2219鋁合金三角形異型管材的研制

張玉春，陳 慶，牟 春，孫 松

（西南鋁業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，重慶 401326）

0 前言

2219鋁合金屬于Al-Cu-Mn系合金，因具有較好的高低溫力學(xué)性能、斷裂韌性、耐腐蝕性能和焊接性能而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]。2219-T8511鋁合金三角形異型管（見圖1，以下簡稱異型管）具有強度高、質(zhì)量輕等特點，被用作核電工業(yè)高低溫水堆燃料反應(yīng)堆的重要構(gòu)件。但由于2219合金的可擠壓性差及型材形狀的特殊性，導(dǎo)致其成形難度較大。本文針對上述情況，根據(jù)用戶的需求開展了研制工作，以期生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。

1 生產(chǎn)難點分析

2219鋁合金可擠壓性差，只能用穿孔擠壓針來擠壓這種非對稱型材。由于型材各部位金屬流動不均勻，作用在針尖上各部位的力相差懸殊，擠壓過程中擠壓針極易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致型材內(nèi)腔扭擰。

對于這種非對稱異型管，用穿孔擠壓方式擠壓擠壓針極易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擠壓針稍微發(fā)生偏轉(zhuǎn)，壁厚公差就很難達到公差要求。

異型管不對稱，擠壓后的產(chǎn)品易產(chǎn)生扭擰、彎曲等問題。由于形狀特殊，拉伸時不能進行有效夾持，造成受力不均，給拉伸帶來了較大困難，很難拉直。

異型管定尺長度為4.8 m，用戶對彎曲度的要求是任意300 mm長度上不超過0.8 mm，全長不超過5 mm；對扭擰度的要求是每米長度上不大于2 mm，全長不大于5 mm。

2 異型管的研制

圖1所示為斜邊帶圓弧非對稱形狀2219-T8511鋁合金三角形異型管的剖面圖。對于2219鋁合金，如果采用平面分流組合模來組織生產(chǎn)，金屬在流經(jīng)分流孔后被劈成幾股后，通過?？讜r很難焊合成形，因而2219合金空心型材不能用平面分流模擠壓，只能用穿孔擠壓針的方式擠壓成無縫管材[2]。

圖1 三角形異型管

針對三角形厚壁管材的尺寸和結(jié)構(gòu)，該異型管材選擇在8 000 t擠壓機上擠壓，擠壓筒為?500 mm，擠壓針為?250 mm。

2.1 模具設(shè)計

擠壓這種異型管，模具是關(guān)鍵。

考慮到異型管的不對稱性，配置?？讜r，經(jīng)過計算將異型管的重心相對于模子的中心作了一定距離的移動，即將Y軸向左移14.3 mm，將X軸向下移5 mm。這樣的配置可以最大限度地保證在X軸的上下方和Y軸的左右方的金屬供給量盡可能相近，在擠壓時異型管各部分金屬流動盡可能均勻。

模子用來控制異型管的外形，模腔的尺寸是根據(jù)異型管尺寸、公差、熱脹系數(shù)和拉伸量等來確定的，模具圖如圖2所示。用增加工作帶長度來調(diào)節(jié)型材距擠壓筒中心較近區(qū)段的金屬流速是有一定限度的。為了獲得均勻的流速，對型材長直角邊的部分區(qū)段采取10°的阻礙角的方法來加以補充阻礙。

圖2 異型管模具圖

擠壓針（含針尖）是在高溫高壓下對鑄錠進行穿孔和確定制品內(nèi)孔尺寸的重要工具[3]。根據(jù)異型管內(nèi)腔尺寸及其公差，在確定針尖的形狀、結(jié)構(gòu)時，考慮了熱脹系數(shù)和拉伸量等。針尖簡圖如圖3所示。

圖3 異型管針尖簡圖

2.2 模具和工具的準備、裝配與加熱

2.2.1 模具和工具準備

（1）擠壓針非工作部分的導(dǎo)向銅套與擠壓軸內(nèi)孔以及墊片的間隙為1～1.5mm，以保證對正中心。

（2）穿孔系統(tǒng)工具各螺紋連接部分的配合公差為0.2～0.3 mm，以確保在緊固狀態(tài)下不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穿孔系統(tǒng)能承受強大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。

2.2.2 模具和工具裝配

異型管的模子和針尖按圖4方式進行組裝。調(diào)整行程使針尖伸入模子型腔50～60 mm。

圖4 模子和針尖組裝方式

模具和工具組裝后，調(diào)整穿孔系統(tǒng)（穿孔壓桿、針座、擠壓針、針尖），使其與擠壓筒、擠壓軸、模具的同心度一致。

2.2.3 模具和工具加熱

為降低擠壓力，防止斷針，減少金屬粘結(jié)，提高內(nèi)表面質(zhì)量，將擠壓針（含針尖）加熱到380～400℃，模子、擠壓墊片加熱到350～400℃，擠壓筒加熱到470～480℃。

2.3 擠壓

鑄錠規(guī)格為?482 mm/?260 mm×1 050 mm。將加熱好的2219鋁合金空心錠送入擠壓筒中，擠壓針穿過擠壓墊片，前進到預(yù)先調(diào)整好的行程位置，將鑄錠鐓粗然后開始擠壓。擠壓工藝參數(shù)見表1。

表1 擠壓工藝參數(shù)

2.4 熱處理

異型管的淬火在立式淬火爐內(nèi)進行，人工時效在臥式時效爐內(nèi)進行。由于用戶提出的性能指標比常規(guī)標準值[4]要高（見表2），為滿足用戶需求，進行了試驗熱處理，最終熱處理參數(shù)如表3所示。

表2 性能要求值

表3 熱處理參數(shù)表

2.5 拉伸矯直

異型管在淬火后進行拉伸。為防止拉伸時異型管被夾破，在制品兩端型腔塞入芯棒（如圖5（a）所示）。因制品外形為帶弧形斜邊的三角形，為保持鉗口夾持拉伸時受力平衡，配備了拉伸墊塊放在異型管兩端的斜邊上（見圖5（b））。

拉伸矯直時，在將制品裝入拉伸機鉗口時，要夾牢、夾正，前后保證在同一中心線上[5]。將異型管夾持后扭至水平位置再拉伸，拉伸率1.8%～2.0%。拉伸終了后，將拉伸機的活動夾頭做一微小的返回動作，然后再松開鉗口。

圖5 拉伸芯棒和墊塊

3 研制結(jié)果及討論

按上述方案進行了試制，關(guān)鍵指標檢測結(jié)果如下。

3.1 尺寸

3.1.1 斷面尺寸

圖6 異型管尺寸

從圖6可以看出，產(chǎn)出的異型管尺寸符合圖紙要求。

異型管斷面尺寸合格、內(nèi)腔偏心控制較好，這得益于合理的模具設(shè)計及良好的穿孔系統(tǒng)對中性和緊固的螺紋連接。

3.1.2 形位尺寸

試制批次的彎曲度和扭擰度檢查結(jié)果如表4所示。

表4 形位尺寸檢查結(jié)果

從表4可以看出，試制批次中彎曲度和扭擰度均合格的只有3#制品。不合格的原因在于由于異型管的不對稱，淬火后變形較大，而在拉伸時拉伸墊塊與鉗口不匹配導(dǎo)致打滑，對形位尺寸控制不到位。

3.2 力學(xué)性能

試制批次的力學(xué)性能檢測結(jié)果如表5所示。

表5 力學(xué)性能實測值

3.3 高倍組織

圖7為浸蝕后的異形管高倍組織圖。從圖中可以看出，異型管顯微組織晶界模糊，說明合金發(fā)生了再結(jié)晶，未過燒。

圖7 異型管高倍組織

3.4 低倍組織

圖8 為異形管低倍組織圖。從圖中可知，異型管粗晶環(huán)最大深度為2 mm，符合協(xié)議粗晶環(huán)深度不超過3 mm的要求。

圖8 異型管低倍組織

4 改進措施

針對試制時異型管形位尺寸不合格的問題，采取了改進措施。

（1）提高淬火水溫。將淬火水溫由原來的20～30℃提高到35～45℃，以減少淬火時異型管的變形。

（2）優(yōu)化拉伸工藝。修復(fù)拉伸鉗口，即清除鉗口內(nèi)鋁屑，加深鉗口表面“#”字形齒高，從而增加鉗口與拉伸墊塊間的摩擦力。

將原來對異型管的一次拉伸到位改為分三次拉伸，即預(yù)拉伸、一次拉伸和二次拉伸。預(yù)拉伸即淬火后將異型管（有變形）先矯直扭擰，然后再拉直，此時拉伸率很?。蝗缓箝_始一次拉伸，拉伸率1.5%左右；停頓數(shù)秒后再開始第二次拉伸，此時拉伸率設(shè)置到2.5%，也是最終拉伸率。

采取改進措施拉伸后，對第二次批量產(chǎn)出的異型管進行檢查，發(fā)現(xiàn)其彎曲度和扭擰度均達到標準要求。其檢測結(jié)果見表6。結(jié)果表明，雖然提高了淬火水溫，但異型管的抗拉強度基本不受影響，屈服強度還略有提高，這是因為適當增大了拉伸率。

表6 批量產(chǎn)出性能實測值

5 結(jié)論

針對2219合金特性和三角形異型管的結(jié)構(gòu)特點，充分分析了研制難點，采取了針對性措施，減少了研制時間，使之能以較快速度研制成功，做到了事半功倍。

（1）通過合理設(shè)計模具，適當調(diào)整穿孔系統(tǒng)，保證了設(shè)備和工具的對中性，解決了異型管擠壓過程中可能產(chǎn)生的偏心問題。

（2）通過制訂合理的熱處理制度，滿足了用戶對異型管高性能的要求。

（3）通過適當提高淬火水溫和優(yōu)化拉伸工藝，解決了異型管彎曲度和扭擰度超差的難題。