一种铝合金管材铸挤轧复合成形方法与流程

本发明属于有色金属无缝管材成形技术领域，具体涉及一种铝合金管材铸挤轧复合成形方法。

背景技术：

大口径无缝管(外径在100mm以上)是航空航天、石油化工、核电火电、交通运输等重大装备领域的关键构件，目前普遍采用热挤压成形工艺进行制造，热挤压前管坯可以为锻态和铸态两种组织状态，当挤压前管坯为锻态时，则是通过镦粗、冲孔等工序进行制坯，组织致密性较高，挤压过程以保证管件的外形尺寸为主，工艺参数控制相对容易，但该工艺流程冗长，材料与能源浪费严重，镦粗和冲孔工序设备投资巨大；当挤压前管坯为铸态时，则是通过离心铸造或砂型铸造方法直接制成空心铸态管坯，组织致密性较差，挤压过程不仅要保证管件的外形尺寸，更重要的是改善组织均匀性，提高力学性能，此工艺具有制造流程短，节约材料和能源，节省设备投资等突出优点。

中国发明专利申请号“201310025199.9”公开了一种用铸挤复合成形生产大口径厚壁无缝钢管的方法，它包括：1)合金熔化；2)钢液精炼；3)铸造空心坯；4)加热；5)热挤压，挤压温度为1200～1250℃，挤压速度为300～400mm/s，挤压比为8～12；6)粗加工；7)热处理；8)精加工。中国发明专利申请号“201310025737.4”公开了一种厚壁无缝钢管短流程铸挤连续成形的方法，它包括：1)合金熔化；2)钢液精炼；3)冒口浇注环坯，出模温度为1280～1330℃；4)热挤压，初始挤压温度为1200～1250℃，挤压比为10～12；5)热处理；6)精密整形。上述专利公开的无缝钢管铸挤成形方法主要适用于黑色金属和厚壁管材(壁厚大于30mm)领域，为铸态空心坯料一道次热挤压成形，挤压前后管坯外径减小、内径不变，所需空心铸坯的外径和壁厚尺寸通常很大，对应的挤压筒尺寸也较大，制造极为困难，热挤压行为又与铸坯的质量及性能密切相关，而在上述专利中空心铸坯的铸造方式与工艺参数未明确。

而当大口径铝合金薄壁管材(外径在100mm以上，壁厚为0.5～5mm)成形前后管坯的内径和外径同时增大、壁厚减薄、长度增加，成形过程中尺寸回弹控制极为困难，尤其是薄壁区域金属在冷却时收缩不均，内应力重新分布，尺寸回弹严重，导致外形尺寸精度降低；并且如果直接采用上述方法进行一次热挤压或简单的热处理成形，则挤压筒与铸态管坯接触部位存在剪切摩擦，薄壁管壁厚区域剪切变形剧烈，组织容易被破坏，导致力学性能降低。因此，其对热挤压前铸坯的质量要求较高，挤压后管坯外径和内径均增大，对挤压凹模和芯棒的形状、尺寸要求均非常高，模腔出口处的金属流动趋势也极为复杂，现有技术无法满足该类大口径铝合金薄壁管材的高性能精确成形制造需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铝合金管材铸挤轧复合成形方法，可以有效克服现有技术存在的缺点。

本发明目的是这样实现的，其特征在于包括以下工艺步骤：

(1)如图1～2所示，采用立式离心铸造方式铸造铝合金管坯，浇注温度为660～680℃，金属模具铸型转速为150～180r/min，浇注速度为12～18kg/s，浇槽距离模盖高度为20～30cm，得到离心铸造的铝合金管坯尺寸为：外径d0＝100～800mm、内径d0＝30～60mm、高度h0＝200～500mm、壁厚b0＝40～350mm；

(2)双级均匀化处理：空心铸态管坯温度降至530～550℃时脱模，脱模时间为5min，加热至470～490℃时保温10～12h进行第一次均匀化，再继续升温至520～540℃保温16～18h进行第二次均匀化，风冷至室温；

(3)等温热挤压：管坯内径和外径同时增大、壁厚减薄，挤压筒温度为390～420℃，管坯初始挤压温度为450～480℃，控制终了挤压温度为320～350℃，挤压速度为20～35mm/s，挤压比为10～15，得到等温挤压后的铝合金管材锻件尺寸为：外径d1＝150～1500mm、内径d＝99～990mm、高度h1＝600～1800mm、壁厚b1＝25～200mm，如图3～4所示；

(4)中间固溶处理：加热温度为520～540℃，保温时间为4～6h，再水冷至室温；

(5)冷轧制：管坯内径不变、外径减小、壁厚减薄，轴向冷轧速度为8～12mm/s，径向冷轧速度为1.2～3.0mm/s，轧制比为2～3，得到冷轧制后的铝合金管材锻件尺寸为：外径d＝100～1000mm、内径d＝99～990mm、高度h＝1000～5000mm、壁厚b＝0.5～5mm，如图5所示；

(6)双级时效处理：第一次时效在120～150℃保温6～8h，然后直接升温至170～190℃保温10～12h进行第二次时效，再空冷至室温，获得所需的铝合金管材锻件。

本发明的优点及有益效果是：立式离心铸造的铝合金管坯经过等温热挤压、中间固溶后，再增加一次冷轧制，使得挤压和冷轧过程的应力被分散、弱化，管材的壁厚成形极限增大、壁厚减小、口径增加，从而可以成形外径在100mm以上、壁厚为0.5～5mm的大口径、薄壁铝合金管材；均匀化、挤压和退火过程的温度、速度及时间设置合理、规范，可以得到外形尺寸精确、内部组织和力学性能较好的薄壁管材。

附图说明

图1为立式离心铸造示意图；

图2为离心铸造的铝合金管坯的尺寸标识图；

图3为卧式挤压示意图；

图4为等温挤压后的铝合金管材锻件的尺寸标识图；

图5为冷轧制后的铝合金管材锻件的尺寸标识图；

图中：1—浇包2—浇道3—浇口4—锁紧销5—模具盖板6—上沙垫6′—下沙垫7—金属模具铸型8—离心铸造管坯9—冷却水管10—等温挤压管坯11—芯棒12—挤压筒13—挤压凸模；

d0—管坯的外径，d0—管坯的内径，h0—管坯的高度，b0—管坯的壁厚，d1—挤压管材锻件的外径，d—管材锻件的内径，h1—挤压管材锻件的高度，b1—挤压管材锻件的壁厚，d—冷轧管材锻件的外径，h—冷轧管材锻件的高度，b—冷轧管材锻件的壁厚。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图5所示为冷轧制后的铝合金管材锻件的尺寸标识图，即本发明的一种铝合金管材：外径d＝685mm、内径d＝680mm、高度h＝3000mm、壁厚b＝2.5mm；其铸挤轧复合成形的工艺步骤是：

(1)采用立式离心铸造方式铸造铝合金管坯，图1所示为立式离心铸造示意图，图中1是浇包，2是浇道，3是浇口，4是锁紧销，5是模具盖板，6是上沙垫，6′是下沙垫，7是金属模具铸型，8是离心铸造管坯，9是冷却水管，浇注温度为670℃，金属模具铸型转速为180r/min，浇注速度为18kg/s，浇槽距离模盖高度为30cm，得到的离心铸造管坯尺寸为：外径d0＝300mm、内径d0＝50mm、高度h0＝300mm、壁厚b0＝125mm，如图2所示；

(2)双级均匀化处理：当空心铸态管坯温度降至550℃时脱模，脱模时间为5min，加热至490℃时保温12h进行第一次均匀化，再继续升温至530℃保温16h进行第二次均匀化，风冷至室温；

(3)等温热挤压：管坯内径和外径同时增大、壁厚减薄，挤压筒温度为420℃，管坯初始挤压温度为450℃，控制终了挤压温度为350℃，挤压速度为35mm/s，挤压比为10，得到的等温挤压铝合金管材锻件尺寸为：外径d1＝800mm、内径d＝680mm、高度h1＝900mm、壁厚b1＝60mm，如图3～4所示，图中10是等温挤压管坯，11是芯棒，12是挤压筒，13是挤压凸模；

(4)中间固溶处理：加热温度为530℃，保温时间为6h，再水冷至室温；

(5)冷轧制：管坯内径不变、外径减小、壁厚减薄，轴向冷轧速度为8mm/s，径向冷轧速度为1.5mm/s，轧制比为3，得到的冷轧制后铝合金管材锻件尺寸为：外径d＝685mm、内径d＝680mm、高度h＝3000mm、壁厚b＝2.5mm，如图5所示；

(6)双级时效处理：第一次时效在120℃保温6h，然后直接升温至180℃保温10h进行第二次时效，再空冷至室温，获得所需的铝合金管材锻件。