7020合金鋁型材生產(chǎn)工藝改進(jìn)

蔣福利

（廣東華昌集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528225）

為使7020 鋁合金型材的力學(xué)性能穩(wěn)定，達(dá)到客戶的要求，我公司對(duì)其每款型號(hào)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文主要對(duì)7020 鋁合金G5188型材的化學(xué)成分控制、鑄錠均勻化處理工藝、擠壓工藝和時(shí)效工藝、模具結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 技術(shù)要求

（1）合金及狀態(tài)：7020-T6.

（2）性能要求：抗拉強(qiáng)度≥350MPa，屈服強(qiáng)度≥290MPa，延伸率≥8%。

（3）型材表面質(zhì)量要求：表面不能有碰傷、刮花、夾渣、腐蝕、氣泡、起皮、機(jī)械損傷、毛刺等，無(wú)明顯可見缺陷。

2 現(xiàn)狀分析

2016～2017年接到訂單7020合金G5188型材約10噸，查閱當(dāng)時(shí)的力學(xué)性能檢測(cè)報(bào)告發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)未達(dá)到GB/T6892中7020-T6的性能要求。于是在2019年10月份重新接到G5188型材7020合金10噸訂單時(shí)，生產(chǎn)部領(lǐng)導(dǎo)立即召集相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行研究，決定從以下方面進(jìn)行攻關(guān)改良：

（1）原模具擠壓速度起不來(lái)，稍微開快中間就容易拖爛或者嚴(yán)重收口，有必要優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。

（2）合金成分重新調(diào)整，確保力學(xué)性能合格。

（3）鑄錠均勻化處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。

（4）擠壓工藝參數(shù)進(jìn)行再優(yōu)化。

（5）時(shí)效工藝進(jìn)行梳理優(yōu)化，先取樣實(shí)驗(yàn)室方案優(yōu)選，篩選出最佳方案。

3 改進(jìn)措施

3.1 熔鑄工藝

生產(chǎn)工藝流程：

備料→熔煉→攪拌→扒渣→取樣分析→合金調(diào)整→取樣分析→精煉→取樣分析→靜置→鑄造→鋸切→低倍檢驗(yàn)→均質(zhì)處理→擠壓鑄棒→鑄錠加熱→擠壓→時(shí)效→檢驗(yàn)→交貨。

3.1.1 合金成分

Zn和Mg是7020鋁合金的主要添加元素，隨著Zn、Mg含量的提高，7020鋁合金的主要強(qiáng)化相含量（MgZn2）隨之提高，合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高。為保證產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度，將鋅控制在4.7%～4.9%,鎂控制1.1%～1.3%，同時(shí)加入一定量的Cu彌補(bǔ)鋁合金材料淬火后在室溫下停留時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的人工時(shí)效強(qiáng)度不足，避免鋁合金型材在擠壓后停放時(shí)間較長(zhǎng)而發(fā)生自然時(shí)效，故Cu控制在0.15%～0.20%。鐵不僅降低合金的抗蝕性，而且降低合金的力學(xué)性能，硅降低合金的力學(xué)性能，其原因是硅與鎂形成Mg2Si相，因而減少了形成MgZn2相的鎂量，所以鐵和硅作為雜質(zhì)元素來(lái)控制盡量低一些。Mn、Cr 元素的加入能阻止鋁合金的再結(jié)晶過程，提高再結(jié)晶溫度，再結(jié)晶晶粒的細(xì)化主要是通過MnAl6、CrAl7化合物的彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大起抑制作用。

7020合金常溫下的強(qiáng)化相主要是η(MgZn2)、T( Al2Mg3Zn3)綜合上述各種元素的考慮，本公司制定其化學(xué)成分如表1所示。

表1 合金成分

3.1.2 鑄造工藝

鑄造采用同水平熱頂鑄造，鑄造工藝見表2。

表2 鑄造工藝

鑄錠在結(jié)晶過程中，由于各部分的結(jié)晶先后和冷卻速度不同，在鑄錠中必然有應(yīng)力存在，有拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)，鑄錠裂紋就是在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。當(dāng)鑄錠拉應(yīng)力過大或在拉應(yīng)力區(qū)發(fā)生應(yīng)力集中，必將促使鑄錠裂紋的形成。因此，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)偷蔫T造速度。

3.1.3 鑄錠均勻化工藝

均勻化退火能改善7020鋁合金晶內(nèi)枝晶偏析、消除或減少粗大非平衡相和雜質(zhì)相，促使Al3Zr 粒子的彌散均勻分布，從而減少7020 鋁合金熱加工后的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)，提高其抗疲勞性能和綜合力學(xué)性能。7020 鑄棒在均質(zhì)熱處理時(shí)對(duì)鑄棒升溫速度應(yīng)進(jìn)行控制，鑄棒裝爐時(shí)爐內(nèi)溫度應(yīng)控制在150℃以下，在加熱升溫時(shí)升溫速度控制在100℃/h，均質(zhì)溫度控制在460±10℃，實(shí)體保溫時(shí)間控制在12～15h，出爐后快速冷卻，冷卻速度＞200℃/h，使MgZn2相充溶解在基體內(nèi)，均勻化處理后，鑄棒擠壓抗力有所降低。具體均勻化熱處理工藝見表3。

表3 均勻化熱處理工藝

3.2 擠壓工藝

7020屬于中高強(qiáng)Al-Zn-Mg 合金，淬火敏感性相比6082而言稍弱，擠壓變形抗力中等，所以屬于相對(duì)可擠壓性較好的鋁合金。7020鋁合金的固溶溫度范圍較寬，440℃～500℃區(qū)間均可實(shí)現(xiàn)固溶，多棒爐分三段設(shè)置加溫溫度，進(jìn)棒口第一段溫度設(shè)置420℃進(jìn)行預(yù)熱作用，棒爐中間段溫度設(shè)置470℃左右，出棒口（約3支長(zhǎng)棒）段溫度設(shè)置510℃左右保證出棒實(shí)測(cè)溫度在470～500之間。雖然7020合金的理論過燒溫度為490℃左右，出棒口設(shè)置溫度看似已經(jīng)超過合金理論過燒值，不過過燒的實(shí)質(zhì)產(chǎn)生不但取決于溫度還取決于保溫時(shí)間，只要保證力學(xué)性能的前提下，輕微組織過燒并不影響型材力學(xué)性能，反而有利于降低擠壓變形抗力，也有研究資料表明輕度過燒可提高型材疲勞性能，不過有條件的公司可采用單棒爐預(yù)熱+高頻工頻爐快速加溫，擠壓工藝溫度上限還可適當(dāng)上浮。

擠壓筒溫度設(shè)置上限取420℃～450℃，因?yàn)?020合金擠壓速度偏慢，起到保溫絕熱作用，同時(shí)降低擠壓力的筒壁摩擦消耗，讓更多的力用在鋁合金熱塑性變形上；為保障進(jìn)淬火罩前型材溫度處于440℃～500℃的合金固溶溫度范圍，出料口到淬火罩之間還有一段轉(zhuǎn)移距離，鋁合金的導(dǎo)熱性能較好，擠出?？缀笮筒臏囟葥p失較快，故出料口溫度控制在480℃～530℃之間是不會(huì)影響型材力學(xué)性能；模具溫度建議比棒溫低10℃～20℃即可，降低擠壓變形抗力，故控制在460℃～490℃較好；專用墊建議可以和模具一起加溫，起到保溫絕熱作用，也可降低與模具之間的彈性變形或急冷急熱內(nèi)應(yīng)力。

3.3 模具結(jié)構(gòu)

原舊模具生產(chǎn)最大的問題就是開不快（出料口溫度不夠）和槽位拖爛收口，稍快就拖爛中間和槽位嚴(yán)重收口無(wú)法整形，針對(duì)這兩個(gè)問題，經(jīng)過多次返修和現(xiàn)場(chǎng)模具生產(chǎn)持續(xù)跟進(jìn)，終于解決了舊模具生產(chǎn)過程中開快中間拖爛和槽位嚴(yán)重收口等問題。

3.4 時(shí)效工藝

為使型材獲得穩(wěn)定優(yōu)異的力學(xué)性能，基于原先生產(chǎn)7XXX合金積累的經(jīng)驗(yàn)，這次時(shí)效方案仍舊選擇雙極工藝，為此本文對(duì)下面兩個(gè)雙極工藝方案進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 時(shí)效工藝篩選試驗(yàn)

通過表4所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見：①基于以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，7020合金的停留時(shí)間選擇為3～5天，停留后用韋氏硬度鉗打未時(shí)效坯料硬度均在14～15.5之間；②7020合金優(yōu)選時(shí)效工藝為100±5℃X8h+145±5℃X8h，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率均可符合GB/T6892-2015中7020-T6的性能要求。

大批訂單量產(chǎn)過程中，每次生產(chǎn)工藝都做了持續(xù)微調(diào)改進(jìn)，通過每次上機(jī)留樣做拉伸試驗(yàn)的結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了預(yù)先想要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 批量生產(chǎn)留樣的力學(xué)性能結(jié)果

4 結(jié)論

（1）生產(chǎn)7020一T6鋁合金型材，盡量選用硅鐵含量較低的純鋁錠，同時(shí)控制鋅、鎂含量總和，鈦硼細(xì)化劑的加入量一定要考慮鋯中毒失效部分的補(bǔ)加量。

（2）擠壓時(shí)使7020鋁合金型材出模時(shí)達(dá)到較高的淬火溫度，使η(MgZn2)、T( Al2Mg3Zn3)相等充分固溶，擠壓制品出模后，采取冷卻方式要保證冷卻速度≥300℃/min,具體方式選擇穿水或“噴霧+強(qiáng)風(fēng)”還要兼顧考慮型材淬火變形程度，因每個(gè)公司設(shè)備工裝情況不同，可在現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估后選擇合適冷卻方式。

（3）7020鋁合金優(yōu)選的時(shí)效工藝為100±5℃X8h+145±5℃X8h，在滿足生產(chǎn)交期的情況下，可進(jìn)行3～5天的停留（自然時(shí)效NA），然后再進(jìn)行人工時(shí)效。

（4）任何型材的生產(chǎn)都要考慮其工模具設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量，工藝離開了工裝設(shè)備就失去了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，任何型材生產(chǎn)工藝的優(yōu)化改進(jìn)都是系統(tǒng)性的，并非單一因素就能實(shí)現(xiàn)。