一种7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺的制作方法

1.本发明属于铝合金生产制造技术领域，涉及一种7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺。


背景技术：

2.7022铝合金属于al-zn-mg-cu系合金，由于高比强度、高耐腐蚀性和优良的导电性能而被广泛应用于部分架空输电线路、汽车工业、航空航天等领域。随着轨道车辆制造技术的发展，越来越多的高铁车辆结构件、承力件选择采用质量更轻的铝合金，这也更加细化了铝合金性能要求。7022铝合金相对于传统的al-zn-mg合金强度更高，淬火及加工难度又低于常用的al-zn-mg-cu合金，具有高比强度、良好焊接性能、加工性能、疲劳性能，非常适合用于轨道车辆结构件。限制于设备原因，大型7022铝合金结构件多采用铸造、锻造等方式生产，采用挤压生产在国内属于空白。采用热挤压生产，可以提高生产效率，降低生产成本并获得较好的组织特征。现需要生产一种规格为422
×
132mm的特大铝合金块材，挤压及热处理后获得强度、塑性、腐蚀性能、疲劳性能等综合性能优良的型材，通过机加工获得最终产品。产品应用于复兴号高铁列车连接件，是轨道列车的重要承力部件。
3.7022合金由于合金化程度高、塑性差、挤压生产产生裂纹倾向高，且该特大铝合金块材截面积很大，挤压生产过程中速度过快，会导致边部乃至心部裂纹的出现，需要在保证型材质量的条件下保持生产效率。型材厚度很大，淬火难以淬透，为保证型材强度满足要求，需要保证淬火效果。轨道交通型材对合金的综合性能有较高的要求，为保证型材的拉伸、组织、硬度、弯曲、腐蚀、疲劳等指标均能满足标准，需要对热处理制度进行精确调整。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明为了解决现有技术中采用挤压方式生产7022特大铝合金块材，边部和心部容易出现裂纹，淬火难以淬透，型材的拉伸、组织、硬度、弯曲、腐蚀、疲劳等综合性能不能满足标准要求的问题，提供一种7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺，包括如下步骤：
7.a、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：zn：4.8～5.0％、mg：2.85～2.95％、cu：0.50～0.65％、cr：0.20～0.30％、mn：0.30～0.40％、fe≤0.20％、si≤0.20％、ti zr：0.15～0.20％、单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％，余量为al；
8.b、熔铸：将配制好的7系铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，铝合金铸锭规格为φ780
×
1430mm；
9.c、三级均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭进行三级均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，其中三级均匀化制度为：第一阶段(200
±
5)℃
×
(2～3h)；第二阶段(360
±
5)℃
×
(1～2h)；第三阶段(470
±
5)℃
×
(12～14h)；
10.d、挤压成型：将三级均匀化处理的铝合金铸锭置于挤压机模具中均匀挤压，得到尺寸及形位公差符合标准要求且规格为422
×
132mm的特大铝合金块材，其中挤压机采用22500t卧式正向挤压机生产，挤压比为9：1，挤压速度为0.4～1.2m/min，模具温度控制在390～410℃，挤压筒温度400～440℃，铸锭加热温度为400～440℃，压余设定为120mm；
11.e、固溶淬火：将挤压后的特大铝合金块材进行固溶处理，固溶处理温度为470～475℃，保温时间为200～300min；
12.f、双级时效热处理：将淬火处理后的特大铝合金块材进行双级时效热处理，双级时效制度为：(105
±
5)℃
×
(7～9)h (145～155)℃
×
(10～16)h，，将双级时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温；
13.g、整形处理：将时效热处理后的特大铝合金块材进行抛光打磨，去除毛刺和拉痕。
14.进一步，步骤d中挤压机模具设计结构要在保证产品尺寸的同时，合理设计前室尺寸和工作带长度，控制型材流速，在型材四角设计倒流坑，棱角位置增加r角加导流板。
15.进一步，步骤e中固溶淬火采用16.5m立式淬火炉淬火，固溶后的铝合金型材采用18～22％的pag淬火液进行淬火，淬火过程的冷却速度为700～800℃/min。
16.进一步，步骤b中铝合金原料熔铸为铝合金铸棒的过程中加入液态铝合金量0.5～2％的精炼剂和液态铝合金量0.5～2％的晶粒细化剂，并进行均匀搅拌，对液态铝合金进行精炼细化20～40min，直到液面无气泡产生。
17.进一步，步骤b中熔炼后的液态铝合金温度为710～750℃，水流量3000-6000l/min，铸造速度15-40mm/min。
18.本发明的有益效果在于：
19.1、本发明所公开的7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺，7022铝合金属于al-zn-mg-cu系合金，zn/mg值高时，强度高，热处理效果大，应力腐蚀敏感性也高，比值低时，焊接性好，淬火敏感性低。锌、镁、铜的总含量决定合金的性能，总含量大于9％时，强度很高，而抗蚀性、成形性、焊接性则不好。总含量为6％-8％时，强度仍高，但成型性能及焊接性能则好很多。mn、cr、zr、ti能够在均匀化退火时产生弥散质点、阻碍位错及晶界的迁移，从而提高再结晶温度、阻止晶粒长大起到细化晶粒、提高强度的作用，mn、cr元素也能起到提高抗应力腐蚀及焊接性能的作用。为提高型材强度zn元素采用较高值偏上限设计，mg按较低值偏下限设计，由于cu元素添加能够提高合金强度，但也降低了合金的抗腐蚀性能，因此cu采用较低值偏下限设计，为提高7022合金的疲劳性能及抗腐蚀性能，提高mn、cr、zr、ti元素的含量。
20.2、本发明所公开的7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺，通过对合金成分、挤压工艺及热处理过程的设计与严格控制，采用三级均匀化控制，使低熔点共晶相充分回溶，提高铸锭组织均匀性，提高材料的综合性能。
21.特大铝合金块材断面宽度和厚度都较大，确定模具温度390-410℃，挤压筒温度400-440℃，铸锭温度400℃-440℃，挤压速度0.4m/min-1.2m/min，压余压余设定为120mm，有效的防止了产品产生裂纹和缩尾等挤压缺陷。采用离线淬火保证淬火效果，使用立式淬火炉淬火，确定固溶制度为(470-475)℃
×
(200-300)min。通过峰时效和过时效制度调整，确定最佳的工艺制度：时效采用(105
±
5)℃
×
(7-9)h (145-155)℃
×
(14-16)h，在保证7022合金强度的同时改善韧性和抗腐蚀性能。
22.实现型材强度rp0.2(mpa)》400，rm(mpa)》490，a50(％)》6，硬度(hbw)》121，显微组织无晶界裂纹，皮质层晶粒度≥-5级，基体晶粒度≥3级。型材加工成10mm后，弯曲半径40mm弯曲角度180
°
无裂纹，剥落腐蚀ea级以上，应力腐蚀载荷300mpa下未发生断裂，疲劳性能试验频率小于200hz，应力比0.1，循环周次107，最大应力128mpa无断裂；实现了7022特大轨道型材的挤压生产，型材具有良好的综合性能，可用作大型承力件、结构件，推进了轨道车辆全铝化进程。
23.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
24.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
25.图1为本发明7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺中熔铸工艺流程图；
26.图2为本发明7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺中挤压成型工艺流程图；
27.图3为本发明实施例1制备的特大铝合金块材显微组织图；
28.图4为本发明实施例1制备的特大铝合金块材阳极覆膜后的显微组织图。
具体实施方式
29.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
31.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
32.实施例1
33.如图1～2一种7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺，包括如下步骤：
34.a、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
35.元素znmgcucrmnfesiti zral含量4.82.90.610.210.350.200.140.18余量
36.单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
37.b、熔铸：将配制好的7系铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，铝合金铸锭规格为φ780
×
1430mm；
38.c、三级均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭进行三级均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，其中三级均匀化制度为：第一阶段(200
±
5)℃
×
(2～3h)；第二阶段(360
±
5)℃
×
(1～2h)；第三阶段(470
±
5)℃
×
(12～14h)；
39.d、挤压成型：将三级均匀化处理的铝合金铸锭置于挤压机模具中均匀挤压，得到规格为422
×
132mm的特大铝合金块材，其中挤压机采用22500t卧式正向挤压机生产，挤压比为9：1，挤压速度为0.4～1.2m/min，模具温度控制在390～410℃，挤压筒温度400～440℃，铸锭加热温度为400～440℃，压余设定为120mm；
40.e、固溶淬火：将挤压后的特大铝合金块材采用16.5m立式淬火炉进行固溶处理，固溶处理温度为470℃，保温时间为300min；
41.f、双级时效热处理：将淬火处理后的特大铝合金块材进行双级时效热处理，双级时效制度为：100℃
×
9h 145℃
×
16h，将双级时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温；
42.g、整形处理：将时效热处理后的特大铝合金块材进行抛光打磨，去除毛刺和拉痕。图3为实施例1制备的特大铝合金块材显微组织图；图4为实施例1制备的特大铝合金块材阳极覆膜后的显微组织图。
43.实施例2
44.实施例2与实施例1的区别在于，步骤e将挤压后的特大铝合金块材采用16.5m立式淬火炉进行固溶处理，固溶处理温度为475℃，保温时间为250min；步骤f将淬火处理后的特大铝合金块材进行双级时效热处理，双级时效制度为：110℃
×
7h 150℃
×
16h，将双级时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温。
45.实施例3
46.实施例3与实施例1的区别在于，步骤e将挤压后的特大铝合金块材采用16.5m立式淬火炉进行固溶处理，固溶处理温度为470℃，保温时间为300min；步骤f将淬火处理后的特大铝合金块材进行双级时效热处理，双级时效制度为：105℃
×
8h 155℃
×
14h，将双级时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温。
47.实施例4
48.实施例4与实施例1的区别在于，步骤e将挤压后的特大铝合金块材采用16.5m立式淬火炉进行固溶处理，固溶处理温度为475℃，保温时间为250min；步骤f将淬火处理后的特大铝合金块材进行双级时效热处理，双级时效制度为：105℃
×
7h 155℃
×
14h，将双级时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温。
49.对比例1
50.一种7系超高强度铝合金特大型材挤压生产工艺，包括如下步骤：
51.a、配料：铝合金铸锭按照如下质量百分比配料：
[0052][0053][0054]
单个杂质≤0.05％，杂质合计≤0.15％；
[0055]
b、熔铸：将配制好的7系铝合金原料加入到熔炼炉中均匀混合后熔炼为液态铝合金，经过静置、精炼、扒渣、在线除气、过滤工序后，将液态铝合金熔铸为铝合金铸锭，铝合金铸锭规格为φ780
×
1430mm；
[0056]
c、三级均匀化处理：将熔铸后的铝合金铸锭进行三级均匀化处理消除铝合金铸锭中的晶粒偏析，其中三级均匀化制度为：第一阶段(200
±
5)℃
×
(2～3h)；第二阶段(360
±
5)℃
×
(1～2h)；第三阶段(470
±
5)℃
×
(12～14h)；
[0057]
d、挤压成型：将三级均匀化处理的铝合金铸锭置于挤压机模具中均匀挤压，得到规格为422
×
132mm的特大铝合金块材，其中挤压机采用22500t卧式正向挤压机生产，挤压比为9：1，挤压速度为0.4～1.2m/min，模具温度控制在390～410℃，挤压筒温度400～440℃，铸锭加热温度为400～440℃，压余设定为120mm；
[0058]
e、固溶淬火：将挤压后的特大铝合金块材采用16.5m立式淬火炉进行固溶处理，固溶处理温度为470℃，保温时间为250min；
[0059]
f、双级时效热处理：将淬火处理后的特大铝合金块材进行双级时效热处理，双级时效制度为：105℃
×
8h 135℃
×
10h，将双级时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温；
[0060]
g、整形处理：将时效热处理后的特大铝合金块材进行抛光打磨，去除毛刺和拉痕。
[0061]
对比例2
[0062]
对比例2与对比例1的区别在于，步骤f将淬火处理后的特大铝合金块材进行时效热处理，时效制度为：122℃
×
22h，将时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温。
[0063]
对比例3
[0064]
对比例3与实施例1的区别在于，步骤e将挤压后的特大铝合金块材采用16.5m立式淬火炉进行固溶处理，固溶处理温度为470℃，保温时间为250min；步骤f将淬火处理后的特大铝合金块材进行双级时效热处理，双级时效制度为：105℃
×
8h 135℃
×
10h，将双级时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温。
[0065]
对比例4
[0066]
对比例4与对比例3的区别在于，步骤f将淬火处理后的特大铝合金块材进行时效热处理，时效制度为：122℃
×
22h，将时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温。
[0067]
对比例5
[0068]
对比例5与实施例1的区别在于，步骤e将挤压后的特大铝合金块材采用16.5m立式淬火炉进行固溶处理，固溶处理温度为470℃，保温时间为250min；步骤f将淬火处理后的特大铝合金块材进行双级时效热处理，双级时效制度为：105℃
×
8h 135℃
×
14h，将双级时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温。
[0069]
对比例6
[0070]
对比例6与实施例1的区别在于，步骤e将挤压后的特大铝合金块材采用16.5m立式淬火炉进行固溶处理，固溶处理温度为475℃，保温时间为250min；步骤f将淬火处理后的特
大铝合金块材进行双级时效热处理，双级时效制度为：105℃
×
8h 160℃
×
15h，将双级时效热处理后的特大铝合金块材空冷至室温。
[0071]
对比例1与对比例3在合金成分上存在差异，对比例3合金强度低于对比例1但抗腐蚀性能和弯曲性能优于对比例1。因此可以得到通过合金成分调整可以改善材料的抗腐蚀性能。
[0072]
实施例1～4与对比例1～6所制备特大铝合金块材力学性能对比见表1
[0073]
表1
[0074][0075][0076]
实施例1～4与对比例1～6所制备特大铝合金块材弯曲、腐蚀性能对比见表2
[0077]
表2
[0078]
例别弯曲性能剥落腐蚀应力腐蚀实施例1无裂纹ea级未开裂实施例2无裂纹ea级未开裂实施例3无裂纹pc级未开裂实施例4无裂纹pc级未开裂
对比例1开裂ec级开裂对比例2开裂ec级开裂对比例3开裂eb级未开裂对比例4开裂eb级未开裂对比例5开裂eb级未开裂对比例6无裂纹pc级未开裂
[0079]
因此可以看出实施例1～实施例4特大铝合金块材屈服强度rp0.2(mpa)》400，抗拉强度rm(mpa)》490，断后延伸率a50(％)》6，硬度(hbw)》121，显微组织无晶界裂纹，皮质层晶粒度≥-5级，基体晶粒度≥3级。型材加工成10mm后，弯曲半径40mm弯曲角度180
°
无裂纹，剥落腐蚀ea级以上，应力腐蚀载荷300mpa下未发生断裂，疲劳性能试验频率小于200hz，应力比0.1，循环周次107，最大应力128mpa无断裂；实现了7022特大轨道型材的挤压生产，型材具有良好的综合性能，
[0080]
通过对比例3与对比例1，对比例4与对比例2的对比，发现实施例1～4成分优于对比例1、对比例2的成分，对比例3、对比例4与实施例的成分相同，实施例成分在122℃*22h、105℃*8h 135℃*10h峰时效下，腐蚀性能较对比例1、对比例2成分的高，弯曲性能较差，因此采用实施例成分。通过调整实施例成分的时效制度，采用实施例1-4，弯曲性能和腐蚀性能得到改善，符合材料性能要求，由于对比例6的屈服强度降到431mpa、抗拉强度降到494mpa，性能较低，刚刚达到材料的性能要求，因此对比例6时效制度不合适，最佳固溶制度为(470-475)℃
×
(200-300)min。最佳的时效制度为：(105
±
5)℃
×
(7-9)h (145-155)℃
×
(14-16)h。
[0081]
因此通过对合金成分、挤压工艺及热处理过程的设计与严格控制，采用三级均匀化控制(105
±
5)℃
×
(7-9)h (145-155)℃
×
(14-16)h，使低熔点共晶相充分回溶，能够提高铸锭组织均匀性，提高材料的综合性能。
[0082]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。