呂洪偉,杜連歡,謝洪博,張 旭,田洪超
(營口忠旺鋁業(yè)有限公司,營口115000)
7××× 系鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu 系合金,這類合金具有比重小、強度高、加工性能好等優(yōu)點,被廣泛應用于航空航天工業(yè)和民用交通工具等領域[1-2]。7075鋁合金合金成分高、塑性差,在正向擠壓機上生產(chǎn)困難。反擠壓相對正擠壓具有諸多優(yōu)勢,如在反向擠壓中,由于金屬流動均勻,變形抗力小,同時摩擦熱小,使擠壓過程中的金屬溫升小,從而在提高擠壓速度時,不會由于金屬的溫度不斷提高而導致金屬進入脆性區(qū)甚至達到熔點,在制品的表面上出現(xiàn)裂紋。相對正向擠壓,反向擠壓具有生產(chǎn)效率高、成品率高等優(yōu)點[3]。
營口忠旺鋁業(yè)引進了2000t、3150t、5500t單動反向臥式鋁合金擠壓機。經(jīng)過多次工藝試驗,目前已實現(xiàn)直徑200mm 以下的7075合金棒材在線淬火生產(chǎn),擠壓棒材表面光亮,其組織、性能均符合客戶要求。
采用60t熔煉爐與保溫爐組合的方式進行合金熔化。用SNIF 雙轉子除氣箱進行除氣、板式及深床過濾、Al-Ti-B絲細化晶粒。通過WAGSTAFF鑄造機進行φ342mm 的7075鋁合金優(yōu)質鑄錠的鑄造,其成分見表1。
表1 7075合金化學成分(質量分數(shù)/%)
7075合金中Fe 和Si 是有害雜質,在合金中主要以不溶或難溶的AlFeMnSi 等脆性相和共晶化合物的形式存在,對于合金的塑性及韌性很不利。Zn和Mg 是主要強化性元素,ω(Zn+Mg)= 9%時,強度達到最高;超過這一值后,因在晶界上析出呈網(wǎng)狀分布的脆性相而使合金脆化。Cu 的加入主要是為了改善7075合金的應力腐蝕傾向,提高強度和塑性。Cr、Ti 可形成彌散的金屬間化合物Al12Mg2Cr、Al3Ti 等,大大提高7075合金的再結晶溫度,阻止晶粒長大。Mn 主要起固溶強化作用。Zr 在一定含量范圍內可形成細小的Al3Zr 彌散相,抑制合金的再結晶和晶粒長大,可以提高合金強度、斷裂韌性和抗應力腐蝕性能[4-7]。
廠內直徑大于300mm 鑄錠的均勻化制度為200℃×2h+360℃×1h+470℃×14h。均勻化是將鑄錠加熱到接近固相線共晶溫度,長時間保溫后冷卻至室溫,使可溶相完全或接近完全溶解,形成過飽和固溶體及少量彌散分布的強化相。由于金屬和合金凝固時存在枝晶偏析,必須通過均勻化處理消除或降低晶內化學成分和組織的不均勻性,從而消除或減少在鑄錠快速冷卻時所產(chǎn)生的內應力,改善鑄錠的熱塑性。均勻化處理能促使第二相的溶解,減少第二相的含量,改善合金塑性,減少變形功消耗,提高設備生產(chǎn)效率,同時提高合金元素在基體中的固溶度,從而提高合金的強度[8]。
反擠壓機模具結構示意圖如圖1所示。有別于正向擠壓機擠壓墊,該模具無漲開結構。模具由定位螺絲連接到模軸上,模具外徑帶尺寸小,與擠壓筒內壁間隙較大,且模軸穩(wěn)定性差,模具容易偏心。擠壓時模具粘鋁、反鋁較重,需要頻繁清理擠壓筒和模具,大大降低了生產(chǎn)效率。目前我們正在試制彈性模具,彈性模具結構分成撐環(huán)與漲環(huán)兩部分,原理與正向擠壓機擠壓墊一致。擠壓時,作用在撐環(huán)上的軸向壓力改變成徑向方向,使?jié)q環(huán)張開,減小模具外徑帶與擠壓筒內壁間隙,可以較好地改善反鋁情況。
結合7075鋁合金本身特性和反擠壓機的特點,采用低溫高速擠壓。擠壓筒溫度為(400±10)℃,鑄錠加熱溫度為(375±10)℃,擠壓比范圍為5~50,擠壓速度為1.2~1.7m/min,擠壓淬火溫度為430~440℃。按照此種工藝制度生產(chǎn)的擠壓棒材時效后的性能最佳,表面光亮。
在線淬火是一種高效、節(jié)能的鋁型材生產(chǎn)技術,可縮短生產(chǎn)流程,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。對于淬火敏感性高的合金,淬火的冷卻速度起關鍵作用,淬火裝置的先進性尤為重要。反擠壓機淬火裝置如圖2所示。通過控制淬火水槽兩端水封的水流量保證淬火槽內水位高度,使擠壓型材充分浸入水中。水槽內部側壁設置等距的注水口,水槽兩端底部設置排水口,以加快水槽內水的流動;通過外循環(huán)控制水溫,保證水溫低于40℃,實現(xiàn)產(chǎn)品淬火的目的。
7075鋁合金一般不采用自然時效處理,這是因為該合金溶質原子團聚區(qū)形成速度緩慢,自然時效過程常常需要延續(xù)數(shù)月才能達到穩(wěn)定階段;且和人工時效相比,其抗應力腐蝕能力也較差,故7075鋁合金只適合進行人工時效處理[9]。目前工業(yè)上7×××系合金還是以雙級時效為主,但不能充分發(fā)揮7×××系的綜合性能,其性能為峰值時效的85%~95%,抗蝕性能良好。三級時效(RRA)工藝過于復雜,時間周期長且對每個環(huán)節(jié)要求很高,其性能為峰值時效的92%~95%,抗腐蝕性能最好;單級時效120℃×24h的強度達到峰值,相對而言其抗腐蝕性能最差[10]。
通過3150t反向擠壓機進行驗證試驗,棒材直徑為60mm,擠壓比為32.5,鑄錠加熱溫度為365~372℃,擠壓速度為1.5m/min。對淬火溫度433℃的頭端取樣,經(jīng)120℃×22h 時效處理后制成拉伸、硬度試樣。采用電子萬能試驗機進行拉伸性能檢測,采用布氏硬度計進行硬度檢測。其T4/T6狀態(tài)的力學性能、硬度值見表2。反向擠壓在線淬火可以得到與正向擠壓離線淬火生產(chǎn)的棒材相近的力學性能。由于低溫下塑性變形產(chǎn)生了組織強化效應,以及高速擠壓出??缀蟮膹娏依鋮s,得到了細晶組織,經(jīng)過熱處理得到非常彌散的強化相,使合金強度得到提高[3]。
表2 擠壓棒材力學性能及硬度
在距離頭尾500mm 處,切取高倍料樣,并在料樣的表面和芯部選取金相試樣,磨削拋光后,進行陽極覆膜處理。采用倒置式材料金相顯微鏡進行觀察,依據(jù)GB/T 3246.1-2012評定,結果如圖3所示。從圖3可以看出,棒材的表面無皮質層,表面與芯部基體晶粒度均為6級,無縮尾、成層等缺陷。
7075鋁合金擠壓棒材按上述工藝進行生產(chǎn),可以得到硬度較高、力學性能較強、高、低倍組織符合標準以及表面質量良好的產(chǎn)品。