CN114558967B - 一种铝合金超大型环锻件的制备方法 - Google Patents

一种铝合金超大型环锻件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种铝合金超大型环锻件的制备方法。该方法包括:控制铝合金在一定温度下熔化,经精炼、真空除气、过滤、半连续铸造、铣切、锻前均匀化处理、锻前预变形、锻前再结晶处理、锻造、快速模切、环轧成形、热处理等步骤。所述铝合金经成分优化,锻造成形包括铸锭直接镦粗至圆饼状;在圆饼上采用模具快速冲切成孔;二次回炉进行消除内应力的保温均匀化处理;在数控辗环机上锻造成环状锻件。本发明中铝合金经成分优化、锻造之前进行预变形后的再结晶等处理,目的是利用再结晶将Fe、Si等杂质相从晶界聚集转变为晶内分布,同时细化锻造组织。该方法制备的铝合金超大型环锻件具有应力分布均匀、对称,环锻件三向力学性能各向异性小等优势。

Description

一种铝合金超大型环锻件的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料塑性加工技术领域,特别地,涉及一种铝合金超大型环锻件的制备方法。
背景技术
超大型锻件制造是重大装备制造的关键技术之一,其质量直接影响到重大装备的整体水平和运行可靠性,是发展电力、船舶、冶金、石化、重型机械和国防等工业的基础,是先进装备制造业的前提。
超大型锻件的特点时大吨位,大尺寸,包括环件、轴类、饼类等锻件,其一般的制备流程包括:熔炼、铸造、均匀化退火、坯料、自由锻/模锻、固溶、冷变形、时效,其中坯料可以采用铸锭,也可以通过轧制、挤压、自由锻的方法制备成轧制板材、挤压材或自由锻件。坯料的组织性能对锻件最终性能起决定性作用。
已公开的专利文献采用铸锭或挤压材作为坯料,经加热保温后再进行自由锻和模锻,再经过热处理后制备成最终的自由锻件和模锻件。而对于超大规格铝合金锻件需要选用大型铸锭为坯料,该状态的坯料中含铁、硅、锰杂质相沿晶界聚集分布,使晶界变“脆”,并且均匀化处理难以改变其分布状态。后续加热塑性加工成形过程中,坯料经过较强烈的变形,其合金内部组织结构及析出相等发生变化,而晶界聚集杂质相的组织形貌则“遗传”给锻件,使得最终产品抗拉强度、屈服强度、延伸率与硬度等力学性能指标随取样方向的不同表现出一定的差异,产生平面力学各向异性。
上述材料各向异性严重限制了大型锻件在航空航天、军事工业、交通运输以及核工业等关键领域作为主承力结构的应用。特别的,对于一些急需超大型锻件产品应用领域,必须通过改进现有锻件成形工艺才能满足对应领域的用途需要。
发明内容
本发明的目的是提出一种铝合金超大型环锻件的制备方法,以克服现有技术的不足,制备的环锻件力学性能各向异性小,解决了环件各向异性的问题。
本发明涉及一种铝合金超大型锻件的制备技术,具体的来说是一种铝合金超大型环锻件的成形工艺。该方法包括:控制上述铝合金在一定温度下熔化,经精炼、真空除气、过滤、半连续铸造(DC铸造)、铣切、锻前均匀化处理、锻前预变形、锻前再结晶处理、锻造、快速模切、环轧成形、热处理等步骤。所述铝合金经成分优化后锻造成形,包括铝合金铸锭直接锻压至圆饼状;采用液压冲切机在圆饼上冲孔;二次回炉进行消除内应力的保温均匀化处理;在数控辗环机上锻造成环形锻件。本发明中在锻造之前进行预变形后的再结晶处理,目的是利用再结晶将Fe、Si等杂质相从晶界聚集转变为晶内分布;合金成分优化的目的是改善和细化材料组织。该方法制备的铝合金超大型锻件应力分布均匀、对称,并有效地防止裂纹,减少内部冶炼缺陷。整个制备过程,工艺可行,可实现规模化生产。
本发明的目的可以通过以下方案来实现:
本发明提供了一种铝合金超大型环锻件的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
S1、将铝合金进行熔炼;
S2、将熔炼后的熔体加入精炼剂进行精炼;
S3、将精炼后的熔体在真空状态下精炼除气,再进行半连续铸造,冷却后获得铝合金铸锭;
S4、将铝合金铸锭进行均匀化处理得铝合金坯料;
S5、将铝合金坯料进行中低温保温,保温后出炉进行中低温预变形,预变形后进行再结晶退火;
S6、将退火后的坯料加热保温,再进行锻造镦粗,得到锻饼;
S7、将锻饼冲切成孔,然后二次回炉进行去应力退火处理;
S8、将退火后的带孔锻饼进行环轧成形,得目标尺寸环锻件;
S9、将目标尺寸环锻件进行热处理,即得所述铝合金超大型环锻件。
作为本发明的一个实施方案,所述铝合金中包括如下质量分数的各组分:铜0.1~0.5%,镁0.2~5%,锌0.1~5%,钛0.05~0.1%,其余为纯铝。具体地,本发明提出了一种新的铝合金超大型锻件的制备方法,包括对坯料本身进行优化。
作为本发明的一个实施方案,所述铝合金中包括如下质量分数的各组分:铜0.1~0.5%,镁0.2~5%,锌0.1~5%,钛0.05~0.1%;以及包括0.05-0.15%镍,0.1-0.3%铬,0.0001-0.0005%铍中的一种或几种;其余为纯铝。本发明通过添加镍、铬、铍,可形成中间相,细化再结晶组织。
作为本发明的一个实施方案,步骤S1中所述熔炼的温度为720~760℃。
作为本发明的一个实施方案,步骤S2中精炼的温度为730~750℃,精炼时间为15~20min。通过精炼剂对熔体进行精炼处理,保温后去除残渣。
作为本发明的一个实施方案,步骤S3中所述精炼除气的温度为730~750℃,时间10~20min。除气精炼目的是将杂质和气体从铝液中分离出来。因此,通过步骤S1-S3后可获得高质量铸件。
作为本发明的一个实施方案,步骤S4中均匀化处理的温度为460~475℃,时间为24~36小时。均匀化温度过低或时间短会导致均匀化不完全,成分不均匀;温度过高会使合金过烧;时间太长,经济性差,因此需要合适的均匀化温度。
作为本发明的一个实施方案,步骤S5中所述中低温保温的温度为180℃~300℃;中低温预变形的变形量为10%~20%。中低温指低于铝合金的再结晶温度,保温时间根据坯料最大厚度2min/mm来计算,出炉后进行锻造变形。所述再结晶退火的温度为465~475℃,退火时间为18~30h。保温温度过低,变形抗力大;温度高,变形储能少,后续再结晶不完全。同样,再结晶温度低,再结晶不完全;温度高,晶粒会异长大。因此均需要合适的温度选择。
作为本发明的一个实施方案,步骤S6中所述加热保温的温度为420~460℃,保温时间为10~12小时。
作为本发明的一个实施方案,步骤S6中所述锻造的初锻温度为420℃~460℃,终锻温度380℃-460℃。锻造过程中不断降温,保证锻造完成时的锻造温度≥380℃。
作为本发明的一个实施方案,步骤S7中锻件快速模切冲孔后去应力退火处理的温度为450~460℃,退火时间为10~12小时。
作为本发明的一个实施方案,步骤S8中所述环轧成型是将退火处理后带孔的锻坯进行环轧制,获得目标尺寸环锻件。具体地,环轧的初始温度为450~475℃,终锻温度为350℃-475℃。环轧制是将锻坯在数控辗环机上进行环轧,保证环轧制完成时的锻造温度≥350℃。
作为本发明的一个实施方案,步骤S9中所述热处理包括固溶处理和时效处理。固溶处理的温度为470±3℃;时效处理的温度为120±5℃,保温6-20小时。本发明将最终形状规格的锻件在具有空气循环系统的加热炉中进行固溶处理,保温时间根据环锻件最大厚度规格2min/mm来计算。出炉后在半小时内完成冷压缩变形;人工时效采用二级时效工艺处理。
作为本发明的一个实施方案,步骤S3铸造获得铝合金铸锭为圆铸锭时,步骤S7去应力退火处理前直接在圆饼状锻件上冲孔;步骤S3铸造获得铝合金铸锭为其他形状铸锭时,需进行多向镦拨,最终成形至圆饼状/近似圆饼状锻件。
本发明涉及一种铝合金超大型环锻件的制备方法。该方法包括:控制上述铝合金在一定温度下熔化,经精炼、真空除气、过滤、半连续铸造、铣切、锻前均匀化处理、锻前预变形、锻前再结晶处理、锻造、快速模切、环轧成形、热处理等步骤。所述铝合金经成分优化,锻造成形包括铸锭直接镦粗至圆饼状;在圆饼上采用模具快速冲切成孔;二次回炉进行消除内应力的保温均匀化处理;在数控辗环机上锻造成环状锻件。本发明中铝合金经成分优化、锻造之前进行预变形后的再结晶等处理,目的是利用再结晶将Fe、Si等杂质相从晶界聚集转变为晶内分布,同时细化锻造组织。该方法制备的铝合金超大型环锻件具有应力分布均匀、对称,环锻件三向力学性能各向异性小等优势。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)通过优化后的铝合金配比,可以有效地防止裂纹,减少金属内部冶炼缺陷;
(2)通过均匀化处理,可以消除铸锭内残余应力,铸锭组织成分更均匀,以便于后续进一步的锻压加工;
(3)添加Ni、Cr、Be等元素,可以阻碍再结晶晶粒长大过程,同时对合金有一定的强化作用,并改善合金韧性。
(4)通过成分和预变形工艺优化,晶粒组织细化,且杂质相经再结晶后由晶界偏聚转变为晶内分布,这一组织优化,可以同时提高环锻件力学性能,减小各向异性。
具体实施方式
下面将更详细地描述本公开的实施例。虽然本申请公开了某些实施例,然而应当理解的是,本公开可以通过各种形式来实现,而且不应该被解释为限于这里所阐述的实施例。相反,提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。此外,应当理解的是,本申请的实施例仅用于示例性作用,并非用于限制本公开的保护范围。
在本公开的实施例的描述中,术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含,即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
为了解决上述问题中的至少一个问题,以及其他潜在问题中的一个或多个问题,本公开的示例实施例提出了一种新的铝合金超大型锻件的制备方法,包括对铝合金铸锭进行预成型优化,具体地,铝合金超大型锻件包括铝合金,所述铝合金包括每百份重量的铝合金中含有0.1~0.5的铜,含有0.2~5的镁,含有0.1~5的锌,含有0.05~0.1的钛,其余为纯铝。进一步地,上述铝合金超大型锻件所包括的铝合金中,其每百份重量的铝合金中含有0.1的镍或0.2的铬或0.0003的铍。通过锻压预变形与热处理结合的工艺优化,可以有效地防止裂纹,减少金属内部冶炼缺陷。
实施例1
本实施例提供了一种铝合金超大型环锻件的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)控制上述铝合金(按铝合金每百份重量计,成分组成:0.1份Cu、1.8份Mg、5.0份Zn、0.1份Ti、0.2份Cr、0.0003份Be)在一定温度下进行熔炼,具体地,熔炼温度为740℃;
(2)待炉料全部熔化后,在740℃时加入精炼剂,对熔体进行精炼处理,保温20min后扒渣;
(3)将精炼后的熔体在真空状态下精炼除气,温度控制在740℃,时间20min,随后进行半连续铸造,冷却后获得铝合金圆铸锭;
(4)将经过上述步骤处理的成锭的铝合金,进行保温均匀化处理,具体地,均匀化处理的温度为470℃,保温时间为36小时;
(5)将坯料进行中低温加热保温,保温时间达到后出炉进行中低温变形,变形后进行再结晶退火;上述中低温指低于铝合金的再结晶温度;上述保温时间根据坯料厚度规格确定。具体地,坯料加热温度250℃,出炉后进行锻造变形,变形量为15%。
(6)将锻造变形后的坯料进行再结晶退火处理,具体地,退火温度470℃,保温时间24h。
(7)将经过上述步骤处理的铝合金进行锻造,具体地,在上述锻造之前进行加热和保温,其中,加热温度为450℃,保温时间为12小时。锻造的初锻温度为450℃,保证锻造完成时的锻造温度≥380℃
(8)随后,利用液压冲切机在圆饼状锻件上冲孔,并进行去应力退火,具体地,加热温度为450℃,保温时间为10小时。
(9)将退火处理后的锻坯在数控辗环机上进行环轧制,获得目标尺寸环锻件,具体地,环轧初始温度465℃,终锻温度≥350℃。
(10)最后,将目标环锻件在环形炉内淬火后进行时效处理,具体地,所述固溶温度470℃,时效温度120℃,保温18h。
上述过程中对铝合金铸锭经成分优化、中低温预变形后,材料组织细化且更均匀。铝合金环锻件三向(高向、弦向、径向)力学性能,如表1中所示。
实施例2
本实施例提供了一种铝合金超大型环锻件的制备方法,所述制备方法包括如下步骤:
(1)控制上述铝合金(按铝合金每百份重量计,成分组成:0.1份Cu、1.8份Mg、5.0份Zn、0.1份Ti、0.2份Cr、0.0003份Be)在一定温度下进行熔炼,具体地,熔炼温度为740℃;
(2)待炉料全部熔化后,在740℃时加入精炼剂,对熔体进行精炼处理,保温20min后扒渣;
(3)将精炼后的熔体在真空状态下精炼除气,温度控制在740℃,时间20min,随后进行半连续铸造,冷却后获得铝合金圆铸锭;
(4)将经过上述步骤处理的成锭的铝合金,进行保温均匀化处理,具体地,均匀化处理的温度为470℃,保温时间为36小时;
(5)将坯料进行中低温加热保温,保温时间达到后出炉进行中低温变形,变形后进行再结晶退火;上述中低温指低于铝合金的再结晶温度;上述保温时间根据坯料厚度规格确定。具体地,坯料加热温度300℃,出炉后进行锻造变形,变形量为20%。
(6)将锻造变形后的坯料进行再结晶退火处理,具体地,退火温度470℃,保温时间24h。
(7)将经过上述步骤处理的铝合金进行锻造,具体地,在上述锻造之前进行加热和保温,其中,加热温度为450℃,保温时间为12小时。锻造的初锻温度为450℃,保证锻造完成时的锻造温度≥380℃
(8)随后,利用液压冲切机在圆饼状锻件上冲孔,并进行去应力退火,具体地,加热温度为450℃,保温时间为10小时。
(9)将退火处理后的锻坯在数控辗环机上进行环轧制,获得目标尺寸环锻件,具体地,环轧初始温度465℃,终锻温度≥350℃。
(10)最后,将目标环锻件在环形炉内淬火后进行时效处理,具体地,所述固溶温度470℃,时效温度120℃,保温18h。
上述过程中对铝合金铸锭经调整中低温预变形工艺后,改变材料再结晶组织。铝合金环锻件三向(高向、弦向、径向)力学性能降低,具体如表1中所示。
对比例1
本对比例提供了一种铝合金超大型锻件的制备方法,所述制备方法与实施例1基本相同,区别之处仅在于:未进行成分优化。优化之前合金成分为0.1份Cu、1.8份Mg、5.0份Zn、0.1份Ti,其余为铝。最终环锻件三向力学性能如表1中所示。
对比例2
本对比例提供了一种铝合金超大型锻件的制备方法,所述制备方法与实施例1基本相同,区别之处仅在于:未进行均匀化处理。此时铸锭合金元素呈偏聚状态,分布不均匀,从而影响目标锻件性能。
对比例3
本对比例提供了一种铝合金超大型锻件的制备方法,所述制备方法与实施例1基本相同,区别之处仅在于:未进行中低温预变形与再结晶退火处理。对最终环锻件力学性能影响如表1中所示。
表1实施例和对比例中环锻件的三向力学性能
Figure BDA0003473651030000071
以上已经描述了本公开的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
以上所述仅为本公开的可选实施例,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等效替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝合金超大型环锻件的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:
S1、将铝合金进行熔炼;
S2、将熔炼后的熔体加入精炼剂进行精炼;
S3、将精炼后的熔体在真空状态下精炼除气,再进行半连续铸造,冷却后获得铝合金铸锭;
S4、将铝合金铸锭进行均匀化处理得铝合金坯料;
S5、将铝合金坯料进行中低温保温,保温后出炉进行中低温预变形,预变形后进行再结晶退火;
S6、将退火后的坯料加热保温,再进行锻造镦粗,得到锻饼;
S7、将锻饼冲切成孔,然后二次回炉进行去应力退火处理;
S8、将退火后的带孔锻饼进行环轧成形,得目标尺寸环锻件;
S9、将目标尺寸环锻件进行热处理,即得所述铝合金超大型环锻件;
步骤S5中所述中低温保温的温度为180℃~300℃;中低温预变形的变形量为10%~20%。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述铝合金中包括如下质量分数的各组分:铜0.1~0.5%,镁0.2~5%,锌0.1~5%,钛0.05~0.1%,其余为纯铝。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述铝合金中包括如下质量分数的各组分:铜0.1~0.5%,镁0.2~5%,锌0.1~5%,钛0.05~0.1%;以及包括0.05-0.15%镍、0.1-0.3%铬、0.0001-0.0005%铍中的一种或几种;其余为纯铝。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤S3中所述精炼除气的温度为730~750℃,时间10~20min。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤S4中均匀化处理的温度为460~475℃,时间为24~36小时。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤S5中所述再结晶退火的温度为465~475℃,退火时间为18~30h。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤S6中所述加热保温的温度为420~460℃,保温时间为10~12小时。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤S7中所述去应力退火处理的温度为450~460℃,退火时间为10~12小时。
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