CN109909315A - 一种高精度薄壁纯铝或铝合金管材的加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是针对高精度铝管或铝合金管传统挤压生产工艺存在的尺寸精度和成材率低的问题，以及水平连铸存在的壁厚均匀性较差、容易粘模等问题，提出一种高精度薄壁纯铝或铝合金管材的加工工艺，该方法采用立式连铸技术制备高精度薄壁纯铝管坯或铝合金管坯，通过控制连铸成型时使固液界面位置处于热型段和冷型段的过渡区，使成型后管坯获得具有很高的内外表面质量、沿连铸方向高取向度的柱状晶组织，利于后续轧制、拉拔等冷加工的轴向延伸变形，可以不经铣面直接对连铸管坯进行大变形冷加工成形，实现高精度薄壁纯铝管材或铝合金管材短流程生产，解决传统高精度薄壁纯铝管材或铝合金管材工艺投资大、流程长、成材率低、成本高等问题。

Description

一种高精度薄壁纯铝或铝合金管材的加工工艺

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及一种高精度薄壁纯铝或铝合金管材的加工工艺。

背景技术

高精度薄壁铝管具有密度小、耐腐蚀、比强度高等优点，使其成为航空航天、武器装备、交通运输等领域良好的结构材料。铝材作为仅此于钢材的第二大金属材料，随着现代航空航天、海洋工程、机械制造等技术的飞速发展，对铝制管材的要求不断增加和提升，高精度薄壁成为管材的主要发展趋势之一。高精度铝管的主要特点是表面和尺寸精度要求高，例如：管材内表面不允许有任何轻微的擦伤、划道及其他表面缺陷；内径只允许正偏差，且偏差允许范围远小于正常的压力加工范围，满足机械加工的高精度。

目前，高精度薄壁铝管的主要生产工艺采用传统的“半连续实心或空心铸锭——热挤压——二次挤压——管坯毛料——冷轧或/和拉拔”。但工艺存在的问题是：受铸锭质量的影响，铸锭内存在的气孔、夹杂等缺陷在挤压过程中很难消除，继而影响管材的表面质量；受挤压工艺的限制，管坯表面产生起皮、拉痕等缺陷，消除难度大；受管坯表面质量橘皮、微裂纹、褶皱等的影响，后续冷成形加工需进行刮皮修理。由于上述问题，一方面生产工艺流程长、工艺投资大、成材率低，难以满足实际需求；另一方面，管坯的表面质量受铸锭、挤压等工艺的影响，产生的缺陷难以有效的消除，严重影响管材的表面质量和加工性能。

研究和开发高效、节能、短流程的加工技术，促使铝加工向高精薄壁化、控制自动化方向发展是铝制管材近年来研究开发的重点和方向。为提高管材的表面质量，通过改进模具结构或挤压方式，增加旋压工艺对管材表面进行精整加工生产管材[见：柴国强等，一种高精度大尺寸薄壁铝合金管材旋压方法，中国发明专利，CN201510831624.2]，管材的表面质量得到提高，但该制备工艺仍存在的生产投资大、生产流程长等问题，同时只适合小批量生产高精度纯铝管材，大规模工业生产需要难以满足。

通过热冷组合铸型水平连铸工艺生产管坯，经过冷成形加工高效短流程生产的铜及纯铝管材[见：谢建新等，铜及铜合金精密管材短流程制备工艺，中国发明专利，ZL200710065281.9，2009-06-10]，具有强轴向取向、高表面质量、薄壁高精度等特点。但水平连铸工艺存在一个共性问题是，由于管材自重和凝固收缩等因素，管材与外模之间形成不均匀的气隙，造成管材周向传热不均匀的问题[见：姜雁斌等，冷型热阻角对HCCM水平连铸BFe10-1-1管材周向组织和力学性能均匀性的影响. 中国有色金属学报. 2014,24（9）：2322-2332]，这种传热不均匀会引起水平连铸管坯的壁厚不均匀，从而难以生产对壁厚均匀性要求很高的高精度管材。另一方面，与铜和铜合金相比，纯铝凝固时的收缩率较大，而且硬度较低，在连铸过程中与模具易发生粘黏现象，容易产生冷隔、拉痕等各种缺陷。

发明内容

本发明的目的是解决传统高精度薄壁纯铝管材工艺投资大、流程长、成材率低、成本高等问题。利用立式连铸周向传热均匀的特点，可使管坯壁厚均匀，解决水平连铸和挤压工艺壁厚不均匀的问题；通过采用特殊结构的外模，其铸型内表面经过特殊的涂层处理，从而解决铝液与铸型表面粘黏的问题；通过采用冷型段较短的外模，并配合较强的二次冷却，提高连铸的温度梯度，解决铝凝固时收缩率较大的问题的一种高精度薄壁纯铝或铝合金管材的加工工艺。

本发明的技术方案是：一种高精度薄壁纯铝或铝合金管材的加工工艺，其特征在于，所述工艺具体包括以下步骤：

S1：采用立式特种连铸技术制备薄壁的纯铝管坯或铝合金管坯；

S2：对S1得到的纯铝管坯或铝合金管坯进行多道次冷轧或三辊行星轧制，得到成形管材；

S3：对S2中成形管材，根据需要进行成品退火工艺，以改变冷加工管材组织，并使产品具有光亮的表面状态，即得到高精度薄壁纯铝管材或铝合金管材，所述高精度薄壁纯铝管材或铝合金管材的直径为20～250mm，壁厚为0.5～8mm。

2.根据权利要求1所述的加工工艺，其特征在于，所述S2中还包括以下步骤：对冷轧或轧制后的成形管材进行拉拔，并进行中间退火处理，所述拉拔道次变形量10%～25%。

3. 根据权利要求1或2所述的加工工艺，其特征在于，所述S1中的特种立式连铸技术具体包括以下步骤：

S1.1熔化：先启动一次冷却水冷却外模，并在外模内壁设置涂层，再将纯铝或铝合金加入熔化炉中熔化，得到铝液或铝合金液；

S1.2连铸：将铝液或铝合金液导入外模中并保温，通过控制热型温度、冷却强度、连铸速度的工艺参数，使铝液或铝合金液的固液界面位置控制在外模的热型段和冷型段的过渡区进行连铸成型,启动牵引机构，最终得到薄壁的纯铝管坯或铝合金管坯。

根据本公开实施例，所述S1.1中的一次冷却水流量800～1200L/h；所述S1.2中的保温温度740～810℃，热型段的温度为690～740℃，冷却段的二次冷却的水流量200～1000L/h，牵引速度30～200mm/min。

根据本公开实施例，所述热型段的长度为：30～100mm；所述冷型段的长度为50～150mm。

根据本公开实施例，所述S1.1中涂层的成分为BN，采用喷涂的方式施加涂层。

根据本公开实施例，所述S2中的工艺参数为：轧制总变形量50%～95%；其中，采用多道次冷轧时单道次变形量≤20%～50%；采用三辊行星轧制时单道次变形量≤20%～95%。

根据本公开实施例，所述S1中纯铝管坯或铝合金管坯的直径ϕ50～300mm，壁厚为3～20mm。

根据本公开实施例，所述S2中的中间退火温度200～300℃，退火时间0.5～2h。

根据本公开实施例，所述S3成品退火工艺为：退火温度300℃～450℃，退火时间为0.5～1.5h。

所述S1中所述的特种立式连铸具有以下特点：所述特种立式连铸的包括热型段和冷型段组成；热型段的作用是使金属保持在凝固点以上的温度，冷型段的作用是强制金属凝固成型；热型段通过感应加热实现加热成型，冷型段通过通有冷却水的铜套实现一次冷却；连铸时需将管材凝固界面位置控制在热型段和冷型段的过渡区；铸型内表面进行涂层处理，以消除粘铝现象；外模的冷型段采用较短的结构，同时配合较强的二次冷却使用，以提高连铸时的温度梯度。

本发明的优点在于：

1. 采用立式连铸工艺生产的纯铝管材或铝合金管材作为坯料，由于生产的管坯内外表面质量高，不需进行内外表面处理可直接进行后续冷成形加工，减少了工序，提高了成材率。

2. 从全部生产工艺流程来说，本发明所提供的纯铝管材或铝合金管材生产方法与传统挤压生产工艺相比，省去了一次与二次挤压工序和与之配套的能耗设备，显著提高了生产效率，降低了能耗，缩短了生产流程；中间退火次数显著减少，甚至无需中间退火，有利于节约能源，提高生产效率；因此，本发明工艺具有短流程、高效、节能的优点。

3. 本发明生产工艺采用连铸工艺，消除了铸锭内部组织缺陷对管材质量的影响，消除挤压工艺偏心与划痕等缺陷，因此产品具有质量高的优点。

附图说明

图1为本发明一种高精度薄壁纯铝或铝合金管材的加工工艺的连铸设备的结构示意图。

图中：

1.熔化炉，2. 转注槽，3. 液位监测装置，4. 外模，5. 保温装置，6.芯棒，7.加热装置，8. 温度监测装置，9. 水冷铜套（一次冷却），10. 二次冷却装置，11. 引锭头，12. 牵引机，13. 引锭杆，14. 锯切机。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明一种高精度薄壁纯铝或铝合金管材的加工工艺，其特征在于，所述工艺具体包括以下步骤：

S1：采用立式特种连铸技术制备薄壁的纯铝管坯或铝合金管坯；

S2：对S1得到的纯铝管坯或铝合金管坯进行多道次冷轧或三辊行星轧制，得到成形管材；

S3：对S2中成形管材，根据需要进行成品退火工艺，以改变冷加工管材组织，并使产品具有光亮的表面状态，即得到高精度薄壁纯铝管材或铝合金管材，所述高精度薄壁纯铝管材或铝合金管材的直径为20～250mm，壁厚为0.5～8mm。

根据本公开实施例，所述S2中还包括以下步骤：对冷轧或轧制后的成形管材进行拉拔，并进行中间退火处理，所述拉拔道次变形量10%～25%。

根据本公开实施例，所述S1中的特种立式连铸技术具体包括以下步骤：

S1.1熔化：先启动一次冷却水冷却外模，并在外模内壁设置涂层，再将纯铝或铝合金加入熔化炉中熔化，得到铝液或铝合金液；

S1.2连铸：将铝液或铝合金液导入外模中并保温，通过控制热型温度、冷却强度、连铸速度的工艺参数，使铝液或铝合金液的固液界面位置控制在外模的热型段和冷型段的过渡区进行连铸成型,启动牵引机构，最终得到薄壁的纯铝管坯或铝合金管坯。

根据本公开实施例，所述S1.1中的一次冷却水流量800～1200L/h；所述S1.2中的保温温度740～810℃，热型段的温度为690～740℃，冷却段的二次冷却的水流量200～1000L/h，牵引速度30～200mm/min。

根据本公开实施例，所述热型段的长度为：30～100mm；所述冷型段的长度为50～150mm。

根据本公开实施例，所述S1.1中涂层的成分为BN，采用喷涂的方式施加涂层。

根据本公开实施例，所述S2中的工艺参数为：轧制总变形量50%～95%；其中，采用多道次冷轧时单道次变形量≤20%～50%；采用三辊行星轧制时单道次变形量≤20%～95%。

根据本公开实施例，所述S1中纯铝管坯或铝合金管坯的直径ϕ50～300mm，壁厚为3～20mm。

根据本公开实施例，所述S2中的中间退火温度200～300℃，退火时间0.5～2h。

根据本公开实施例，所述S3成品退火工艺为：退火温度300℃～450℃，退火时间为0.5～1.5h。

如图1所示，为本发明的加工工艺中的特种立式特种连铸技术的连铸设备，所述连铸设备包括：

－熔化炉，用于熔化纯铝或铝合金原料；

－转注槽，用于对熔化后的纯铝液或铝合金液进行导流；

－外模，用于存储纯铝液或铝合金液；

－芯棒，置于所述外模的内部，所述芯棒的外侧壁与外模的内侧壁之间留有空隙，用于配合外模成型大直径管坯金属；

－液位监测装置，用于实时监测所述外模内的纯铝液或铝合金液的液位变化；

－保温装置，用于对外模进行预热，并对外模内的纯铝液或铝合金液进行保温；

－铸型加热装置，设置在所述保温装置下端，用于对进入外模与芯棒空隙之间的纯铝液或铝合金液进行铸型加热；

－温度监测装置，用于实时监控铸型加热的温度变化；

－水冷铜套，用于对成型后大直径合金管进行一次冷却；

－二次冷却装置，用于对成型后大直径合金管进行二次冷却。

根据本公开实施例，所述熔化炉内部的底面中心位置设有出液孔，所述出液孔上设有塞棒控流结构；

所述出液孔与设置在所述熔化炉底部内的水平出液流道的一端连通，所述水平出液流道的另一端与所述转注槽的一端连通，所述转注槽另一端置于所述外模内部；

所述外模从上到下依次分为保温段、热型段和冷却段，所述保温装置设置在所述保温段的外侧壁上，所述铸型加热装置设置在所述热型段的外侧壁上，所述水冷铜套设置在所述冷却段的外侧壁上；所述二次冷却装置设置在所述水冷铜套的下方；

所述液位监测装置设置在所述外模的侧壁上，所述液位监测装置与所述塞棒控流结构控制连接，所述液位监测装置的探头设置在所述外模内部；

所述温度监测装置设置在所述外模的热型段；

所述芯棒置于所述外模内部，且位于热型段和冷却段；

所述引锭头设置在所述外模底部的出口处，所述引锭头与引锭杆连接，所述引锭杆的两侧设有牵引机；锯切机设在所述引锭杆的下端。

根据本公开实施例，所述连铸设备还包括保温层，所述保温层包覆在位于所述保温段和热型段的所述外模的外侧壁上，所述保温层为耐火材料浇筑而成，所述外模和芯棒均采用石墨制成；所述热型段的长度为30～100mm。

根据本公开实施例，所述水冷铜套高度与成型后大直径合金管的直径之比为0.5～0.8。

根据本公开实施例，所述保温装置为高频加热保温线圈；所述铸型加热装置为热型段热型段高频线圈，所述的热型段高频线圈为内外双层线圈结构。

本公开实施例还公开了一种运用上述设备制备薄壁的纯铝管坯的立式特种连铸技术，所述立式特种连铸技术具体包括如下步骤：

步骤1：将各个部件在铸造平台上安装到位，接通水冷铜套的一次冷却水；

步骤2：启动保温装置对所述外模的保温段进行预热；

再将纯铝或铝合金置于熔化炉中熔化，得到铝溶液或铝合金溶液，打开塞棒控流结构铝溶液或铝合金溶液通过转注槽输入到外膜内部，使铝溶液或铝合金溶液位于保温段，通过液位控制系统监测铝溶液或铝合金溶液的液位高度；

步骤3：启动铸型加热装置，对外模的热型段的持续加热，使温度保持在一定的温度；并通过

步骤4：被加热后的铝溶液或铝合金溶液在重力的作用下进入位于冷却段外模和芯棒之间的空隙，在水冷铜套的冷却下连铸成型得到铝坯或铝合金坯，打开二次冷却水装置，对连铸得到的大直径纯铝管坯进行二次冷却，启动牵引机构，以一定的牵引速度将已凝固的铝坯或铝合金坯从铸型中引出，得到高精度薄壁纯铝或铝合金管材；

步骤5：通过锯切机进行定尺锯切得到高精度薄壁纯铝或铝合金管材。

所述步骤1至步骤5中具体参数为：铝液和铝合金熔化温度740℃～810℃，保温温度740℃～810℃，热型温度690℃～740℃，一次冷却水流量800～1200L/h，二次冷却水流量200～1000L/h，牵引速度30～200mm/min。

实施例1：尺寸为Ф50×1mm铝管的生产方法

步骤1：采用立式连铸制备直径Ф70×5mm 管坯，铝液熔化温度810℃，保温温度 770℃，热型（铸型加热）温度 720℃，冷型冷却水（水冷铜套）流量 800L/h，牵引速度120mm/min。

步骤2：对步骤1中所制备的管坯进行3道次的三辊周期式冷轧，轧管规格为φ62×1.6mm，平均道次变形量为28.3％，累积道次变形量53.6%，道次变形量随累积变形量的增大逐渐减小。

步骤3：退火后的管材进行拉伸处理，拉伸道次4道次，平均道次延伸系数1.25。

步骤4：拉伸后的管材进行退火，退火温度 300℃，退火时间30min，改变管材组织，满足产品使用要求。

实施例2：尺寸为Ф70×1.5mm铝管的生产方法

步骤1：用立式连铸制备直径Ф100×7mm 管坯，铝液熔化温度780℃，保温温度 750℃，热型（铸型加热）温度 720℃，冷型冷却水（水冷铜套）流量 900L/h，牵引速度100mm/min。

步骤2：对步骤1中所制备的管坯进行3道次的三辊周期式冷轧，轧管规格φ90×2.8mm，平均道次变形量为27.9％，累积道次变形量62.5%，各道次变形量随累积变形量的增大逐渐减小。

步骤3：将轧后管材进行中间低温退火，退火温度200℃，退火时间1h。将退火后的管材进行拉伸处理，拉伸道次3道次，平均道次延伸系数1.33。

步骤4：拉伸后的管材进行光亮退火，退火温度 350℃，退火时间30min，改变管材组织，满足产品使用要求。

实施例3：尺寸为Ф100×2mm铝管的生产方法

步骤1：用立式连铸制备直径Ф150×8mm管坯，铝液熔化温度750℃，保温温度 750℃，热型（铸型加热）温度 700℃，冷型冷却水（水冷铜套）流量 1000L/h，牵引速度80mm/min。

步骤2：对步骤1中所制备的管坯进行4道次的三辊周期式冷轧，平均道次变形量为35.5％，累积道次变形量82.7%，各道次变形量随累积变形量的增大逐渐减小。

步骤3：将轧后管材进行光亮退火，退火温度 300℃，退火时间 60min。目的是改变管材组织，满足产品使用要求。

实施例4：尺寸为Ф150×2.5mm铝管的生产方法

步骤1：采用立式连铸制备直径Ф200×10mm管坯，铝液熔化温度740℃，保温温度 740℃，热型（铸型加热）温度 700℃，冷型冷却水（水冷铜套）流量1200L/h，牵引速度60mm/min。

步骤2：对步骤1中所制备的管坯进行4道次的三辊周期式冷轧，平均道次变形量为33.6％，累积道次变形量80.6%。

步骤3：轧后管材进行光亮退火，退火温度 250℃，退火时间 60min。目的是改变管材组织，满足产品使用要求。

以上显示和描述了本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高精度薄壁纯铝或铝合金管材的加工工艺，其特征在于，所述工艺具体包括以下步骤：

S1：采用立式特种连铸技术制备薄壁的纯铝管坯或铝合金管坯；

S2：对S1得到的纯铝管坯或铝合金管坯进行多道次冷轧或三辊行星轧制，得到成形管材；

S3：对S2中成形管材，根据需要进行成品退火工艺，以改变冷加工管材组织，并使产品具有光亮的表面状态，即得到高精度薄壁纯铝管材或铝合金管材，所述高精度薄壁纯铝管材或铝合金管材的直径为20～250mm，壁厚为0.5～8mm。

2.根据权利要求1所述的加工工艺，其特征在于，所述S2中还包括以下步骤：对冷轧或轧制后的成形管材进行拉拔，并进行中间退火处理，所述拉拔道次变形量10％～25％。

3.根据权利要求1或2所述的加工工艺，其特征在于，所述S1中的特种立式连铸技术具体包括以下步骤：

S1.1熔化：先启动一次冷却水冷却外模，并在外模内壁设置涂层，再将纯铝或铝合金加入熔化炉中熔化，得到铝液或铝合金液；

S1.2连铸：将铝液或铝合金液导入外模中并保温，通过控制热型温度、冷却强度、连铸速度的工艺参数，使铝液或铝合金液的固液界面位置控制在外模的热型段和冷型段的过渡区进行连铸成型,启动牵引机构，最终得到薄壁的纯铝管坯或铝合金管坯。

4.根据权利要求3所述的加工工艺，其特征在于，所述

S1.1中的一次冷却水流量800～1200L/h；所述S1.2中的保温温度740～810℃，热型段的温度为690～740℃，冷却段的二次冷却的水流量200～1000L/h，牵引速度30～200mm/min。

5.根据权利要求3所述的加工工艺，其特征在于，

所述热型段的长度为：30～100mm；所述冷型段的长度为50～150mm。

6.根据权利要求3所述的加工工艺，其特征在于，所述S1.1中涂层的成分为BN，采用喷涂的方式施加涂层。

7.根据权利要求1所述的加工工艺，其特征在于，所述S2中的工艺参数为：轧制总变形量50％～95％；其中，采用多道次冷轧时单道次变形量≤20％～50％；采用三辊行星轧制时单道次变形量≤20％～95％。

8.根据权利要求1所述的加工工艺，其特征在于，所述S1中纯铝管坯或铝合金管坯的直径φ50～300mm，壁厚为3～20mm。

9.根据权利要求2所述的加工工艺，其特征在于，所述S2中的中间退火温度200～300℃，退火时间0.5～2h。

10.根据权利要求1所述的加工工艺，其特征在于，所述S3成品退火工艺为：退火温度300℃～450℃，退火时间为0.5～1.5h。