7075鋁合金反擠壓棒材生產(chǎn)工藝研究

呂洪偉，杜連歡，謝洪博，張 旭，田洪超

（營(yíng)口忠旺鋁業(yè)有限公司，營(yíng)口115000）

0 前言

7××× 系鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu 系合金，這類合金具有比重小、強(qiáng)度高、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)和民用交通工具等領(lǐng)域[1-2]。7075鋁合金合金成分高、塑性差，在正向擠壓機(jī)上生產(chǎn)困難。反擠壓相對(duì)正擠壓具有諸多優(yōu)勢(shì)，如在反向擠壓中，由于金屬流動(dòng)均勻，變形抗力小，同時(shí)摩擦熱小，使擠壓過(guò)程中的金屬溫升小，從而在提高擠壓速度時(shí)，不會(huì)由于金屬的溫度不斷提高而導(dǎo)致金屬進(jìn)入脆性區(qū)甚至達(dá)到熔點(diǎn)，在制品的表面上出現(xiàn)裂紋。相對(duì)正向擠壓，反向擠壓具有生產(chǎn)效率高、成品率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。

營(yíng)口忠旺鋁業(yè)引進(jìn)了2000t、3150t、5500t單動(dòng)反向臥式鋁合金擠壓機(jī)。經(jīng)過(guò)多次工藝試驗(yàn)，目前已實(shí)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。

1 化學(xué)成分

采用60t熔煉爐與保溫爐組合的方式進(jìn)行合金熔化。用SNIF 雙轉(zhuǎn)子除氣箱進(jìn)行除氣、板式及深床過(guò)濾、Al-Ti-B絲細(xì)化晶粒。通過(guò)WAGSTAFF鑄造機(jī)進(jìn)行φ342mm 的7075鋁合金優(yōu)質(zhì)鑄錠的鑄造，其成分見(jiàn)表1。

表1 7075合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

7075合金中Fe 和Si 是有害雜質(zhì)，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(duì)于合金的塑性及韌性很不利。Zn和Mg 是主要強(qiáng)化性元素，ω（Zn+Mg）= 9%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最高；超過(guò)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(yīng)力腐蝕傾向，提高強(qiáng)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(jié)晶溫度，阻止晶粒長(zhǎng)大。Mn 主要起固溶強(qiáng)化作用。Zr 在一定含量范圍內(nèi)可形成細(xì)小的Al3Zr 彌散相，抑制合金的再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，可以提高合金強(qiáng)度、斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能[4-7]。

2 均質(zhì)制度

廠內(nèi)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(zhǎng)時(shí)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(guò)飽和固溶體及少量彌散分布的強(qiáng)化相。由于金屬和合金凝固時(shí)存在枝晶偏析，必須通過(guò)均勻化處理消除或降低晶內(nèi)化學(xué)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(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)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(shè)備生產(chǎn)效率，同時(shí)提高合金元素在基體中的固溶度，從而提高合金的強(qiáng)度[8]。

3 模具設(shè)計(jì)

反擠壓機(jī)模具結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。有別于正向擠壓機(jī)擠壓墊，該模具無(wú)漲開(kāi)結(jié)構(gòu)。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(nèi)壁間隙較大，且模軸穩(wěn)定性差，模具容易偏心。擠壓時(shí)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(jié)構(gòu)分成撐環(huán)與漲環(huán)兩部分，原理與正向擠壓機(jī)擠壓墊一致。擠壓時(shí)，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(kāi)，減小模具外徑帶與擠壓筒內(nèi)壁間隙，可以較好地改善反鋁情況。

4 擠壓與淬火工藝

4.1 擠壓工藝

結(jié)合7075鋁合金本身特性和反擠壓機(jī)的特點(diǎn)，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(shí)效后的性能最佳，表面光亮。

4.2 淬火工藝

在線淬火是一種高效、節(jié)能的鋁型材生產(chǎn)技術(shù)，可縮短生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。對(duì)于淬火敏感性高的合金，淬火的冷卻速度起關(guān)鍵作用，淬火裝置的先進(jìn)性尤為重要。反擠壓機(jī)淬火裝置如圖2所示。通過(guò)控制淬火水槽兩端水封的水流量保證淬火槽內(nèi)水位高度，使擠壓型材充分浸入水中。水槽內(nèi)部側(cè)壁設(shè)置等距的注水口，水槽兩端底部設(shè)置排水口，以加快水槽內(nèi)水的流動(dòng)；通過(guò)外循環(huán)控制水溫，保證水溫低于40℃，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品淬火的目的。

5 時(shí)效制度

7075鋁合金一般不采用自然時(shí)效處理，這是因?yàn)樵摵辖鹑苜|(zhì)原子團(tuán)聚區(qū)形成速度緩慢，自然時(shí)效過(guò)程常常需要延續(xù)數(shù)月才能達(dá)到穩(wěn)定階段；且和人工時(shí)效相比，其抗應(yīng)力腐蝕能力也較差，故7075鋁合金只適合進(jìn)行人工時(shí)效處理[9]。目前工業(yè)上7×××系合金還是以雙級(jí)時(shí)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(shí)效的85%～95%，抗蝕性能良好。三級(jí)時(shí)效（RRA）工藝過(guò)于復(fù)雜，時(shí)間周期長(zhǎng)且對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)要求很高，其性能為峰值時(shí)效的92%～95%，抗腐蝕性能最好；單級(jí)時(shí)效120℃×24h的強(qiáng)度達(dá)到峰值，相對(duì)而言其抗腐蝕性能最差[10]。

6 驗(yàn)證試驗(yàn)

6.1 拉伸性能測(cè)試

通過(guò)3150t反向擠壓機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，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(duì)淬火溫度433℃的頭端取樣，經(jīng)120℃×22h 時(shí)效處理后制成拉伸、硬度試樣。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)，采用布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)。其T4/T6狀態(tài)的力學(xué)性能、硬度值見(jiàn)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(xué)性能。由于低溫下塑性變形產(chǎn)生了組織強(qiáng)化效應(yīng)，以及高速擠壓出?？缀蟮膹?qiáng)烈冷卻，得到了細(xì)晶組織，經(jīng)過(guò)熱處理得到非常彌散的強(qiáng)化相，使合金強(qiáng)度得到提高[3]。

表2 擠壓棒材力學(xué)性能及硬度

6.2 組織檢測(cè)

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(jìn)行陽(yáng)極覆膜處理。采用倒置式材料金相顯微鏡進(jìn)行觀察，依據(jù)GB/T 3246.1-2012評(píng)定，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，棒材的表面無(wú)皮質(zhì)層，表面與芯部基體晶粒度均為6級(jí)，無(wú)縮尾、成層等缺陷。

7 結(jié)論

7075鋁合金擠壓棒材按上述工藝進(jìn)行生產(chǎn)，可以得到硬度較高、力學(xué)性能較強(qiáng)、高、低倍組織符合標(biāo)準(zhǔn)以及表面質(zhì)量良好的產(chǎn)品。