7020合金鋁型材生產(chǎn)工藝改進

蔣福利

（廣東華昌集團有限公司，廣東 佛山 528225）

為使7020 鋁合金型材的力學性能穩(wěn)定，達到客戶的要求，我公司對其每款型號的生產(chǎn)工藝進行了試驗研究。本文主要對7020 鋁合金G5188型材的化學成分控制、鑄錠均勻化處理工藝、擠壓工藝和時效工藝、模具結構等方面進行試驗研究。

1 技術要求

（1）合金及狀態(tài)：7020-T6.

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

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

2 現(xiàn)狀分析

2016～2017年接到訂單7020合金G5188型材約10噸，查閱當時的力學性能檢測報告發(fā)現(xiàn)其結構未達到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，生產(chǎn)部領導立即召集相關技術人員進行研究，決定從以下方面進行攻關改良：

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

（2）合金成分重新調整，確保力學性能合格。

（3）鑄錠均勻化處理工藝進行優(yōu)化。

（4）擠壓工藝參數(shù)進行再優(yōu)化。

（5）時效工藝進行梳理優(yōu)化，先取樣實驗室方案優(yōu)選，篩選出最佳方案。

3 改進措施

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→合金調整→取樣分析→精煉→取樣分析→靜置→鑄造→鋸切→低倍檢驗→均質處理→擠壓鑄棒→鑄錠加熱→擠壓→時效→檢驗→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鋁合金的主要強化相含量（MgZn2）隨之提高，合金的抗拉強度和屈服強度提高。為保證產(chǎn)品的抗拉強度，將鋅控制在4.7%～4.9%,鎂控制1.1%～1.3%，同時加入一定量的Cu彌補鋁合金材料淬火后在室溫下停留時間過長導致的人工時效強度不足，避免鋁合金型材在擠壓后停放時間較長而發(fā)生自然時效，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性能，硅降低合金的力學性能，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元素來控制盡量低一些。Mn、Cr 元素的加入能阻止鋁合金的再結晶過程，提高再結晶溫度，再結晶晶粒的細化主要是通過MnAl6、CrAl7化合物的彌散質點對再結晶晶粒長大起抑制作用。

7020合金常溫下的強化相主要是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

鑄錠在結晶過程中，由于各部分的結晶先后和冷卻速度不同，在鑄錠中必然有應力存在，有拉應力區(qū)和壓應力區(qū)，鑄錠裂紋就是在拉應力作用下產(chǎn)生的。當鑄錠拉應力過大或在拉應力區(qū)發(fā)生應力集中，必將促使鑄錠裂紋的形成。因此，應選擇適當?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鋁合金晶內枝晶偏析、消除或減少粗大非平衡相和雜質相，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晶分數(shù)，提高其抗疲勞性能和綜合力學性能。7020 鑄棒在均質熱處理時對鑄棒升溫速度應進行控制，鑄棒裝爐時爐內溫度應控制在150℃以下，在加熱升溫時升溫速度控制在100℃/h，均質溫度控制在460±10℃，實體保溫時間控制在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，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)間均可實現(xiàn)固溶，多棒爐分三段設置加溫溫度，進棒口第一段溫度設置420℃進行預熱作用，棒爐中間段溫度設置470℃左右，出棒口（約3支長棒）段溫度設置510℃左右保證出棒實測溫度在470～500之間。雖然7020合金的理論過燒溫度為490℃左右，出棒口設置溫度看似已經(jīng)超過合金理論過燒值，不過過燒的實質產(chǎn)生不但取決于溫度還取決于保溫時間，只要保證力學性能的前提下，輕微組織過燒并不影響型材力學性能，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熱+高頻工頻爐快速加溫，擠壓工藝溫度上限還可適當上浮。

擠壓筒溫度設置上限取420℃～450℃，因為7020合金擠壓速度偏慢，起到保溫絕熱作用，同時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移距離，鋁合金的導熱性能較好，擠出?？缀笮筒臏囟葥p失較快，故出料口溫度控制在480℃～530℃之間是不會影響型材力學性能；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應力。

3.3 模具結構

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重收口無法整形，針對這兩個問題，經(jīng)過多次返修和現(xiàn)場模具生產(chǎn)持續(xù)跟進，終于解決了舊模具生產(chǎn)過程中開快中間拖爛和槽位嚴重收口等問題。

3.4 時效工藝

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

表4 時效工藝篩選試驗

通過表4所得到的試驗數(shù)據(jù)可見：①基于以往生產(chǎn)經(jīng)驗，7020合金的停留時間選擇為3～5天，停留后用韋氏硬度鉗打未時效坯料硬度均在14～15.5之間；②7020合金優(yōu)選時效工藝為100±5℃X8h+145±5℃X8h，其抗拉強度、屈服強度、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)微調改進，通過每次上機留樣做拉伸試驗的結果表明，實現(xiàn)了預先想要達到的技術指標，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 批量生產(chǎn)留樣的力學性能結果

4 結論

（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，同時控制鋅、鎂含量總和，鈦硼細化劑的加入量一定要考慮鋯中毒失效部分的補加量。

（2）擠壓時使7020鋁合金型材出模時達到較高的淬火溫度，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+強風”還要兼顧考慮型材淬火變形程度，因每個公司設備工裝情況不同，可在現(xiàn)場評估后選擇合適冷卻方式。

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

（4）任何型材的生產(chǎn)都要考慮其工模具設計和制造質量，工藝離開了工裝設備就失去了實現(xiàn)的基礎，任何型材生產(chǎn)工藝的優(yōu)化改進都是系統(tǒng)性的，并非單一因素就能實現(xiàn)。