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  • 铝型材挤压入门

  • 评论:0  浏览:1935  发布时间:2017/6/24
  • 绪论
    铝及铝合金作为一种材料,随着其生产呵加工技术的成熟在越来越多的领域发挥着越来越重要的作用。铝及其合金能够在诸多领域中应用与其卓越的性能密不可分。
    首先,铝及其合金的密度小,仅为2.7g/mm3约为铁或铜的1/3。
    其次,铝及其合金的强度高,经过一定的冷加工可强化其基体的强度,部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理。
    第三,铝及其合金的导电性良好,其导电性仅次金、银、铜。
    第四,铝及其合金的耐腐蚀性能好,铝的表面易形成一层致密牢固的(Al2O3)氧化膜来保护基体,使基体不受腐蚀。通过扔哦能够阳极氧化和着色,可获得良好具有良好表面性能的铸造合金和变形合金。
    第五,铝及其合金的加工成型性能良好,添加一定的合金元素后,可以获得具有良好铸造性能的铸造铝合金和具有良好塑性的变形铝合金。
    第六,铝及其合金没有低温脆性,可以在低温下正常使用,在这点上钢再次显示了其劣势。
    第七,铝及其合金不具备磁性,也不会像钢铁那样被磁化。因此,在一些特殊的领域有其独特的应用。
    第八,在经受冲击的时候不会出现火花,可以应用在一些需要防火的领域。
    第九,具有吸音性能,可作为隔音材料,在建筑上广泛应用。
    第十,耐核辐射,可作为国防材料应用。
    因此铝业的发展,具有其无限的空间,而且正走向辉煌。
    作为铝合金的加工厂中的一员,必须了解铝及其合金的一些基本的常识。
    0.1 铝及铝合金国际牌号命名体系:
    主要元素 体系 备注
    纯铝(铝含量不小于99.00%) 1XXX
    Cu(铜) 2XXX 沉淀(或析出)热处理(时效)
    Mn(锰) 3XXX 强度比1xxx合金高20%
    Si(硅) 4XXX 铝合金焊接用材
    Mg(镁) 5XXX 良好的乃腐蚀性能,焊接性能
    Mg+Si(镁+硅) 6XXX Mg2Si为主要的强化相,良好的成型性可加工性,可焊接性,抗腐蚀性
    Zn(锌) 7XXX 高强度合金
    Li (锂) 8XXX
    备用组 9XXX
                                         
    1XXX组表示纯铝(其铝含量不小于99.00%),其最后两位数字表示最低铝百分含量众小数点后面的两位。
    牌号的第2位数字元表示合金元素或杂质极限含量的控制情况。如果第2位为0,则表示其杂质极限含量无特殊控制;如果是1-9,则表示对一项或一项以上的单个杂质或合金元素极限含量有特殊控制。
    2XXX-8XXX牌号中的最后两位数字没有特殊意义,仅用来识别同一组中的不同合金,其第2位表示改型情况.如果第2位为0,则表示为原始合金,如果是1-9,则表示为改型合金。
    按照铝合金是否可经由热处理强化可分为:
    非热处理合金:纯铝─1000系,铝锰系合金─3000系,铝硅系合金 ─4000系,铝镁系合金─5000系。
    热处理合金:铝铜镁系合金─2000系,铝镁硅系合金─6000系,铝锌镁系合金─ 7000系。
    "-″:后面的Hn或Tn表示加工硬化的状态或热处理状态的链度符号
    -Hn :表示非热处理合金的链度符号
    -Tn :表示热处理合金的链度符号
    0.2 铝合金的性能及其应用
    ? 1000系列   1050、1070
    高纯铝、电导性、 热传导性、耐蚀性
    导电材料、热交换装置 化工类装置配管
    ? 2000系列 2011、2014 2017、2117 2024
    切削性优秀、高强度、 耐蚀性不强
    杜拉铝总称、切削材: 零件螺丝等结构材、飞机材、锻造用素材、汽机车油压零件、运动用品
    ? 3000系列  3003、3203
    耐热性比纯铝好、强度高、耐蚀性良好 
    化学装置配管、热交换装置、 复印机用感 光筒
    ? 4000系列   4032
    耐热、耐磨耗 性良好
    VCR磁头、活塞构件、 锻造用  
    ? 5000系列    5052、5056
    中强度合金、耐蚀、熔接性良好
    化工业配管、机器零件、照相机镜筒
    ? 6000系列
    6061 耐蚀性优秀的中强度结构合金、可熔接、加工性好
       路上车辆、船舶、海上运输器材、道路用资材建材、运动用品等
    6063 耐蚀性、表面处理性良好、挤压性优秀占挤压材的大半
       建材、建设材、装饰品材、家电制品材及其它一般泛用品
    ? 7000系列
      7003  中强度熔接用结构合金车辆、汽车、机车零件
      7075  称为超杜拉铝、为最高强度合金、耐蚀性、熔接性差高强度用材:飞机等机械零件、运动用品等
    ? 8000系列
       8090,8091实用合金极少
    ? 9000系列
      高性能合金,加入特种元素(如稀土元素等)具有超强的性能或某些特殊性能。
    第一章 铝挤型品的初步了解
    铝挤型品为铝材一次加工品四大类其中之一(其它几类为铝铸造品、铝锻造品、铝轧制品),它仍是铝(合金)锭加热至可塑温度(400~500OC)后,以及挤压机利用油压的力量将铝(合金)锭挤压通过挤型通过挤压模具变成所需之型材。形状包括型材、管材、棒材、线材,应用上以型材及管材占大部分的比例,各类
    产品说明如下:
    1. 型材-可为实心、中空或半中空,形状有角型、T型、槽型及其它更复杂形状。
    2. 管材-管材形状有圆形、正方形、长方形、六角形、八角形、扇形或椭圆形。
    A. 有缝管(tube):在挤压模中间有一熔接室,而先将实心挤压锭分成数道流束,当流经熔接室时再予以熔合形成空心形状,常用的挤模有桥型模(bridge die)、窗口模(porthole die)、支架模或称斜套模(taper type die)。
    B. 无缝管():可用空心挤锭挤制或实心锭在挤压机上先穿刺,再进行挤压,但由于此法作业程序复杂,成本较高,且限于心轴(mandrel)长度因此常先挤制较大的空心管后再经延伸加工,故工程费用昂贵。除非特别要求外,大都采用有缝管。
    3. 棒材-铝棒材可采用热轧或挤压成型,通常需要经冷加工成最终尺寸。铝条(rod)的截面积为圆形或近似圆形,直径大于9.5mm(3/8寸)。铝棒(bar)的截面积可为正方形、长方形或规则多边形,其中至少一组边的距离大于9.5mm。
    4. 线材-铝线为条棒抽伸而成,直径小于9.5mm,截面积形状有正方形、圆形、长方形、六角形及八角形。
      铝挤型再设计舆制造上,可以将形状复杂的对象直接挤压成型,并且可获得较高的强度,因此应用极为广泛,主要应用的产业有以下六类:
    1. 建材结构,如铝门窗、帷幕墙、栏杆、标识牌等。
    2. 运输工具零件组件,如自行车轮圈、车架、汽车散热器、船舶船舱组件、车辆车体及飞机骨架、座椅架等。
    3. 消费性耐久材,如运动休闲用品(铝球棒、溜冰鞋架、羽毛球拍)。
    4. 机械舆产业设备组件,如电子、食品、化纤输送的机械的传送结构架、热交换器组件、气动工具结构件、空气压缩圆筒、锻造毛胚、工业配管、电梯房框架。
    5. 电子工程零组件,如散热片、磁盘驱动器读写头、光学尺本题、复印机感光筒、光学导轨、磁带转筒等。
    6. 国防武器零件,如导弹外壳、枪械组件等。
    上述产品,业界通常分为一般挤型和工业挤型两大类,前者包括1、3类,其余归属后者。一般性建材质量要求:外观寿命、耐风压性、气密性、水密性、隔音性、隔热性、防露性、防火性、开关性(开关耐久性)、安全性。工业型材的要求更为殃严格。
    第二章 挤压基本要素
    2.1模具配件:模具座套件(Die backing)(包括模具夹持器(die holder)、模具支撑块(bolster)、副支撑块(sub-bolster)等),以及压盘(pressure platen)对挤压制品质量往往有决定性的影响,高强度坚硬的后模座套件可降低模具的偏斜,确保模具的重复使用性及寿命。
    因为模具本身是最先且直接受到挤制压力的部分,因此模具设计者必须根据挤型产品的剖面形状、推杆的长宽来决定推杆(mandrel)舆模具的高度,主要的目的就是要避免模具在挤压过程中偏斜或发生裂痕,因为这可能造成金属流舆 模具形状产生无法预期的变化,为使模具的偏斜降到最低,就需要一组能紧密接合的模具后座套件。目前较普遍使用的组件是嵌入式支撑块 ,模具设计者通常会在模具受力区中,针对受力较大区域赋予较强的支撑,以减少偏斜的发生。
      2.2模具设计基本原理:
      1. 不均匀壁厚虽可行,但各壁厚都平均较为理想。
      2. 实心挤型的加工成本低于空心挤型。
      3. 挤型转角处设计成小半径圆弧,避免直接锐角。
      4. 对称的挤型可提高生产效率。
      5. 加入沟槽或肋骨于挤型中,可提高强度,降低挤型磨损性。
      6. 对于复杂形状,可考虑设计中的空或半中空剖面。
      7. 近净型可减少或避免加工。
      8. 可将螺丝固定纳入设计,提高组合的容易性。
    2.3 制造允许公差基本原则:
      1. 线性公差:型材长度的千分之八。
      2. 角度公差:视型材的配置,范围在1o~2o。
      3. 扭转公差:每英寸约为0.5o。
      4. 壁厚公差:该部位厚的的10%。
      5. 水平度公差:宽度的千分之四。
      6. 垂直公差:该部位长度的千分之一。
    2.4 挤型制造:
      挤型厂通常所会犯的错误其实是制造者都知道的。譬如,若制造厂欲赶交一个主要客户的货,他就急着启动挤型机来生产,结果他没有照往常一般将所有的温度在生产前,做完整的确认就开始生产,使得盛锭筒内衬温度高于外部本身成为一个加热器,而很容易破裂。若大型盛锭筒时,应该是要花较多的时间将其预热到可操作的温度,否则盛锭筒会产生大量的内部应力虽然这种情况不常遇到,但真正优秀的挤型制造者是不会让这种事情有机会发生的。一流的剂型制造者和一般厂商面对地是形同的市场,价格差异也大,甚至使用相同的挤型机。但前者却能经营地很有效率,他们所生产的废料极少,停工时间最短,生产力远高于一般厂商,使得每笔订单,都能有充裕的时间取得合理的利润。这其中最重要的关键就是一流的制造者特别在意温度。他们经常监视温度、记录温度、并控制温度。温度及所造成的影响则是这些制造者一直萦绕脑海之中,他们完全能了解制程中每一个生产点温度应有的变化。
      若没有意外的停工,生产力的高低主要是取决于挤型的速度,而挤型速度则受限于四个因素,其中三项确定,一项不确定。
      第一项因素是挤型机的吨数,较大型的剂型机就可以在较低的温度来挤制铝锭。第二项因素是模具的设计,因挤制过程中挤制的铝合金舆模具摩擦通常会使挤制的合金增高38℃,而模具表面最常面临的问题就是磨损(wearing)的发生,尤其是受力部位(bearing),在高温(超过450℃以上)时,氮化处理的表面就容易开始腐蚀。故模具制造者应设计出使挤型材达到临界破损温度前,可得到较高的挤型速度。不致在挤型过程中产生裂纹或黏着等缺陷。若要如此,模具须有相当的质量,虽然此类模具成本较高,但此多出的成本很快就会被提升的生产力所弥补了。第三项因素为挤制合金的特征,此项因素较无法控制,尤其在型材挤出温度(exit temperature)达到538℃时,型材表面会有劣化的情形如模具的内衬附着氧化物及裂痕等的产生。若挤型机推力不足或是模具过硬,挤锭温度将会增加,如此一来,挤制的速度就必须降低,以防止型材挤出温度过高。
      最后一项限制生产速度的因素是温度,而温度是可以控制的。铝挤型最佳的挤制温度,往往要视挤制合金种类而定。下为6000系列铝合金之适当挤制温度。
    铝挤型之适当挤制温度
    合金种类 挤锭温度 挤出温度
    6063 415-440℃ 500℃
    6061 425-455℃ 525℃
    6005 415-445℃ 510℃
    资料来源:Light Metal Age,金属中心IT IS计划整理
    因此盛锭筒的温度视非常重要的,预热工夫不可马虎,为使热应力将至最低,防止内衬收缩,盛锭筒舆内衬应同时达到可操作之温度,这必须渐进式的完成,每小时温度增加幅度不可超过37℃。
    所以在预热的过程中,比较理想的做法是盛锭筒维持在232℃达8小时,然后开始挤制前维持于427℃再4小时,以确保盛锭筒整体温度均匀,内部的热应力也充分消失。
    预热最好的方法是利用烘烤箱(oven)的方式,烘烤箱亦可用来防止推杆(stem)因热应力而断裂,而且推杆应每六个月就做一次应力削除的工作,做法则是将推杆直立于烤箱中在427℃到428℃之间加热12小时,然后就放在炉中慢慢冷却。
    为了得到最佳的挤型效果,在挤制过程中,盛锭筒应该较铝锭低个10℃-38℃。有时因挤速之故使盛锭筒之温度高于铝锭时,亦应设法对盛锭筒进行冷却。通常盛锭筒温度达到468℃时,废屑就会赠加。
    当型材的表面质量极为重要时,推杆前垫的温度亦应当有所控制以减少废屑,亦即让铝锭末端的温度不会太高而挤出杂质。做法则是可利用在推杆轴心通入空气直达前垫,使前垫的中心部分降低约52℃左右,如此可减少废屑的产生,提高生产力。同时这些空气还可进一步使盛锭筒降低24℃,也有助于生产力的提高。
    另一方面,一流的剂型制造者也不会忽略模具的温度,剂型模具预热的温度通常设定在450℃-480℃,平板型(flat)模具至少要加热两小时,中空模具至少要加热四小时。除此之外,虽然已将模具预热到可操作的温度,但若体积比模具大两倍的模具支撑快若未加热,那么支撑块也会成为模具的散热片,使预热效果大打折扣。
    模具的温度若低于427℃,则容易产生断裂现象,也可能需要用特殊的铝锭来制造所需要的剂型。另一方面,若模具过热,则会使其硬度降低而产生氧化物。氧化物通常都会发生在受力方面。
    对于模具的预热,则建议使用加热炉(furnace)。加热炉若过小,模具彼此靠的太近,空气不易循环流动,目前有一种盒型加热炉(box furnace)可使每一副模具分别加热,效果不错。
    铝锭的适当温度则依剂型机吨数、合金种类、剂型的形状、模具的温度和挤速等有关。较低温的铝锭在剂型过程中有较大的升温空间,也可得到较高的挤速。
    型材的挤出温度也是一流剂型制造者密切注意的,这个温度是由推杆的速度和模具摩擦程度所控制,一般挤制过程中会增加38℃左右,而这个增幅大部分取决于模具的设计,在设计上当以获得最大生产力为目标,如此才可能在维持所需的尺寸精度舆表面光度的情况下,达到较高的生产速度。
    2.5 挤型技术的新动向
    1. 挤制中可变性技术:利用挤制过程中改变模具组件舆模穴的位置,使产出的宽度舆厚度能持需的变化。
    2. 大宽度挤型材制造:1.扩充板技术。2.利用角形盛锭筒的的方式,配合大的横断面改变铝锭的形状。
    3. 有限元素分析法(finite element analysis)之新近应用:在计算机上利用简单的代数公式求取铝挤型过程中的应力应变;将分割成极小单位的组成,各单位相连,有所谓的节点(nodes),当节点受力对整个结构产生的变化舆影响,即式FEA所要执行的重点。
    第三章 6000系列挤型用合金基础理论
      6000系列合金的挤型加工乃是一种热过程的复合组成,为求有效率的产出高质量的挤型成品,应该要对制程中的冶金理论有基础性的认识。真对6000系列挤型用合金,向读者提供一些冶金方面的背景咨训,为了加强读者的理解起见,本文末段有一章专业术语加以定义,建议先行阅览。
    3.1 镁舆硅的作用
    6000系列合金是典型可以热处理的铝合金,此类合金经由热加工处理,所获致的强度比利用机械加工方式来的容易,这类合金中最关键的元素是镁和硅,这两种元素会接合成硅化镁晶粒(MgzSi),而这些晶粒会有几种形态存在于合金锂,大致上可以归类成以下三种。
    ●β″(贝塔双初晶)硅化镁,为最细致的晶粒的晶粒。呈针壮形态,当它均匀细密的分部在合金内部时,对于机械性质帮助极大。
    ●β′(贝塔初晶)硅化镁,看起来较为大一点的针状晶粒是由贝塔双初晶长大而成的,这类贝塔初晶对于机械性质所带来的帮助是微不足道的。
    ●β(贝塔晶)硅化镁,是最大的硅化镁晶粒,呈立方形态,由于晶粒尺寸粗大的缘故,对于机械性质是完全没有帮助的。
    对于上述的晶粒作用在后续章节“挤型“篇会有另作说明,部分6000系列合金种镁和硅的含量相对照关系,请参考附表1。大多数的合金其镁硅含量被设计成平衡或者是使硅含量偏高,附表1当中有一道虚线用来代表镁硅含量的均衡值,这个图中的合金其铁的含量使被定为0.16%(铁含量的变化使这到虚线的斜度随之变动),选择硅含量偏高的合金要比选镁含量偏高的合金来的有利的,其原因如下:
    几种6000系列挤型用合金其镁硅含量呈现图

    ●镁含量偏高对产品的最终机械性质没有增强。
    ●镁含量偏高是会增加合金的流动应力,造成挤型困难度增高。
    ●相反的硅含量偏高,有助于时效处理的反应,可以提高产品的强度。
    3.2各种合金元素的作用

    铁(Fe)也出现在合金中,它会和硅铝结合成铝铁硅金属间化合物,这种金属间化合物对合金的强度毫无帮助,相反若不能正确加以处理,则对于合金的挤型加工性将会产生负面的影响,6000系列合金的铁含量作精确控制是极为重要的,特别是成品的表面加工要求高是,不同程度的铁含量在作电解皮膜处理时,会有不同色泽的变异,同时也知铁含量会降低导电性。

    锰(Mn)在6000系列合金中被引用在多种合金上,包括有:可以减少均质处理的时间,因为锰能促使贝塔铝铁硅晶粒转化成阿尔法铝铁硅晶粒。以及对6061、6082这种种强度合金,在挤型后的热处理时预防粗晶的成长,其它的效益是添加锰可以强化抗裂性,因为锰可以预防硅晶粒在晶界上形核,这种硅晶粒形核会使材料变脆。

    铬(Cr)的作用在很多方面舆锰很相似,但是在淬火敏感度方面则是比锰更强制。

    铜(Cu)的添加可以改善挤型合金的导电性以及机械加工性,尤其是6061这类高强度合金,在时效处理后储放在室温喜爱机械性质会产生负面影响,铜就有抵消作用,但是当铜的含量一旦超出了0.2%时,则6000系列合金的挤型产品其抗腐蚀能力会降低。

    锌(Zn)对于6000系列合金的机械性质方面还没发现有任何负面影响,不过当含量超过0.02%时,在氧化皮膜处理时会有“花纹”产生,主要存于镂蚀效应差异所致。
    主要元素及微量元素在效应方面的总结
    合金元素 挤型加工性 淬火敏感性 强度/硬度 延性/韧性
    镁Mg(硅化镁) ↓↓ ↑↑ ↑↑ ↓↓
    硅Si(偏高时)   ↓(1) ↑ ↑↑ ↓↓(4)
    锰Mn ↓ ↑(5) (2) ↑↑(5)
    铬Cr ↓↓ ↑(5) (2) ↑↑
    铁Fe ↓ (3) (2) ↓
    铜Cu (3) ↑ ↑↑ (3)
    表1:6000系列合金添加元素的影响(1)指硅化镁含量恒定(2)高冷却率时不良影响或改变甚微(3)甚微或无影响(4)指不添加锰,铬及锆情况下(5)主要看添加量及均质处理的运用而定        ↑↑递增 ↑微增 ↓↓递减 ↓微减
    3.3 6000系列合金的热循环
     6000系列合金经由以下的热处理可以获得最高强度。
     ●挤型操作时的固熔或固熔热处理。
     ●视不同合金所采取的适当冷却率加以淬冷。
     ●然后是时效硬化处理的运用。
     缺乏正确的温度控制是无法使产品获得最高的机械性质,正确的过程的温度控制可以使硅化镁晶粒有了规律化的特性。下面图2用来说明挤型整体过程中,各阶段性处理时的温度舆时间经历,以及镁和硅在各阶段的作用。

    3.4影响挤压制程的主要条件
    3.4.1.型机能力(或说明可使用压力)
     为使挤型机有最高的生产率,挤型机会被操控在接近最大运转压力条件下工作,通常这种最大压力使用对应成最高的挤型速度。
    下图(曲线一):用来说明多种的挤型操控变量舆可用压力两者之间的相互关联性,图中红色实线用以代表铝料挤压通过模子的压力足够舆不足够的分界线,其界定的区域是由挤压速度和铝胚料温度两项条件来构成的。
    当使用较软的合金时或大可用压力的投入来追求更高的生产效率时,这道分界线会向左侧移动;至于使用较硬合金,较高挤压率或产质复杂状型材时,相反的这道分界曲线可能向右侧移动,如此会使得A区域扩大,减低了挤型机能力(压力),也就是降低了挤型速度(以及生产率)使用较高温度的铝胚料,可能 挤型速度的降低有补助作用,但是温度的提增也会被其它变量所限制。
    3.4.2.品表面
    第二张曲线图是就已经知道的再加上挤压完成品表面舆制程变量以及挤型压力之间的相关联性,


    在原有挤压速度舆铝胚温度二者的界定下,增加了一道蓝色的曲线,用来做为成品表面良劣的分界线,在使用软合金时这条分界线会往右移,代表着可以提高挤压速度以及铝胚温度,而不至于导致成品表面质量不良。
    至于产制复杂异型型材时,这道曲线会往左移动,使得B区域的范围缩小,(B区域代表着挤压可行),这种向左移动的界线意味着制成品表面有可能产生缺陷像是撕裂、起皮、表面过熔等现象,为了防止这些表面缺陷的发生在操控上只好降低挤压速度或铝胚温度,此外对于铝胚均质处理时冷却太慢,或是预热加温的速度太慢都会造成硅化镁晶粒粗长,这样也会使得成品表面质量分界线向左侧移缩小挤压可行空间(也就是代表成品表面质量不良的C区域扩大了。
    3.机械性质
    机械性质的要求同样会对挤型制程带来某种程度的拘限。图15就是在挤压速度,铝胚温度二种界定下,增加了机械性质舆制程变量之间的关联性,同时莲带着成品表面质量、挤压压力等相关因素也一起结合呈现出来。
    另外再增加了一道绿色的分界曲线,用来代表挤压产出品的机械性质适合要求的分界线,当使用含有粗大硅化镁晶粒的铝胚时或挤压产制断面较厚的型材时,同时被要求机械性质较高时,这道分界曲线会向右移,意味着挤压速度,铝胚温度都要提高,如此才能达到产制出机械性质要求较高的产品,因为提高挤压速度和铝胚温度其目的时要提供更多的热能来促使铝胚中的硅化镁熔解更大。
     当铝胚中含有硅化镁贝塔双初晶及贝塔初晶这些细晶粒挤制的型材断面厚度较薄,对机械性质的要求偏低,那么这道分界曲线会向左移,操控上对挤压速度舆铝胚温度两者的要求会降低,成品机械性质也很容易达到。
    3.5挤型操控的窗框
    上图被俗称为极限图,它描述着一种操控窗框的概念,也就是指挤型产制作业时会受到限制,结合了挤型机能力(可用压力)成品表面质量,成品机械性质三道分界线所构成的中间区域形状就好比窗框一样,在这个区域内的条件可以产制出良好质量的产品,至于实质操控条件要坐落在框内那个位置,要考虑成品表面质量要求(光洁程度、氧化皮膜要求及挤型精 )以及机械性质规定的极限,这三道分界线也同时提示出了挤压生产率可以达到的最大程度,其它的变量,诸如:合金种类、挤压比/型材形状及成品机械性质等可能会扩大或缩小这个操控窗框。
    3.6强制淬火(冷却)
     挤压后的挤出型材必须要快速的冷却,冷却率要足以让镁和硅保留在固溶液中,如此才可以在随后的时效处理时使机械性质达到最高,冷却率的决定要看型材断面尺寸大小,以使冷却的方式而定,例如:自然空冷、电扇风冷、水雾喷洒火是水槽侵冷。
     图16.表示6060型合金充足冷却一般采取自然空冷,或电扇风冷就可以达到,至于较硬的6061合金就必须要使用水雾喷洒或侵冷的方式来进行。

    某些6000系列合金典型要求的冷却率
    表1.几种6000系列合金建议采取的淬冷率及方法
    合金型号 淬冷率最低要求
    ℃/min 实心断面厚度
    <10mm 实心断面厚度
    >10mm
    6060 50 自然风冷或电扇风冷 水雾
    6063 60 电扇风冷 水雾
    6061 300 水雾 水雾喷洒
    6082/6351 300 水雾 水雾喷洒
    3.7时效处理
      当挤型材需要增强其机械性质时,6000系列合金必须采取时效处理,实质上能提高多少机械性质,就要视合金型式以及时效处理条件而定,这些条件含括有室温下自然时效处理,直到各种较高温度的热处理也就是所谓的人工时效处理。
      就6000系列合金的强度而言,最直接的相关性是材料在变形的过程中,对于内部粒子错移的阻抗能力,当材料被付予应力时粒子便开始错乱位移以及移动,而应力一再增加时,这种粒子错移的数量会增加而且激烈性也会增强,一直到材料损坏时才终止,粒子错移的能力会被硅化镁晶粒加以阻止,如此一来材料的强度就可以提高,这类硅化镁晶粒的大小就和密度经由时效处理的条件加以控制,少量细致的硅化镁贝塔双粗晶可以轻微阻止错移现象在材料中进行,但是当数量增大时就足以抑制错移的行动从而提增材料的强度,假使这类晶粒成长的太大了(变成硅化镁贝塔初晶及贝塔晶)那么由于可用的镁硅数量总量有限会导致其数量减少,由于硅化镁晶粒减少造成穿梭空间加大错移就会较容易产生,材料的强度将因此减少了。
     上述情况可以利用典型的6000系列合金人工时效处理曲线来做总结,如图17

    为求达到颠峰的机械性质,设定人工时效处理条件时,要以能够达到为数众多的硅化镁贝塔双初晶析出为目标,对于6000系列合金典型的条件是170℃保温8小时,或是185℃保温6小时。
    第四章 铝合金热处理
    ※常见热处理铝合金的代号有何分别?
    F:As fabricated表示冷加工,热加工或铸造成形后不在施以特别处理。
    O:Annealed表示退火至最低强度水平之锻制品,及经退火增加延展性及尺寸安定性之铸造品。
    H:Strain Hardened表示经加工变形之锻制品。
    W:Solution heat treated:表示仅固溶体处理后自然时效W1/2 hr。
    T:Heat treated to produce stable tempers other than F . O. or H
    ※铝合金热处理T代号可系分成哪几种?
    T 1 从较高温之成形加铸造、挤形等过程中冷却下来并自然时效。
    T 2 从较高温之成形施以冷加工并自然时效。
    T 3 固溶体处理后,冷加工并自然时效
    T 4 固溶体处理后,直接自然时效
    T 5 轻较高温度成形施以人工时效
    T 6 固溶处理后人工时效
    T 7 固溶处理后人工时效至过时效状态
    T 8 固溶体处理后,冷加工并人工时效
    T 9 固溶体处理后人工时效并冷加工
    T 10 较高温之成形施以冷加工并人工时效
    TX 51 固溶体处理后用伸张的方法消除内部应力
    TX 52 固溶体处理后用压缩的方法消除内部应力
    TX 53 用伸张及压缩的方法消除内部应力
    ※铝合金最常见的热处理强化机构为何?
    (1)析出硬化:热处理铝合金为2XXX,6XXX及7XXX,其利用淬火处理及时效处理使材料内部结构发生一种相变化,产生细致析出物,藉此种析出物,强化材料。这种现象叫析出硬化或时效硬化。
    (2)固溶处理:非热处理合金则无析出硬化现象(但也会有析出物),故其强化作用通常借助一般的方法,如固溶体强化,晶粒细化强化。
    ※铝合金析出硬化热处理程序:
    实用的析出硬化热处理程序必须包括下列三个基本步骤:
    固溶热处理(solution treatment)→淬火(quench)→时效处理(aging treatment)
    固溶处理系指将材料生温至固溶体单相区一段时间,以便让溶质全部溶入基地而成单一α相;淬火系指将固溶处理后的材料迅速冷却以得饱和固溶体。时效处理则将此过饱和固溶体放置在恒温,使其逐渐析出析出物而造成性质上的变化。此恒温若为室温则称为自然时效(natural aging),若在叫高温炉中进行则称之为人工时效(artificial aging)。
    ※何谓铝合金的过时效处理?
    一般而言,初时效硬度上升是由于析出物逐渐析出,体积比逐渐增加,析出物间距越小所致;到了最高时效时,此时析出物呈现最佳的分布状态,亦即对差排的阻力最大;过时效的形成是由于析出物的粗化,造成析出物半径增大,个数减少,间距加大,根据前述之强化机构,可知粗化降低对差排的阻力,并使硬度下降。
    第五章 铝合金之析出硬化处理
    铝合金可分为加工硬化型(非热处理型)合金及析出硬化型合金。前者适用于1000系、3000系及5000系铝合金,而后者则应用于2000系、6000系及7000系等高强度铝合金。其中,析出硬化型合金可配合不同之热处理条件,选择所须之机械性质,因此其应用范围较广。本文简单叙述析出硬化型合金常用之热处理方法,同时介绍一些特殊之时效析出技术,期望对铝合金热处理业者能有所帮助。
    5.1 固溶处理
    此处理在于使铝合金成分中之溶质原子能固溶至最大限,因此必须于高温中保持长时间。固溶处理温度过高易产生共晶熔解(eutectic melting),太低则担心固溶不完全,因此选择的原则是取合金中溶质原子之固溶限(solvus)与共晶温度(eutectic temperature)间之温度。产生共晶熔解之材料,不是造成淬裂,就是明显降低强度、延性及韧性。
    5.2 淬火处理
    淬火处理在于得到过饱和固溶体,因此冷却速率必须相当快。倘若冷却速率不足时,固溶之溶质原子易在晶界析出,将造成强度及延性降低。
    此外,淬火并不只是获得过饱和固溶体,亦可使高温下之高密度的空孔获得某种程度冻结,提高后续低温下之扩散速率,而促进GP zone之形成或中间相之析出。
    5.2.1淬火敏感性(C曲线)
    一般淬火速率影响材料特性之程度,以『淬火敏感性高』或『淬火性低』来表示。图1为几种代表性热处理型铝合金之T-T-P曲线。此图以温度、时间为参数,即不同温度下可获得T6(水冷后时效)95%之强度所须之时间作图,因形状而称为C曲线。曲线之鼻端愈靠左显示淬火敏感性愈高,由图可知几种合金之淬火敏感性顺序为7075>2017>6061>6063。
    淬火用介质媒体一般为水,但为了防止淬火应变或残留应力的产生常改用聚乙二醇(polyethylene glycol)水溶液或温水作为淬火介质,但是冷速较慢。对于淬火敏感性高的材料,虽然同样可以获得强度、延性,但冷速慢将造成韧性下降。因此,航空机用之铝合金之热处理规格,规定淬火用水之温度须在38℃以下。
    5.2.2挤制淬火(press quench)
    淬火敏感性低的材料,在热加工后空冷即可达到一定的强度。一 i以及g-Si7000ature)般挤制加工时之挤制温度虽然低于固溶限,但由于挤制加工产生之热量将提升胚料温度至固溶处理温度,而使析出物固溶。由于挤制加工时间短,因此挤制前胚料之析出状态影响最后强度甚为明显。换言之,挤制前均质化处理之冷却,或加热至挤制温度必须快速以避免析出物之凝聚粗大化,才可使短时间之挤制加热亦可获得充分的固溶状态。图2为6063合金挤制加工之热处理制程。6063合金之淬火敏感性低,挤出后以风扇空冷即可。然而对于淬火敏感性较高之6061合金,自挤型模挤出后必须立即水冷。此种
    挤制淬火比正规热处理具有更细晶粒之纤维状组织,所得之过饱和固溶体具有较优异之强度。
    5.3.时效处理
    5.3.1室温时效(自然时效)
    2000系或6000系合金在4至14天却达安定之强度,但对于7000系合金而言则数年间一直持续室温时效硬化。因此7000系合金一般不采T4处理而用W调质。
    另一方面,2000系合金之室温时效可获得相当强度,高温时效可使降伏强度明显提升,但对抗拉强度之增加有限。而且室温时效比高温时效具有较优异的疲劳强度及韧性,因此2000系合金采用T4或T3处理使用者居多。
    5.3.2高温时效(人工时效)
    对于6000或7000系合金大都须采用高温时效以获得最佳强度。有时2000系合金欲达更高强度时亦采T6处理。
    一般而言,低温长时间之高温时效处理具有较佳机械性质,然而工业上2000系合金常采用190℃,6000系合金则采用175℃之时效处理。而7000系合金与其它合金相较,则大都采取较低之120℃与160℃间之高温时效。
    5.3.3二段时效
    7000系合金在高温时效前,室温时效时间愈长强度愈高。同时对于T7之之过时效(overaging)处理,室温时效时间太短或高温时效之升温速率太快,易造成粗大且不均一之析出,将使强度大幅降低。因此,虽然高温时效前之室温时效愈长愈好,但是考虑经济效率,工业界并不喜好长时间之室温时效,而改采100℃~120℃的一次高温时效后,再于150℃以上之二次高温时效处理的方式,此称为二段时效处理。
    另一方面,利用主要成分Mg、Si含量之调整,可使6000系合金在室温时效后立即高温时效亦可达优异强度。图4为Mg、Si含量以及室温预备时效对其后高温时效后强度的影响。过剩之Mg、Si含量所形成之Mg2Si在0.9mass%以下时,可由预备室温时效来改善高温时效后之抗拉强度。此称为室温时效之正效果,6063合金正好为此组成。相对的,6061合金之室温时效为负效果,因此,6061合金淬火后直接高温时效处理有较佳之强度。此种二段时效处理为汽车车体铝合金化之相当重要技术,有愈来愈受重视的趋势。
    5.3.4改善耐蚀性之热处理
    不同高温时效条件可连续变化材料特性,因此必须依材料用途来选择适当之高温时效条件。以常用之7075合金为例。虽然T6处理之强度最优,但其耐应力腐蚀(SCC)破裂及耐剥离腐蚀破裂性质甚差,因此常以过时效之T7处理来改善耐蚀性。7075合金之T73处理及T76处理约分别降低15%及10%之降伏强度,但耐应力腐蚀破裂性则获得明显的改善。
    近年来,大都采用所谓RRA处理来改善应力腐蚀破裂性,此方法即为美国Alcoa公司所发展之A286制程,且己经以T77处理正式规 i以及g-Si7000ature)格化,目前应用在民用航空机B-777。此处理之方式系先执行T6处理后再于171℃~260℃短时间复原处理(retrogression),最后再度施行与T6同等之高温时效之三段时效处理。如此不仅可得T6相近之强度,且具有与T74~T76同等之耐应力腐蚀破裂性。
    铝合金比其它金属材料具有质轻之先天优势,考虑未来结构用件之轻量化,铝合金将脱颖而出。配合适当热处理条件之选择,不仅可获得所须之机械性质,而且也可兼具优异之耐蚀性。另一方面,若要拓展铝合金之应用范畴,除了新合金之开发外,新热处理技术之研究亦不容忽视。
    第六章 阳极处理
    6.1铝合金的表面处理可以藉由电化学反应,在铝合金表面产生一层致密的氧化膜,藉以提升铝合金的抗蚀性能。此层氧化层可在藉由水合作用将氧化层上的孔隙予以密封,此步骤称之为封孔处理。经封孔处理后的氧化铝,具有非常良好的耐蚀功能,如有重铬酸离子封于孔内,则效果更佳。此外氧化膜可在阳极处理中着色,提供多样化的铝合金材料,常用的发色法有(1)染色法;(2)一次发色法及(3)二次发色法。
    6.2合金成分与组织结构对铝合金阳极氧化的影响 :
    铝合金与纯铝的阳极氧化特性的差异实际上反映了合金元素与杂质元素的巨大作用,同时也反映了组织结构和表面状态的巨大影响。阳极氧化过去大量应用于Al-Mg-Si系6063变形铝合金挤压型材上。如将与6063合金相同的阳极氧化工艺用在Al-Cu系 2024合金或Al-Zn-Mg系7075合金上,就会遇到一些困难;如果用于高硅的压铸铝合金,问题就会更大。阳极氧化工作者如果对铝合金的金属学不太熟悉,则对于由铝合金本身引发的阳极氧化膜的缺陷常常会束手无策。6.3 各种铝合金的阳极氧化特性:
    铝合金阳极氧化可以有不同的目的:以提高铝基体耐蚀性为主的保护性阳极氧化;以外观为主要目的之装饰性阳极氧化;以工程应用表面耐磨为目的硬质阳极氧化;有时还要求阳极氧化膜的着色性或保持原表面的光亮程度。一种合金不可能适合所有的阳极氧化类型;任何一种阳极氧化也不会适合所有合金。
    6.4化学成分对阳极氧化的影响:
      各个铝合金系的阳极氧化特性是不同的。这是由于合金元素在阳极氧化中起的作用不同引起的,而且这种作用往往是通过其金属间化合物在阳极氧化中的不同化学行为体现的。金属间化合物大体分为三类:第Ⅰ类金属间化合物在阳极氧化中不发生变化并掺杂到氧化膜中;第Ⅱ类金属间化合物在阳极氧化中以比铝慢或相似的速度氧化并掺杂(或溶解)到氧化膜中;第Ⅲ类金属间化合物在阳极氧化中以比铝快的速度氧化并掺杂(或溶解)到氧化膜中。 对于无色透明的阳极氧化膜而言,光学透明度和结构均匀性是最基本的要求,因此了解金属间化合物相在阳极氧化过程中的化学行为就更加重要了。在铝合金阳极氧化过程中,第Ⅰ类金属间化合物质点本身不变化而加入到氧化膜中,膜中的第二相金属间化合物成为光吸收或光反射中心,必然会降低膜的透明度甚至使膜变灰。第 Ⅱ和第Ⅲ类质点还与质点的大小有关,同一质点超过某一尺寸 (取决于质点类型和阳极氧化条件)不可能完全氧化或溶解,就归人第Ⅱ类;如果质点极小可能属于第Ⅲ类,此时溶解速度大于铝,则氧化膜中可能不存在第二相质点,有利于膜的透明性。透明度最高的氧化膜是在高纯铝或高纯的AlMgSi合金上形成的,也就是说不存在任何金属间化合物,或者第二相已经优先溶解掉。合金的硅含量和热加工过程是比较重要的因素,以 Al-Mg-Si系合金为例,Fe和Si首先与Al生成AlFeSi金属间化合物,多出的Si生成Mg2,再过剩的Si以单质存在或溶于铝基体中。适合于透明氧化膜的硅含量是有非常严格限制的,浓度高时以元素硅的形式占优势,而浓度低时以Al(Fe,Mn)Si相占优势,它们都使得氧化膜变灰。
    6.5 组织结构对阳极氧化的影响
    就铝合金本身而言,除了化学成分之外,对于阳极氧化质量影响较大的就是组织结构。而组织结构是由加工过程决定的,因此从铸造到加工成型整个生产工艺必须考虑最终产品表面的质量要求。
    6.5.1 熔铸和均匀化过程中的冶金学变化
    6.5.1.1 熔铸
    铝在铸造过程中形成枝晶结构,枝晶大小取决于凝固速度。冷却太快形成细的柱状晶,靠近铸锭表面通常有一层柱状晶边沿区域,从结晶器壁向铸锭内部生长粗的枝晶。在挤压时铸锭的粗枝晶会在型材上留下条纹。这就是说由于凝固速度不同造成的结构差异,不可能在随后加工中完全消除。因此铸造过程应该充分考虑铸锭横断面上的结构均匀性,为此,热顶铸造及电磁铸造应运而生。
    6.5.1.2铸锭均匀化
    共晶相质点位于树枝状晶的晶间,这些第二相质点的分散性与晶粒尺寸直接相关,晶粒细产生细的质点。在熔铸的凝固期间溶质元素的偏析引起合金化元素聚集。均匀化处理导致更加均匀一致的组织结构,从而导致最终产品的性能一致性。均匀化过程中要区分高固浓度元素和低固浓度元素,前者(如Si、Cu、Mg、Zn)可能会大量溶解,降低或消除偏析。低固浓度元素的初生质点主要是AlFeMnSi型金属间化合物,枝晶间的粗质点由于均匀化而被球化,在某些情形下也可能发生相变,形成次生的微细的弥散型质点。就6063合金而言,均匀化处理不仅针对Mg2Si的溶解,而且要考虑富Fe的β相的转化。
    6.5.2 加工成型过程中的冶金学变化
    较大的初生相质点通常是硬而脆的颗粒,通过冷或热成形加工被破碎,破碎的质点碎片重新分布。在破碎中,质点的厚度一般不变,而碎片的长度减少到厚度的两倍。由此可以看出,细晶胞结构的意义在于初生相质点本身相应细小,加工成型的结果造成更加均匀的分布。初生相质点位于晶粒和晶界,并延伸为线。变形率愈高,线靠得更紧密,而每一条线的质点数较少。在挤压时坯料表面与挤压筒间的摩察使金属变形呈复杂的流动状态,挤压材的表面大量来自于铸锭内部的金属,在某些位置(取决于模具的尺寸和形状)明显偏析的材料会流到挤压材的表面,从而在阳极氧化后产生条纹。以挤压为例,许多挤压参数在挤压过程中有待控制,以得到最佳表面质量。这些参数包括压余长度、坯料温度、挤压筒温度、挤压速度、模具设计和挤压后的冷却强度等。
    6.6 表面状态对阳极氧化的影响
    阳极氧化膜的外观与氧化之前的表面状态息息相关,而化学预处理(尤其是碱洗和化学抛光)决定着表面状态。当然,化学预处理后的表面状态本质上还是取决于基体的显微结构,金属间化合物的类型、大小和分布,以及晶粒尺寸及其取向。而这些又与合金成分及加工工艺有关。
    6.6.1 碱腐蚀
    在建筑用铝板和铝型材的阳极氧化中,碱腐蚀是最基本和最重要的预处理手段。碱腐蚀得到无光缎面的细致腐蚀表面,这是高比例漫反射的结果。表3为铝合金中金属间化合物颗粒在碱腐蚀时的电化学特性。不同的金属间化合物,甚至粒度不同的同一化合物也会有完全不同的电化学特性。铝合金中由于金属间化合物第二相的存在形成表面腐蚀坑的机理有两种:第二相作为阴极(如Al3Fe)使得颗粒周围的铝基体优先溶解;第二相金属间化合物颗粒相对于铝基体是阳极(如Mg2Si)而优先溶解。 铝合金中第二相金属间化合物的存在,不论其相对于铝基体是阴极还是阳极,在碱腐蚀时表面都会形成腐蚀坑,从而产生无光的漫散射表面。前者由于第二相周围的铝的局部溶解形成腐蚀坑;后者由于中间化合物的直接溶解而形成腐蚀坑。因此我们可以预计,化学或电解抛光的光亮效果很难在多相铝合金的阳极氧化后体现。
    6.6.2光亮化预处理
    光亮化表面处理的铝基体纯度应达到99.85%以上,因此需要注意生产的全过程,从氧化铝原料的质量、重熔铝锭的冶金过程,直到加工成型的所有工序如熔铸、挤压(或轧制)等。工业用光亮表面的铝合金虽已开发出来,但是不能不承认在化学抛光过程中,表面光亮度还是随铝纯度的提高而增加。图1系不同纯度的铝(99. 98Al、99.95Al、99.90Al、99.85A1和99.50Al)其磷酸光亮化处理的镜面反射率与铁硅含量的关系,说明随着铁硅含量的增加镜面反射率下降。Al99.90Mg与Al99.85Mg的纯度相差0. 05%,表面光亮度一般相差大约10-15点(按0-100标尺,0和100 分别是最低和最高镜面反射率),其主要原因在于铁与硅不能固溶在铝基体中。 合金中添加铜在磷酸抛光工艺中可以改善光亮度(比较表4中第2与第3行)。铜含量少到0.05%时对光亮度还具有肯定的正面作用。这并非是由于铝合金显微结构的变化所致,而是由于光亮化过程中铜的溶解并在表面上再沉积催化了阴极反应。这种正面作用在氟化物(氟化氢铵、氢氟酸和硝酸)抛光工艺中不会发生,因此铜的存在不会对氟化物抛光的光亮度有正面的影响。
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