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合金加工的基本知识

 

一、合金介绍

 

1

、组成

 

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在铝合金系列中属于

Al-Mg-Si

系，

基体为铝

（

Al

）

，

主要的元素为镁

（

Mg

）

和硅

（

Si

）

，

当把镁

（

Mg

）

和硅（

Si

）加入到液态的铝中时，镁（

Mg

）和硅（

Si

）就会溶解在铝中，当冷却为固态，镁（

Mg

）和硅（

Si

）

仍然保留在铝基体中，

不会析出，

并且形成金属间化合物

Mg

2

Si

，

同时因为铝中还有杂质元素铁

（

Fe

）

、

锰

（

Mn

）

等，还会形成

AlFeSi

，当加入的

Mg

比

 

Si

多时还可能形成

Mg

2

Al

3

。

 

2

、元素的作用

 

2.1Mg

和

Si 

 

金属中的

Si

先生成

AlFeSi

、

AlFe

（

Mn

）

Si

，余下的生成

Mg

2

Si

，还有多余时生成游离的硅

（

Si

）

，但若硅（

Si

）不足即镁（

Mg

）有多余时则生成

Mg

2

Al

3

。

Mg

2

Si

的

Mg

和

Si

的重量比为

Mg

：

Si=

（

2

×

24.3

）

/28.1=1.73

；其中

24.3

为镁的原子量；

28.1

为硅的原子量。

AlFe

（

Mn

）

Si

中的（

Fe+Mn

）和

Si

重

量比为

（

Fe+Mn

）

：

Si=55.8+55/28.1=3.94

≈

4

；

其中

55.8

为铁的原子量，

55

为锰的原子量。

所以实际生成

Mg

2

Si

的硅（

Si

）量为

Si

总

-0.25

（

Fe+Mn

）

，这就是配料时要控制铁（

Fe

）和锰（

Mn

）含量的原因。

 

2.2

硅（

Si

）的作用

 

 

生成

Mg

2

Si

可起强化作用，过量的硅（

Si

）可溶解于基体中（

550

℃时硅在铝中的溶

解度可达

1.65%

）

。

在室温下析出细小质点有强化作用，

但使挤压性能下降，

常控制过量硅

（

Si

）

不多于

0.2%

；

当硅（

Si

）不足时，过剩镁（

Mg

）生成

Mg

2

Al

3

，使加工性能降低。

 

2.3

铜（

Cu

）作用

 

 

很少的铜溶解在基体中，促进时效时的析出物更细小，防止时效前因等待而造成的不

利作用；量多时会形成

CuAl

2

 

相；很多时则变为

Al-Cu-Mg-Si

系合金（硬铝）

。

 

2.4

铬（

Cr

）作用

 

 

有利于抗拉强度提高和成形性，可细化晶粒。

 

2.5

铁（

Fe

）作用

 

 

不可多于

0.15%

，否则氧化后表面发灰。

 

3

、合金含量划分

 

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合金各项含量范围：

Mg

2

Si

为

0.6~1.2%

，镁（

Mg

）为

0.45~0.9%

，硅

0.2~0.6%

，一般分为如下三个

区间

 

：

 

合金类型

 

含量（

%

）

 

性能

 

Mg 

Si 

Fe 

Mg

2

Si 

过量

Si 

 

б

0.2

 

δ

%

 

HW 

A

易挤型

 

0.45 

0.35 

0.15 

0.7 

0.05 

>180 

12 

7~9 

B

普通型

 

0.51 

0.4 

0.2 

0.8 

0.06 

>230 

11 

10~12 

C

高强型

 

0.57 

0.45 

0.25 

0.9 

0.07 

>250 

11 

12~14 

4

、合金含量计算方法：

 

合金类型

 

含量度

 

 

 

Wt% 

f

si

 

r

si

 

c

si

 

Mg

2

Si 

e

si

 

A

易挤型

 

0.0375 

0.3125 

0.2601 

0.7101 

0.05 

B

普通型

 

0.05 

0.35 

0.295 

0.805 

0.055 

C

高强型

 

0.0625 

0.4375 

0.329 

0.899 

0.06 

说明

: f

si

表示形成

AlFe(Mn)Si

相消耗的

Si

，

f

si

=0.25(Fe%+Mn%)

；

r

si

可形成

Mg

2

Si

的

Si

，

r

si

=Si%- f

si

，生成

Mg

2

Si

需消耗的

Si

，

c

si

=0.578Mg%

；

Mg

2

Si

含量，

Mg

2

Si=Mg%+Si%

；

e

si

表示过量

Si

，

e

si

= r

si

- c

si

 

二、过程原理

 

1

、温度与时间过程

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

、有独立均质化处理的

T-H

曲线

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

曲线为典型的

T-H

曲线，

b

曲线为省略了单独的均匀化过程，而将铸态铝棒慢速升温，在炉内达到均

匀化条件再冷却到挤压温度的一种简便方法，实践证明该方法对

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是很有效的。

 

2

、

Mg

、

Si

、

Mg

2

Si

、

AlFeSi

在过程中的变化

 

过程

 

图

 

 

 

 

 

 

 

示

 

说

 

 

 

 

 

 

 

明

 

 

熔

 

 

铸

 

熔

 

解

 

 

Si

或

Al-12Si

，

Mg

溶解到铝液中

 

铸

 

造

 

 

Si

、

Mg

2

Si

、

AlFeSi

等合金或单体主要集中在铝基体晶间、晶界，也有少

量在晶内，形成粗大化合物

 

均

 

质

 

 

①针状的

β

-AlFeSi

转化为球状的

α

-AlFeSi

，使挤出品表面更好；②晶界

溶解，晶间化合物溶解，均匀细小的

β

′、

β

″

Mg

2

Si

大量成核，极易在

挤压时溶解；③化学元素分布更均匀

 

挤

 

压

 

 

β

′、

β

″

Mg

2

Si

大量溶解成游离质点均匀分布在铝基体中，

α

-AlFeSi

均匀分布在铝基体中（称为固溶过程）

 

时

 

效

 

 

β

′针状的

Mg

2

Si

在铝原子间形成网状结构，

能有效阻止铝原子互错，

使

铝变形困难，从而产生强度

 

三、生产过程

 

1

、熔铸过程

 

1.1 

配料

 

 

要依设定的

Mg

2

Si

，过剩

Si

量估算须多少镁（

Mg

）

、硅（

Si

）控制铁（

Fe

）含量，然后炉前化

验铝锭，废料中含硅（

Si

）

、镁（

Mg

）

，铁（

Fe

）量决定添加量。

 

1.2 

熔解

 

 

防止硅（

Si

）沉底结渣，镁（

Mg

）浮面燃损与吸氢

 

1.3 

精炼

 

 

加精炼剂冰晶石将

Al

2

O

3

溶解以浮渣形式去除，释放氯气与氢气结合形成

HCL

挥发，防止氮气

不纯（含

O

2

，

H

2

O

）造成二次污染，纯净的

N

2

，精练剂是可以将渣打到基本没有的。

 

1.4 

铸造

 

 

温度、速度、水压、水温有赖现场操作者找到最优条件，并以文件形式固定下来。

 

2

、挤压过程

 

2.1 

铝棒加温

 

 

本厂采用的

b

）

T-H

曲线工艺，故铝棒加热三区之功效须搞清楚

 



 

入料区：加温，尽可能调整油枪功率至

1-2

小时内将棒温升到

570

℃左右。

 



 

中间区：均匀化保温区，应保证棒在

570

℃保温

1-2

小时。

 



 

出料区：降温区，将棒温降至挤压理想温度。

 

2.2 

挤压

 

应保证挤压出模孔温度在

500-530

℃之间，

突破压力小于

220kgf/cm

2

（超过时应有主管在场控制）

，

速度以表面、焊合性、出口温度为标准调控，冷却速度应保证型材出模孔后

1

分钟内冷却至最少

350

℃，最

佳

250

℃以下。可依型材分别采用水冷、雾冷、风冷、自然冷却。

 

2.3 

时效

 

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停放效应不十分严格，一般不必限制挤出到时效间歇时间，时效最主要的是要保证通风良

好，炉温均匀性在±

5

℃以内，炉温应准确，测温误差不超过

3

℃，主要原因是不同温度下时效保温时间与硬

度差别明显。

 

3

、挤压模具

 

b

、铝棒炉慢速加温的

T-H

曲线