铝合金大直径薄壁无缝管材的研究

铝合金大直径薄壁无缝管材的研究

5002铝合金是al-mg系统的平均强度铝。它具有良好的成形性能、焊接性能和耐腐蚀性，适合在压力下加工形成。该合金管材主要用于制造气体分流行业导流管。本试验采用同水平热顶半连续铸造空心圆锭,经均质、锯切、车皮、镗孔后,制成规格为ue788Φ448mm×ue788Φ261mm×Φ750mm铸锭(需特殊加工)。铸锭在德国西马克双动反向油压机上经热挤压成形,通过张力矫直、退火至成品管材,其规格为ue788Φ260mm×5mm。由于用户要求的这种管材为非标准大规格热挤压无缝管材,所以大规格空心锭的铸造、铸锭的特殊加工、热挤压、成品退火等是该试验的关键工序。1试验计划1.1铸锭规格设计试验用的5052铝合金化学成分见表1。用20块规格为Φue788448mm×ue788Φ261mm×750mm(需特殊加工)的铸锭。1.2均质炉、挤压设备(1)铸造选用同水平热顶半连续铸造25t铸造机。铸造盘结晶器外径ue788Φ460mm,内径ue788Φ242mm。铸锭的外径ue788Φ456mm,内径ue788Φ238mm。(2)均匀化退火选用25t均质炉。(3)镗孔选用全自动高速镗孔机,扒皮选用W6150车床。镗孔扒皮后坯料规格:外径ue788Φ448mm,内径ue788Φ261mm。(4)热挤压选用德国西马克55MN双动反向油压机。挤压筒直径ue788Φ460mm;大针直径ue788Φ255mm;针尖直径ue788Φ252.5mm;母模直径ue788Φ263mm。挤压管材规格ue788Φ260mm×5mm。(5)成品退火选用6m箱式退火炉。1.3车间刻前检验生产工艺流程为:熔炼→铸造→均火→锯切→镗孔→扒皮→加热→挤压→张力矫直→取样切成品→成品检验→成品退火→退火后复验→包装入库。2试验过程和结果分析2.1工艺与铸造工艺、铸造主轴的特殊加工2.1.1铸造时的表面处理铸造温度680℃~710℃,铸造速度70mm/min~80mm/min,内水压0.04MPa~0.06MPa,外水压0.08MPa~0.12MPa,铸造时进行铺底和回火处理,以减小铸锭的裂纹倾向性。2.1.2均匀化退火、低倍检测铸锭经过充分的均匀化退火,可以使铸锭的非平衡共晶组织减少,过饱和固溶元素从固溶体中析出,减小合金高温挤压时的变形抗力,消除铸造应力,减小挤压力,提高铸锭的可挤压性和塑性［1］。为达到以上效果,采用中温均匀化退火,均匀化退火温度470℃~475℃,保温24h~28h,加热到金属温度后计算保温时间,空冷。经低倍检测,晶粒度、疏松为1级,无其他缺陷,完全符合GB/T3246.2-2000低倍检测标准要求。低倍组织如图1所示。2.1.3压压机铸锭的校核挤压针所受摩擦拉力为挤压针圆柱部、针尖圆锥面、针尖圆柱部所受摩擦力之和减去针尖圆锥面所受正压力水平分量。因挤压针直径过大,为减小挤压时挤压针所受的摩擦拉力,使用最短长度(750mm)的铸锭进行挤压(德国西马克产的55MN双动反向油压机的设备所允许最短长度),通过减小挤压填充后铸锭与挤压针的有效接触面积来减小挤压针所受的摩擦拉力。通过对挤压力的校核,最大挤压力小于油压机额定值;而通过对挤压针与针支撑连接处螺纹部位的强度校核,其拉力值超出所能承受的最大值。为此,在保证客户要求的5m~6m交货长度以及提高成品率的前提下,对铸锭进行特殊加工,如图2所示。在后续挤压阶段达到了减小挤压针摩擦拉力的效果。2.2压迫生产工艺2.2.1数据表及总体规划设计选用55MN挤压机进行生产,挤压系数28.73。为减小挤压时金属的变形抗力,在保证铸锭不过烧的情况下,尽量提高铸锭温度,挤压工艺参数见表2。2.2.2辐射加热方法生产该产品使用的挤压针直径为ue788Φ255mm,长度2075mm。因其直径过大,若先将挤压针安装在挤压机上采用天然气烘烤加热,挤压针加热不均而产生局部过热,导致挤压针强度降低。若采用先将挤压针加热,又不便于安装,还会在安装过程中产生温降,阻碍与挤压针接触的金属流动,使挤压力增加。基于上述情况,决定采用挤压筒辐射加热方法,即将挤压针置于挤压轴、模轴和挤压筒的密闭空间内,依靠挤压筒的温度进行辐射加热,保温48h,使挤压针加热到380℃以上,并确保其加热的均匀性。但挤压针的温度仍低于正常挤压所要求的温度(430℃~450℃)。为进一步提高挤压针的温度,第一次选用高温变形抗力较小的6×××系铝合金锭试生产后,再采用特殊加工铸锭进行正常挤压生产。挤压时模具和挤压垫均采用氮化硼润滑,防止粘铝。挤压针采用石墨油润滑,降低挤压时金属流动过程中对挤压针的摩擦拉力。2.2.3采用辊式矫直因该产品规格为Φ260mm×5mm,因其径厚比超过50∶1,若采用辊式矫直,会影响管材外表面的矫直质量。所以采用张力矫直。制作特殊楔形塞头,塞头制作一环形沟槽,便于拔出。张力矫直效果良好,可满足成品直线度。2.3试验结果的分析2.3.1mm,32mm共随机抽取5组数据,从表3可以看出,挤压时挤压力在31MN~39MN之间,小于额定挤压力;挤压针所受的摩擦拉力在7.8MN~9.2MN之间,小于挤压针与针支撑连接处的螺纹部位所能承受的11MN的最大拉力值,在其所能承受的最大强度值之内是安全的。2.3.2计算偏心率q在德国西马克产55MN双动反向油压机挤压20根规格为ue788Φ260mm×5mm的管材,测量壁厚,按(1)式计算偏心率Q,结果见表4。Q—管材偏心率从表4中可见,偏心率最大的为11号样品(6.1%),最小的为6号样品(1.99%)。95%样品的偏心率小于5%,按GB/T4436-1995挤压圆管高精级任一壁厚与平均壁厚允许偏差的要求,其偏心率在10%之内就为合格。可见以上20个试样均达到标准高精级的要求。2.3.3标准值5052-O铝合金Φue788260mm×5mm管材的力学性能见表5。根据GB/T4437.1-2000的标准值为:抗拉强度170N/mm2~240N/mm2,屈服强度不小于70N/mm2,伸长率无要求。表5中性能指标均在标准要求范围内。成品退火温度:金属温度345℃~355℃,保温时间1.5h,退火后取1个试样做高倍观察,见图3,金相显微组织为再结晶组织。2.3.4几何废水及技术配方该产品的交货长度为5m~6m,经计算,其几何废料为21.5%,技术废料为4.5%,成品率为74%。减小技术废料的可能性不大,只能尽量减小几何废料,若按乱尺交货可大大提高成品率。3成品钢管的力学性能(1)通过对5052铝合金铸锭的特殊加工和制定合理的挤压工艺参数,保证了挤压针与针支撑连接处螺纹部位强度在安全值之内,但铸锭的特殊加工不仅耗时,而且增加几何废料,不适于批量生产。(2)用德国西马克产55MN双动反向油