半连续铸造法对所述第二合金熔液进行铸造，得到7系铝合金铸锭；将此步骤得到的铸锭进行均质处理。

进一步，所述第一合金熔液的温度为730-770℃。保证合金元素充分溶解，具备精炼条件；

进一步，所述铸造温度为690-710℃，以保证合金溶液具有充分流动能力的同时，降低出现粗晶的可能性；

进一步，所述半连续铸造法采用立式半连续铸造机，油气滑铸造，以保证铸锭表面更光滑、偏析层厚度更小；

进一步，所述立式半连续铸造机包括直径为178-630mm的结晶器，以获得不同尺寸的铸锭用于满足后续加工的要求；

进一步，所述半连续铸造法中的铸造速度为：20mm-50mm/min，以达到铸锭表面质量和生产效率之间的平衡点；

进一步，所述半连续铸造法中冷却水量为500-630L/min，使合金溶液冷却速度合适，以获得内部缺陷少，表面质量好的铸锭；

所述7系铝合金铸锭的直径为178-630mm，以满足后续加工的要求；

所述7系铝合金铸锭的均质温度为460～480℃，以减少铸锭成分偏析及铸造应力；

进一步，所述挤压工艺包括以下步骤：

将铝棒加热至400-460℃，模具加热到410-470℃，挤压筒加热至400-450℃；在温度达标后开始挤压；挤压出口速度控制为2-5m/min；挤压出口温度控制为450-490℃；挤压完毕后，对挤压件进行矫直处理，矫直拉伸量为0.4～1.0％。在此挤压工艺参数下，整体挤压成形大型复杂断面构件挤压过程顺利，无挤压裂纹等重大缺陷，外形尺寸误差符合要求，各部位晶粒组织均匀细小。

进一步，所述时效工艺包括：将矫直后挤压件锯切为所需长度，进行离线淬火，随即进行人工时效，时效工艺为：120℃/10h+150℃/2h+120℃/12h；出炉后强风冷却，使材料快速降至室温。此工艺条件下，挤压件具有较高强度，降低了内应力，具有稳定的外形尺寸和均匀细小的微观组织。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：通过工程化实验结果可知本发明通过半连续铸造所制备7系铝合金铸锭具有化学成分稳定性好，铸锭表面质量良好、铸锭微观组织均匀细小、热加工性能佳等特点。利用本发明铸锭所制备挤压件挤出速度最大可达9m/min，且表面无明显裂纹，稳定生产速度可达2-5m/min；所生产挤压件经离线淬火、时效热处理后，抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，断后延伸率≥11％。更重要的是，利用本发明工艺技术可制备出的合金铸锭直径可达630mm，所制备φ630mm大直径7系铝合金铸锭可为我国航空航天用整体挤压成形大型复杂断面构件提供材料支撑，对我国航空航天大型复杂断面构件制造具有重要意义。

附图说明

为了使本发明的目的，技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：图1表示基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料的制造方法流程图。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对7系铝合金整体挤压成形大型复杂断面构件现状，提出一种新型Al-Zn-Mg系铝合金的制备方法，通过复合添加Zr、Ti元素进行微合金化，提高合金热加工性能并保持较高的强度，为7系铝合金整体成形大型复杂断面构件提供材料支撑。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料按照质量百分比由Zn6.0～7.0％、Mg 1.7～2.5％、Zr 0.10～0.20％、Ti 0.05～0.10％、V 0.02～0.05％、Si≤0.03％、Fe≤0.06％和Al组成；Al补足至100％。

如图1所示，本发明实施例提供的基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料的制造方法包括以下步骤：

S101：利用纯铝、Zn、Mg、Al-Zr，Al-V中间合金及Ti剂配料，并在熔炼炉中合金化，得到第一合金熔液；

S102：将第一合金溶液在保温炉中进行精炼、除气、除渣、搅拌和扒渣处理，并在线除气、过滤后，得到第二合金熔液；

S103：利用半连续铸造法对所述第二合金熔液进行铸造，得到7系铝合金铸锭。利用所得铸锭，进行挤压生产和时效。

在本发明的优选实施例中，挤压工艺包括以下步骤：

将铝棒加热至400-460℃，模具加热到410-470℃，挤压筒加热至400-450℃；在温度达标后开始挤压；挤压出口速度控制为2-5m/min；挤压出口温度控制为450-490℃；挤压完毕后，对挤压件进行矫直处理，矫直拉伸量为0.4～1.0％。

在本发明的优选实施例中，时效工艺包括以下步骤：将矫直后挤压件锯切为所需长度，进行离线淬火，然后再进行人工时效，回归再时效：120℃/10h+150℃/2h+120℃/12h；出炉后强风冷，使材料快速降至室温。

在本发明的优选实施例中，第一合金熔液的温度优选为730-770℃，更优选为740-750℃。本发明采用的电解纯铝、Zn、Mg、Al-Zr，Al-V中间合金及Ti剂的用量，可根据实际情况进行控制。在制备得到第一合金熔液后，将所述第一合金熔液充分搅拌，扒渣、取样化验成分，从而达到控制所述第一合金熔液成分的目的。

在本发明的优选实施例中，将第一合金熔液在保温炉中进行以及在线除气、过滤的步骤并无特别要求，可以按照本领域技术人员熟知的方法进行。具体的，将所述第一合金熔液在保温炉中进行精炼、除气、除渣、搅拌和扒渣处理后，还优选包括：将上述处理后的合金熔液进行在线旋转吹氩气进行除气除渣，利用陶瓷过滤板过滤。分别进行上述在保温炉内和保温炉外的处理后，实现了对第一合金熔液的除气除渣，保证了制备的铝合金铸锭的良好性能。

在本发明的优选实施例中，在铝合金铸锭制备过程中未添加Al-Ti-B或Al-Ti-C的中间合金。

在本发明的优选实施例中，利用半连续铸造法，铸造优选温度为690-710℃，更优选为690-700℃。其中，所述半连续铸造法优选利用立式半连续铸造机，更优选的，所述半连续铸造机包括直径为178-630mm的结晶器，更优选采用直径为630mm的结晶器。采用上述直径的结晶器进行铸造过程中，由于所述结晶器直径较大，因此制备的铝合金铸锭易出现裂纹。有鉴于此，本发明优选通过对所述立式半连续铸造机的铸造速度以及冷却水量进行控制，达到避免铝合金铸锭裂纹出现的目的。本发明采用的半连续铸造法中铸造速度优选为20-50mm/min，更优选为20-30mm/min，更优选为22-25mm/min，所述半连续铸造法中冷却水量优选为500-630L/min，更优选为520-610L/min，更优选为560-600L/min。其中铸造速度过大或过小、冷却水量过多或过少均会影响制备的铝合金铸锭的品质，易导致该铝合金铸锭出现裂纹等现象。同时，在利用立式铸造机进行铝合金铸锭的铸造过程中，优选利用挡水板进行油滑铸造。

在本发明的优选实施例中，利用本发明所得铸锭进行挤压生产，挤压棒料温度优选为400-460℃，挤压模具温度优选为410-470℃，挤压筒温度优选为410-450℃，挤压出口速度控制为2-5m/min，出口温度控制为450-490℃。挤压完后进行拉伸矫直，矫直量为0.4～1.0％。所得挤压件抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，断后延伸率≥11％。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1

本发明实施例采用的化学试剂均为市购。

利用纯铝、Zn、Mg、Al-Zr，Al-V中间合金及Ti剂配料，在熔炼炉中熔化，将温度控制在740-750℃，进行搅拌、扒渣，取样化验成分，在转注入保温炉进行精炼、除气、除渣、搅拌、扒渣后静置；

将上述处理后的合金熔液进行在线旋转喷吹氩气除气除渣、陶瓷过滤板过滤后，利用半连续铸造法进行铸造。步骤为：

控制熔体温度为740-750℃，铸造时结合挡水板进行润滑铸造，铸造速度控制在20-25mm/min，冷却水量控制在520-610L/min，铸造得到直径为630mm的上述成分合金铸锭。利用本发明所得铸锭进行挤压生产，挤压棒料温度为440～450℃，挤压模具温度优选为450～460℃，挤压筒温度优选为430～440℃，挤压出口速度控制为2-5m/min，出口温度控制为460～480℃。挤压出口采用在线水淬的方式，水温25～35℃，将挤压件温度降低到40℃以下，进行拉伸矫直，矫直量为0.4～1.0％。所得挤压挤压件抗拉强度≥500MPa，屈服强度≥450MPa，断后延伸率≥11％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料，其特征在于，所述基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料按照质量百分比由Zn 6.0～7.0％、Mg 1.7～2.5％、Zr 0.10～0.20％、Ti0.05～0.10％、V 0.02～0.05％、Si≤0.03％、Fe≤0.06％和Al组成；Al补足至100％；

所述基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料的制备方法包括：将纯铝、Zn、Mg、Al-Zr，Al-V中间合金及Ti剂在熔炼炉中合金化，得到第一合金熔液；将所述第一合金溶液在保温炉中进行精炼、除气、除渣、搅拌和扒渣处理，并在线除气、过滤后，得到第二合金熔液；利用半连续铸造方法对所述第二合金熔液进行铸造，得到7系铝合金铸锭；将此步骤得到的铸锭进行均质处理；

所述第一合金熔液温度为730-770℃；

所述铸造温度为690-710℃；

所述半连续铸造法采用立式半连续铸造机；

所述半连续铸造法中的铸造速度为：20mm-50mm/min；

所述半连续铸造法中的冷却水量为500-630L/min；

所述7系铝合金铸锭的直径为178-630mm；

所述7系铝合金铸锭的均质温度为460-480℃；

所述挤压工艺包括以下步骤：

将铝棒加热至400-460℃，模具加热到410-470℃，挤压筒加热至400-450℃；在温度达标后开始挤压；挤压出口速度控制为2-5m/min；挤压出口温度控制为450-490℃；挤压完毕后，对挤压件进行矫直处理，矫直拉伸量为0.4～1.0％；

时效工艺包括：将矫直后挤压件锯切为所需长度，直接进行人工时效，回归再时效：120℃/10h+150℃/2h+120℃/12h；出炉后强风冷，使材料快速降至室温。

2.如权利要求1所述的基于熔铸和热挤压的7系铝合金材料，其特征在于，所述立式半连续铸造机包括直径为178-630mm的结晶器。

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