方清萬，叢鎮(zhèn)漁，韓兆玉，王雪強，袁生明

（山東南山鋁業(yè)股份有限公司，煙臺 265700）

0 前言

某工程用7050-T74 鋁合金系列鍛造管材要求具有強度高、耐腐蝕、耐沖擊、尺寸穩(wěn)定的特性，以滿足某工程在陸地、海洋環(huán)境下承受交變沖擊載荷應(yīng)力條件。驗收標(biāo)準(zhǔn)為AMS 22771，檢測項目有：高倍、低倍、三項拉伸、電導(dǎo)率、沖擊韌性和A 級超聲波探傷等。交貨尺寸為外徑600 mm～1 200 mm，壁厚50 mm，長度3 070 mm，有多種規(guī)格。要求粗加工后交貨，公差要求：外徑+5 mm，內(nèi)徑-5 mm，長度+10 mm，壁厚±1 mm。該系列鍛管交貨單重為700 kg～1 800 kg，采用自由鍛造工藝，鍛造毛坯余量主要考慮因素有鍛造精度和表面缺陷、鍛造不圓度、熱處理橢圓變形和彎曲變形等，另外長度方向還要加放供需雙方取樣用延長段，經(jīng)過計算所需投入鍛造的鑄錠單重為1 800 kg～3 500 kg。對如此重型的7050硬合金鑄錠和如此大型的鍛管，如何控制其制造過程的冶金質(zhì)量，達(dá)到成型成性的目的，是一項挑戰(zhàn)性的課題。

1 鑄錠的選擇和質(zhì)量要求

1.1 鑄錠形狀選擇

單從鍛造的角度考慮，只要高徑比（或者高厚比）合適，壓機的變形操作空間足夠，選擇圓錠或者扁錠都是可行的。但還要考慮上游鑄造的可行性和鍛造的經(jīng)濟(jì)型。如果選擇圓錠，鑄造工藝比較成熟的最大鑄錠直徑為600 mm，扒皮后為585 mm，下料長度在2 360 mm～4 600 mm 之間，高徑比達(dá)4.0～7.8，不適合鐓粗（適合的高徑比不超3.0）[1]，且鐓粗的開始高度有的超過壓機有效凈空高度，不宜選用。鐓粗開始高度在壓機有效凈空內(nèi)的，盡管可以用專用的組合約束鐓粗模具進(jìn)行鐓粗，但因操作復(fù)雜、火次多，不經(jīng)濟(jì)。如果選擇扁錠，鑄造工藝比較成熟的規(guī)格為440 mm×1 500 mm，下料長度在1 000 mm～1 970 mm 之間，該尺寸同時滿足鐓粗高厚比和壓機有效凈空要求，可以選用。該扁錠斷面的圓錠當(dāng)量直徑接近910 mm，該扁錠與同當(dāng)量直徑的圓錠相比，鑄造工藝穩(wěn)定，鑄造開裂的幾率低，偏析少，成材率高，因此，扁錠的經(jīng)濟(jì)性更好和適用性更廣，可用于重型鍛件生產(chǎn)，推薦使用。

1.2 鑄錠的質(zhì)量要求

為了滿足鍛件的組織性能和超聲波A級探傷要求，針對性提出鑄錠的質(zhì)量要求是必不可少的。

1.2.1 化學(xué)成分

本項目要求的化學(xué)成分見表1。

表1 7050化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

實際上將Fe、Si、Mn 含量控制在較低的水平，Cu、Mg 含量控制在中下限，能提高合金的韌性和鍛造塑性?？刂埔欢ǖ腡i 含量和較高的Zr 含量，是為了強化晶粒細(xì)化效果。

1.2.2 鑄錠低倍

要求鑄錠的頭、尾在鋸除規(guī)定長度后，分別切取低倍試片，車光、蝕洗后進(jìn)行檢查，不得有裂紋、氣孔、夾雜、光亮晶粒、粗大金屬化合物、偏析等缺陷，晶粒度1～2 級，氧化膜和疏松均按1 級控制。低倍檢測后，在低倍試樣的中心位置再切取50 mm×50 mm×150 mm的氧化膜試樣毛坯，取樣示意圖如圖1所示。

圖1 扁錠氧化膜試樣毛坯切取位置和大小

氧化膜試樣需鍛造加熱后將尺寸150 mm 鐓粗成（30±2）mm，冷卻后加工成帶V 型坡口斷口試樣，V 型斷口試樣如圖2 所示。打開斷口檢查氧化膜[2]。為了減少斷口的塑性變形區(qū)，更加清晰觀察，推薦在打開斷口前將V 型斷口試樣先進(jìn)行T6處理。

圖2 氧化膜試樣毛坯壓扁后的制作V型斷口試樣

1.2.3 鑄錠高倍

均火后檢查，不得過燒。

1.2.4 氫含量

在線液態(tài)測氫，按不大于0.12 ml/100 g·Al 控制。

1.2.5 鑄造工藝控制

除了按上述鑄錠質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制外，還要對鑄造工藝過程包括熔煉、精煉、在線除氣、過濾、鑄造、均火、扒皮各個工序的參數(shù)進(jìn)行控制，編制PCD 文件，嚴(yán)格現(xiàn)場審核，這樣才能穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格的鑄錠。推薦的一級廢料使用比例不超過25%，晶粒細(xì)化劑Al-5Ti-1B 絲的送進(jìn)速度按165 cm/min[3]。

2 鍛造工藝制定和質(zhì)量控制

2.1 鍛造工藝方案

由于鍛管外徑從600 mm 到1 200 mm，規(guī)格有多種，尺寸跨度大，而現(xiàn)有自由鍛造工裝(主要是反擠壓沖頭和反擠壓筒、芯棒、馬杠)有限，制定工藝方案既要考慮設(shè)備能力，還要考慮減少工裝投入，減少鍛造火次，縮短流程。為此制定了幾種不同的變形方案：

第一種：外徑600 mm～770 mm 范圍的，采用鍛造開坯+反擠壓+芯軸拔長；

第二種：外徑800 mm～900 mm 范圍的，采用鍛造開坯+反擠壓+擴孔+芯軸拔長；

第三種：外徑950 mm～1 200 mm范圍的，采用鍛造開坯+反擠壓+擴孔+芯軸拔長+擴孔。

2.2 鍛造開坯

無論采用上述哪種方案，都必須將扁錠鍛成與后續(xù)反擠壓時所采用反擠壓筒內(nèi)孔直徑相適應(yīng)的圓柱形坯料，而且需達(dá)到一定鍛比，以初步打碎鑄造組織[4]。這一階段的鍛比控制在4～6 即可?？梢詮谋忮V的最長方向直接鐓粗，為了減少倒角的工作量，鐓粗前扁錠的尖棱可以不用倒角，但首次鐓粗后換向拔長，需要收成八棱柱才方便繼續(xù)鐓粗。如果保持正四棱柱鐓粗，會因為棱邊尖銳而在棱角處開裂。從正方形截面到八邊形截面，面積比控制在1.05～1.10，八棱柱的高徑比控制在2.0～2.5，八棱柱的鐓粗比控制在1.8～2.2 為宜。鐓粗速度控制在5 mm/s～8 mm/s，拔長壓下量控制在不超過70 mm的條件下拔長送進(jìn)量控制在100 mm～300 mm 為宜。鍛造加熱溫度設(shè)定為（440±10）℃，終鍛溫度控制在350 ℃以上。這樣的參數(shù)能夠充分地保證在不產(chǎn)生裂紋的前提下達(dá)到開坯的目的[5]。但這不是絕對的，如果鍛造平砧邊沿圓角太小或變形嚴(yán)重、工作面粗糙，同樣有產(chǎn)生裂紋的可能。

2.3 反擠壓

反擠壓的目的是為了得到空心管坯，為后續(xù)芯軸拔長或者擴孔準(zhǔn)備坯料。由于該管坯是厚壁管，一般不會產(chǎn)生大的彎曲，壁厚差也能控制在允許的范圍內(nèi)，控制表面和口部平整性是關(guān)注重點。通常出現(xiàn)的表面問題是外表面過于粗糙甚至拉毛，夾鉗夾印過深；內(nèi)表面出現(xiàn)魚鱗紋。這主要是因模具光潔度不夠和潤滑不良產(chǎn)生的，其次是擠壓速度過快所致。這些缺陷都應(yīng)徹底打磨清除干凈。推薦的擠壓速度為6 mm/s～10 mm/s。為了獲得平整的管坯口部，首先應(yīng)控制圓柱坯料與擠壓筒的對中性，其次是控制潤滑的均勻性。如果對中性差會導(dǎo)致壁厚差大，從而引起流速差導(dǎo)致口部傾斜，高低落差有時可達(dá)約100 mm，嚴(yán)重影響后續(xù)鍛造。解決對中性主要通過控制圓柱坯直徑大小和精度，與擠壓筒內(nèi)孔的單邊間隙控制在±5 mm為宜。管坯內(nèi)孔比后續(xù)芯軸拔長所用芯軸大2 mm～20 mm為宜。管坯應(yīng)盡量長，以減少后續(xù)拔長的工作量。

2.4 芯軸拔長

采用雙V 型砧比采用上平下V 的拔長效率更高，而且圓整性好，不易開裂。另外采用雙V型砧時，如果對壓下量、送進(jìn)量和旋轉(zhuǎn)角度控制不當(dāng)，也會出現(xiàn)開裂。開裂通常出現(xiàn)在兩端口部，因為口部冷卻快，塑性變差。采用100 mm～300 mm 送進(jìn)量、不超過70 mm的壓下量，15°～45°的旋轉(zhuǎn)角是適當(dāng)?shù)?。采用縱向送進(jìn)拔長不宜產(chǎn)生裂紋；旋轉(zhuǎn)拔長因鍛造變形區(qū)域過于集中，變形溫升不能迅速傳遞，加之多邊形尖角處反復(fù)折彎，容易產(chǎn)生熱疲勞開裂。所謂縱向送進(jìn)拔長，就是每個拔長道次在整個長度方向送進(jìn)完畢后再旋轉(zhuǎn)一定角度，如此循環(huán)。當(dāng)然，在芯軸拔長的精整階段，由于壓下量小，可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)拔長操作。

2.5 擴孔

因管坯長達(dá)3 250 mm（加放了取樣段后），使用的芯棒長度長達(dá)4 500 mm～5 000 mm，平砧工作面尺寸為2 000 mm×1 200 mm，這與一般的擴孔不同，因為平砧長度不能覆蓋管坯全長，必須分段擴孔。分段擴孔與整體擴孔相比能夠減少對芯棒的壓力，從而減少芯棒的彎曲疲勞變形，提高芯棒的壽命。但是，如果分兩段擴孔會產(chǎn)生軸向收縮。實踐證明，外徑1 200 mm的管坯，壁厚從120 mm減薄到80 mm時，軸向收縮量約40 mm。而且容易得到一頭直徑大，另一頭直徑小的喇叭形鍛管。分為三段擴孔則尺寸容易控制，軸向長度會增長40 mm～60 mm，兩端和中間段的直徑相近，三段無論是從一端到另一端依次變形，還是先變形兩端最后變形中間，結(jié)果都相差不大。要控制每道次的壓下量和旋轉(zhuǎn)角度，壓下量過大，則軸向竄動就大。推薦的每次壓下量10 mm～20 mm，旋轉(zhuǎn)角10～15°。注意分別測量兩端內(nèi)徑，只要三段外圓面母線基本平直，內(nèi)圓面也基本平直。由于受芯棒彎曲撓度的影響，中間段的壁厚比兩端多3 mm～5 mm。在前道工序芯軸拔長后兩端裂紋清除干凈的條件下，擴孔一般不會產(chǎn)生新的裂紋。如果前道工序有裂紋殘留，擴孔會使裂紋沿軸向擴展，因此，擴孔前應(yīng)將管坯的裂紋清理干凈，打磨處寬深比應(yīng)大于6。

3 熱處理工藝制定和質(zhì)量控制

3.1 熱處理制度

熱處理工藝首先要考慮獲得足夠的強度和韌性以及耐應(yīng)力腐蝕性，還要考慮如何降低淬火產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，使淬火后的橢圓變形在可控范圍內(nèi)。推薦的熱處理制度為：固溶（476±5）℃，空氣保溫450 min，水溫20 ℃～40 ℃；時效（121±5）℃保溫450 min+（177±5）℃保溫450 min，空冷[6]。

3.2 裝爐方式

為了減少橢圓變形，應(yīng)使鍛管的內(nèi)外圓周均勻受熱和冷卻，將鍛管立放式懸掛淬火是最好的選擇，但是，這樣做必須增加用于懸掛端的延長段，不經(jīng)濟(jì)。由于管壁厚度足以支撐固溶溫度下鍛管自身的重量，選擇立放是合理的。如果水平放置淬火，會因為圓周的冷卻不同步而增大橢圓變形，而且不利于加熱和冷卻介質(zhì)的流通，會增大圓周性能的不均勻性，因此，一般不會采用水平放置方案。

3.3 淬火前的機加工

淬火前，外圓表面必須車光，以消除鍛造產(chǎn)生的微裂紋、折疊、淺臺階，同時也減薄淬火時的壁厚，使壁厚更加均勻。內(nèi)圓面因是芯棒成形，缺陷相對較少，淬火前可以不用粗加工。

3.4 矯圓

外徑950 mm 以上鍛管淬火后的橢圓變度實測一般在3 mm～8 mm，但如果放置歪斜，墊塊分布不均勻或者墊塊高低不平，攪拌不均，或者壁厚差過大，則會產(chǎn)生多達(dá)16 mm的橢圓變形。淬火產(chǎn)生的彎曲度很小，一般全長范圍內(nèi)不超過2 mm，在受控范圍內(nèi)，不用矯直。橢圓度超過5 mm 的應(yīng)在淬火后數(shù)小時內(nèi)進(jìn)行矯圓。

4 檢測結(jié)果分析

通過上述多方面的質(zhì)量控制，獲得了全部滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)鋁合金大型鍛管。經(jīng)解剖典型件分析，統(tǒng)計了鍛管上、中、下三段，每段各取縱向和橫向拉伸試樣各16 根，試樣沿圓周均布并在每一根拉伸試樣上測量三點電導(dǎo)率。拉伸取樣部位見圖3。統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖3 鍛管解剖取樣圖

表2 鍛管解剖件拉伸及電導(dǎo)率

結(jié)果表明，縱向和橫向的抗拉強度、屈服強度的CV 值都在3%以內(nèi)，電導(dǎo)率CV 值在1.3%以內(nèi)。縱向力學(xué)性能平均值與標(biāo)準(zhǔn)值相比其抗拉強度高出9.8%以上，屈服強度高出15.8%以上，延伸率高出83.4%以上，電導(dǎo)率高出約2 IACS%，而橫向富余量更大，說明鍛管性能均勻而且優(yōu)良。鍛管典型高倍如圖4（a），組織顯示未過燒，且為完全變形組織，晶粒細(xì)小均勻。鍛管典型低倍如圖4（b），組織無粗晶、氧化膜、偏析等缺陷。超聲波探傷符合A 級要求。經(jīng)過多批次鍛管統(tǒng)計，綜合根數(shù)合格率達(dá)99%。

圖4 鍛管組織

5 結(jié)論

（1）7050 合金大型鍛管的質(zhì)量控制是一項系統(tǒng)工程，熔鑄、鍛造、熱處理各環(huán)節(jié)有高度關(guān)聯(lián)性和遺傳性。選用厚度較薄的扁錠比選用大直徑圓錠更能保證鑄造冶金質(zhì)量并大幅降低鑄錠成型難度。要特別重視鑄錠的冶金質(zhì)量和熔鑄過程的工藝參數(shù)控制。

（2）多方鍛造、反擠壓、芯軸扒長、擴孔多種變形方案的組合，不但要解決成型問題，還要為熱處理做組織準(zhǔn)備。熱處理作為關(guān)鍵控制工序，既要保證組織性能，還要保證殘余應(yīng)力引起的淬火變形和后續(xù)機加工變形可控。

（3）通過本項目開發(fā)的冶金質(zhì)量控制的成套工藝技術(shù)，解決了冶金質(zhì)量的關(guān)聯(lián)問題，避免了冶金缺陷的遺傳，完全能夠滿足生產(chǎn)高質(zhì)量的大型鍛管的需要，并可推廣應(yīng)用。