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6061铝合金均匀化热处理效果评价及工艺优化研究

钱晓明  
【摘要】:在铝合金的工业生产中,均匀化热处理是一道能耗很大的生产工序。目前国内有些厂家在生产过程中已省略了这一个步骤。然而事实上,均匀化工艺对铝合金综合性能的影响是非常大,研究表明,6061铝合金经均匀化处理的铸锭的挤压力比铸态铸锭的挤压力高8%-10%,且经均匀化后的合金产品的最终使用性能要优于未经均匀化的合金。国外大部分铝合金生产厂家已经实现连续均匀化制度,而国内大部分铝合金生产企业现行的均匀化产生制度为仍为批量均匀化热处理,且均匀化工艺相对粗糙,这也是导致目前国内高性能铝合金市场长期被国外产品占据的原因之一,因此对均匀化热处理机理及工艺的深入研究则显得尤为重要。 此外,随着工业的发展,人们对铝材的综合性能要求越来越高。从目前国内对铝合金均匀化研究的结果来看,均匀化的评价体系还不够完善。并且没有一套完整的均匀化热处理评价方法。对于均匀化热处理的要求,《中华人民共和国有色金属行业标准》里只有一条:均匀化状态铸锭的显微组织不允许有过烧。该标准并没有给出具体的评价细则,而均匀化效果的定量评价方法也未见文献报道。因此,本实验的另外一个重要内容就是建立一套适合于工业生产的铝合金均匀化效果评价标准。 本实验从福建南平铝业有限公司取样,重点分析南平铝业目前生产6061铝合金所采用的均匀化热处理制度。并通过金相显微分析、扫描电镜观察、硬度测试、电导率测定等检测手段,对铸态和均匀化态6061铝合金的微观组织形态和力学性能进行了分析比较,对福建南平铝业有限公司6061铝合金的均匀化工艺进行评价,建立了6061铝合金均匀化效果评价标准,对6061铝合金的均匀化工艺进行了优化,给出了6061铝合金均匀化效果的评价方案,最后对实验结果进行了总结,得出如下结论: (1)对6061合金的工艺参数及性能的研究表明: a)铸态6061铝合金枝晶偏析明显,晶界处存在非平衡的共晶组织的组成相为:Mg2Si相、AlFeSi相和Al13Fe4相; b)铸态6061合金经70℃×7 h均匀化处理后枝晶组织基本消除,非平衡相基本溶入基体,晶内组织均匀;570℃×7 h为较优的均匀化制制度。 c)6061合金在均匀化过程中,组织中共晶相所占的面积分数前期减小较快,后期趋于稳定。在均匀化时间到达7h后,共晶面积分数保持在1.642%不变 d)6061铝合金的硬度在均匀化过程中开始迅速下降,后期趋于稳定,在均匀化时间到达7h后,硬度保持在42.3HV不变。 e)6061铝合金在均匀化过程中电导率在均匀化过程中开始迅速上升,后期趋于稳定,在均匀化时间到达7h后,电导率保持在27.9ACS不变。 (2)对南平铝业6061铝合金均匀化热处理现行工艺的评价结果表明: a)均匀化温度的评价:在现行均匀化温度下,均匀化后的铸锭无过烧组织,均匀化保温温度已达到均匀化可行温度极限,现行均匀化温度方案符合均匀化热处理的温度原则,可行。 b)均匀化时间的评价:现行工艺下,均匀化时间的设定只按炉型区分,未与装炉量、堆垛方式、铸锭规格相联系,同一炉次的铸锭均匀化效果存在的偏差较明显,存在部分铸锭均匀化不完全的现象,均匀后的铸锭性能参数离散度较大,均匀化时间尚有细化空间; c)铸锭的堆垛方式的评价:由堆垛方式不合理造成的铸锭均匀化效果偏差较明显,同一炉次中,位于均匀化炉风机出风口处的中间区域的铸锭均匀化程度最高;位于最里层的铸锭的均匀化程度次之;位于炉门的最外层的均匀化程度相对最低;同一炉次同一吊篮中不同堆垛位置的铸锭均匀化效果存在偏差:上角和下角处铸锭均匀化程度最高;边心处的铸锭的均匀化程度次之,中心部位的均匀化程度相对最低;由堆垛方式不合理造成升温时间增长及能源浪费,影响生产效率和产品性能的均一性,堆垛方式尚有优化空间; d)冷却制度的评价:铸锭在出炉冷却过程中存在冷却不均匀的情况,对于长锭(锭长L≥660mm):部分铸锭由于堆垛方式的不合理,致使冷却炉内存在冷却风的循环死角,造成冷却速率过不到指定的要求,影响均匀化后的铸锭的性能;对于短锭(锭长L≤660):存在吊篮内不同部位冷却情况不同的现象,同一炉次同一吊篮中不同堆垛位置的铸锭的冷却效果存在偏差:上角和下角处铸锭冷却较充分;边心处的铸锭冷却速率次之;中心部位铸锭的冷却速率最小。冷却制度应根据堆垛方式的调整做相应的调整;铸锭在冷却过程中的生产操作尚有可优化的工艺细节。 (3)优化后的工艺方案为: a)均匀化温度:570±5℃(装炉铸锭的直径Φ≤125时),575±5℃(装炉铸锭的直径Φ165时); b)均匀化时间: 电均匀化炉:T=T'+a·K·R·N其中装炉铸锭的长度≥660mm,铸锭直径D≤165mmm,T’取7.5,a取0.23,D为铸锭直径,N为堆垛系数。 天然气均匀化炉:T=T'+a·K·R·N其中装炉铸锭的长度≤660mm,铸锭直径D≥165mm,T’取5.5,a取0.30, D为铸锭直径,N为堆垛系数。 c)堆垛方式:长锭在均匀化炉中堆垛时预留循环风的风道,风道的宽度不应小于100mm,短锭装炉前堆垛时应在每一层铸锭之间垫付垫条; d)冷却制度:铸锭出炉冷却时,装炉铸锭的直径Φ≤125mm铸锭采取风冷2h后水冷至常温的冷却制度,装炉铸锭的直径Φ≤125mm铸锭在现有工艺艺基础上降低冷却速率,可采用单风机冷却或更换小功率风机的方式,风冷时间由现行的2.5h延长至3.5h,然后水冷至常温; e)生产条件的改进:对冷却炉内喷水系统需进行完善,将可水冷区域扩展到整个炉内纵向空间,使可水冷区覆盖入炉冷却的全部铸锭;在冷却炉改造之前的生产中,应至少每个炉次减小一个吊篮的装炉量,装炉时避开水冷的盲区,确保入炉冷却的铸锭都能放置在水冷区域内。 (4)均匀化效果的评价 a)共晶相面积分数统计法:如果6061铝合金SEM组织中共晶组织面积不大于1.642%,则可认为合金均匀化效果已达成;如果SEM组织中共晶组织面积大于1.642%,则可认为合金均匀化效果未达成; b)维氏硬度法:如果均匀化后的6061铝合金维氏硬度不大于42.3HV,则可认为合金均匀化效果已达成;如果均匀化后的6061铝合金硬度大于42.3HV,则可认为合金均匀化效果未达成; c)电导率测试法:如果均匀化后的6061铝合金电导率不小于27.9ACS,则可认为合金均匀化效果已达成;如果均匀化后的6061铝合金电导率小于27.9ACS,则可认为合金均匀化效果未达成;电导率测试的方法制样简单,测量简便,数据重现性好,是一种较优的6061铝合金均匀化效果的评价方法。


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