CN112828214A - 大型2219铝合金环均匀化轧制工艺 - Google Patents

大型2219铝合金环均匀化轧制工艺 Download PDF

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Abstract

本发明是一种针对5～10m的大型2219铝合金环均匀化轧制工艺，涉及铝合金塑性加工及热处理技术领域，通过过时效处理析出弥散分布的，一定尺寸的沉淀相，为后续的再结晶提供再结晶晶核；在后续低温快速轧制变形过程中，产生大量位错塞积并形成局部变形带，引入变形能；随后升温至中高进行高温轧制及整形，在此过程期间可同时完成圆环整形及动态再结晶阶段。在后续的固溶及时效处理中形成均匀的析出相及细小的再结晶组织。改变传统工艺中环轧后显著的纤维组织和粗大析出相的目的，降低传统环轧变形导致的突出的纤维组织，降低各向异性，提高环件各向组织性能一致性，提升环件综合性能，实现其形‑性协同制造，满足航天型号使用需求。

Description

大型2219铝合金环均匀化轧制工艺
技术领域
本发明涉及铝合金塑性加工及热处理技术领域，去其中包括一种2219铝合金环件细晶制造工艺及大型2219铝合金环析出相细化。
背景技术
随着科技的进步，时代的发展，我国的航空航天、钢铁船舶、能源电力等行业快速发展，而大型环件是这些行业发不可或缺的重型结构件，从而超大型环件的成形工艺研究也成为了研究的热点。
传统轧制成型的大型铝合金环，发现在靠近轧辊部分较细，而中间部分晶粒较粗大，该现象是因为部分与圆周方向取向差较大的晶粒变形量大，积累的能量高，有利于晶粒尺寸的细化。同时也说明部分晶粒变形量小，未积累足够的能量，未能实现动态或者静态再结晶细化晶粒尺寸。导致大型看铝合金环件内部组织不均匀，影响环件质量。同时大型2219铝合金碾轧制并未完全消除CuAl2共晶相，此类析出相与集体结合不稳定，降低强度。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，提供一种大型2219铝合金环均匀化制备方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
大型2219铝合金环均匀化轧制工艺，包括如下步骤：
步骤一：坯料过时效处理
a1：固溶处理
对经过锻造及扩孔的坯料进行固溶处理，固溶处理采用到温入炉的方式，首先将铝合金专用固熔淬火炉设定为预定温度535℃±5℃并维持该温度2h左右使温度稳定并是炉内充分均匀，待达到预定时间后，将放置于专用工桩上的铝合金环与工桩一齐置于炉中调节温度。在温度达到535℃左右(±5℃)时开始计时保温，保温时间按照环坯有效尺寸进行计算(例如直径3m，截面积为0.65mm的坯料保温时间为6h左右)，保温系数为2.0-2.5min/mm。
a2：淬火
淬火水温为30-50℃，淬火前5min开启循环水系统直至淬火结束，达到保温时间后，快速开启炉门，对环坯进行快速淬火，要求淬火转移时间≤25s，入水后，上下移动淬火料框或淬火专用工装，但需保证环坯完全浸泡在水中，水中浸泡时间≥20min，完成淬火之后通过测温系统确保环件内外温差＜5℃；
a3：过时效处理
将完成淬火的时效态铝合金连同工桩一起置入铝合金专用时效炉中进行过时效处理，设定加热速度为5℃/min，将加热温度设定为320℃(允许温度误差范围±10℃)，当炉内温度加热至预定温度后，保温8～14h具体根据保温时间可根据坯料尺寸在此区间进行微调，达到保温时间后出炉，将环坯置于空气中冷却。
步骤二：中低温环轧成形
待过时效处理后的环坯的温度降低至150-200℃时，将环坯置于径-轴碾环机上进行轧制，得到环件；轧制过程中控制芯辊进给速率为“匀速-加速-减速”轧制，在此期间控制线速度为1000-1500mm/s，控制环坯直径的长大速率，整个轧制过程环坯温度控制在150-200℃之间；
步骤三：高温环轧整成形
将低温轧制后的环件先移入大型铝合金环专用加热装置升温至480℃(控制误差为±10℃)并控制环件芯部及表面温差小于10℃，之后将其置于径-轴向碾环机上进行整形轧制，此时控制芯辊进给速率为“匀速-缓慢减速-减速至停止”，在此期间控制轧制线速度为1200mm/s，控制环件直径及长大速率，整个过程控制环件温度不低于450℃。
步骤四：最终固溶-时效处理
c1：固溶淬火处理
对轧制制得的环件，采用铝合金专用淬火炉进行固溶处理，采用到温装炉的方式，首先进行固溶淬火炉预热，炉膛预热温度530-540℃，预热保温时4-6h，环件固溶保温，淬火转移时间≤25s，淬火前水温30-50℃，水中浸泡时间≥20min；
c2：时效处理
采用铝合金专用时效炉对冷变形后的环件进行时效处理，时效处理应在淬火处理结束后的4h内进行，采用冷态装炉的方式，设定加热温度为10℃/min保证在2h内升至设定的时效温度，时效温度控制在160-190℃，保温后出炉进行空气冷却。
特别的，所述步骤一中过时效温度为280-310℃。
特别的，所述步骤二中终锻温度不低于150℃且不高于200℃。
特别的，所述步骤三中环坯直径的长大速率为3-5mm/s。
特别的，所述步骤四中时效处理过程中的保温的时间为8-12h。
本发明的有益效果是：本发明是一种针对5～10m的大型2219铝合金环均匀化制备工艺，包括步骤一：坯料过时效处理；步骤二：低温快速环轧成型；步骤三：高温慢速轧制整形；步骤四：后续热处理。本发明通过过时效处理预析出弥散分布的，一定尺寸的沉淀相，为后续的再结晶提供再结晶晶核；在后续低温快速轧制变形过程中，产生大量位错塞积并形成局部变形带，引入变形能；随后升温至中高进行高温轧制及整形，在此过程期间可同时完成圆环整形及动态再结晶阶段。在后续的固溶及时效处理中形成均匀的析出相及细小的再结晶组织。改变传统工艺中环轧后显著的纤维组织和粗大析出相的目的，降低传统环轧变形导致的突出的纤维组织，降低各向异性，提高环件各向组织性能一致性，提升环件综合性能，实现其形-性协同制造，满足航天型号使用需求。
附图说明
图1为本发明工艺路线示意图；
图2为过时效处理后的坯料微观组织；
图3为轧制芯辊运动示意图；
图4为本发明制造获得的5m环件的金相组织图；
图5为本发明制造获得的5m环件的扫描电镜图；
图6为本发明制造获得的8m环件的金相组织图；
图7为本发明制造获得的8m环件的扫描电镜图；
以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
具体实施方式
参考图1，大型2219铝合金环均匀化轧制工艺。包括如下步骤：步骤一：坯料过时效处理
a1：固溶处理
对经过锻造及扩孔的坯料进行固溶处理，固溶处理采用到温入炉的方式，首先将铝合金专用固熔淬火炉设定为预定温度535℃±5℃并维持该温度2h左右使温度稳定并是炉内充分均匀，待达到预定时间后，将放置于专用工桩上的铝合金环与工桩一齐置于炉中调节温度。在温度达到535℃左右(±5℃)时开始计时保温，保温时间按照环坯有效尺寸进行计算(例如直径3m，截面积为0.65mm的坯料保温时间为6h左右)，保温系数为2.0-2.5min/mm。
a2：淬火
淬火水温为30-50℃，淬火前5min开启循环水系统直至淬火结束，达到保温时间后，快速开启炉门，对环坯进行快速淬火，要求淬火转移时间≤25s，入水后，上下移动淬火料框或淬火专用工装，但需保证环坯完全浸泡在水中，水中浸泡时间≥20min，完成淬火之后通过测温系统确保环件内外温差＜5℃；
a3：过时效处理
将完成淬火的时效态铝合金连同工桩一起置入铝合金专用时效炉中进行过时效处理，设定加热速度为5℃/min，将加热温度设定为320℃(允许温度误差范围±10℃)，当炉内温度加热至预定温度后，保温8～14h具体根据保温时间可根据坯料尺寸在此区间进行微调，达到保温时间后出炉，将环坯置于空气中冷却。过时效处理后的坯料微观组织如附图2所示。
步骤二：中低温环轧成形
参考图3，待过时效处理后的环坯的温度降低至150-200℃时，将环坯置于径-轴碾环机上进行轧制，得到环件；轧制过程中控制芯辊进给速率为“匀速-加速-减速”轧制，在此期间控制线速度为1000-1500mm/s，控制环坯直径的长大速率，整个轧制过程环坯温度控制在150-200℃之间；
步骤三：高温环轧整成形
此步骤参考图3，将低温轧制后的环件先移入大型铝合金环专用加热装置升温至480℃(控制误差为±10℃)并控制环件芯部及表面温差小于10℃，之后将其置于径-轴向碾环机上进行整形轧制，此时控制芯辊进给速率为“匀速-缓慢减速-减速至停止”，在此期间控制轧制线速度为1200mm/s，控制环件直径及长大速率，整个过程控制环件温度不低于450℃。
步骤四：最终固溶-时效处理
c1：固溶淬火处理
对轧制制得的环件，采用铝合金专用淬火炉进行固溶处理，采用到温装炉的方式，首先进行固溶淬火炉预热，炉膛预热温度530-540℃，预热保温时4-6h，环件固溶保温，淬火转移时间≤25s，淬火前水温30-50℃，水中浸泡时间≥20min；
c2：时效处理
采用铝合金专用时效炉对冷变形后的环件进行时效处理，时效处理应在淬火处理结束后的4h内进行，采用冷态装炉的方式，设定加热温度为10℃/min保证在2h内升至设定的时效温度，时效温度控制在160-190℃，保温后出炉进行空气冷却。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1：大型2219铝合金环均匀化轧制工艺。环件的轧制参数如下表所示：
Figure BDA0002832290360000061
具体加工步骤如下：
1，坯料过时效处理，依照前文所提，将铝合金坯料采用到温入炉的方式置于530℃的加热炉中保温6h后进行循环水冷淬火，之后置入270℃时效炉中保温。
2.中低温环轧成形，过时效处理后的环坯的温度降低至200℃左右，将环坯置于径-轴碾环机上进行轧制，控制芯辊进给速率为“匀速-加速-减速”轧制，在此期间控制线速度为1000-1500mm/s，控制环坯直径的长大速率，整个轧制过程环坯温度控制在150-200℃之间；
3.高温环轧整成形，将低温轧制后的环件先移入大型铝合金环专用加热装置升温至440℃(控制误差为±10℃)并控制环件芯部及表面温差小于10℃，之后将其置于径-轴向碾环机上进行整形轧制，此时控制芯辊进给速率为“匀速-缓慢减速-减速至停止”，在此期间控制轧制线速度为1200mm/s，控制环件直径及长大速率，整个过程控制环件温度不低于450℃。
4.最终固溶-时效处理对轧制制得的环件，采用铝合金专用淬火炉进行固溶处理，采用到温装炉的方式，首先进行固溶淬火炉预热，炉膛预热温度535℃，预热保温时4-6h，环件固溶保温，淬火转移时间≤25s，淬火前水温30-50℃，水中浸泡时间≥20min；后采用铝合金专用时效炉对冷变形后的环件进行时效处理，时效处理应在淬火处理结束后的4h内进行，采用冷态装炉的方式，设定加热温度为10℃/min保证在2h内升至设定的时效温度，时效温度控制在160-190℃，保温后出炉进行空气冷却。
最终得到环件组织如图4，图5所示，其晶粒更加细小均匀(平均晶粒直径约为80μm且晶粒极差小于30μm)，析出相分布更加均匀；性能如下表所示，各项指标均满足相关国家标准：
抗拉强度(Mpa) 410
屈服强度(Mpa) 218
硬度(HV) 128
实施例2：大型2219铝合金环均匀化轧制工艺。环件的轧制参数如下表所示：
Figure BDA0002832290360000081
具体加工步骤如下：
1，坯料过时效处理，依照前文所提，将铝合金坯料采用到温入炉的方式置于535℃的加热炉中保温7h后进行循环水冷淬火，之后置入320℃时效炉中保温。
2.中低温环轧成形，过时效处理后的环坯的温度降低至150-200℃，将环坯置于径-轴碾环机上进行轧制，控制芯辊进给速率为“匀速-加速-减速”轧制，在此期间控制线速度为1300mm/s，控制环坯直径的长大速率，整个轧制过程环坯温度控制不低于150℃；
3.高温环轧整成形，将低温轧制后的环件先移入大型铝合金环专用加热装置升温至480℃(控制误差为±10℃)并控制环件芯部及表面温差小于10℃，之后将其置于径-轴向碾环机上进行整形轧制，此时控制芯辊进给速率为“匀速-缓慢减速-减速至停止”，在此期间控制轧制线速度为1200mm/s，控制环件直径及长大速率，整个过程控制环件温度不低于450℃。
4.最终固溶-时效处理对轧制制得的环件，采用铝合金专用淬火炉进行固溶处理，采用到温装炉的方式，首先进行固溶淬火炉预热，炉膛预热温度535℃，预热保温时6-8h，环件固溶保温，淬火转移时间≤25s，淬火前水温30-50℃，水中浸泡时间≥20min；后采用铝合金专用时效炉对冷变形后的环件进行时效处理，时效处理应在淬火处理结束后的4h内进行，采用冷态装炉的方式，设定加热温度为10℃/min保证在2h内升至设定的时效温度，时效温度控制在160-190℃，保温12h后出炉进行空气冷却。
最终得到环件组织如图6，图7所示，其晶粒更加细小均匀(平均晶粒直径约为110μm且晶粒极差小于30μm)，析出相分布更加均匀；性能如下表所示：
抗拉强度(Mpa) 400
屈服强度(Mpa) 210
硬度(HV) 118
各项指标均满足相关国家标准。

Claims (6)

1.大型2219铝合金环均匀化轧制工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)过时效处理：铝合金坯料通过过时效处理降低硬度，提高塑性，并使之获得弥散分布的，利于再结晶形核的析出相θ；
(2)中低温轧制成型：将过时效后的环坯降温至150-200℃，并移至碾环机进行环件轧制，使之产生大量位错塞积并形成局部变形带，并引入变形能，为再结晶提供驱动力；轧制过程中，控制径变形量为30～50％；在此期间控制芯辊运动方式为径向进给“匀速-加速-减速”；
(3)高温轧制整形：将低温轧制后的环件升温至480℃，使之在保证再结晶温度的同时，不使晶粒过度生长，移植至碾环机进行高温整形轧制，控制变形量为10％～30％，在此期间控制芯辊运动方式为径向进给“匀速-缓慢减速-减速停止”完成轧制；
(4)后续热处理：将轧制后的环件放入炉中，加热至530-540℃，保温4-6小时，然后淬火，移炉进行160-190℃时效处理，完成大型铝合金环均匀化轧制。
2.如权利要求1所述的大型2219铝合金环均匀化轧制工艺，其特征在于，低温轧制工艺终锻温度不低于150℃且不高于200℃；低温轧制过程中的芯辊进给速率不超过3mm/s。
3.如权利要求1所述的大型2219铝合金环均匀化轧制工艺，其特征在于，高温轧制整形的终锻温度不低于450℃，且高温整形过程时间不超过50s。
4.如权利要求1所述的大型2219铝合金环均匀化轧制工艺，其特征在于，所制备的大型环件晶粒尺寸极差不大于30μm。
5.如权利要求1所述的大型2219铝合金环均匀化轧制工艺，其特征在于，所制备的大型环件无偏析析出相，析出相尺寸不超过10μm，面积分数不小于2％。
6.如权利要求1所述的大型2219铝合金环均匀化轧制工艺，其特征在于，所述2219铝合金环件是指外径为5～10米的大型环件。
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