高塑耐蚀3A21铝合金退火管材生产工艺研究

李洪林，周广宇，王国冰，吴 琪，冯志强

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003)

铝及铝合金具有密度低、比强度高、成形加工性能好、可再生重复回收利用、节能环保等优点，备受人们的重视[1-3]。3A21铝合金主要以锰为合金元素，属于热处理不可强化合金，具有良好的塑性和焊接性，是一种耐腐蚀性能良好的中等强度铝合金，被广泛用于生产管材、棒材、线材等铝合金挤压型材。同时应用于石油化工设备中各种需要加工成形和耐蚀性能较高的场所，主要用于输送天然气、石油的挤压无缝管和加工冷凝器和热交换器的拉伸无缝管[4-6]。

现有的生产工艺生产的退火态3A21铝合金挤压管材，力学性能能够满足GB/T 6892—2015的标准要求，即抗拉强度≤185 MPa，伸长率要求≥16%。根据客户要求伸长率≥40%，且在PH值为4.0的酸性溶液中保持24 h无腐蚀点，目前挤压生产技术还无法达到。由于3A21铝合金管材的力学性能和耐腐蚀性有很大程度受其微观组织、结构、成分、形态的影响，因此，本文通过对铝合金的原料成分、挤压工艺和热处理条件的研究，开发优质3A13铝合金挤压管材生产工艺。

1 化学成分控制

试验用3A21铝合金挤压管材的铸棒是采用半连续铸造方法生产的。铸造过程中采用泡沫陶瓷过滤、Al-Ti-B丝细化晶粒；铸棒经均匀化处理消除晶内偏析，使成分更加均匀。使用88T油压双动卧式铝挤压机进行挤压。

由于3系铝合金原料成分中的Si元素若过多会降低铝合金塑性，增大铝合金的裂纹倾向。另外由于Si与Fe会形成化合物，削弱Fe的有利影响。所以在满足国标成分的基础上，尽量控制Si的含量在下限，Fe的含量控制上限；另外提高Fe还能降低Mn的过饱和度，减少Mn的晶内偏析，细化晶粒。经综合考虑，3A21系铝合金的成分确定为Si≤0.15%、Fe≥0.45%，其化学成分见表1。

表1 3A21铝合金化学成分(质量分数，%)

2 铸棒均匀化处理工艺

铝合金在铸造过程中存在枝晶偏析，通过均匀化处理可以消除或降低晶内化学成和组织的不均匀性，消除或减少在铸造过程中由于快速冷却所产生的内应力，改善铸棒的热塑性，均匀化处理能够促使铸造过程中形成的非平衡第二相溶解，减少第二相的体积分数，改善合金的塑性，并提高合金元素在基体中的固溶度，从而改善合金的固溶强度[7-8]。经过验证，得出最优均匀化处理制度为585 ℃×10 h。经上述均匀化处理后的铸棒组织中枝晶偏析明显减少，枝晶内部析出相密集。

3 挤压工艺

将均质后的铝合金铸棒送入880T挤压机的挤压筒中进行挤压，得到3A21铝合金挤压管材，管材截面图见图1。其中挤压模具采用单个挤压孔的挤压模具，挤压模具的加热温度为485 ℃，挤压筒的筒身温度为430 ℃，挤压铸棒的温度为470～490 ℃，挤压筒的挤压比为55.3，挤压速度为13 m/min，挤压筒的出口温度为505 ℃。3A21铝合金挤压管材采用在线淬火技术，即将挤压后的3A21铝合金管材置于淬火装置进行空冷淬火。

图1 3A21铝合金挤压管材断面图Fig.1 Section of 3A21 aluminum alloy extruded tube

4 退火处理工艺

4.1 组织分析

对不同退火温度处理后的3A21铝合金管材进行高倍组织观察，如图2所示。同时检测力学性能，结果见表2。从综合高倍组织及力学性能数值可知，设定退火处理时间为1.5 h不变的条件下，未退火处理的3A21铝合金管材高倍组织的晶粒大小不均，当退火温度为410 ℃时，管材组织中仍然存在部分粗大晶粒，晶粒度可达3级，伸长率得到了提高；当退火温度为430 ℃时，组织中晶粒较均匀，晶粒度等级可达4级，伸长率达到最大；当退火温度达到460 ℃时，3A21铝合金管材的伸长率得到了提高，但是相对退火温度430 ℃组织中仍存在粗大晶粒，晶粒度等级4级。

(a)未退火；(b)410 ℃×1.5 h；(c)430 ℃×1.5 h；(d)460 ℃×1.5 h图2 不同退火温度处理后管材的组织50×(a)without annealing；(b)410 ℃×1.5 h；(c)430 ℃×1.5 h；(d)460 ℃×1.5 hFig.2 Microstructure of tube after different annealing temperatures 50×

热处理方案晶粒等级力学性能屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%挤压态大小不均,无法评级5011433410 ℃×1.5 h34510841.5430 ℃×1.5 h44410946460 ℃×1.5 h44310745.5GB/T 6892//≤18516客户要求//18540

4.2 晶间腐蚀

将不同退火温度处理后的3A21铝合金管材试样放在用冰醋酸调节PH值至4.0的5%浓度的NaCl溶液中，在室温下浸泡，观察并记录试样出现白点的截止时间，随后对经过腐蚀的料样，用金相显微镜观察组织的腐蚀情况，测量深度。晶间腐蚀形貌如图3所示，不同退火温度处理后管材的耐蚀性能见表3。可知，当退火制度为430 ℃×1.5 h处理的3A21铝合金管材由于晶粒较均匀，腐蚀深度最浅，抗腐蚀能力最高。

综合3A21铝合金管材相关性能可知，采用退火制度430 ℃×1.5 h得到的3A21铝合金管材，伸长率最大，耐腐蚀性能最好，得到3A21铝合金管材的性能优良。

表3 不同退火温度处理后管材的耐蚀性能

(a)未退火；(b)410 ℃×1.5 h；(c)430 ℃×1.5 h；(d)460 ℃×1.5 h图3 不同退火温度处理后管材的晶间腐蚀(a)without annealing；(b)410 ℃×1.5 h；(c)430 ℃×1.5 h；(d)460 ℃×1.5 hFig.3 Intergranular corrosion of tubes after different annealing temperatures

5 结束语

经特定成分挤压后得到的3A21铝合金管材，通过430 ℃×1.5 h退火处理后，伸长率可达到46%，同时其抗腐蚀性能在PH值4.0的酸性条件下可保持46 h不存在肉眼可见的腐蚀点。该制度不仅提高了延伸率，而且有效提高了合金的耐蚀性，目前该退火工艺已用于正常生产，并取得良好成效。