南美铝业关于6063铝棒质量提高的措施探讨

一．Al-Mg-Si系合金的基本特点：  
 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，如图一、田二所示：
   在Al-Mg-Si系合金中，主要强化相是Mg2Si，合金在淬火时，固溶于基体中的Mg2Si越多，时效后的合金强度就越高，反之，则越低，如图2所示，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合金系列中，强化相Mg2Si的镁硅重量比为1．73，如果合金中有过剩的镁(即Mg：Si＞1. 73)，镁会降低Mg2Si在铝中的固溶度，从而降低Mg2Si在合金中的强化效果。如果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，要得到较高强度的合金，必须Mg：Si＜1．73。
   二．合金成份的选择
   1．合金元素含量的选择
   6063合金成份有一个很宽的范围，具体成份除了要考虑机械性能、加工性能外，还要考虑表面处理性能，即型材如何进行表面处理和要得到什么样的表面。例如，要生产磨砂料，Mg/Si应小一些为好，一般选择在Mg/Si=1-1．3范围，这是因为有较多相对过剩的Si，有利于型材得到砂状表面；若生产光亮材、着色材和电泳涂漆材，Mg/Si在1．5-1．7范围为好，这是因为有较少过剩硅，型材抗蚀性好，容易得到光亮的表面。
   另外，铝型材的挤压温度一般选在480℃左右，因此，合金元素镁硅总量应在1．0％左右，因为在500℃时，Mg2Si在铝中的固溶度只有1．05％，过高的合金元素含量会导致在淬火时Mg2Si不能全部溶入基体，有较多的末溶解Mg2Si相，这些Mg2Si相对合金的强度没有多少作用，反而会影响型材表面处理性能，给型材的氧化、着色(或涂漆)造成麻烦。
   2．杂质元素的影响
   ①铁，铁是铝合金中的主要杂质元素，在6063合金中，国家标准中规定不大于0．35，如果生产中用一级工业铝锭，一般铁含量可控制在0．25以下，但如果为了降低生产成本，大量使用回收废铝或等外铝，铁就根容易超标。Fe在铝中的存在形态有两种，一种是针状(或称片状)结构的β相(Al9Fe2Si2)，一种为粒状结构的α相(Al12Fe3Si)，不同的相结构，对铝合金有不同的影响，片状结构的β相要比粒状结构α相破坏性大的多，β相可使铝型材表面粗糙、机械性能、抗蚀性能变差，氧化后的型材表面发青，光泽下降，着色后得不到纯正色调，因此，铁含量必须加以控制。
   为了减少铁的有害影响可采取如下措施。
   a)熔炼、铸造用所有工具在使用前涂涮涂料，尽可能减少铁溶人铝液。
   b)细化晶粒，使铁相变细，变小，减少其有害作用。
   c)加入适量的锶，使β相转变成α相，减少其有害作用。
   d)对废杂料细心挑选，尽可能的减少铁丝、铁钉、铁屑等杂物进入熔铝炉造成铁含量升高。
   ②其它杂质元素
其它杂质元素在电解铝锭中都很少，远远低于国家标准，在使用回收废杂铝时就可能超过标准；在生产中，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。
   三．6063铝合金的熔炼
   1．控制好熔炼温度
   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，过离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。在合金铸造中，均是非平衡结晶，所有的杂质元素(当然也包括合金元素)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；对合金元素面言，均匀度高，可发挥合金元素更大的合金化艘能，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，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铝合金的均化处理
   1．非平衡结晶
   如图三所示，是由A、B两种元素构成的二元相图的一部分，成份为F的合金凝固结晶，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，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、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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