影响铝合金性能的8大金属元素.doc

影响了铝合金性能的八大金属元素影响了铝合金性能的八大元素有：钒、钙、铅、锡、铋、锑、铍及钠等金属元素，由于根据成品铝卷材的用途不一样在加工过程中所加入的元素这些杂质元素由于熔点高低不一，结构不同与铝形成的化合物也不同，因而对于铝合金性能的影响也不一样。1、金属元素：铜元素的影响铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2有着显著的时效强化效果。铝板中铜含量通常在2.5%-5%，铜含量在4%6.8%时强化效果最好，所以大部门硬铝合金的含铜量处于这范围。2、金属元素：硅元素的影响Al-Mg2Si合金系合金平衡相图富铝部门Mg2Si在铝中的最大溶解度为1.85%，且随温度的降低而减速小，变形铝合金中，硅单独加入铝板中只限于焊接材料，硅加入铝中亦有一定的强化作用。3、金属元素：镁元素的影响镁对铝的强化是显著的，每增加1%镁，抗拉强度大约升高瞻远34MPa。假如加入1%以下的锰，可能增补强化作用。因此加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使Mg5Al8化合物平均沉淀，改善抗蚀性和焊接机能。4、金属元素：锰元素的影响锰在固溶体中的最大溶解度为1.82%。合金强度随溶解度增加不断增加，锰含量为0.8%时，延伸率达最大值。Al-Mn合金长短时效硬化合金，即不可热处理强化。5、金属元素：锌元素的影响Al-Zn合金系平衡相图富铝部门275时锌在铝中的溶解度为31.6%，而在125时其溶解度则下降到5.6%。锌单独加入铝中，在变形前提下对铝合金强度的进步十分有限，同时存在应力侵蚀开裂、倾向，因而限制了它的应用。6、金属元素：铁和硅的影响铁在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金中，硅在Al-Mg-Si系锻铝中和在Al-Si系焊条及铝硅锻造合金中，均作为合金元素加的，在基它铝合金中，硅和铁是常见的杂质元素，对合金机能有显著的影响。它们主要以FeCl3和游离硅存在。在硅大于铁时，形成-FeSiAl3(或Fe2Si2Al9)相，而铁大于硅时，形成-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。当铁和硅比例不当时，会引起铸件产生裂纹，铸铝中铁含量过高时会使铸件产生脆性。7、金属元素：钛和硼的影响钛是铝合金中常用的添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金形式加入。钛与铝形成TiAl2相，成为结晶时的非自发核心，起细化锻造组织和焊缝组织的作用。Al-Ti系合金产生包反应时，钛的临界含量约为0.15%，假如有硼存在则减速小到0.01%。8、金属元素：铬和锶的影响铬在铝板中形成（CrFe）Al7和（CrMn）Al12等金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力侵蚀开裂敏感性。但会场增加淬火敏感性，使阳极氧化膜呈黄色，铬在铝合金中的添加量一般不超过0.35%，并随合金中过渡元素的增加而降低，锶对挤压用铝合金中加入0.015%0.03%锶，使铸锭中-AlFeSi相变成汉字形-AlFeSi相，减少了铸锭平均化时间60%70%，进步材料力学机能和塑性加工性；改善制品表面粗拙度。对于高硅（10%13%）变形铝合金中加入0.02%0.07%锶元素，可使初晶减少至最低限度，力学机能也明显进步，抗拉强度b由233MPa进步到236MPa，屈服强度0.2由204MPa提高到210MPa，延伸率5由9%增至12%。在过共晶Al-Si合金中加入锶，能减小初晶硅粒子尺寸，改善塑性加工机能，可顺利地热轧和冷轧。挤压铝型材在线精密淬火技术近年来，随着国 民经济的快速发展，铝型材在工业上的应用日益广泛。同时，对铝型材的要求越来越高，主要表现在：1、型材 的截面要求越来越宽，形状越来越复杂；2、尺寸精度越来越严格；3、力学性能越来越高。要满足市场对铝型材 产品的要求，就给型材的生产工艺和装备提出更高的要求，特别是在线淬火环节。因为要使型材达到高的力学性 能，型材淬火时的冷却速度必须确保过饱和固溶体被固定下来不分解，防止强化相析出，以免降低淬火时效后的 力学性能。因此，淬火时的冷却速度应越快越好。但是冷却速度越快，淬火型材的残余应力和残余变形也越大， 型材的尺寸精度就无法保证。所以，要同时满足以上三方面的要素，就给淬火（特别是在线淬火）提出更高的要 求：1、必需能够提供足够大的冷却速度范围，以满足不同合金的淬火对冷却速度敏感性的要求、和不同型材壁 厚对冷却速度的要求；2、在保证足够大的冷却速度的同时，有效减少型材冷却时的变形，以保证型材的尺寸精 度。一、铝挤压材在线淬火的现状经过近十年的快速发展，铝挤压 装备已得到很大的提升，在线淬火的技术也得到很大的进步，但仍然跟不上铝型材产品发展的需要。1、目 前国内在用的传统在线淬火大部分都相对较落后1）、未能提供足够大的冷却速度范围 ，不能根据不同合金和型材壁厚来选择不同的冷却速度；2）、调节性差。型材截面往 往都是不对称的，壁厚也不是均匀的，如果不能根据型材截面的情况进行冷却速度大小的调节，厚壁的地方就会 冷却的慢，薄壁的地方就会冷却的快，这样就会造成型材变形和性能不均；3）、操作 性差。有些在线淬火装置具备了以上两点的功能，但操作性差，工人实际操作困难，精确度差，且耗时，所以根 本无法满足使用的需求。由于以上的原因，造成型材变形量大，性能不稳定，废品率 过高，成本上升，难以满足生产的需求。所以提升国内在线淬火的装备水平，已是国内铝型材装备行业的重要任 务。2、目前欧美日本等发达国家的在线淬火装置相对比较先进1）、风冷、雾冷 、高压喷水联合一起，能提供较大的冷却速度范围，使用时可根据不同的合金、不同的型材截面来选择合适的冷 却方式。如6063合金型材可选择风冷，厚壁6061合金型材可选择高压喷水，而薄壁的6061合金型材则可选择雾冷 ；2）、调节性较好。一种是在型材截面的周向上分布若干路风口和喷头，每一路风口 和喷头均可调节，这样就可根据型材截面结构不同进行冷却强度的方向性调节。如壁厚较厚的一侧需要较强的冷 却强度，壁厚较薄的一侧则需要较弱的冷却强度。这样有利于型材整体冷却均匀，在保证足够冷却速度的前提下 ，减少型材的变形；另外一种是多段冷却，每一段可选择不同的冷却速度。由于淬火开始阶段变形较敏感，如果 一开始就采用较快的冷却速度，而型材截面的周向上又不能进行方向性的调节，就会造成型材变形量大。故淬火 前段可选择相对缓慢的冷却速度，先将型材缓慢冷却到一定的温度后，后段再采用较快的冷却速度进行急冷。这 样既可保证足够的冷却强度，同时也能减少型材的变形。3）、操作性较好。所有的这些调节均可通过人机界面进行控制，调节比较方便，操作 性强。控制系统有自动记忆功能，将每次生产的工艺参数自动记录下来，下次使用时可自动调用。但是，因为铝型材挤压是间歇挤压，非挤压时停顿在淬火区段的型材与挤压时通过淬 火区的型材受到的有效冷却时间不一致，这样会引起该两段的淬火强度不一致、性能和变形量也不一致。这个问 题国际上比较先进的淬火装置也没有很好解决。二、国内新的在线精密淬火技术及装置的介绍1、 在线精密淬火因素考虑1）、足够的冷却速度范围只有足够的冷却速度，才能确保 过饱和固溶体被固定下来不分解，防止强化相析出，才能保证型材淬火时效后的力学性能达到最佳水平。要达到 足够的冷却速度，就要配置合理的冷却源、冷却长度以及冷却密度。冷却源就是指风机、水泵以及相应的冷却介 质。冷却长度就是指风口、喷管或水槽的长度。冷却密度就是指风口或喷头的分布密度。而这三方面都要根据该 生产线所生产型材的最大线密度、不同合金的淬火对冷却速度敏感性强弱以及挤压出材的速度综合计算来确定。 所生产的型材线密度越大、合金的淬火对冷却速度敏感性越强、挤出速度越快，所要配置的风机和水泵越大，淬 火区的长度就要越长，用水作介质的水温就要越低。当低温的水都满足不了冷却速度的情况下，还可以在水中加 入不同的溶剂来调节水的冷却能力。比如聚乙醇，通过调节聚乙醇水溶液的浓度来控制冷却速度。2）、型材截面的冷却速度保持基本一致只有冷却速度基本 一致，才能确保型材淬火效果基本一致，从而保证型材性能的均匀性，有效减少型材的变形和弯扭。要保证型材 截面周向的冷却速度一致，就要保证截面周向冷却强度能够根据型材截面结构情况、壁厚的厚薄进行调节。比如 壁厚较厚的一侧需要冷却强度高，壁厚较薄的一侧则需要冷却强度低些，这样就可使得型材截面同一时间内冷却 到相同的温度。而要保证型材纵向的淬火强度一致，就要保证纵向上所受的冷却时间 一致，也就是纵向上每部分通过淬火区的有效冷却时间一致。3）、适应不同型材截面 宽高比的变化特别中大型挤压机所生产的型材截面宽高比变化非常大，当生产板材时 ，宽高比可能达到100:1以上，而生产管材或棒材时，宽高比可能是1:1。在这么大的宽高比变化情况下，如何保 证型材上下左右各个表面与风口和喷头之间的距离合适，从而保证有效的冷却速度和减少能耗。4）操作性比较强，能方便操作人员进行调节控制。5）在满 足以上四点的前提下，如何有效降低运行的成本。2、两种新的在线淬火装置为解 决以上的问题，我们设计了两种不同形式的在线淬火装置。一种是针对中大型（1650t以上）挤压机配套的，另 一种是针对中小型（1650t以下）挤压机配套的。因为中大型挤压机所生产的型材截面相对较大，比较容易实现 型材上下左右四个方向冷却差异化控制。而中小型挤压机所生产的型材截面相对较小，实现型材上下左右四个方 向冷却差异化控制相对较难，所以要有针对性的设计不同的方案。1）、 中大型挤压 机配套在线淬火装置的功能特点a、风冷、风雾混合、雾冷、高压喷水四合一的功能我们采用风冷、风雾混合、雾冷、高压喷水四合一的功能，每一种功能都可以根据需 要进行大小调节，形成从弱到强无级变化的冷却强度，适应不同合金不同壁厚对冷却强度的不同需求。比如一般 生产薄壁的6063合金型材时采用风冷，生产厚壁6063合金型材或薄壁6061合金型材时采用风雾混合，生产中薄壁 6061合金时采用雾冷，生产厚壁6061合金型材时采用高压喷水。冷却源的配置，要根 据该机台生产的型材米重、挤出速度、合金淬火对冷却速度敏感性强弱等因素来决定。型材米重越大、挤出速度 越高、合金淬火对冷却速度敏感性越强，风机和水泵的功率就越大、淬火区的长度也就越长。为什么要采用风雾混合？主要因为挤压车间的气温比较高，纯风冷时，哪怕风压、风 量很大，冷却速度也不高，并且能耗很大。如果直接用雾冷或水冷，相对部分合金型材的冷却速度又过高，型材 容易变形。而用风雾混合，既能获得比风冷强很多的冷却效果，又能降低风机的能耗，从而获得合适的冷却速度 。b、周向多路冷却布置并冷却强度差异化调节为了解决截面周向冷却的均匀性， 围绕挤压机中心线平行分布若干路风口和喷头（如图1所示），具体多少路要根据具体生产线所生产的型材截面 宽度来确定。每一路风口和喷头都可单独调节风量或水量，以满足不同合金和壁厚所需要的冷却速度，确保截面 上各个位置淬火均匀。这对确保型材性能均匀和有效减少型材变形起到关键作用。 2011-8-25 10:02:44 上传下载附件 (27.49 KB) 图1 周向多路冷却强度差 异化调节c、纵向分段调节及顺序启闭功能纵向的每段冷却强度可以单独调节。当个别 型材淬火时特别容易变形的，光用以上两种功能还无法满足时， 还可以将纵向的前段冷却强度调小，后段的冷却强度调大。这样既可保证型材得到充分的冷却，又可以减少型材 变形。为了解决型材纵向淬火的一致性，各路风口和喷头在纵向上分若干段（如图2所 示），具体多少段要根据具体生产线需要来确定。每段都有独立的控制阀来控制。换棒停止挤压时，从冷床往挤 压机方向按顺序分段关闭；换棒开始挤压时，从挤压机往冷床方向按顺序分段开启。这样就可以使得型材纵向的 冷却时间基本一致，从而确保型材纵向的性能比较均匀，减少纵向的弯扭。 2011-8-25 10:03:39 上传下载附件 (15.82 KB) 图 2纵向分段调节及顺序启闭功能d、顶部风口（喷头）与侧风口（喷头）上下位移调节为了解 决型材宽高比变化过大，引起上下左右风口或喷头与型材表面之间距离变化过大，我们将上部的风口和喷头与左 右的侧风口和侧喷头设计成分离的，并且相互间可以移动（如图3所示）。这样就可以根据型材的宽高比来调节 风口或喷头与型材表面之间的距离，确保上下左右各路风口和喷头与型材各表面保持合适的距离和位置，提高冷 却的精准度和减少能耗的损失。 2011-8-25 10:04:37 上传下载附件 (14.08 KB) 图3风门和两侧风 口上下错位调节e、辅助牵引头在淬火作业中，牵引机一般不适宜进入淬火区 ，特别是水冷作业。如果牵引机进入淬火区，淬火装置就难以正常工作，通过淬火区的这段型材就无法得到正常 的淬火，将会造成该段型材的浪费。在牵引机不进入淬火区，而又能实现牵引和淬火同时进行，就采用辅助牵引 头（图4所示）。当生产第一根铸棒时，用辅助牵引头牵引着型材，用牵引机牵引着辅助牵引头，并且淬火装置 正常工作。 2011-8-25 10:05:28 上传下载附件 (13.28 KB) 图4辅助牵引头f、人机界面控制及参数记忆功能为了方便操作人员的控 制，在线淬火装置所有的动作和工艺参数均可通过人机对话来进行控制，友好的操作界面（图5所示）非常适合 国内工人使用。为了提高调节的效率，减少因调节过程不当所产生的废品，控制系统特别设计了自动记忆功 能。每次生产的型材，当认为淬火的工艺参数比较合理时，可启 用记忆功能将该组参数记忆下来，下次再生产该型材时，只要录入该型材的型号代码，系统 会自动调用上次记忆下来 2011-8-25 10:06:15 上传下载附件 (21.13 KB) 图5人机界面控制 及参数记忆功能的参数进行生产。g、远程调试、监控和维护为方便 调试、监控和维护，控制系统设有远程监控接口。有需要时，可通过网络对系统进行远程调试、监控和维护 。 &n bsp; &nbs p;以上方案在广东豪美铝业的2500t和3600t挤压机所配置的在线淬火装置（图6所示）上得到充分的验证， 完全可以满足生产工艺的要求。型材经过在线淬火和人工时效后，完全满足力学性能的要求，而尺寸精度也得到 充分的保证。 2011-8-25 10:07:17 上传下载附件 (57.71 KB) 图6工程实例2）、中小型挤压机配套在线淬火装置的功能特点针对中小型挤压机配套配套的在 线淬火装置，除了中大型挤压机配套的在线淬火装置上a、b、c、f、g的功能配置基础上，加强以下的功能（如 图7所示）： 2011-8-25 10:07:55 上传下载附件 (39.86 KB) 图7喷头的可旋转 及摆动控制a、喷头设计成可以摆动和旋转为解决小型材截面上喷水 的准确定位，将喷水和喷雾的喷头设计成可以摆动和旋转的，如图示中的和。喷头旋转一