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铝合金配方熔炼及铸造工艺技术

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2024-03-26 09:35:38
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铝合金熔炼与熔炼生产中,不但要控制每个元素不能超标,而且要控制杂质元素总量也不能超标,当单个元素含量不超标,但总量超标时,这些杂质元素同样对型材质量有很大影响。


特别需要提出强调的是,实践证明,锌含量到0.05时(国标中不大于0.1)型材氧化后表面就出现白色斑点,因此锌含量要控制到0.05以下。


一、Al-Mg-Si系铝合金的基本特点


6063铝合金的化学成份在GB/T5237-93标准中为0.2-0.6%的硅、0.45-0.9%的镁、铁的最高限量为0.35%,其余杂质元素(Cu、Mn、Zr、Cr等)均小于0.1%。这个成份范围很宽,它还有很大选择余地。


6063铝合金是属铝-镁-硅系列可热处理强化型铝合金,在AL-Mg-Si组成的三元系中,没有三元化合物,只有两个二元化合物Mg2Si和Mg2Al3,以α(Al)-Mg2Si伪二元截面为分界,构成两个三元系,α(Al)-Mg2Si-(Si)和α(Al)-Mg2Si-Mg2Al3。


在Al-Mg-Si系铝合金中,主要强化相是Mg2Si,铝合金在淬火时,固溶于基体中的Mg2Si越多,时效后的铝合金强度就越高,反之,则越低,在α(Al)-Mg2Si伪二元相图上,共晶温度为595℃,Mg2Si的最大溶解度是1.85%,在500℃时为1.05%,由此可见,温度对Mg2Si在Al中的固溶度影响很大,淬火温度越高,时效后的强度越高,反之,淬火温度越低,时效后的强度就越低。有些铝型材厂生产的型材化学成份合格,强度却达不到要求,原因就是铝捧加热温度不够或外热内冷,造成型材淬火温度太低所致。


在Al-Mg-Si铝合金系列中,强化相Mg2Si的镁硅重量比为1.73,如果铝合金中有过剩的镁(即Mg:Si>1.73),镁会降低Mg2Si在铝中的固溶度,从而降低Mg2Si在铝合金中的强化效果。如果铝合金中存在过剩的硅,即Mg:Si<1.73,则硅对Mg2Si在铝中的固溶度没有影响,由此可见,要得到较高强度的铝合金,必须Mg:Si<1.73。


二、6063铝合金的熔炼


1.控制好熔炼


铝合金熔炼是生产优质铸棒的最重要工艺环节之一,若工艺控制不当,会在铸捧中产生夹渣、气孔,晶粒粗大,羽毛晶等多种铸造缺陷,因此必须严加控制。


6063铝合金的熔炼温度控制在750-760℃之间为佳,过低会增大夹渣的产生,过高会增大吸氢、氧化、氮化烧损。研究表明,铝液中氢气的溶解度在760℃以上急剧上升,当热减少吸氢的途径还有许多,如烘干溶炼炉和熔炼工具,防止使用熔剂受潮变质等。但熔炼温度是最敏感因素之一,过高的熔炼温度不但浪费能源,增加成本,而且是造成气孔,晶粒粗大,羽毛晶等缺陷的直接成因。


2.选用优良的熔剂和适当的精炼工艺


熔剂是铝合金熔炼中使用的重要辅助材料,目前市场上所售熔剂中主要成份为氯化物,氟化物,其中氯化物吸水性强,容易受潮,因此,熔剂的生产中必须烘干所用原料,彻底除去水份,包装要密封,运输、保管中要防止破损,还要注意生产日期,如保管日期过长,同样会发生吸潮现象,在6063铝合金的熔炼中,使用的除渣剂、精炼剂、覆盖剂等熔剂如果吸潮,都会使铝液产生不同程度的吸氢。


选择好的精炼剂,选择合适的精练工艺也是非常重要的,目前6063铝合金的精炼绝大多数采用喷粉精炼,这种精炼方法能使精炼剂与铝液充分接触,可使精炼剂发挥最大效能。虽然这个特点是显而易见的,但是精炼工艺也必须注意,否则得不到应有效果,喷粉精炼中所用氮气压力以小为好,能满足吹出粉剂为佳,精炼中如果使用的氮气不是高纯氯(99.99%N2),吹入铝液的氮气越多,氟气中的水份使铝液产生的氧化和吸氢越多。


另外,氟气压力高,侣液产生的翻卷波浪大,增大产生氧化夹渣的可能性。如果精炼中使用的是高纯氮,精炼压力大,产生的气泡大,大气泡在铝液中的浮力大,气泡迅速上浮,在铝液中的停留时间短,除氢效果并不好,浪费氮气,增加成本。因此氮气应少用,精炼剂应多用,多用精炼剂只有好处,没有坏处。喷粉精炼的工艺要点是用尽可能少的气体,喷进铝液尽可能多的精炼剂。


3.晶粒细化


晶粒细化是铝合金熔铸中晕重要的工艺之一,也是解决气孔、晶粒粗大、光亮晶、羽毛晶、裂纹等铸造缺陷的最有效措施之一。在铝合金铸造中,均是非平衡结晶,所有的杂质元素(当然也包括铝合金元素)绝大部分集中分布在晶界,晶粒越小,晶界面积就越大,杂质元素(或铝合金元素)的均匀度就越高。对杂质元素而言,均匀度高,可减少它的有害作用,甚至将少量杂质元素的有害变为有益;对铝合金元素面言,均匀度高,可发挥铝合金元素更大的铝合金化艘能,达到充分利用资源的目的。


细化晶粒、增大晶界面积、增大元素均匀度的作用可通过下面的计算加以说明。


假设金属块1与2有同样的体积V,均由立方体晶粒构成,金属块1的晶粒边长为2a,2的边长为a,那么金属块1的晶界面积为:金属块2的晶界面积为金属块2的晶界面积是金属块1的2倍。


由此可见铝合金晶粒直径减小一倍,晶界面积就要增大—倍,晶界单位面积上的杂质元素将减少一倍。


在6063铝合金的生产中,对磨砂料来说,由于要通过腐蚀使型材产生均匀砂面,那么铝合金元素及杂质元素的均匀分布就显得尤为重要。晶粒越细,铝合金元素(杂质元素)的分布越均匀,腐蚀后得到的砂面就越均匀。


四.6063铝合金的浇铸


1.选择合理的浇铸温度


合理的浇铸温度也是生产出优质铝棒的重要因素,温度过低,易产生夹渣、针孔等铸造缺陷。温度过高,易产生晶粒粗大、羽毛晶等铸造缺陷。


做了晶粒细化处理后的6063铝合金液,铸造温度可适当提高,一般可控制在720-740℃之间,这是因为:


①铝液经晶粒细化处理后变粘,容易凝固结晶。


②铝棒在铸造中结晶前沿有一个液固两相过度带,较高的铸造温度有较窄的过度带,过度带窄有利于结晶前沿排出的气体逸出,当然温度不可过高,过高的铸造温度会缩短晶粒细化剂的有效时间,使晶粒变得相对较大。


2.有条件时,充分预热,烘干流槽、分流盘等浇铸系统,防止水分与铝液反应造成吸氢。


3.铸造中,尽可能的避免铝液的紊流和翻卷,不要轻易用工具搅动流槽及分流盘中的铝液,让铝液在表面氧化膜的保护下平稳流人结晶器结晶,这是因为工具搅动铝液和液流翻卷都会使铝液表面氧化膜破裂,造成新的氧化,同时将氧化膜卷入铝液。经研究表明,氧化膜有极强的吸附能力,它含有2%的水份,当氧化膜卷入铝液后,氧化膜中的水份与铝液反应,造成吸氢和夹渣。


4.对铝液进行过滤,过滤是除去铝液中非金属夹渣最有效的方法,在6063铝合金的铸造中,一般用多层玻璃丝布过滤或陶瓷过滤板过滤,无论是采取何种过滤方法,为了保证铝液能正常的过滤,铝液在过滤前应除去表面浮渣,因为表面浮渣易堵塞过滤材料的过滤网孔,使过滤不能正常进行,除去铝液表面浮渣的最简单方法是在流槽中设置一挡渣板,使铝液在过滤前除去浮渣。


五.6063铝合金的均质处理


1.非平衡结晶


非平衡结晶是由A、B两种元素构成的二元相图的一部分,成份为F的铝合金凝固结晶,当温度下降到T1时,固相平衡成份应为G,实际成份为G’,这是因为在铸造生产中,冷却凝固速度快,铝合金元素的扩散速度小于结晶速度,即固相成份不是按CD变化,而是按CD’变化,从而产生了晶粒内化学成份的不平衡现象,造成了非平衡结晶。


2.非平衡结晶产生的问题


铸造生产出的铝合金棒其内部组织存在两方面的问题:


①晶粒间存在铸造应力;


②非平衡结晶引起的晶粒内化学成份的不平衡。由于这两个问题的存在,会使挤压变得困难,同时,挤压出的产品在机械性能、表面处理性能方面都有所下降。因此,铝棒在挤压前必须进行均匀化处理,消除铸造应力和晶粒内化学成份不平衡。


3.均匀化处理


均匀化处理就是铝棒在高温(低于过烧温度)下通过保温,消除铸造应力和晶粒内化学成份不平衡的热处理。Al-Mg-Si系列的铝合金过烧温度应该是595℃,但由于杂质元素的存在,实际的6063铝合金不是三元系,而是一个多元系,因此,实际的过烧温度要比595℃低一些,6063铝合金的均匀化温度可选在530-550℃之间,温度高,可缩短保温时间,节约能源,提高炉子的生产率。


4.晶粒大小对均匀化处理的影响


由于固体原子之间的结合力很大,均匀化处理是在高温下铝合金元素从晶界(或边沿)扩散到晶内的过程,这个过程是很慢的。容易理解,粗大晶粒的均化时间要比细晶粒的均匀化时间长得多,因而晶粒越细,均匀化时间就越短。


5.均匀化处理的节能措施


均匀化处理需要在高温下通过较长时间保温,对能源需求大,处理成本高,因此,目前绝大多数型材厂对铝棒未进行均匀化处理。其最重要的原因就是均匀化处理需要较高成本所致。降低均匀化处理成本的主要措施有:


①细化晶粒


细化晶粒可有效的缩短保温时间,晶粒越细越好。


②加长铝棒加热炉,按均匀化和挤压温度分段控制,满足不同工艺要求。这一工艺主要好处是:


a)不增加均匀化处理炉。


b)充分利用铝捧均匀化后的热能,避免挤压时再次加热铝棒。


c)铝捧加热保温时间长,内外温度均匀,有利于挤压和随后的热处理。


综上所述,生产出优质6063铝合金铸棒,首先是根据生产的型材选择合理的成分,其次是严格控制熔炼温度、浇铸温度,做好晶粒细化处理、铝合金液的精炼、过滤等工艺措施,细心操作,避免氧化膜的破裂与卷入。最后,对铝棒进行均匀化处理,这样就可生产出优质铝棒,为生产优质型材提供一个可靠的物质基础。


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