铝合金铸棒的均匀化处理研究.docx

铝合金铸棒的均匀化处理研究关键词：均匀化，金相组织，挤压，效率，能耗1引言使用铸造方式生产的铝合金棒的内部组织存在以下几个问题：晶粒间存在铸造应力；非平衡结晶引起晶粒内化学成分不平衡；铝合金铸棒在铸态下，Mg.Si呈不均匀分布，同时析出大量的Mg2Si和AIFeSi。由于存在以上3个问题，会使铸棒的挤压工艺变得困难。同时，挤压出来的产品在机械性能、表面处理性能方面都有所不足。因此，铸棒在挤压前必须经过有效的均匀化处理，消除铸造应力和晶粒内化学成分不平衡等缺陷。均匀化处理就是将铸棒在一定的温度下（低于过烧温度）保温一段时间，使金属原子的热运动增强，以消除铸造应力和晶粒内化学成分不平衡等缺陷。Al-Mg-Si系列的合金过烧温度Tin约为595C,但由于杂质元素的存在，实际生产使用的6060铝合金不是三元系，而是多元系。因此，实际的过烧温度要比595。C低一些。通常6060铝合金的均匀化温度可选择55058（C°温度高，可缩短保温时间，节约能源，提高炉子的生产率。铝捧加热保温时间越长，内外温度越均匀，均匀化效果越好，越有利于挤压和热处理。均匀化处理的最终目标是使铝合金棒在铸造时形成的Mg2Si溶解并在冷却析出时细小化且均匀分布，消除晶内偏析、铸造应力，促使针状的&beta；-AlFeSi(如图1所示)转变成球状细小的&alpha；-AIFeSi,以达到降低挤压力并提高挤压速度、提高合金强度的目的。均匀化是一个相的溶解和原子扩散的过程，旨在将针状的&beta；-AlFeSi网状组织转化成球状细小的不连续的&alpha；-AlFeSio要实现充分均匀化就必须控制好均匀化的温度和时间。在均匀化期间需要考虑2个方面的问题：已溶解的元素穿过晶粒扩散的问题；金属间相的破碎、球化和转变的可能性。均匀化出炉之后，应按照快速冷却制度操作，使析出的Mg2Si变得细小且均匀分布，从而使Mg2Si在挤压处理过程中极易重溶，增加固溶度，改善热处理效果。均匀化后，冷却速度对析出物的大小、数量与分布有重大影响。均匀化后慢冷(1000CZh)时，析出物呈粗大针状，铸锭变形抗力小，有利于挤压成型，但淬火时不易完全溶解.降低了时效强化效果，进而降低了制品的屈服强度，并严重影响了制品的表面质量。均匀化后慢冷的铸锭将促进Mg2Si和过剩Si析出并粗化，这样的铸锭必须在较高的温度下慢速挤压，才能获得合适的力学性能，但会导致制品表面质量下降，并降低生产效率。均匀化后快冷时，析出物呈细小弥散点，有利于提高制品屈服强度和表面质量。2改善前均匀化工艺分析南南铝业股份有限公司现有均匀化设备为电阻加热周期式均匀化退火炉，选用棒径&Phi；&le；140mm的6060铝合金铸棒进行试验分析。6060铝合金铸棒化学成分表见表1。2.1改善前均匀化工艺及其效果分析采用密排装炉方式（如图2所示），装炉量为17.519.5t；炉气设定温度为57（TC;当炉气达到设定温度后，保温3.54.5h出炉；出炉后用水做冷却介质进行快速冷却。按照图3所示安装热电偶对炉内铸棒芯部温度进行测量，并根据测量数据分别在最高温度及最低温度时取试样做金相组织分析（如图4、图5所示）。图6中的tl区域越大说明升温速度越慢，t2区域越大表明炉内温度的均匀性越差，t3区域为保温时间，是决定铸棒均匀化效果的关键所在。因此，操作人员可以通过提高升温速度和减少炉内温差，以及延长保温时间，达到改善均匀化效果、提高生产效率的目的。根据表2的测温数据及金相显微组织显示，出炉时1号点的温度相对较高，其&beta；-AlFeSi网状组织已全部转化成球状不连续的、细小的&alpha；-AlFeSi组织（如图4所示），共晶硅边角圆滑，但不聚集长大，说明铸棒已充分均匀化，且没有过烧。但温度最低点的3号点，只有部分的&beta；-AlFeSi网状组织转化成球状不连续的、较细小的&alpha；-AlFeSi组织，还有部分为网状的A-AlFeSi组织（如图5所示），说明铸棒均匀化不充分。在该均匀化工艺条件下，炉内铸棒各点温度不均匀及均匀化效果不佳，虽然炉气温度已达到设定温度580。C并保持3.545h,但出炉时，铸棒芯部最低温度点（3号点）的温度只有559,与最高点（1号点）相比相差14o从测温数据中可推测得出：离中心点越近的铸棒升温速度越慢，温度也越低，均匀化效果越差。2.2均匀化生产效率及挤压使用效果均匀化生产周期约为8h炉，平均产量为2.3tho挤压速度一般为57mms,当挤压速度更高时，型材撕裂、拉铝等废品率会随之增加。2.3原因分析及改善措施经过分析，造成炉内铸棒温差大，均匀化效果差、不均衡的主要原因有以下几点。（1）铸棒分布紧凑，在均匀化加热过程中大部分的热量沿着整炉铸棒周围循环，很难进入中心。这样会造成铸棒中心与外部温差过大，均匀化效果不佳。（2）用水做冷却介质时，冷却水无法同时均匀地喷淋到铸棒上，导致炉内铸棒冷却不均匀，从而造成铸棒内部晶体析出分布不均匀。(3)装炉量未得到最优化。装炉量应该根据装炉量与升温速度的关系找出一个最佳搭配值，从而使生产效率达到最大化。3优化工艺研究为了改善以上的缺点，研究人员通过改变装炉及冷却方式，同时分别以铸棒芯部温度全部达到560,565,570,保温30mim>60min>90min的均匀化工艺进行试验。经过多次试验后，最终确定最佳均匀化工艺为：铸棒芯部温度全部达到565后保温60min出炉。3.1优化工艺的选择采用分组的装炉方式(如图7所示)；装炉量为15.6-16.8t,设定炉气温度575,按图3所示安装热电偶对炉内铸棒芯部度进行测量，当铸棒芯部温度全部达到565后保温60min出炉；出炉后先使用冷风以不小于20(Ch的冷却速度进行快速冷却至300。C以下，然后用水冷却至50以下。采用以上工艺有以下优点。(1)采用分组的装炉方式，既有利于加热时气流的通畅循环，又有利于冷却的均匀性。(2)以铸棒芯部温度作为均匀化温度的控制依据，更能保证铸棒均匀化效果。(3)风冷方式的均匀化效果比水冷方式的均匀化效果更好。因为风的穿透和流动性比水强，所以前阶段采用风冷的冷却方式，可以有效地避免铸棒在冷却过程中再次出现温差过大及结晶析出不均匀的现象。3.2改善后均匀化效果分析根据测温数据（见表3）及升温曲线图（如图8所示）显示，tl、t2分别比原工艺缩短了Ih和L5h,t3延长了Ih（即升温时间和温差时间缩短了，同时保温时间延长了），最低温度点（2号点）与最高温度点（5号点）的温差为7C,从金相组织图（如图9、图10所示）显示，&beta；-AlFeSi网状组织均已全部转化成球状不连续的、细小的&alpha；-AlFeSi,且共晶硅边角已圆滑，但不聚集长大，铸棒已全部充分均匀化，且没有发生过烧。均匀化效果不佳的问题得到解决。3.3均匀化生产效率及挤压使用效果均匀化生产周期约为6h炉，平均产量为2.7th,比改善前增加了04th,提高生产效率约17.4%。均匀化工序吨铝电耗相对原工艺减少12kWfemiddot;ht0一般挤压速度可提高到8Iomms,比改善前有明显提高，并且提高了挤压机的生产效率。4结论对于棒径14Omm的6060铝合金铸棒的均匀化处理，采用分组的装炉方式，当铸棒芯部温度全部达到560。C后保温60min出炉，出炉后先用冷空气做冷却介质，以不小于250。C/h的冷却速度快速冷却至300。C以下，然后再用水冷却至50。C以下。使用这种工艺不仅可以降低能耗、解决均匀化效果不佳的问题，还明显提高了均匀化效果和挤压的生产效率。按照南南铝业股份有限公司年产铸棒6万t计算，每年可节约电费约36万元。参考文献1肖亚庆.铝加工技术使用手册EL北京：冶金工业出版社，2004.2周家荣.铝合金熔铸生产技术问答加.北京：冶金工业出版社，2008.3唐剑.铝合金熔炼与铸造技术M.北京：冶金工业出版社，2009.4田荣璋.铸造铝合金M.长沙：中南大学出版社，2006.5蔡应铎.6000系铝合金的均匀化处理全国第十一届轻合金加工学术年会论文集，2008.6仲志国，左秀荣.变形铝合金均匀化热处理的应用现状与研究进展J轻合全加工技术，2006.7刘静安.Al-Mg-Si系合金的热加工工艺与可挤压性J.铝加工,2002.8变形铝合金金相图谱编写组.变形铝合金金相图谱M.北京：冶金工业出版社.1975.