7050合金大型锻管锻造及综合质量控制技术_方清万.pdf

2023年第3期总第272期铝加工工艺技术作者简介：方清万（1965），男，重庆人，硕士，主要从事铝合金锻件、模具的技术研发工作。收稿日期：2022-08-087050合金大型锻管锻造及综合质量控制技术方清万，丛镇渔，韩兆玉，王雪强，袁生明（山东南山铝业股份有限公司，烟台 265700）摘要：为了获得综合性能优良的7050合金大型锻管，需要对铸锭规格合理选择，对铸锭的内在质量、锻管成型方式和热处理等重要环节进行特别控制，以适应在液压机自由锻造设备条件下经济、高效、质量稳定地生产。提出了熔铸、锻造、热处理各环节对锻管综合性能有重要影响的控制参数及其控制方法，形成的关键技术能够生产出优质的7050-T74铝合金大型锻管。关键词：7050；铝合金；锻造；熔铸；热处理中图分类号：TG146.21，TG319文献标识码：B文章编号：1005-4898（2023）03-0044-05doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2023.03.090前言某工程用7050-T74铝合金系列锻造管材要求具有强度高、耐腐蚀、耐冲击、尺寸稳定的特性，以满足某工程在陆地、海洋环境下承受交变冲击载荷应力条件。验收标准为AMS 22771，检测项目有：高倍、低倍、三项拉伸、电导率、冲击韧性和A级超声波探伤等。交货尺寸为外径600 mm1 200 mm，壁厚50 mm，长度3 070 mm，有多种规格。要求粗加工后交货，公差要求：外径+5 mm，内径-5 mm，长度+10 mm，壁厚1 mm。该系列锻管交货单重为700 kg1 800 kg，采用自由锻造工艺，锻造毛坯余量主要考虑因素有锻造精度和表面缺陷、锻造不圆度、热处理椭圆变形和弯曲变形等，另外长度方向还要加放供需双方取样用延长段，经过计算所需投入锻造的铸锭单重为1 800 kg3 500 kg。对如此重型的7050硬合金铸锭和如此大型的锻管，如何控制其制造过程的冶金质量，达到成型成性的目的，是一项挑战性的课题。1铸锭的选择和质量要求1.1 铸锭形状选择单从锻造的角度考虑，只要高径比（或者高厚比）合适，压机的变形操作空间足够，选择圆锭或者扁锭都是可行的。但还要考虑上游铸造的可行性和锻造的经济型。如果选择圆锭，铸造工艺比较成熟的最大铸锭直径为600 mm，扒皮后为585 mm，下料长度在 2 360 mm4 600 mm 之间，高径比达4.07.8，不适合镦粗（适合的高径比不超3.0）1，且镦粗的开始高度有的超过压机有效净空高度，不宜选用。镦粗开始高度在压机有效净空内的，尽管可以用专用的组合约束镦粗模具进行镦粗，但因操作复杂、火次多，不经济。如果选择扁锭，铸造工艺比较成熟的规格为440 mm1 500 mm，下料长度在1 000 mm1 970 mm之间，该尺寸同时满足镦粗高厚比和压机有效净空要求，可以选用。该扁锭断面的圆锭当量直径接近910 mm，该扁锭与同当量直径的圆锭相比，铸造工艺稳定，铸造开裂的几率低，偏析少，成材率高，因此，扁锭的经济性更好和适用性更广，可用于重型锻件生产，推荐使用。1.2 铸锭的质量要求为了满足锻件的组织性能和超声波A级探伤要求，针对性提出铸锭的质量要求是必不可少的。1.2.1化学成分本项目要求的化学成分见表1。44实际上将 Fe、Si、Mn 含量控制在较低的水平，Cu、Mg含量控制在中下限，能提高合金的韧性和锻造塑性。控制一定的Ti含量和较高的Zr含量，是为了强化晶粒细化效果。表17050化学成分（质量分数/%）Si0.12Fe0.15Cu2.02.6Mn0.10Mg1.92.6Cr0.04Zn5.76.7Ti0.06Zr0.080.15单个0.05合计0.15注：Na210-6，Ca1010-6。1.2.2铸锭低倍要求铸锭的头、尾在锯除规定长度后，分别切取低倍试片，车光、蚀洗后进行检查，不得有裂纹、气孔、夹杂、光亮晶粒、粗大金属化合物、偏析等缺陷，晶粒度12级，氧化膜和疏松均按1级控制。低倍检测后，在低倍试样的中心位置再切取50 mm50 mm150 mm的氧化膜试样毛坯，取样示意图如图1所示。图1扁锭氧化膜试样毛坯切取位置和大小图2氧化膜试样毛坯压扁后的制作V型断口试样氧化膜试样需锻造加热后将尺寸150 mm镦粗成（302）mm，冷却后加工成带V型坡口断口试样，V型断口试样如图2所示。打开断口检查氧化膜2。为了减少断口的塑性变形区，更加清晰观察，推荐在打开断口前将V型断口试样先进行T6处理。1.2.3铸锭高倍均火后检查，不得过烧。1.2.4氢含量在线液态测氢，按不大于0.12 ml/100 gAl控制。1.2.5铸造工艺控制除了按上述铸锭质量验收标准进行控制外，还要对铸造工艺过程包括熔炼、精炼、在线除气、过滤、铸造、均火、扒皮各个工序的参数进行控制，编制PCD文件，严格现场审核，这样才能稳定地生产出合格的铸锭。推荐的一级废料使用比例不超过 25%，晶粒细化剂 Al-5Ti-1B 丝的送进速度按165 cm/min3。2锻造工艺制定和质量控制2.1 锻造工艺方案由于锻管外径从600 mm到1 200 mm，规格有多种，尺寸跨度大，而现有自由锻造工装(主要是反挤压冲头和反挤压筒、芯棒、马杠)有限，制定工艺方案既要考虑设备能力，还要考虑减少工装投入，减少锻造火次，缩短流程。为此制定了几种不同的变形方案：第一种：外径600 mm770 mm范围的，采用锻造开坯+反挤压+芯轴拔长；第二种：外径800 mm900 mm范围的，采用锻造开坯+反挤压+扩孔+芯轴拔长；第三种：外径950 mm1 200 mm范围的，采用锻造开坯+反挤压+扩孔+芯轴拔长+扩孔。2.2 锻造开坯无论采用上述哪种方案，都必须将扁锭锻成与后续反挤压时所采用反挤压筒内孔直径相适应的圆柱形坯料，而且需达到一定锻比，以初步打碎铸造组织4。这一阶段的锻比控制在46即可。可以从扁锭的最长方向直接镦粗，为了减少倒角的工作量，镦粗前扁锭的尖棱可以不用倒角，但首次镦粗后换向拔长，需要收成八棱柱才方便继续镦粗。如果保持正四棱柱镦粗，会因为棱边尖锐而在棱角处开裂。从正方形截面到八边形截面，面积比控制在1.051.10，八棱柱的高径比控制在2.02.5，八棱方清万，等：7050合金大型锻管锻造及综合质量控制技术工艺技术开槽氧化膜试样二开槽氧化膜试样一切口氧化膜试块（中心取）扁锭头尾试片高度方向宽度方向 45柱的镦粗比控制在1.82.2为宜。镦粗速度控制在5 mm/s8 mm/s，拔长压下量控制在不超过70 mm的条件下拔长送进量控制在 100 mm300 mm 为宜。锻造加热温度设定为（44010），终锻温度控制在350 以上。这样的参数能够充分地保证在不产生裂纹的前提下达到开坯的目的5。但这不是绝对的，如果锻造平砧边沿圆角太小或变形严重、工作面粗糙，同样有产生裂纹的可能。2.3 反挤压反挤压的目的是为了得到空心管坯，为后续芯轴拔长或者扩孔准备坯料。由于该管坯是厚壁管，一般不会产生大的弯曲，壁厚差也能控制在允许的范围内，控制表面和口部平整性是关注重点。通常出现的表面问题是外表面过于粗糙甚至拉毛，夹钳夹印过深；内表面出现鱼鳞纹。这主要是因模具光洁度不够和润滑不良产生的，其次是挤压速度过快所致。这些缺陷都应彻底打磨清除干净。推荐的挤压速度为6 mm/s10 mm/s。为了获得平整的管坯口部，首先应控制圆柱坯料与挤压筒的对中性，其次是控制润滑的均匀性。如果对中性差会导致壁厚差大，从而引起流速差导致口部倾斜，高低落差有时可达约100 mm，严重影响后续锻造。解决对中性主要通过控制圆柱坯直径大小和精度，与挤压筒内孔的单边间隙控制在5 mm为宜。管坯内孔比后续芯轴拔长所用芯轴大2 mm20 mm为宜。管坯应尽量长，以减少后续拔长的工作量。2.4芯轴拔长采用双V型砧比采用上平下V的拔长效率更高，而且圆整性好，不易开裂。另外采用双V型砧时，如果对压下量、送进量和旋转角度控制不当，也会出现开裂。开裂通常出现在两端口部，因为口部冷却快，塑性变差。采用100 mm300 mm送进量、不超过70 mm的压下量，15 45 的旋转角是适当的。采用纵向送进拔长不宜产生裂纹；旋转拔长因锻造变形区域过于集中，变形温升不能迅速传递，加之多边形尖角处反复折弯，容易产生热疲劳开裂。所谓纵向送进拔长，就是每个拔长道次在整个长度方向送进完毕后再旋转一定角度，如此循环。当然，在芯轴拔长的精整阶段，由于压下量小，可以进行旋转拔长操作。2.5 扩孔因管坯长达3 250 mm（加放了取样段后），使用的芯棒长度长达4 500 mm5 000 mm，平砧工作面尺寸为2 000 mm1 200 mm，这与一般的扩孔不同，因为平砧长度不能覆盖管坯全长，必须分段扩孔。分段扩孔与整体扩孔相比能够减少对芯棒的压力，从而减少芯棒的弯曲疲劳变形，提高芯棒的寿命。但是，如果分两段扩孔会产生轴向收缩。实践证明，外径1 200 mm的管坯，壁厚从120 mm减薄到80 mm时，轴向收缩量约40 mm。而且容易得到一头直径大，另一头直径小的喇叭形锻管。分为三段扩孔则尺寸容易控制，轴向长度会增长40 mm60 mm，两端和中间段的直径相近，三段无论是从一端到另一端依次变形，还是先变形两端最后变形中间，结果都相差不大。要控制每道次的压下量和旋转角度，压下量过大，则轴向窜动就大。推荐的每次压下量10 mm20 mm，旋转角1015。注意分别测量两端内径，只要三段外圆面母线基本平直，内圆面也基本平直。由于受芯棒弯曲挠度的影响，中间段的壁厚比两端多3 mm5 mm。在前道工序芯轴拔长后两端裂纹清除干净的条件下，扩孔一般不会产生新的裂纹。如果前道工序有裂纹残留，扩孔会使裂纹沿轴向扩展，因此，扩孔前应将管坯的裂纹清理干净，打磨处宽深比应大于6。3热处理工艺制定和质量控制3.1 热处理制度热处理工艺首先要考虑获得足够的强度和韧性以及耐应力腐蚀性，还要考虑如何降低淬火产生的残余应力，使淬火后的椭圆变形在可控范围内。推荐的热处理制度为：固溶（4765），空气保温450 min，水温20 40；时效（1215）保温450 min+（1775）保温450 min，空冷6。2023年第3期总第272期铝加工工艺技术 463.2 装炉方式为了减少椭圆变形，应使锻管的内外圆周均匀受热和冷却，将锻管立放式悬挂淬火是最好的选择，但是，这样做必须增加用于悬挂端的延长段，不经济。由于管壁厚度足以支撑固溶温度下锻管自身的重量，选择立放是合理的。如果水平放置淬火，会因为圆周的冷却不同步而增大椭圆变形，而且不利于加热和冷却介质的流通，会增大圆周性能的不均匀性，因此，一般不会采用水平放置方案。3.3 淬火前的机加工淬火前，外圆表面必须车光，以消除锻造产生的微裂纹、折叠、浅台阶，同时也减薄淬火时的壁厚，使壁厚更加均匀。内圆面因是芯棒成形，缺陷相对较少，淬火前可以不用粗加工。3.4 矫圆外径950 mm以上锻管淬火后的椭圆变度实测一般在3 mm8 mm，但如果放置歪斜，垫块分布不均匀或者垫块高低不平，搅拌不均，或者壁厚差过大，则会产生多达16 mm的椭圆变形。淬火产生的弯曲度很小，一般全长范围内不超过2 mm，在受控范围内，不用矫直。椭圆度超过 5 mm的应在淬火后数小时内进行矫圆。4检测结果分析通过上述多方面的质量控制，获得了全部满足产品标准的优质铝合金大型锻管。经解剖典型件分析，统计了锻管上、中、下三段，每段各取纵向和横向拉伸试样各16根，试样沿圆周均布并在每一根拉伸试样上测量三点电导率。拉伸取样部位见图3。统计结果见表2。图3锻管解剖取样图表2锻管解剖件拉伸及电导率纵向标准纵向平均纵向标准差纵向cv横向标准横向平均横向标准差横向cv抗拉强度/MPa49554410.761.98%48554511.262.07%屈服强度/MPa42549214.082.86%41549012.182.49%延伸率/%814.670.805.48%49.981.3113.17%电导率/%IACS3840.000.511.27%3840.140.370.93%40.040.491.22%40.180.300.75%40.030.511.28%40.110.350.87%结果表明，纵向和横向的抗拉强度、屈服强度的CV值都在3%以内，电导率CV值在1.3%以内。纵向力学性能平均值与标准值相比其抗拉强度高出9.8%以上，屈服强度高出15.8%以上，延伸率高出83.4%以上，电导率高出约2 IACS%，而横向富余量更大，说明锻管性能均匀而且优良。锻管典型高倍如图4（a），组织显示未过烧，且为完全变形组织，晶粒细小均匀。锻管典型低倍如图4（b），组织无粗晶、氧化膜、偏析等缺陷。超声波探伤符合A 级要求。经过多批次锻管统计，综合根数合格率达99%。（a）锻管典型高倍（b）锻管典型低倍图4锻管组织长横向拉伸4根纵向拉伸4根4123长横向拉伸4根长横向拉伸4根纵向拉伸4根长横向拉伸4根纵向拉伸4根纵向拉伸4根方清万，等：7050合金大型锻管锻造及综合质量控制技术工艺技术 475结论（1）7050合金大型锻管的质量控制是一项系统工程，熔铸、锻造、热处理各环节有高度关联性和遗传性。选用厚度较薄的扁锭比选用大直径圆锭更能保证铸造冶金质量并大幅降低铸锭成型难度。要特别重视铸锭的冶金质量和熔铸过程的工艺参数控制。（2）多方锻造、反挤压、芯轴扒长、扩孔多种变形方案的组合，不但要解决成型问题，还要为热处理做组织准备。热处理作为关键控制工序，既要保证组织性能，还要保证残余应力引起的淬火变形和后续机加工变形可控。（3）通过本项目开发的冶金质量控制的成套工艺技术，解决了冶金质量的关联问题，避免了冶金缺陷的遗传，完全能够满足生产高质量的大型锻管的需要，并可推广应用。参考文献1姚泽坤，王敏，郭鸿镇，等.锻造工艺学M.西安：西北工业大学出版社，1998：45-50.2GB/T 3246.22012，变形铝及铝合金制品组织检验方法S.3丁清伟，等.不同晶粒细化剂及其对7050铝合金细化效果对比研究J.铸造，2014（12）：1262-1263.4肖亚庆，谢水生，等.铝加工技术实用手册M.北京：冶金工业出版社，2004：847-848.5张曼曼，魏瑞刚，等.9.5米级2219铝合金环件整体形-性协同极限制造技术与应用J.导弹与航天运载技术，2021（3）：103-104.6AMS 2772，Heat Treatment of Aluminum Alloy Raw Materials S.Forging and comprehensive quality control technology of large 7050alloy forged pipeFang Qingwan,Cong Zhenyu,Han Zhaoyu,Wang Xueqiang,Yuan Shengming(1.Shandong Nanshan Aluminum Industry Co.,Ltd.,Yantai 265700,China)Abstract:In order to obtain 7050 alloy large forged tube with excellent comprehensive performance,it is necessary to select the specification of ingot reasonably,and to control the inner quality of ingot,forming method of forged tube and heat treatment,so as to adaptto the economic,efficient and stable quality production under the condition of free forging equipment of hydraulic press.In this paper,the control parameters and their control methods which have important influence on the comprehensive performance of forged tubeare put forward.The key technologies formed can produce high quality 7050-T74 aluminum alloy large forged tube.Key words:7050;aluminum alloy;forging;melting and casting;heat treatment中铝特材12 000 t挤压机月产首次突破1 500 t3月，中铝特材12 000 t挤压机产出1 548 t，4 000 t挤压机生产效率达到929 kg/h；挤压生产线金平成品率68.29%，环比提升0.3个百分点，同比提升0.49个百分点，取得了12 000 t挤压机月产首次突破1 500 t，挤压生产线产量、质量双双创新高的成绩。公司生产运行部为提高产量，一是针对轨交断面多需配套交付问题，实施单列量少产品集中生产，逐步减少单月生产品种数量，以减少换模次数。二是优化12 000 t和4 000 t生产线产品结构，增强产品与机台匹配度，最大限度发挥设备能力。三是完善绩效管理机制，员工每月绩效与安全、质量和产量挂钩，提高员工干劲。四是通过科技手段，利用PLC监测设备运行时间，提高设备利用率。为保证有效产出，技术研发部、质量保障部则开展质量攻关，助力公司压舱石产品轨道交通型材稳量生产和汽车轻量化市场的扩展。2023年第3期总第272期铝加工工艺技术/信息报道 48