高强铝合金棒线材生产工艺分析

高强铝合金棒线材生产工艺分析

刘洋

宝武集团八钢公司轧钢厂

摘要：随着轻型化材料的发展，铝合金越来越多地用于现代工业的各个部门。近年来，经过对铝合金材料的深入研究，世界各地的航空工业和工业界对铝合金越来越感兴趣。其中85%以上的高强7xxx系列铝合金质量结构用于商用飞机，因为它具有高强、韧性、良好的导热性和耐受性。广泛使用铝合金必然要注重材料之间的连接，铆钉和螺栓联接是高强铝合金的常用连接方法。在此基础上，文章介绍了连铸连轧、挤压拉伸、连续挤压铝合金线材等生产技术，阐述了其优缺点，分析了7xxx系列高强铝合金生产中存在的差距。同时介绍了棒线材热轧工艺的优缺点以及铝合金棒线材的生产应用现状，以供参考。

关键词：7xxx系高强铝合金；棒线材；铝加工工艺；热连轧

前言

近年来，国内外铝合金管材、棒线材、型材、线材的生产工艺和设备有了很大的进步，达到了相当高的水平。简要介绍了铝及铝合金管材、棒线材、型材、线材的生产工艺及主要工艺设备的现状和发展趋势，重点介绍了铝合金棒线材的挤压、冷轧及拉制的发展现状。

1 连铸连轧工艺概述

连铸连轧技术是加工铝合金线材的有效方法。通过在熔炼炉中熔炼铝锭，采用带式连铸的方法生产梯形坯，通过直接热轧生产一定规格的产品。该工艺还具有广泛的应用，可用于生产电铝线和焊丝。在整个连铸连轧过程中，可以省去铝锭熔化并铸成方形然后在加热炉中轧制的步骤，减少了金属的燃烧和能耗，简化了工艺，具有机械化和自动化生产的优点。虽然连铸连轧技术理论上不受重量限制，可以生产无限长、无接头的铝合金棒，但它只适用于一些中低强度铝合金，如大批量生产线材、铝棒线材和低强度铝合金，如1xxx、6xxx。目前，连铸连轧工艺已广泛应用于工业领域。连铸连轧生产线主要设备包括熔炼炉、静炉、铸造机、剪切机、连轧机、探伤机、剪切机和卷取机，辅助设备包括冷却水系统和轧制线润滑系统。连铸连轧生产线的优点是产量高，生产效率高。生产的线材可以连续有序地轧制成2t以下的螺旋卷，生产线上的最终轧制速度可以达到8m/s，铝线上的最终轧制速度可以达到8t/h。

高强铝合金棒或线适用于各种零件，如铆钉、螺栓、休闲用品、高压输电线路、加工和锻造材料等。由于高强铝合金线材和棒线材的糊料面积广，且相对于纯铝合金或低合金铝合金的强度高，采用CC&R工艺生产难度大，制造的成型件达不到高强铝合金的力学性能和机械性能。此外，由于铸件缺陷小，在铸轧过程中容易出现裂纹和漏钢。因此，这种常规的连铸连轧机系列受到工艺特点的限制，不能生产抗拉强度超过460兆帕的高强铝合金轧辊。由于7xxx系列铝合金是一种超高强、难变形的金属，在变形过程中表现出较差的塑性，因此连铸连轧工艺不适合或不能用于生产7xxx系列超高强铝合金线材。

2 挤压-拉拔工艺

挤压-拉拔工艺与其他工艺相比具有一定的优势:挤压能充分发挥金属材料的塑性，获得较大的变形；适用范围广，挤压法既可以生产普通的棒、线、管，也可以生产一些截面形状和建筑及家庭特点极其复杂的产品；生产弹性高，更换模具可以完成不同规格产品的生产，可能性高。挤压-拉拔工艺也有明显的缺点:由于挤压筒长度和挤压比的限制，单个无缝圆盘的长度和重量有限，达20公斤或30公斤，不能满足现代自动化紧固件生产设备的要求；为了保证挤压产品的综合性能和质量，获得满意的好产品，必须保证一定的挤压余量。因为挤压后期存在塑性变形过程(金属在变形区水平流动)，这种余量通常占工件的10%-15%，造成大量的材料损失；生产效率低，坯料挤压速度远低于连铸连轧，需要大量的辅助工序，大大降低了挤压过程的生产效率；挤压过程中，表面、内部、头部和尾部金属流动不均匀，挤压温度不稳定，导致产品组织和性能不均匀；模具消耗大，挤压过程中工件基本处于全闭状态，模具在规定直径区域受到很大的挤压应力，热挤压时挤压筒的壁和模具也受到很大的热传导，模具不断受到大量热量的作用，因此挤压模具的使用寿命受限。

高强7xxx铝合金棒线材采用挤压-拉拔工艺制造，但生产效率不能满足一些特殊要求，挤压-拉拔生产效率也在一定程度上限制了其批量应用。此外，由于制造的高强7xxx铝合金线材最终需要进一步的后处理，大量的铝合金紧固件产品，如铆钉、螺栓、螺钉等，生产用于航空航天、军事、民用等重要领域。但是，如果用挤压-拉拔方法生产的短长杆导线不适合为紧固件生产提供高速自动化设备的原材料，那么必须使用大卷量的铝合金杆产品，以确保后续工艺的平稳有效生产。

3 连续挤压工艺

1970年代，D. Green提出了连续挤压工艺。1980年代中期以来，中国从国外进口设备，开始研究消化吸收问题。经过20多年的发展，建立了一些自主知识产权，国家能够生产出一系列连续的成套设备挤出和涂布。这一领域的研究在国际上已达到先进水平，在某些方面在世界上处于领先地位。中国连续挤出技术经过30多年的研发，逐步完善自主知识产权的初步研究和模仿、再创新、装备和技术升级，成功开拓国内外市场，逐步成为技术设备的主要生产国和应用国连续挤出过程是通过水平连铸生产直径10-16毫米的小圆坯，然后通过连续挤出机进行连续挤压，得到直径3-10毫米的铝合金线材。该工艺具有节能、高自动化程度和长期产品生产能力等优点。此过程可以解决铝材料的长度问题。但是，由于工艺成型工件直径小，成型阶段色谱层的比例过高，存在变形问题。因此，该工艺不适于生产组织性能要求高的7xxx铝合金。

4 棒线材热连轧工艺优缺点及生产现状

为了显着提高棒线材和线材的轧制效率，通常采用更有效的连铸连轧工艺，该工艺通常包括粗轧、中间轧和精轧。在棒线材和线材连铸连轧过程中，坯料在多个机架中同时轧制，轧制宽度和高度交替压在前后轧机的通道上，从而实现从大截面坯料到小截面棒线材的加工变形。此外，采用高水平控制技术可以保证生产效率和质量。棒线材连轧工艺的优点是:生产效率高，工艺中机械化和自动化程度高；固定长度，与短几米的挤压工艺相比，连轧工艺的长度更长，约10m，连轧后可以得到重量更大的产品；能改善轧材枝晶偏析，提高材料性能；适用于加工温度范围小、变形阻力大的有色金属及合金；产品质量好，产量高，浪费低。

目前棒线材连轧工艺也存在一些不足:工艺复杂，操作复杂。连铸连轧包括粗轧、中轧和精轧。每个机架的孔设计、各孔工艺参数设置、辅助设备等技术含量高，设备操作维护困难。由于棒线材冷却问题，应采用合适的轧制速度和初轧温度。目前，钢、钛合金、钨、钼等许多其他金属都有较成熟的研究和应用，但铝合金棒线材和线材的生产和研究还比较少。

结束语

目前，铝合金棒线材生产技术主要用于中低强度铝合金的生产，高强铝合金棒的生产急需研发。由于相关技术起步较晚，我国很少采用连铸连轧生产一些高强、难变形的铝合金棒线材。在高强材料国产化和市场需求日益增长的背景下，无缝、高质量、高强铝合金板材加工工艺需要深入研究。热轧钢板作为一种高强、高质量的成形工艺，可以加以研究和应用。

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