一種提高大型7075鋁合金鍛件組織均勻性的方法與流程
2024-04-14 17:09:05 1
1.本發明屬於鋁合金的熱加工技術領域，涉及一種提高大型7075鋁合金鍛件組織均勻性的方法。
背景技術：
2.7075鋁合金屬於7系al-zn-mg-cu系超硬鋁，該合金是20世紀40年代末期已應用於飛機製造業，至今仍在航空工業上得到廣泛應用的超高強度變形鋁合金。其特點是固溶處理後塑性好，熱處理後強化效果特別好，在150℃以下有高的強度，並且有特別好的低溫強度。特別用於製造飛機結構及其他要求強度高、抗腐蝕性能強的高應力結構件。
3.通常大型7075鋁合金鍛件，如環形機匣鍛件，按照鐓餅、衝孔、馬架擴孔結合方式進行制荒，以環軋擴孔作為最終鍛造工序進行生產，熱處理後經常會出現低倍組織晶粒粗大、均勻性差及鍛件超聲波探傷不合格的情況，且該情況一旦出現，無法通過熱處理返修或其它方式進行改善，只能報廢處理。經研究，產生這種現象的原因與7075合金棒材某些成分的含量及工藝方法制定不當有關，如fe、cr、mn等高熔點雜質元素的加入，會與al原子形成一定數量的金屬間化合物，其具有提高合金強度的作用。但這些化合物熔點較高，難以均勻化，首先會導致棒材組織基礎不均勻，其次在隨後的鍛造工序中若工藝參數制定不當，鍛件亦無法得到均勻性好的組織。根據fe、cr、mn等高熔點雜質元素含量的多少，我們必須合理地設置鍛造加熱溫度並在鍛件鍛造前對棒材進行適當的預變形，以改善基體組織及金屬間化合物的形態。
技術實現要素：
4.本發明的目的：提供一種提高大型7075鋁合金鍛件組織均勻性的方法，以解決大型7075鋁合金鍛件因雜質元素含量波動或分布不均導致的晶粒粗大、組織不均勻及超聲波水平較差等問題。
5.本發明的技術方案：
6.一種提高大型7075鋁合金鍛件組織均勻性的方法，包括：
7.根據fe+cr+mn元素含量總和確定棒材或坯料鍛造加熱溫度；
8.根據fe+cr+mn元素含量總和確定在制荒工序前是否對棒材進行預變形；
9.在需要預變形的情況下，對棒材進行預變形得到坯料；
10.對棒材或坯料進行制荒，得到荒形；
11.對荒形進行最終鍛造得到所需鍛件；
12.對鍛件進行熱處理。
13.進一步地，根據fe+cr+mn元素含量總和確定棒材或坯料鍛造加熱溫度；以及根據fe+cr+mn元素含量總和確定在制荒工序前是否對棒材進行預變形，具體包括：
14.對於fe+cr+mn元素含量總和＜0.30％的棒材，其鍛造加熱溫度為410～420℃，直接進行制荒及最終鍛造；
15.對於fe+cr+mn元素含量總和≥0.30％的棒材，其鍛造加熱溫度為420～435℃，且在制荒前對棒材增加額外的預變形，其中，預變形工序具體包括：
16.預變形加熱溫度為410～435℃，採用自由鍛鐓/拔交替變形方式，鐓/拔過程單工步變形量應≥25％，但不超過60％，採用空氣錘或電液錘衝擊變形設備進行，終鍛溫度≥380℃，2～4火的預變形。
17.進一步地，對棒材或坯料進行制荒，得到荒形，具體包括：
18.對於fe+cr+mn元素含量總和＜0.30％的棒材，其制荒加熱溫度為410～420℃；對於fe+cr+mn元素含量總和≥0.30％的棒材，其制荒加熱溫度為420～435℃，制荒變形量≥25％，採用自由鍛或模鍛的鍛造成型方式，終鍛溫度≥380℃，鍛後墊起空冷。
19.進一步地，對荒形進行最終鍛造得到所需鍛件，具體包括：
20.對於fe+cr+mn元素含量總和＜0.30％的棒材成型的荒型，其最終鍛造加熱溫度為410～420℃；對於fe+cr+mn元素含量總和≥0.30％的棒材成型的荒型，其加熱溫度為420～435℃，最終鍛造變形量≥30％，採用自由鍛或模鍛的鍛造成型方式，終鍛溫度≥380℃，鍛後墊起空冷。
21.進一步地，對最終鍛件進行熱處理，具體包括：
22.固溶、第一次時效及第二次時效。
23.進一步地，固溶溫度為460～470℃，保溫係數1.5～2min/mm，而後自然空冷或水冷至室溫。
24.進一步地，第一次時效溫度為100～115℃，保溫6～7小時，而後自然空冷至室溫。
25.進一步地，第二次時效溫度為170～185℃，保溫8～9小時，而後自然空冷至室溫。
26.本發明的有益效果：
27.通常大型7075鋁合金鍛件，如環形機匣鍛件，按照鐓餅、衝孔、馬架擴孔結合方式進行制荒，以環軋擴孔作為最終鍛造工序進行生產，熱處理後經常會出現低倍組織晶粒粗大、均勻性差及鍛件超聲波探傷不合格的情況。根據fe+cr+mn元素含量總和確定棒材或坯料鍛造加熱溫度，並結合fe+cr+mn元素含量總和在棒材主導鍛造工序前增加適當的預變形工序，可以有效解決大型7075鋁合金鍛件因雜質元素含量波動或分布不均導致的晶粒粗大、組織不均勻及超聲波水平較差等問題，可有力提高產品綜合性能及市場競爭力。
具體實施方式
28.為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。
29.首先，申請人通過對比研究發現，已統計的進口7075鋁合金fe+cr+mn元素含量總和普遍＜0.29％，而國產7075鋁合金fe+cr+mn元素含量總和往往較高，目前統計的最高含量總和為0.391％。坯料在相同鍛造加熱溫度下經過相同變形工步，fe+cr+mn元素含量總和較低者，其晶粒組織再結晶程度高、等軸化程度好，而fe+cr+mn元素含量總和較高者，其晶粒組織再結晶程度差、晶粒在變形方向上拉長嚴重。我們知道，fe、cr、mn元素在7075鋁合金中會形成(crfe)al7及(crmn)al
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等金屬間化合物，其對合金強度有一定改善的作用，但同時會阻礙再結晶的形核和長大過程。這些金屬間化合物是在金屬熔煉凝固過程鋼形成的，
在後續的鍛造變形過程中發生破碎、排列成串，但無法在隨後的固溶熱處理過程中溶解。fe、cr、mn元素含量的多少決定了其中金屬間化合物的多少，金屬間化合物越多則晶粒再結晶越困難。試驗表明，當fe+cr+mn元素含量總和＜0.30％，鍛造加熱溫度達到410℃～420℃，在臨界變形量以上均可發生充分的組織再結晶。隨著fe+cr+mn元素含量總量的增加，合金的再結晶溫度也必將提高，如果仍然採用原來的鍛造加熱及變形參數，勢必導致合金無法完成動態再結晶，組織形態上主要表現為部分晶粒粗大且被拉長。該種情況下，我們可以將鍛造加熱溫度提高到420℃以上更高的溫度，以確保坯料在再結晶溫度以上進行鍛造，確保變形組織細小均勻。
30.其次，可以通過提高變形程度以降低再結晶溫度的方法來提高動態再結晶程度，但當終鍛成型的變形程度或變形量已確定，無法調整時，則必須在終鍛成型前增加額外的預變形，這樣同樣可以達到促進坯料動態再結晶，細化、均勻化組織的目的。當fe+cr+mn元素含量總和＜0.30％時，可以不進行預變形，而當fe+cr+mn元素含量總和≥0.30％時，則建議根據鍛件具體指標情況，儘可能在終鍛成型前增加坯料的預變形。坯料預變形時可適當加大坯料的變形程度或變形量，加熱溫度可以在410℃～435℃較寬的溫度區間內進行選取。
31.本發明採取根據fe+cr+mn元素含量總和確定棒材或坯料鍛造加熱溫度，並結合fe+cr+mn元素含量總和在棒材主導鍛造工序前增加適當的預變形工序，可以有效解決大型7075鋁合金鍛件因高熔點雜質元素含量波動或分布不均導致的晶粒粗大、組織不均勻及超聲波水平較差等問題。
32.本發明的一種提高大型7075鋁合金鍛件組織均勻性的方法，包括以下步驟：
33.根據fe+cr+mn元素含量總和確定棒材或坯料鍛造加熱溫度。
34.根據fe+cr+mn元素含量總和確定棒材主導鍛造工序前是否增加預變形工序。
35.根據需要在主導鍛造工序前對棒材增加預變形，對其中的金屬間化合物進行充分破碎，得到坯料。
36.對預變形後的坯料進行制荒，得到荒形。
37.對荒形進行最終鍛造得到所需鍛件。
38.對鍛件進行熱處理。
39.具體地，對於fe+cr+mn元素含量總和＜0.30％的棒材，其加熱溫度為410～420℃，可直接進行常規的制荒及最終鍛造；對於fe+cr+mn元素含量總和≥0.30％的棒材，其加熱溫度為420～435℃，且在制荒、最終鍛造前應對棒材增加額外的預變形，以對其中的金屬間化合物及基體組織進行充分破碎，從而獲得較為均勻的組織基礎，預變形工序具體包括：
40.預變形加熱溫度為410～435℃，相對後續制荒及最終鍛造溫度需高出10～15℃，採用自由鍛鐓/拔交替變形方式，鐓/拔過程單工步理論變形量應≥35％，但不超過60％，儘量採用空氣錘或電液錘等衝擊變形設備進行，終鍛溫度≥380℃，可進行多火次預變形，建議2～4火。
41.對棒材或預變形後的坯料進行常規的制荒工序，得到荒形，具體包括：
42.對於fe+cr+mn元素含量總和＜0.30％的棒材或坯料，其制荒加熱溫度為410～420℃；對於fe+cr+mn元素含量總和≥0.30％的棒材或坯料，其制荒加熱溫度為420～435℃，制荒變形量≥25％，採用常規的鍛造成型方式，終鍛溫度≥380℃，鍛後墊起空冷。
43.對荒形進行最終鍛造得到所需鍛件，具體包括：
44.對於fe+cr+mn元素含量總和＜0.30％的荒型，其最終鍛造加熱溫度為410～420℃；對於fe+cr+mn元素含量總和≥0.30％的荒型，其加熱溫度為420～435℃，最終鍛造變形量≥30％，採用常規的鍛造成型方式，終鍛溫度≥380℃，鍛後墊起空冷。
45.對最終鍛件進行熱處理，具體包括：
46.固溶、第一次時效及第二次時效；
47.固溶溫度為460～470℃，保溫係數1.5～2min/mm，而後自然空冷或水冷至室溫；
48.第一次時效溫度為100～115℃，保溫6～7小時，而後自然空冷至室溫；
49.第二次時效溫度為170～185℃，保溫8～9小時，而後自然空冷至室溫。
50.根據fe+cr+mn元素含量總和確定棒材或坯料鍛造加熱溫度，並結合fe+cr+mn元素含量總和在棒材主導鍛造工序前增加適當的預變形工序，可以有效解決大型7075鋁合金鍛件因雜質元素含量波動或分布不均導致的晶粒粗大、組織不均勻及超聲波水平較差等問題。
51.實施例：
52.下面選取某型直升機用7075上機匣環形鍛件的生產研製，對本發明的工藝步驟進行詳細的說明。
53.提供一種提高大型7075鋁合金鍛件組織均勻性的方法，包括以下步驟：
54.棒材下料尺寸：該爐棒材fe+cr+mn元素含量總和為0.39％，主導鍛造工藝前需增加預變形。
55.步驟1：預變形第1火次：鐓粗至再拔長至加熱溫度425～430℃，保溫係數1.8～2.0min/mm，終鍛溫度≥380℃，鍛後墊起空冷。
56.步驟2：預變形第2火次：鐓粗至再拔長至加熱溫度425～430℃，保溫係數1.8～2.0min/mm，終鍛溫度≥380℃，鍛後墊起空冷。
57.步驟3：制荒第1火次：鐓粗至加熱溫度430～435℃，保溫係數1.8～2.0min/mm，終鍛溫度≥380℃，鍛後墊起空冷。
58.步驟4：制荒第2火次：鐓粗並衝孔至加熱溫度430～435℃，保溫係數1.8～2.0min/mm，終鍛溫度≥380℃，鍛後墊起空冷。
59.步驟5：擴孔第1火次：擴孔至加熱溫度430～435℃，保溫係數1.8～2.0min/mm，終鍛溫度≥380℃，鍛後墊起空冷。
60.步驟6：熱處理固溶溫度為460～470℃，保溫係數1.5～2min/mm，而後自然空冷或水冷至室溫；
61.步驟7：熱處理第一次時效溫度為100～115℃，保溫6～7小時，而後自然空冷至室溫；
62.步驟8：熱處理第二次時效溫度為170～185℃，保溫8～9小時，而後自然空冷至室溫。
63.根據fe+cr+mn元素含量總和確定棒材或坯料鍛造加熱溫度，並結合fe+cr+mn元素含量總和在棒材主導鍛造工序前增加適當的預變形工序，可以有效解決大型7075鋁合金鍛件因雜質元素含量波動或分布不均導致的晶粒粗大、組織不均勻及超聲波水平較差等問題。
64.最後應該說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可以輕易想到各種等效的修改或者替換，這些修改或者替換都應該涵蓋在本發明的保護範圍之內。