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6063鋁合金熔煉鑄棒勻化工藝流程及注意事項

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6063鋁合金熔煉鑄棒勻化工藝流程及注意事項

發布日期:2020-09-05 00:00 來源: 點擊:

一.Al-Mg-Si係合金的基本特點: 

6063鋁合金的化學成份在GB/T5237-93標準中為0.2-0.6%的矽、0.45-0.9%的鎂、鐵的最高限量為0. 35%,其餘雜質元素(Cu、Mn、Zr、Cr等)均小於0.1%。這個成份範圍很寬,它還有很大選擇餘地。 
6063鋁合金是屬鋁-鎂-矽係列可熱處理強化型鋁合金,在AL-Mg-Si組成的三元係中,沒有三元化合物,隻有兩個二元化合物Mg2Si和Mg2Al3,以α(Al)-Mg2Si偽二元截麵為分界,構成兩個三元係,α(Al)-Mg2Si-(Si)和α(Al)-Mg2Si-Mg2Al3。

在Al-Mg-Si係合金中,主要強化相是Mg2Si,合金在淬火時,固溶於基體中的Mg2Si越多,時效後的合金強度就越高,反之,則越低,在α(Al)-Mg2Si偽二元相圖上,共晶溫度為595℃,Mg2Si的最大溶解度是1.85%,在500℃時為1. 05%,由此可見,溫度對Mg2Si在Al中的固溶度影響很大,淬火溫度越高,時效後的強度越高,反之,淬火溫度越低,時效後的強度就越低。有些鋁型材廠生產的型材化學成份合格,強度卻達不到要求,原因就是鋁捧加熱溫度不夠或外熱內冷,造成型材淬火溫度太低所致。

    在Al-Mg-Si合金係列中,強化相Mg2Si的鎂矽重量比為1.73,如果合金中有過剩的鎂(即Mg:Si>1. 73),鎂會降低Mg2Si在鋁中的固溶度,從而降低Mg2Si在合金中的強化效果。如果合金中存在過剩的矽,即Mg:Si<1.73,則矽對Mg2Si在鋁中的固溶度沒有影響,由此可見,要得到較高強度的合金,必須Mg:Si<1.73。

    二.合金成份的選擇 

1.合金元素含量的選擇 

6063合金成份有一個很寬的範圍,具體成份除了要考慮機械性能、加工性能外,還要考慮表麵處理性能,即型材如何進行表麵處理和要得到什麽樣的表麵。例如,要生產磨砂料,Mg/Si應小一些為好,一般選擇在Mg/Si=1-1.3範圍,這是因為有較多相對過剩的Si,有利於型材得到砂狀表麵;若生產光亮材、著色材和電泳塗漆材,Mg/Si在1.5-1.7範圍為好,這是因為有較少過剩矽,型材抗蝕性好,容易得到光亮的表麵。 

另外,鋁型材的擠壓溫度一般選在480℃左右,因此,合金元素鎂矽總量應在1.0%左右,因為在500℃時,Mg2Si在鋁中的固溶度隻有1.05%,過高的合金元素含量會導致在淬火時Mg2Si不能全部溶入基體,有較多的末溶解Mg2Si相,這些Mg2Si相對合金的強度沒有多少作用,反而會影響型材表麵處理性能,給型材的氧化、著色(或塗漆)造成麻煩。

 2.雜質元素的影響 
①鐵,鐵是鋁合金中的主要雜質元素,在6063合金中,國家標準中規定不大於0.35,如果生產中用一級工業鋁錠,一般鐵含量可控製在0.25以下,但如果為了降低生產成本,大量使用回收廢鋁或等外鋁,鐵就根容易超標。Fe在鋁中的存在形態有兩種,一種是針狀(或稱片狀)結構的β相(Al9Fe2Si2),一種為粒狀結構的α相(Al12Fe3Si),不同的相結構,對鋁合金有不同的影響,片狀結構的β相要比粒狀結構α相破壞性大的多,β相可使鋁型材表麵粗糙、機械性能、抗蝕性能變差,氧化後的型材表麵發青,光澤下降,著色後得不到純正色調,因此,鐵含量必須加以控製。

    為了減少鐵的有害影響可采取如下措施。 
a)熔煉、鑄造用所有工具在使用前塗涮塗料,盡可能減少鐵溶人鋁液。 
b)細化晶粒,使鐵相變細,變小,減少其有害作用。 
c)加入適量的鍶,使β相轉變成α相,減少其有害作用。 
d)對廢雜料細心挑選,盡可能的減少鐵絲、鐵釘、鐵屑等雜物進入熔鋁爐造成鐵含量升高。

    ②其它雜質元素 
其它雜質元素在電解鋁錠中都很少,遠遠低於國家標準,在使用回收廢雜鋁時就可能超過標準;在生產中,不但要控製每個元素不能超標,而且要控製雜質元素總量也不能超標,當單個元素含量不超標,但總量超標時,這些雜質元素同樣對型材質量有很大影響。特別需要提出強調的是,實踐證明,鋅含量到0.05時(國標中不大於0.1)型材氧化後表麵就出現白色斑點,因此鋅含量要控製到0.05以下。

    三.6063鋁合金的熔煉 

1.控製好熔煉溫度 

鋁合金熔煉是生產優質鑄棒的最重要工藝環節之一,若工藝控製不當,會在鑄捧中產生夾渣、氣孔,晶粒粗大,羽毛晶等多種鑄造缺陷,因此必須嚴加控製。 
6063鋁合金的熔煉溫度控製在750-760℃之間為佳,過低會增大夾渣的產生,過高會增大吸氫、氧化、氮化燒損。研究表明,鋁液中氫氣的溶解度在760℃以上急劇上升,當熱減少吸氫的途徑還有許多,如烘幹溶煉爐和熔煉工具,防止使用熔劑受潮變質等。但熔煉溫度是最敏感因素之一,過離的熔煉溫度不但浪費能源,增加成本,而且是造成氣孔,晶粒粗大,羽毛晶等缺陷的直接成因。

    2.選用優良的熔劑和適當的精煉工藝 
熔劑是鋁合金熔煉中使用的重要輔助材料,目前市場上所售熔劑中主要成份為氯化物,氟化物,其中氯化物吸水性強,容易受潮,因此,熔劑的生產中必須烘幹所用原料,徹底除去水份,包裝要密封,運輸、保管中要防止破損,還要注意生產日期,如保管日期過長,同樣會發生吸潮現象,在6063鋁合金的熔煉中,使用的除渣劑、精煉劑、覆蓋劑等熔劑如果吸潮,都會使鋁液產生不同程度的吸氫。 
選擇好的精煉劑,選擇合適的精練工藝也是非常重要的,目前6063鋁合金的精煉絕大多數采用噴粉精煉,這種精煉方法能使精煉劑與鋁液充分接觸,可使精煉劑發揮最大效能。雖然這個特點是顯而易見的,但是精煉工藝也必須注意,否則得不到應有效果,噴粉精煉中所用氮氣壓力以小為好,能滿足吹出粉劑為佳,精煉中如果使用的氮氣不是高純氯(99.99%N2),吹入鋁液的氮氣越多,氟氣中的水份使鋁液產生的氧化和吸氫越多。另外,氟氣壓力高,侶液產生的翻卷波浪大,增大產生氧化夾渣的可能性。如果精煉中使用的是高純氮,精煉壓力大,產生的氣泡大,大氣泡在鋁液中的浮力大,氣泡迅速上浮,在鋁液中的停留時間短,除氫效果並不好,浪費氮氣,增加成本。因此氮氣應少用,精煉劑應多用,多用精煉劑隻有好處,沒有壞處。噴粉精煉的工藝要點是用盡可能少的氣體,噴進鋁液盡可能多的精煉劑。

    3.晶粒細化 

晶粒細化是鋁合金熔鑄中最重要的工藝之一,也是解決氣孔、晶粒粗大、光亮晶、羽毛晶、裂紋等鑄造缺陷的最有效措施之一。在合金鑄造中,均是非平衡結晶,所有的雜質元素(當然也包括合金元素)絕大部分集中分布在晶界,晶粒越小,晶界麵積就越大,雜質元素(或合金元素)的均勻度就越高。對雜質元素而言,均勻度高,可減少它的有害作用,甚至將少量雜質元素的有害變為有益;對合金元素麵言,均勻度高,可發揮合金元素更大的合金化艘能,達到充分利用資源的目的。 

細化晶粒、增大晶界麵積、增大元素均勻度的作用可通過下麵的計算加以說明。 

假設金屬塊1與2有同樣的體積V,均由立方體晶粒構成,金屬塊1的晶粒邊長為2a,2的邊長為a,那麽金屬塊1的晶界麵積為: 

金屬塊2的晶界麵積為: 
金屬塊2的晶界麵積是金屬塊1的2倍。 
由此可見合金晶粒直徑減小一倍,晶界麵積就要增大—倍,晶界單位麵積上的雜質元素將減少一倍。 
在6063鋁合金的生產中,對磨砂料來說,由於要通過腐蝕使型材產生均勻砂麵,那麽合金元素及雜質元素的均勻分布就顯得尤為重要。晶粒越細,合金元素(雜質元素)的分布越均勻,腐蝕後得到的砂麵就越均勻。

    四.6063鋁合金的澆鑄 

6063鋁合金的鑄造 溫度控製在720—740℃之間,充分預熱、烘幹溜槽分流盤過濾板等,防止水分與鋁液反應造成吸氫,鑄造速度130—150mm/分鍾。。 鑄造前,先要吹幹引錠頭上的水,檢查結晶器,然後合盤,鑄造中盡可能的杜絕鋁液的條流和翻卷,不要輕易用工具攪動鋁液,讓鋁液在表麵氧化膜的保護下平穩流入結晶器。 鑄造後,充分冷卻鑄棒,然後翻起分流盤,清理現場衛生,準備下次鑄造。 綜上,生產優質6063鋁合金鑄棒,首先要做好成分的配料,其次嚴格控製熔煉溫度,做好晶粒細化處理,合金的精煉、過濾等工藝措施,同時細心操作也為生產優質的鑄棒提供可靠的保證。

1.選擇合理的澆鑄溫度 
合理的澆鑄溫度也是生產出優質鋁棒的重要因素,溫度過低,易產生夾渣、針孔等鑄造缺陷。溫度過高,易產生晶粒粗大、羽毛晶等鑄造缺陷。 
做了晶粒細化處理後的6063鋁合金液,鑄造溫度可適當提高,一般可控製在720-740℃之間,這是因為:①鋁液經晶粒細化處理後變粘,容易凝固結晶。②鋁棒在鑄造中結晶前沿有一個液固兩相過度帶,較高的鑄造溫度有較窄的過度帶,過度帶窄有利於結晶前沿排出的氣體逸出,當然溫度不可過高,過高的鑄造溫度會縮短晶粒細化劑的有效時間,使晶粒變得相對較大。 

2.有條件時,充分預熱,烘幹流槽、分流盤等澆鑄係統,防止水分與鋁液反應造成吸氫。 

3.鑄造中,盡可能的避免鋁液的紊流和翻卷,不要輕易用工具攪動流槽及分流盤中的鋁液,讓鋁液在表麵氧化膜的保護下平穩流人結晶器結晶,這是因為工具攪動鋁液和液流翻卷都會使鋁液表麵氧化膜破裂,造成新的氧化,同時將氧化膜卷入鋁液。經研究表明,氧化膜有極強的吸附能力,它含有2%的水份,當氧化膜卷入鋁液後,氧化膜中的水份與鋁液反應,造成吸氫和夾渣。 

4.對鋁液進行過濾,過濾是除去鋁液中非金屬夾渣最有效的方法,在6063鋁合金的鑄造中,一般用多層玻璃絲布過濾或陶瓷過濾板過濾,無論是采取何種過濾方法,為了保證鋁液能正常的過濾,鋁液在過濾前應除去表麵浮渣,因為表麵浮渣易堵塞過濾材料的過濾網孔,使過濾不能正常進行,除去鋁液表麵浮渣的最簡單方法是在流槽中設置一擋渣板,使鋁液在過濾前除去浮渣。

    五.6063鋁合金的均化處理 

1.非平衡結晶 
如圖三所示,是由A、B兩種元素構成的二元相圖的一部分,成份為F的合金凝固結晶,當溫度下降到T1時,固相平衡成份應為G,實際成份為G’,這是因為在鑄造生產中,冷卻凝固速度快,合金元素的擴散速度小於結晶速度,即固相成份不是按CD變化,而是按CD’變化,從而產生了晶粒內化學成份的不平衡現象,造成了非平衡結晶。 

2.非平衡結晶產生的問題 
鑄造生產出的鋁合金棒其內部組織存在兩方麵的問題:①晶粒間存在鑄造應力;②非平衡結晶引起的晶粒內化學成份的不平衡。由於這兩個問題的存在,會使擠壓變得困難,同時,擠壓出的產品在機械性能、表麵處理性能方麵都有所下降。因此,鋁棒在擠壓前必須進行均勻化處理,消除鑄造應力和晶粒內化學成份不平衡。 

3.均勻化處理 
均勻化處理就是鋁棒在高溫(低於過燒溫度)下通過保溫,消除鑄造應力和晶粒內化學成份不平衡的熱處理。Al-Mg-Si係列的合金過燒溫度應該是595℃,但由於雜質元素的存在,實際的6063鋁合金不是三元係,而是一個多元係,因此,實際的過燒溫度要比595℃低一些,6063鋁合金的均勻化溫度可選在530-550℃之間,溫度高,可縮短保溫時間,節約能源,提高爐子的生產率。

4.晶粒大小對均勻化處理的影響 
由於固體原子之間的結合力很大,均勻化處理是在高溫下合金元素從晶界(或邊沿)擴散到晶內的過程,這個過程是很慢的。容易理解,粗大晶粒的均化時間要比細晶粒的均勻化時間長得多,因而晶粒越細,均勻化時間就越短。 

5.均勻化處理的節能措施 

均勻化處理需要在高溫下通過較長時間保溫,對能源需求大,處理成本高,因此,目前絕大多數型材廠對鋁棒未進行均勻化處理。其最重要的原因就是均勻化處理需要較高成本所致。降低均勻化處理成本的主要措施有: 
①細化晶粒 
細化晶粒可有效的縮短保溫時間,晶粒越細越好。 
②加長鋁棒加熱爐,按均勻化和擠壓溫度分段控製,滿足不同工藝要求。這一工藝主要好處是: 
a)不增加均勻化處理爐。 
b)充分利用鋁捧均勻化後的熱能,避免擠壓時再次加熱鋁棒。 
c)鋁捧加熱保溫時間長,內外溫度均勻,有利於擠壓和隨後的熱處理。

    綜上所述,生產出優質6063鋁合金鑄棒,首先是根據生產的型材選擇合理的成分,其次是嚴格控製熔煉溫度、澆鑄溫度,做好晶粒細化處理、合金液的精煉、過濾等工藝措施,細心操作,避免氧化膜的破裂與卷入。最後,對鋁棒進行均勻化處理,這樣就可生產出優質鋁棒,為生產優質型材提供一個可靠的物質基礎。



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