铝合金加工手册.doc

康盛股份铝合金加工康盛股份铝合金加工 内部使用手册内部使用手册 浙江康盛股份有限公司研发中心 2010 12 20 康盛股份 铝合金加工手册 I 目录目录 目录目录 I 前言前言 1 第一章第一章 铝合金熔炼与铸造铝合金熔炼与铸造 2 1 1 铝合金熔炼 2 1 1 1 铝合金熔炼特性 2 1 1 2 铝合金熔体保护和精炼 3 1 1 3 铝合金熔炼工艺流程 3 1 1 4 配料即化学成分设计 3 1 2 铝合金铸造 5 1 2 1 铝合金铸造性能 5 1 2 2 铸造工艺 5 第二章第二章 铝合金显微组织与力学性能铝合金显微组织与力学性能 7 2 1 铝合金显微组织 7 2 2 铝合金力学性能 10 第三章第三章 铝合金材料缺陷分析铝合金材料缺陷分析 11 3 1 化学成分废品 11 3 2 夹渣 11 3 3 杂质 Fe Si 12 3 4 裂纹 12 3 5 缩孔 疏松 13 第四章第四章 铝合金钎焊工艺铝合金钎焊工艺 14 4 1 焊接钎料润湿 14 4 2 焊接缺陷形式及其原因 15 4 3 焊接工艺 16 4 4 钎焊组织特性 16 康盛股份 铝合金加工手册 1 前前言言 铝具有一系列比其他有色金属材料 钢铁 塑料 木材等更优良的特性 如密度小 仅为 2 7g cm3 良好的耐蚀性和耐候性 良好的塑性和加工性能 良好的导热性和导电性 良好的耐蚀性 弹性模量小 良好的力学性能 优良的铸造性能和焊接性能 此外 铝材 的高温性能 成型性能 切削加工性 铆接性 胶合性以及表面处理性能等也较好 因此 铝材在航天 航海 航空 汽车 交通运输 桥梁 家用电器 冶金化工等领域有着十分 广泛的应用 铝合金的化学成分 熔体净化 铸造 挤压工艺对其组织与性能有着十分重要的影响 合理的成分设计 铸造加工工艺可改善材料的综合性能 提高企业效益 拓展其应用领域 本手册主要从化学成分控制 熔体净化 铸造工艺以及焊接工艺建立本厂所涉及铝合金材 料加工手册 康盛股份 铝合金加工手册 2 第一章第一章 铝合金熔炼与铸造铝合金熔炼与铸造 1 1 铝合金熔炼铝合金熔炼 1 1 1 铝合金熔炼特性铝合金熔炼特性 铝合金的熔炼具有散热量多 易氧化 易吸氢 易吸收杂质金属等特性 铝及其合金 几乎与除惰性气体以外的所有气体相互作用 铝合金吸氢是导致铝锭结晶形成气孔和疏松 的主要原因 因此在铝合金熔炼时应尽量避免熔体吸氢 氢在铝中的存在形态主要有以下四种 1 以溶液或固溶体形式存在的原子氢 2 氢含量超过溶解度后以气泡形式存在的分子氢 3 以氢化物形式存在的化合氢 4 以 Al2O3 xH2O 形式存在的络合氢 大气中氢含量很低 氢分压约为 5Pa 而在熔炼时 炉气中的分子氢同样很低 以致 铝炉料与氢反应不能产生渗氢 铝熔体中的氢主要来源于大气和炉气的水分 如公式 1 1 所示 2Al 6H2O Al2O3 6H 1 1 影响铝熔体中含氢量因素有以下几种 1 熔体温度和水蒸气分压 纯铝平衡含氢量与温度 水蒸气分压的关系如公式 1 2 所示 lgC 5800 T 4 576 1 2 lgPH2O 1 2 C 熔体中氢的平均含量 cm3 100gAl 1 T 熔体绝对温度 K PH2O 炉气中水蒸气分压 mmHg 2 合金成分 合金元素对其含氢量的影响可分为以下三种情况 1 Mg 由于其化学性质比铝活泼 提高氢分压并使氧化膜疏松 2 Si Cu Zn 其化学活性不如铝 但使 Al2O3膜致密度下降 提高氢含量 康盛股份 铝合金加工手册 3 3 Be 降低合金与水反应强度 并在静置时促进除气 3 氧化物夹杂物含量和性质 铝熔体中存在两种 Al2O3同质易晶 Al2O3和 Al2O3 Al2O3对氢是惰性的 对氢 含量影响很小 Al2O3容易与氢形成 Al2O3 xH 型络合物 使溶液和气相之间的平衡 促 进熔体吸氢 1 1 2 铝合金熔体保护和精炼铝合金熔体保护和精炼 由于铝合金容易吸氢 因此在熔炼过程中需对其进行保护和精炼处理 熔体的保护方 法主要有以下两种 1 在熔体表面覆盖溶剂 使之形成连续的覆盖层 2 合金化 加入能氧化的元素 在熔体表面形成致密的氧化膜 为除去熔体中气体 夹杂等有害物质 在熔炼过程需进行精炼操作 以提高铝液品质 铝合金熔体精炼常采用吸附精炼 非吸附精炼以及过滤吸附精炼 在进行惰性气体精炼时 具有操作方便 成本低廉等特点 但精炼效果较差 因此 在实际生产过程通常采用气体 熔剂混吹精炼的方法 以提高熔体净化的效果 1 1 3 铝合金熔炼工艺流程铝合金熔炼工艺流程 熔体品质对铝材料的加工性能和最终使用性能产生决定性的影响 如果熔体品质存在 先天不足 将给制品的使用带来潜在的危害 因此 熔炼工艺是对铝合金品质起支配作用 的关键工序 变形铝合金典型的熔炼工艺流程如下 熔炉准备 炉料准备 配料 装炉 熔化 加铜加锌 熔化后扒渣 加镁加铍 搅拌 扒渣 倒炉 精炼 扒渣覆盖 静置调温 炉前测氢 出炉 清炉 1 1 4 配料即化学成分设计配料即化学成分设计 合理的化学成分设计可避免材料出现热裂纹等缺陷 连续铸造工业纯铝锭时 当铁硅 比控制不当或杂质铜超标时 会产生不同形式 不同程度的热裂纹 直接影响的材料的成 品率 配料的基本程序为 1 明确配料任务 合金牌号 制品状态 每炉次实际配料量 康盛股份 铝合金加工手册 4 2 确定炉料组成和配料比 内控标准 3 确定每种炉料化学成分 4 计算各元素需要量 5 计算各种废料及其带入元素量 6 计算中间合金和新金属需要量 7 核算 8 将计算结果填入熔料卡片 供备料 在进行铝合金铸造时 应严格控制材料的化学成分 并通过快速光谱分析进行炉前测 定 及时了解熔体化学成分 当熔体化学成分出现偏差时 应及时做出相应调整 如补料 或冲淡处理 补料常采用以下步骤进行计算 1 先调整杂质含量 然后算合金元素含量 2 先算量少的 后算量多的 3 先算低成分中间合金 再算高成分的中间合金 4 最后算新金属 表 1 1 为本厂生产铝合金材料化学成分内控标准 表 1 1 铝合金材料化学成分 元素 牌号SiFeCuMn MgZnTi其它Al 1070 0 2 0 25 0 04 0 03 0 03 0 04 0 0399 7 1060 0 25 0 35 0 05 0 03 0 03 0 05 0 0399 6 D97 0 2 0 250 15 0 4 0 03 0 03 0 04 0 0399 5 3003 0 6 0 70 05 0 21 0 1 5 0 1 0 1 0 04 0 05 当工业纯铝的品位较高 及合金中的硅含量小于 0 35 时 应当控制 Fe 大于 Si 以降 低铸锭产生热裂纹倾向 在进行铝合金生产时 应严格按照内控标准进行进行成分控制 以保证产品品质 康盛股份 铝合金加工手册 5 1 2 铝合金铸造铝合金铸造 1 2 1 铝合金铸造性能铝合金铸造性能 1 2 1 1 液态金属的流动性液态金属的流动性 液态金属的流动性是指金属液体充填铸型的能力 在连续铸造条件下 合金的流动性 主要与合金的性质及铸造条件有关 凡是促进合金保持液态时间长 流动阻力小的因素都 将提高其流动性 合金本身性质与流动性之间存在一定的规律 即 合金的结晶潜热越小 热容量越小 导热率越大 结晶温度范围越宽 树枝状初晶分叉厉害 则液态金属流体阻 力越大 流动性越差 1 2 1 2 偏析偏析 铸锭中常见的偏析有枝晶偏析 区域偏析和局部偏析 枝晶偏析是属于一个晶粒范围内的显微偏析 又叫晶内偏析 Mg Cu Zn Si Mn Fe Ni 倾向于晶界 枝晶界偏析 而 Cr Ti V Zr 易于在枝晶 网格内集中 易熔组分在铸锭横截面上有规律性不均匀分布为区域偏析 而在铸锭内宏观 体积上某些地方化学成分的偶然不均匀称之为局部偏析 1 2 1 3 铸造应力铸造应力 铸锭在凝固过程中及在随后的继续冷却过程中 在铸锭内产生的应力叫铸造应力 在 低于合金固相线温度时形成的裂纹称之为冷裂纹 在有效结晶区间形成的裂纹 即自收缩 开始温度起 至不平行固相线温度区间产生的裂纹称之为热裂纹 1 2 2 铸造工艺铸造工艺 1 2 2 1 冷却速度冷却速度 冷却速度是决定铸锭力学性能的基本因素 通常 随冷却速度增大 铸锭的平均力学 性能得到提高 决定铸锭冷却速度的基本因素有以下三点 1 冷却水的流量 流速和温度 2 结晶器的结构 3 铸造速度 1 2 2 2 铸造速度铸造速度 铸造速度对铸锭力学性能的影响取决于它对铸锭结晶速度和过渡带尺寸影响的综合结 康盛股份 铝合金加工手册 6 果 结晶速度和过度带尺寸是决定多相合金及按固溶体类型结晶的合金力学性能的主要原 因 随着铸造速度提高 铸锭的平均结晶速度增大 晶内结构细化 铸锭平均力学性能提 高 随着铸造速度的进一步提高 由于液穴变深 过渡带尺寸增加 铸锭致密度降低 铸 锭力学性能下降 1 2 2 3 铸造温度铸造温度 铸造温度对铸锭力学性能的影响取决于下列因素的综合结果 1 提供铸造温度 是铸锭晶粒度与粗化的趋势 从而引起铸态力学性能降低 2 提高铸造温度 是结晶前沿温度梯度变陡 结晶时的冷却速度增大 因而细化了晶 内结构 引起铸态力学性能提高 但同时 铸锭形成柱状晶合羽毛晶的趋势增大 在提高 铸态力学性能总水平的前提下 铸锭纵向和横向性能的差别增大 3 提高铸造温度 使铸锭液穴中悬浮晶尺寸缩小 形成一次晶化合物的倾向性降低 排气补缩条件得到改善 铸锭致密度提高 从而使铸态力学性能提高 本公司所选用铝合金材料具体连铸连轧工艺如表 1 2 所示 表 1 2 铝合金熔铸工艺 牌号 参数 10701060D973003 型号PyrotekPyrotekPyrotekPyrotek精炼 剂用量 0 3 0 50 3 0 50 3 0 50 3 0 5 型号PyrotekPyrotekPyrotekPyrotek覆盖 剂用量 kg m 20 30 30 30 3 Al Cu 0 3 0 60 1 0 5 Al Mn 2 3 Al RE 0 30 30 3 Al Fe 0 5 中间 合金 Al Si 0 3 精炼温度 720 740720 740720 740720 740 精炼时间 min30303030 静置时间 min30303030 放铝水温度 740 760740 760740 760740 760 细化剂AlTi5B1AlTi5B1AlTi5B1AlTi5B1 上浇包温度 690 710690 710690 710690 710 铸胚温度 510 530510 530510 530510 530 冷却水压 Mpa0 2 0 230 2 0 230 2 0 230 2 0 23 浇铸速度 m min 10 1210 1210 1210 12 熔体品质对铝材料的加工性能和最终使用性能产生决定性的影响 熔体品质缺陷 将 给制品的使用带来潜在的危害 因此 在进行铝合金熔炼时应严格按作业指导书进行生产 康盛股份 铝合金加工手册 7 操作 康盛股份 铝合金加工手册 8 第二章第二章 铝合金显微组织与力学性能铝合金显微组织与力学性能 2 1 铝合金显微组织铝合金显微组织 晶粒是指由一个结晶中心 晶核 长出来的树枝状晶 一个树枝状晶的所有枝叉都具 有相同的结晶轴取向 各树枝状晶的交界处为晶界 对如铝合金铸锭组织的研究可以发现 以下特点 1 晶界处位向变化很大 2 由于不平衡结晶 合金元素浓度的在晶界处变化很大 3 由于存在偏析 在晶界处总存在杂质 4 由于局部析出覆盖面差异较大 因此 晶界厚度的差异也较大 在 1 m 20 m 之间 铝合金铸锭典型的结晶组织有表面细晶带 柱状晶带和锭心等轴晶带组成 当铝合金 进行变形加工时 在加工方向发生塑性形变 形成纤维状组织 并伴有变形织构 在一定 温度下加热时将产生回复及再结晶 其组织回复到平衡状态 图 2 1 2 3 为本公司生产 1060 D97 3003 铝合金材料金相组织照片 金相制样采用 50 HF 腐蚀 采用光学金相显微镜采集金相照片 1 3 4 2 康盛股份 铝合金加工手册 9 图 2 1 1060 铝合金金相组织 1 2 铸态 3 4 轧制 5 6 挤压 图 2 2 D97 铝合金 1 2 铸态 3 4 轧制 5 6 挤压 从图 2 1 1 2 2 1 和图 2 1 2 2 2 2 可以看出 1060 D97 靠近结晶器边缘的金相组织 为柱状晶 沿着冷却梯度方向由外向内生长 而在铸件内部 随着冷却梯度下降 组织为 等轴晶 当铸胚进入轧机 晶粒将沿轴向拉长 形成纤维状组织 如图 2 1 3 2 2 3 所示 在进行铝管产品生产时 Conform 挤压机挤压腔温度为 450 480 铝杆盘条的加工变形 组织将发生回复再结晶 组织回复到平衡状态 为等轴晶组织 1 6 5 3 4 2 6 5 康盛股份 铝合金加工手册 10 图 2 3 3003 铝合金铸态组织图片 1 铸件外侧 2 铸件内部 本公司生产的 3003 材料为热顶铸造生产的圆棒铸锭 从图 2 3 可以看出 3003 铝合 金材料组织由 Al 和 Mn Fe Al 相组成 Mn Fe Al 相沿 Al 晶界网状析出 随着冷却强 度下降 Mn Fe Al 相逐渐转变为颗粒状沿 Al 晶界析出 2 1 康盛股份 铝合金加工手册 11 2 2 铝合金力学性能铝合金力学性能 铝合金因其良好的力学性能以及可加工性能 被广泛应用于航天 航空 交通运输以 及建筑等领域 合理的成分设计 熔铸工艺 加工工艺可优化材料的使用性能 提高企业 效益 铝合金材料力学性能与其成分 气孔杂质率 晶粒大小 加工状态有十分密切的联 系 晶粒细化在提高材料强度的同时可提高材料的塑性 第二相强化可提高材料的强度 但在一定程度上降低其塑性 加工硬化 可使组织内发生位错增值 可提高其强度 在工 业纯铝中 加入适量 Cu 可起到固溶强化的作用 而气孔夹杂等将严重严重降低材料的综 合性能 本公司生产的 1070 1060 D97 材料的力学性能如表 2 1 所示 表 2 1 铝合金材料力学性能 牌号 参数 10701060D97 抗拉强度 MPa70 8070 8075 90 延伸率 40 5040 5040 50铸态 硬度 HV23 2523 2525 28 抗拉强度 MPa95 105100 110110 120 延伸率 24 3024 3018 23轧制 硬度 HV32 3532 3533 36 抗拉强度 MPa50 7060 80100 110 延伸率 40 4536 4325 30挤压 硬度 HV27 3027 3027 32 康盛股份 铝合金加工手册 12 第三章第三章 铝合金材料缺陷分析铝合金材料缺陷分析 铝合金制品中存在着化学成分超标 偏析 夹杂 疏松缩孔以及微裂纹等缺陷 正确 分析铝合金制品中缺陷种类及其形成原因 将于助于铝合金材料的性能改善优化 3 1 化学成分废品化学成分废品 变形铝合金化学成分 主要化学成分与杂质 超出国家标准 GB T3190 1996 规定 范围 或超出企业内部标准而导致产品最终性能不合格的现象 称为化学成分废品 产生化学成分废品的原因主要有以下几点 1 原材料化学成分不符合要求 废料 中间合金 添加剂或复合剂等成分不准确 2 废料混料 3 配料错误 4 装错炉料 补料和冲淡错误 5 加镁方法不正确 或液体金属在炉内时间过长 6 搅拌不均匀 3 2 夹渣夹渣 夹渣是导致铝制品在加工过程中出现分层等表面缺陷的重要原因 在热处理和加热过 程中 夹渣可促使二次疏松和气孔 当材料受力时 夹渣处为应力集中处 降低材料的强 度和塑性 图 3 1 为本公司生产 1060 铝合金铸态组织中存在的夹渣 图 3 1 1060 铸态铝合金显微组织 SEM 图片 夹渣夹渣 夹渣夹渣 康盛股份 铝合金加工手册 13 3 3 杂质杂质 Fe Si Fe Si 为铝合金杂质元素 在进行铝合金熔炼时 应严格按标准进行控制 当工业纯 铝品位较高时 即 SiSi 以减低铸锭的热烈倾向 同时 Fe Si 含 量增加将组织内 AlFeSi 硬质相增加 AlFeSi 相沿 Al 晶界析出 弱化晶界结合强度 降 低铝合金材料的塑性 如图 3 2 所示 图 3 2 1060 铝合金显微组织 SEM 图片 3 4 裂纹裂纹 铸锭在凝固以及随后的继续冷却过程中 在铸锭内产生的应力叫铸造应力 在有效结 晶区间 及自收缩开始温度起至不平衡固相线温度区间 收缩受阻而产生拉应力形成热裂 纹 在铸锭随后的继续冷却时 200 由于局部冷却不均匀形成的裂纹为冷裂纹 而在 铝合金加工过程中 除了铸态组织遗留下的微裂纹外 气孔 夹渣 氧化膜等都将促进加 工制品组织内出现微裂纹 如图 3 3 所示 图 3 3 D97 材料显微组织 1 轧制杆金相 2 挤压管 SEM 图片 在进行铝杆盘条 平行流生产时 当材料表面氧化膜被卷曲进材料内部 在随后变形 加工时 由于 Al2O3膜塑性较差 将在此处产生应力集中 形成微裂纹 AlFeSi 1 2 康盛股份 铝合金加工手册 14 3 5 缩孔 疏松缩孔 疏松 当熔体结晶时 由于基体树枝晶间液体金属补充不足或由于存在未排除的气孔 主要 为氢气 结晶后在枝晶内形成的微孔称疏松 由补缩不足引起的微孔称为收缩疏松 由气 体形成的疏松称为气体疏松 缩孔是液体金属凝固时 由于体积收缩而液体金属补缩不足 在铸锭最后凝固部位形成的空腔 铝合金铸锭中的疏松通常分布在过渡带较宽的等轴晶区 图 2 为公司生产 1060 铝合金 铸态组织中出现的缩孔和疏松缺陷 图 3 4 1060 铝合金组织内的缩孔与疏松 此外 在铝合金制品中还存在过烧 成分偏析 气孔 羽毛晶以及白斑等缺陷 缩孔缩孔 疏松疏松 疏松疏松 康盛股份 铝合金加工手册 15 第四章第四章 铝合金钎焊工艺铝合金钎焊工艺 采用比母材熔点低的金属材料作钎料 将焊件和钎料加热到高于钎料熔点 低于母材 熔点的温度 利用液态钎料润湿母材 填充接头间隙实现连接焊件的方法 由于钎焊加热温度较低 接头光滑平整 组织和机械性能变化小 变形小 工件尺寸 精确 可焊异种金属 也可焊异种材料 且对工件厚度差无严格限制 钎焊设备简单 生 产投资费用少 因此 钎焊在机械 电机 仪表 无线电等制造业中得到广泛应用 钎焊的基本步骤一般由确定配合和间隙 清洗金属表面 钎焊前涂敷钎剂 零件固定 组件钎焊 清洗新生成的链接 6 步组成 4 1 焊接钎料润湿焊接钎料润湿 钎焊时 只有熔化的液体钎料很好地润湿母材表面才能填满钎缝 衡量钎料对母材润 湿能力的大小 可用钎料 液相 与母材 固相 相接触时的接触夹角大小来表示 影响 钎料润湿母材的主要因素有 1 钎料和母材的成份 若钎料与母材在固态和液态下均不发生物理化学作用 则他们之间的润湿作用就很差 若钎料与母材能相互溶解或形成化合物 则认为钎料能较好地润湿母材 2 钎焊温度 钎焊加热温度的升高 由于钎料表面张力下降等原因会改善钎料对母材的润湿性 但 钎焊温度不能过高 否则会造成钎料流失 晶粒长大等缺陷 3 母材表面氧化物 如果母材金属表面存在氧化物 液态钎料往往会凝聚成球状 不与母材发生润湿 所 以 钎焊前必须充分清除氧化物 才能保证良好的润湿作用 4 母材表面粗糙度 当钎料与母材之间作用较弱时 母材表面粗糙的沟槽起到了特殊的毛细作用 可以改 善钎料在母材上的润湿与铺展 5 钎剂 钎焊时使用钎剂可以清除钎料和母材表面的氧化物 改善润湿作用 康盛股份 铝合金加工手册 16 4 2 焊接缺陷形式及其原因焊接缺陷形式及其原因 钎焊接头的缺陷形式及其成因主要有以下几点 1 填隙不良 部分间隙未被填满 1 接头设计不合理 装配间隙过大或过小 装配时零件歪季斜 2 钎剂不合适 如活性差 钎剂与钎料熔化温度相差过大 绮剂填隙能力差等 或 者是气体保护钎焊时气体纯度低 真空钎焊时真空度低 3 钎料选用不当 如钎料的润湿作用差 钎料量不足 2 钎缝气孔 1 接头间隙选择不当 2 钎焊前零件清理不净 3 钎剂去膜作用或保护气体去氧化物作用弱 4 钎料在钎焊时析出气体或钎料过热 3 钎缝夹渣 1 钎剂使用量过多或过少 2 接头间隙选择不当