一种超长铝镁合金管的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超长铝镁合金管的制备方法，属于有色金属材料即压力加工技术 领域。
【背景技术】
[0002] 随着石油和天然气工业及地质勘探业的急剧发展，对钻井和开采装备提出了越来 越高的技术要求。在钻探设备上所需的冷却管，目前主要为不锈钢管和白铜管，但其成本 高，重量大；而铝合金管具有重量轻、抗疲劳、柔性好、耐蚀、耐寒等优点，如果采用铝合金管 取代不锈钢管和白铜管，则可明显降低成本和运输费用。钻探设备、核能发电等领域的热交 换器所需冷却管通常要求具有高耐腐蚀性和数百米的长管（最小长度需要150米），A1-Mg 合金具有力学性能、焊接性能和耐蚀性的良好匹配，可广泛应用于要求好的抗蚀性、优良可 焊性和中等强度的场合，如钻探制冷设备、核能发电、制冷装置、交通运输设备、雨伞杆等。 铝镁合金能满足其基本性能要求，但是铝镁合金管材的生产工艺通常采用常规热挤压成形 方法，而这种常规的间断式挤压方法无法制备出超长管。连续挤压作为一种短流程新技术， 理论上可以生产无限长的挤压制品，但是铝镁系合金属于中高强度合金，塑性变形时流动 性较差，连续挤压时分流焊合困难，成为实际生产的一大技术瓶颈。
[0003] 此外，Al-Mg合金在热处理的过程中沉淀相β相形核率低，数量少，呈粗大的杆状 或棒状在晶界析出，故该合金沉淀强化效果不显著。在室温下长期存放的过程中存在软化 倾向，在腐蚀环境下常常引起晶间腐蚀和应力腐蚀裂纹，对合金的尺寸稳定性及耐腐蚀性 能等造成极大损害，影响其使用寿命。这是由于合金中的β相（Mg 5Al8)在滑移带和晶界上 缓慢地沉淀，固溶强化作用减弱，强度降低，出现所谓的时效软化现象。
[0004] 为了获得组织均匀和性能稳定的超长Al-Mg合金管，进一步扩大其应用范围，迫 切的需要开发研制出适合该合金的有效加工方法，在保证其力学性能稳定的基础上，获得 优良的耐蚀性。
[0005] 迄今为止，尚未有铝镁合金超长管材制备方法的相关专利报道，更无该合金耗时 短、效率高的热处理工艺技术的公开报道。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有Al-Mg合金管存在尺寸与性能不稳定、分流挤压焊合 不良的问题，提供一种超长铝镁合金管的制备方法，本发明方法可制备出长度达180米以 上的超长管材，且管材的力学性能稳定，力学性能参数得到提高。
[0007] 本发明一种超长铝镁合金管的制备方法，包括下述步骤：
[0008] 第一步：按铝镁合金组分配比，采用常规熔铸工艺得到铸坯，铸坯经过热挤压，得 到圆截面杆坯，杆坯经清洗后头尾对焊连接，得到清洁长杆坯；或采用连铸连轧、清洗后制 备清洁长杆还。
[0009] 第二步：将第一步得到的圆截面长杆坯采用增压模连续挤压加工成管；连续挤压 工艺参数为：模具为三孔分流增压模，分流比3~6,焊合角15~25°，模口为阶梯模口，焊 合室高度H与铝镁合金管外径D的尺寸满足：H = (0. 3~0. 4) D ;
[0010] 第三步：将第二步得到的铝镁合金管在400°C以下进行两级退火。
[0011] 本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，第一步中，热挤压的挤压比为5-15。
[0012] 本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，第二步中，所述阶梯模口的高度为 1-4_，宽度为l-4mm ;阶梯模口级数至少为1级，合适的阶梯级数为1-4级。
[0013] 本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，第二步中，连续挤压时，挤压轮直径为 300mm，转速为4-6转/分钟。
[0014] 本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，第三步中，两级退火工艺参数为：首先加 热至300~400°C，保温30~60min，进行一级退火；一级退火后随炉降温至150~220°C， 保温4~7h，进行二级退火；然后出炉空冷至室温。
[0015] 本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，二级退火温度为180-2KTC，保温4~ 5h，更优选为200°C，保温4h。
[0016] 本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，所述铝镁合金选自镁的质量百分含量为 4-5%，余量为铝的铝镁合金或包含有锰、稀土中的至少一种微合金化元素的铝镁合金。
[0017] 本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，所述铝镁合金包括下述组分，按质量百 分比组成：
[0018] Mg :4· 0%~5· 0%，Μη :0· 3%~0· 7%，La :0· 1%~0· 4%，Ce :0· 2%~0· 7%，不 可避免杂质< 〇· 3 %，余星为Al。
[0019] 本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，退火在箱式电阻炉内进行。
[0020] 本发明的一种超长铝镁合金管制备方法，制备的铝镁合金管长度大于等于180 米。
[0021] 本发明的机理简述于下：
[0022] 在加工方法上，本发明采用一种连续挤压工艺实现铝镁合金管的加工成形。该技 术无需加热坯料，由挤压轮与坯料接触产生的摩擦提供温度和驱动力。主要特征包括两个 方面，第一，采用采用了两次挤压，即先用常规卧式挤压机将Al-Mg合金锭挤成杆坯后，再 采用连续挤压加工成管；第二，挤压成管后进行了一种特殊的热处理，以稳定组织，提高制 品的综合性能。用于连续挤压的杆坯，由于先经过了一次常规热挤压，内部组织已得到改 善，致密度得到有效提高，尤其是组织中的粗大第二相被破碎并均匀分布，显著降低了对连 续挤压管焊合强度的有害影响。
[0023] 在模具方面也有两个主要特征，第一是采用合理的焊合室高度，使材料在挤压过 程中获得足够高的焊合压力；第二是优化了焊合角，减少焊缝处存积的气体和杂质；此外， 采用阶梯型模口，使材料在挤出模口时压力进一步增大，实现强力焊合。所述"焊合"是固 态下两股分开的金属重新汇合成整体，而不是普通的"焊接"。本发明在连续挤压时设计采 用三孔分流增压模具，在保证模具强度、刚度和挤出制品厚度均匀性的基础上，通过合理调 整分流比、减小焊合角和提高焊合室高度H，来增加焊合室内的静水压力；此外，采用阶梯 型模口结构进一步增压，强化焊合。上述多方面改善后，其协同效果是获得了焊合质量良好 的挤压管。通过连续喂料，实现超长管材高效率、短流程的连续成形。传统认识上认为，铝 镁合金由于塑性变形时抗力高，流动性差，分流挤压时难以实现良好固态焊合。本发明打破 了传统认识，取得技术上的突破。
[0024] 本发明对连续挤压后的铝镁合金管，采用分步退火热处理工艺，提高其后续使用 性能。其基本原理为：（I)Al是高层错能金属，其拓展位错较窄，位错通过交互作用容易形 成大量的位错缠结区域；镁原子沿着通向晶界的位错扩散，易形成β相网膜，而这种β相 沿晶沉淀网膜通常作为阳极被优先腐蚀，诱发应力腐蚀和晶间裂纹的产生。高温退火阶段 消除了连续挤压大变形中的残余应力，合金发生回复，位错在短时间内重新分布到亚晶界 和晶界上，破坏了 β相形成的连续网膜，并随位错的重新分布，沉淀在亚晶界和晶界处，可 以有效提高合金管的耐腐蚀性能；（2)连续挤压所得到的铝镁合金管属于有缝管，焊缝处 的晶粒较粗大，与远离焊缝处组织有明显差异。采用分段式稳定化热处理，由于热处理温度 未达到挤压焊合时的温度，焊缝处晶粒组织基本不变，而基体晶粒稍有粗化，最终使管壁整 体组织趋于均匀，由此优化焊缝组织，提高焊合强度。（3)稀土元素的加入可以促进含Mg 相的沉淀，可以改善合金的组织，生成细小的针状和球状相，强烈钉扎位错与亚晶界，抑制 Al-Mg合金管的再结晶，提高合金的强度和硬度；但是，在晶界处也会部分生成粗大的杆状 相，这对材料耐腐蚀性能是有害的；本发明通过两级退火，利用高温退火，使粗大的杆状相 破碎球化，紧随其后，采用随炉缓冷至低温退火，此过程，可以充分保证基体固溶体和非平 衡组织的溶解，在低温退火阶段，获得不连续的晶界析出相和细小弥散的晶内析出相，避免 析出相的进一步粗化长大，在保证耐腐蚀性能的基础上，进一步提高塑性和强度。
[0025] 本发明对铝镁合金的组分进行了一些调整，主要效果在于：
[0026] 针对铝镁合金存在时效软化现象的问题，加入适量的Mn固溶入基体中，形成的 MnAljg，提高基体与焊缝的强度，并提高再结晶温度。发明人经实验表明，稀土元素 La、Ce 等的加入可以促进含Mg相的沉淀，可以改善合金的组织，生成细小的针状和球状相，强烈 钉扎位错与亚晶界，抑制Al-Mg合金管的再结晶，提高合金的强度和硬度。但是，在晶界处 也会部分生成粗大的杆状相，这对材料耐腐蚀性能是有害的。
[0027] 本发明与传统技术相比，具有以下优越性：
[0028] (1)本发明采用连续挤压加工得到铝镁合金超长管，随后进行分级热处理，实现了 强度和塑性匹配良好，几何尺寸和力学性能稳定，易于进行后续加工的铝镁合金超长管的 制备。
[0029] (2)采用本发明的方法制备的超长铝镁合金管，通过模具结构优化设计，实现强力 固态焊合，获得了焊合良好的铝镁合金管，加工成长度达到180米以上的超长管，这是常规 加工方法难以达到的指标；也打破了该系合金传统观念上不能分流挤压的认识，取得新的 技术突破。
[0030] (3)本发明采用分级热处理工艺，使连续挤压的铝镁合金管强度和塑性匹配良好， 几何尺寸和力学性能稳定，兼轻质、耐蚀的特点，克服了常规铝镁合金在后续使用过程中易 出现软化的问题。
[0031] (4)本发明的连续挤压加工工艺和热处理方法与传统方法相比，操作方便，效率 高，成本低。
[0032] 综上所述，本发明的一种超长铝镁合金管加工方法，采用连续挤压工艺和特殊结 构模具，解决了铝镁合金分流焊合不良的难题；采用两级退火热处理工艺调整晶界和晶内 析出相的形貌与分布，稳定和优化了合金的力学性能，提高管材的焊合质量，并获得优良的 耐腐蚀性能。本发明的铝镁合金管加工方法，对其它中强和高强铝合金管的挤压成形具有 参考价值。
【附图说明】：
[0033] 附图1为对比例1经普通挤压挤制出的管材实物图；
[0034] 附图2为本发明实施例1挤制出的管材实物图
[0035] 附图3为对比例2未添加稀土元素的常规铝镁合金管的TEM照片；
[0036] 附图4为对比例3添加稀土元素的常规铝镁合金管的TEM照片；
[0037] 附图5为对比例4经过常规热处理的铝镁合金管TEM照片；
[0038] 附图6为本发明实施例1采用分步退火处理的铝镁合金管TEM照片；
[0039] 附图7 (a)为对比例3未经分步退火处理的铝镁合金管焊缝附近的金相照片； [0040] 附图7(b)为本发明实施例2采用分步退火处理方法的铝镁合金管焊缝附近的金 相照片；
[0041] 附图8为本发明实施例2制备的铝镁合金管扩口实物照片；
[0042] 附图9为本发明铝镁合金管阶梯型增压模具的主视图；
[0043] 图中：
[0044] 由图