CN112267052A - 一种7xxx铝合金无缝方管及其挤压工艺 - Google Patents

一种7xxx铝合金无缝方管及其挤压工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种7XXX铝合金无缝方管及其挤压工艺，该方管包括Zn 4.3‑4.8％，Mg 1.0‑1.40％，Cu 0.10‑0.15％，Fe≤0.2％，Zr 0.10‑0.2％，Ti 0.02‑0.08％，Mn 0.26‑0.35％，Cr 0.16‑0.23％，V≤0.015，Pb≤0.01，Zr+Ti+V≤0.27，余量为Al和不可避免的杂质。挤压工艺为铸造成圆铸棒、三级均匀化处理、车皮镗孔、准备模具、挤压处理、在线高温成型热处理、张力矫直和双级人工时效处理，即可。使用该挤压工艺对圆铸棒处理，获得的方管具有强度高、抗疲劳性好、耐腐蚀性强及耐热性强、尺寸精度高、壁厚偏差低的优点。

Description

一种7XXX铝合金无缝方管及其挤压工艺
技术领域
本发明涉及铝合金热挤压技术领域，具体涉及一种7XXX铝合金无缝方管及其挤压工艺。
背景技术
铝合金无缝方管主要是通过反向双动挤压或双动正向挤压的方式，获得的壁厚相等或不等的无缝方形管材，该铝合金无缝方管具有高比强度、低密度、弯曲应力小及抗疲劳性能优良等优点，在轨道交通领域具有广阔的应用前景，是高速列车、城市轨道交通等产品的关键结构材料。
现有的铝合金无缝方管，主要追求其具有高的机械性能，其中，以7B05合金的机械性能最好，机械性能Rm≥380MPa，Rp0.2≥260MPa，A≥14％。然而，随着轨道交通产品的质量标准越来越高、建设地域越来越广，对铝合金无缝方管的性能要求越要越高，而现有的无缝管材无论从强度、抗疲劳性、耐腐蚀性及耐热性等综合性能，还是对高温干燥、潮湿以及高海拔等环境的适应性能方面都不能满足轨道交通产品的需求，因此，提供一种综合性能优良、能够适于复杂运行环境的铝合金管材成为必然趋势。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种7XXX铝合金无缝方管及其挤压工艺，该铝合金无缝方管的成分组成中，以易于获取且成本低廉的元素为主，辅以微量的稀有金属；将组成成分进行合金，获得圆铸棒；使用该挤压工艺对圆铸棒处理，获得的铝合金无缝方管具有强度高、抗疲劳性好、耐腐蚀性强及耐热性强、尺寸精度高、壁厚偏差低的优点。
本发明的技术方案如下：
一种7XXX铝合金无缝方管，由以下重量百分比的成分组成：
Zn 4.3-4.8％，Mg 1.0-1.40％，Cu 0.10-0.15％，Fe≤0.2％，Zr 0.10-0.2％，Ti0.02-0.08％，Mn 0.26-0.35％，Cr 0.16-0.23％，V≤0.015，Pb≤0.01，Zr+Ti+V≤0.27，余量为Al和不可避免的杂质。
上述7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺，步骤如下：
(1)按比例配料熔炼，铸造成圆铸棒；
(2)三级均匀化处理：将圆铸棒进行三级均匀化处理；
(3)车皮镗孔：将圆铸棒进行车皮、镗孔；
(4)不同形状方管模具；
(5)挤压处理：安装步骤(4)的挤压模具，然后将经过步骤(3)处理获得的圆形空心棒进行无缝挤压；挤压开始前，通过水平仪检测针头的水平度，检测合格后，进行挤压；挤压结束后，检测产品壁厚偏差，并对下一次挤压针头的调整；
(6)在线高温成型热处理：将步骤(5)的挤压方管进行在线高温成型热处理；
(7)张力矫直：将经过在线高温成型热处理的方管进行张力矫直处理，变形量为0.8-1.5％；
(8)进行双级人工时效处理，得到铝合金无缝方管。
进一步的，在步骤(2)中，所述三级均匀化处理的具体过程为：将圆铸棒加热到340-370℃，保温7-9.5h；再加热至405-425℃，保温3-5h；最后加热至460-480℃，保温15-18h，然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒，铸棒组织更加均匀，有利于后期挤压加工。
优选的，在步骤(2)中，加热速率为5-15℃/min。
进一步的，在步骤(2)与步骤(3)之间，还设有超声探伤过程，具体为：将圆铸棒100％进行超声波探伤，达到GB/T 6519中A级探伤要求。
进一步的，在步骤(5)中，挤压处理的具体过程为：将经过步骤(3)处理后的圆形空心棒加热到380-420℃，进行不同壁厚方管挤压，挤压比20-36，挤压速度为0.6-1.5mm/s；挤压开始前，通过水平仪检测针头的水平度，水平度合格后开始挤压；挤压结束后，检测产品壁厚偏差，并对下一次挤压针头的调整。
进一步的，在步骤(6)中，在线高温成型热处理的具体过程为：将经过步骤(5)挤压后的无缝管坯升温至450-490℃，然后入在线强风冷却，冷却速度为45-75℃/s。
进一步的，在步骤(8)中，双级人工时效的条件为：静置64-96h，在90-120℃温度范围内保温10-13h后,加热至155-170℃，保温9-12h，获得成品铝合金无缝方管。
本发明中，严格控制各元素的重量百分比,利用Zn、Mg元素析出强化相MgZn2，Cu、Cr元素固溶强化及提高切削性、微量Mn元素提高再结晶温度，细化晶粒及溶剂杂质Fe，Zr阻碍再结晶过程，细化再结晶晶粒，以及Ti细化铸造组织，减小开裂倾向，调控协同铝合金组织的综合性能，使铝合金方管既具备较高的比强度，又具备良好的抗疲劳性、耐腐蚀性和耐热性。
本发明中同时加入Zn和Mg，Zn和Mg之间形成强化相MgZn2，对铝合金产生明显的强化作用。这种强化相在铝合金管体中的溶解度随温度的降低急剧下降，随着MgZn2含量的提高，可不断增加抗拉强度和屈服强度，但在强化合金的同时却会降低耐蚀性能，为了得到既具有高强度、又具备耐蚀性的综合性能铝合金方管，适当调整Zn、Mg元素的含量及比例，并控制Zn重量含量为4.3-4.8％，控制Mg重量含量为1.0-1.40％。
在本发明中，在本发明中，严格控制Fe元素的含量，以减少导致裂纹扩展的金属间化合物的尺寸和数量，提高铝合金管材的断裂韧性，提高铝合金管体的抗疲劳性能；在本发明中，控制Fe重量百分比为小于等于0.2％。
本发明中加入微量的Zr元素，可以细化铸造组织、阻碍再结晶，提高合金的力学性能，但在超过480℃时，会形成分布不均，尺寸不一的弥散相，造成局部严重再结晶，影响其性能。而Zr元素可在低温下回溶，从而提高铝合金管体的加工性，因此，本发明中控制其重量百分比范围为0.10-0.2％，且在三级均匀化处理过程中，严格控制质温度及时间。
本发明中加入Cr，形成(CrFe)Al7和(CrMn)Al12等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，有一定的强化作用，并改善合金韧性和降低应力腐蚀及开裂敏感性，但若控制不当，则会增加淬火敏感性，因此，本发明控制其重量百分比在0.16-0.23％之间。
本发明中，加入Ti形成Al3Ti,该化合物成为非自发核心，与熔体产生包晶反应而，起到细化作用，同时还提高再结晶温度，提高铝合金管体的耐蚀性，降低生产成本。因此铝合金管材中控制Ti重量百分比在0.02-0.08％之间。
本发明中Mn元素阻止合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能细化再结晶晶粒，还能溶解杂质铁，形成Al6(Fe、Mn)，减小Fe的有害影响。同时Al6Mn的电极电位与铝的电极电位相等，所以对铝的耐蚀性能没有影响。在合金中，Mn含量过多时，会形成粗大、硬脆的Al6Mn化合物，损害合金性能。因此，铝合金管材中控制Mn重量百分含量为0.26-0.35％。
本发明中，针对无缝方管的特性，使用不同形状方管模具和对应的穿孔针，根据无缝方管的生产特点，制定产品质量控制计划，利用生产过程关键工序的控制，如穿孔针及模具水平对应调整，内孔方钢导路减少形位变化等等，都可以有效控制产品的尺寸、形位和其他指标。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明中，以较低含量Zn、Mg，适量Mn、Cr、Zr及少量Fe、Cu，微量Ti，结合热处理工艺，形成以(MgZn2)强化相为主的组织，通过成型方管模具，再经过挤压过程中的有效控制，得到本发明的无缝方管；该无缝方管具有强度高、抗疲劳性好、耐腐蚀性强及耐热性强、尺寸精度高、壁厚偏差低的优点。
2、本发明中，由于合金成分组成简单、易于获取，生产工艺经济实用，避免了贵重金属的加入，使该无缝方管具有生产成本低的优点。
3、本发明在挤压工艺上，采用圆铸棒三级均匀化处理、挤压在线高温成型热处理、挤压半成品双级人工时效等热处理工艺，有效消除铸锭枝晶偏析，溶解铸锭非平衡相和沉淀过饱和的过渡元素，既降低产品再结晶温度，还使晶内脱溶，降低晶内和晶间的电位差，从而既可获得较高强度，也提高了耐蚀性、抗疲劳性能和热强性。
4、通过实施例可以看出，本发明获得的无缝方管，性能如下：
拉伸性能：Rm:380-430MPa，Rp0.2≥260MPa，A≥14％；
耐高温性能：在100℃、600h条件下，屈服强度保持量≥85％；
耐蚀性能：3.5wt％氯化钠水溶液，50℃条件下,均无沿晶开裂，抗拉强度保持在90％以上，且无延伸率损失；
疲劳性能：在r＝0、N＝1×107周次下，光滑试样极限疲劳强度σ≥380MPa；
生产成本较现有技术同类产品降低32-45％。
附图说明
图1为实施例1和实施例2方管的结构图；
图2为实施例3方管的结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种7XXX铝合金无缝方管，由以下重量百分比的成分组成：
Zn 4.4％，Mg 1.1％，Cu 0.11％，Fe 0.15％，Zr 0.12％，Ti 0.03％，Mn 0.28％，Cr 0.18％，V 0.010％，Pb 0.01％余量为Al和不可避免的杂质；
上述7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺为：
将上述原料铸造成圆铸棒，制备方法为：
圆铸棒采用国产熔炼、静置炉，铸造使用气滑铸造，熔炼温度720-760℃，时间不超过350min；转炉温度控制在760℃以内，时间在45min以内；静置炉内精炼扒渣，静置时间35min，静置温度720-760℃；
静置结束后，通过在线细化、除气和过滤后，进入铸造阶段，铸造温度约735-760℃；然后铸棒经过三级均匀化处理后，获得符合铸造工艺要求的圆铸棒；
在加热速率为8℃/min的条件下，将圆铸棒加热到345℃，保温8h，再加热至410℃，保温3.5h，最后加热至460℃，保温15h；然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒；
按照GB/T 6519中A级探伤要求，对圆铸棒100％进行超声波探伤；
对符合要求的圆铸棒进行车皮、镗孔，得到圆形空心棒；
将圆形空心棒加热到380℃，进行无缝挤压，按照模具及对应针头加热工艺要求，将模具加热至420℃，上模后，调整针头、模具对应的水平度，当水平度偏差≤±1°时，挤压；对最大壁厚15mm，最小壁厚8mm的方管挤压时(见图1)，挤压比为35，挤压速度为0.8-1.5mm/s，挤压产品出口温度控制在455±5℃之间，，然后入在线强风冷却，冷却速度为50℃/s，挤压结束后，获得无缝管坯，并检测无缝管坯的壁厚偏差，控制壁厚偏差在±10％以内；
处理结束后，通过方形钢管导路，减少挤压出料头端的硬弯长度，通过在线拉伸矫直(拉伸率0.9％)后，保证头短定尺满足客户直线度要求，提高了成品率。将经过拉伸后的管坯，室温下静置84h后，在90℃下保温12h后,加热至155℃，保温12h，进行双级人工时效处理，得到成品无缝方管；
将经过拉伸后的管坯，室温下静置84h后，在90℃下保温12h后,加热至155℃，保温12h，进行双级人工时效处理，得到成品无缝方管。
方管的15±1.5mm壁厚实测14-16mm，8±0.8mm壁厚实测7.5-8.6mm。
经上述制造方法得到的铝合金无缝方管，取试样验证综合理化指标如下：
拉伸性能：Rm为390MPa，Rp0.2为270MPa，A为18.0％；
耐高温性能：在100℃、600h屈服强度保持量≥85％，实测值239MPa；
耐蚀性能：3.5wt％氯化钠水溶液，50℃条件下,均无沿晶开裂，抗拉强度保持在90％以上，且无延伸率损失，抗拉强度实测值360MPa。
疲劳性能：在r＝0、N＝1×107周次下，光滑试样极限疲劳强度σ≥380MPa。
实施例2
一种7XXX铝合金无缝方管，由以下重量百分比的成分组成：
Zn 4.5％，Mg 1.2％，Cu 0.14％，Fe 0.12％，Zr 0.15％，Ti 0.04％，Mn 0.30％，Cr 0.20％，V 0.09％，Pb 0.005％，余量为Al和不可避免的杂质。
上述7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺为：
将上述原料铸造成圆铸棒；
在加热速率为10℃/min的条件下，将圆铸棒加热到355℃，保温9h，再加热至415℃，保温4h，最后加热至470℃，保温16h，然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒；
按照GB/T 6519中A级探伤要求，对圆铸棒100％进行超声波探伤；
将符合标准的圆铸棒进行车皮、镗孔，得到圆形空心棒；
将圆形空心棒加热到390℃，进行无缝挤压，按照模具及对应针头加热工艺要求，将模具加热至440℃，上模后，调整针头、模具对应的水平度，当水平度偏差≤±1°时，挤压；对最大壁厚12mm，最小壁厚10mm的方管(见图1)挤压时，挤压比为36.1，挤压速度为1.2mm/s，挤压产品出口温度控制在450±5℃，然后入在线强风冷却，冷却速度为45℃/s，挤压结束后，获得无缝管坯，并检测无缝管坯的壁厚偏差，控制壁厚偏差在±10％以内；
在线高温成型热处理后，通过方形钢管导路，减少挤压出料头端的硬弯长度，通过在线拉伸矫直(拉伸率1.0％)后，保证头短定尺满足客户直线度要求，提高了成品率；
将经过拉伸后的管坯，室温下静置72h后，在100℃下保温12h后,加热至160℃，保温11h进行双级人工时效处理，得到成品无缝方管。
挤压后，方管12±1.2mm壁厚实测11.2-13mm，10±1mm壁厚实测9.5-11mm。
经上述制造方法得到的铝合金无缝方管，取试样验证综合理化指标如下：
拉伸性能：Rm为412MPa，Rp0.2为280MPa，A为16.5％；
耐高温性能：在100℃、600小时屈服强度保持量≥85％，实测值247MPa；
耐蚀性能：3.5wt％氯化钠水溶液，50℃条件下,均无沿晶开裂，抗拉强度保持在90％以上，且无延伸率损失，实测抗拉强度值为388MPa。
疲劳性能：在r＝0、N＝1×107周次下，光滑试样极限疲劳强度σ≥380MPa。
实施例3
一种7XXX铝合金无缝方管，由以下重量百分比的成分组成：
Zn 4.7％，Mg 1.38％，Cu 0.10％，Fe 0.10％，Zr 0.2％，Ti 0.06％，Mn 0.33％，Cr 0.23％，V 0.007％，Pb 0.01％,余量为Al和不可避免的杂质。
上述7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺为：
将上述原料铸造成圆铸棒；
在加热速率为15℃/min的条件下，将圆铸棒加热到360℃，保温9.5h，再加热至420℃，保温4h，最后加热至480℃，保温18h，然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒；
按照GB/T 6519中A级探伤要求，对圆铸棒100％进行超声波探伤；
将符合标准的圆铸棒进行车皮、镗孔，得到圆形空心棒；
将圆形空心棒加热到420℃，进行无缝挤压，按照模具及对应针头设计要求，将模具加热至450℃，上模后，调整针头、模具对应的水平度，当水平度偏差≤±1°时，挤压；对平均壁厚10mm(见图2)的方管挤压时，挤压比为40，挤压速度为1.0mm/s，挤压产品出口温度控制在480±5℃，然后入在线强风冷却，冷却速度为75℃/s；挤压结束后，获得无缝管坯，并检测无缝管坯的壁厚偏差，控制壁厚偏差在±10％以内；
在线高温成型热后，通过专用导路，减少挤压出料头端的硬弯长度，通过在线拉伸矫直(拉伸率1.2％)后，保证头短定尺满足客户直线度要求，提高了成品率；
将经过拉伸后的管坯，室温下静置96h后，在120℃下保温10h后,加热至170℃，保温9h进行双级人工时效处理，得到成品无缝方管。
挤压后，方管10±1mm壁厚实测9.5-11mm。
经上述制造方法得到的铝合金无缝方管，取试样验证综合理化指标如下：
拉伸性能：Rm为425MPa，Rp0.2为290MPa，A为15.0％；
耐高温性能：在100℃、600小时屈服强度保持量≥85％，实测值253MPa；
耐蚀性能：3.5wt％氯化钠水溶液，50℃条件下,均无沿晶开裂，抗拉强度保持在90％以上，且无延伸率损失，实测值395MPa。
疲劳性能：在r＝0、N＝1×107周次下，光滑试样极限疲劳强度σ≥380MPa。
将实施例1-3获得的无缝方管，分别进行性能测定，见表1，如下
表1性能测定结果
项目 实施例1 实施例2 实施例3
拉伸强度(MPa) 390 412 425
屈服强度(MPa) 270 280 290
延伸率(％) 18 16.5 15
高温屈服强度(MPa) 239 247 253
耐蚀抗拉性能(MPa) 360 388 395
极限疲劳强度(MPa) 385 389 398
通过表1可以看出，使用本发明方法生产的铝合金无缝方管，具有机械性能良好得优点，且该方管具有良好的耐高温性能、耐蚀性能和抗疲劳性能，通过对方管进行性能测试，可看出本发明的无缝方管，具有良好的综合性能，能够适用于高温环境、潮湿盐蚀环境。
尽管通过参考优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种7XXX铝合金无缝方管，其特征在于，由以下重量百分比的成分组成：
Zn 4.3-4.8％，Mg 1.0-1.40％，Cu 0.10-0.15％，Fe≤0.2％，Zr 0.10-0.2％，Ti0.02-0.08％，Mn 0.26-0.35％，Cr 0.16-0.23％，V≤0.015％，Pb≤0.01％，Zr+Ti+V≤0.27％，余量为Al和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺，其特征在于，步骤如下：
(1)按比例配料熔炼，铸造成圆铸棒；
(2)三级均匀化处理：将圆铸棒进行三级均匀化处理；
(3)车皮镗孔：将圆铸棒进行车皮、镗孔；
(4)不同形状方管模具；
(5)挤压处理：安装步骤(4)的挤压模具，然后将经过步骤(3)处理获得的圆形空心棒进行无缝挤压；挤压开始前，通过水平仪检测针头的水平度，检测合格后，进行挤压；挤压结束后，检测产品壁厚偏差，并对下一次挤压针头的调整；
(6)在线高温成型热处理：将步骤(5)的挤压方管进行在线高温成型热处理；
(7)张力矫直：将经过在线高温成型热处理的方管进行张力矫直处理，变形量为0.8-1.5％；
(8)进行双级人工时效处理，得到铝合金无缝方管。
3.如权利要求2所述的7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺，其特征在于，在步骤(2)中，三级均匀化处理的具体过程为：将圆铸棒加热到340-370℃，保温7-9.5h；再加热至405-425℃，保温3-5h；最后加热至460-480℃，保温15-18h，然后自然降至室温，得到经过均匀化处理的圆铸棒，铸棒组织更加均匀，有利于后期挤压加工。
4.如权利要求2所述的7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺，其特征在于，在步骤(2)中，加热速率为5-15℃/min。
5.如权利要求2所述的7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺，其特征在于，在步骤(2)与步骤(3)之间，还设有超声探伤过程，具体为：将圆铸棒100％进行超声波探伤，达到GB/T 6519中A级探伤要求。
6.如权利要求2所述的7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺，其特征在于，在步骤(5)中，挤压处理的具体过程为：将经过步骤(3)处理后的圆形空心棒加热到380-420℃，进行不同壁厚方管挤压，挤压比20-36，挤压速度为0.6-1.5mm/s；挤压开始前，通过水平仪检测针头的水平度，水平度合格后开始挤压；挤压结束后，检测产品壁厚偏差，并对下一次挤压针头的调整。
7.如权利要求2所述的7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺，其特征在于，在步骤(6)中，在线高温成型热处理的具体过程为：将经过步骤(5)挤压后的无缝管坯升温至450-490℃，然后入在线强风冷却，冷却速度为45-75℃/s。
8.如权利要求2所述的7XXX铝合金无缝方管的挤压工艺，其特征在于，在步骤(8)中，双级人工时效的条件为：静置64-96h，在90-120℃温度范围内保温10-13h后,加热至155-170℃，保温9-12h，获得成品铝合金无缝方管。
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