铝合金加工手册.docx

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铝合金加工手册

1070

1060

D97

3003

铝合金加工使用手册

前言

第一章合金熔炼与铸造

1.1铝合金熔炼

1.1.1铝合金熔炼特性

1.1.2铝合金熔体保护和精炼

1.13铝合金熔炼工艺流程

1.1.4配料即化学成分设计

1.2铝合金铸造

1.2.1铝合金铸造性能,

1.22铸造工艺

第二章铝合金最织与力学性能

2.1铝合金显微组织

2.2铝合金力学性能

第三章铝合金材料陷分析

3.1化学成分废品

3.2夹渣

3.3杂质Fe,Si

3.4裂纹

3.5缩孔、疏松

第四章铝合金新焊工艺

4.1焊接钎料润湿

42焊接缺陷形式及其原因

4.3焊接工艺

4.4钎焊组织特性

前言

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2.73g/m3,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、治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。

第一章铝合金熔炼与铸造

1.1铝合金熔炼

1.1.1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硫松的主要原因。

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Y-AL2O3YXH2O形式存在的络合氢.

大气中氢含量很低,氢分压约为5Pa,面在熔炼时,炉气中的分子氢同样很低,以致铝炉料与氢反应不能产生海氢,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。

2AH+6H2O=AL203,+6H图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）gPH2O

C-熔体中氢的平均含量/Cm3-（100gAy）-1

T一熔体绝对温度/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

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a-Al2O3和y-Al2O3。

a-Al2O3对氢是惰性的,对氢含量影响很小,Y-AL2O3容易与氢形成Y-AL2O3XH型络合物,使溶液和气相之间的平衡，促进熔体吸氢。

1.12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

在进行情性气体精炼时,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

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:

熔炉准备一炉料准备-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

1.14配料即化学成分设计

合理的化学成分设计可免材料出现热裂纹等缺陷,连续将造工业纯铝能时,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）:

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计算各种度料及其带入元素量：

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

5.1-1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

牌号

其他

ALA

1070

<0.2

<0.25

<0.04

<0.03

<0.04

<0.03

99.7

1060

<0.25

<0.35

<0.05

<0.03

<0.05

<0.03

99.6

D97

<0.2

<0.25

0.15-0.4

<0.03

<0.04

<0.03

99.5

3003

<0.6

<0.7

0.05-0.2

1.0-1.5

<0.1

<0.04

<0.05

当工业纯铝的的品位数高。

及合金中的含量小于0.35%时,应当控制Fe大于Si,以降低铸锭生热裂纹倾向,在进行合金生产时,应严格按照内控标准进行进行成分控制以保产品质。

1.2铝合金铸造

1.2.1铝合金铸造性能

12.1.1液金属的流动性

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

铸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、N倾向于晶界、枝晶界偏析,而Cr、T、V、易于在枝品网格内集中。

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选应力

铸锭在表固过程中及在随后的继续冷却过程中,在待能内产生的应力叫造应力。

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特造工艺

12.2.1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）结晶器的机构

3）铸造速度

1.2.2.2铸造速度

铸造速度对铸锭力学性能的影啊取决于它对结晶速度和过渡带尺寸影响的综合结果。

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,待锭力学性能下降。

1.2.2.3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,是铸淀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,是结品前沿温度梯度变陡,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品的趋势增大,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。

参数

牌号

1070

1060

D97

3003

精炼剂

型号

Pyrotek

用量%

0.3-0.5

覆盖剂

型号

Pyrotek

用量/KG.m2

0.3

中间合金

AL-cu%

0.3-0.6

0.1-0.5

AL-MN%

2-3

AL-RE%

0.3

AL-FE%

0.5

AL-SI%

0.3

精炼温度

720-740

精炼时间/min

静止时间/min

放铝水温度/℃

740-760

细化剂

ALTI5B1

上浇包温度/℃

690-710

铸胚温度/℃

510-530

冷却水压mpa

0.2-0.23

浇铸速度m/min

10-12

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操作

第二章铝合金锭显微组织与力学性能

2.1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杈都具有相同的结品轴取向,各树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1um-2um之间。

铝合金铸锭典型的结品组织有表面细晶带、柱状晶带和锭心等轴晶带组成。

当铝合金讲行变形加工时,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品,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,采用光学相显微镜采集金相照片。

图2-11060铝合金金相组织（1.2铸态，3-4轧制，5-6挤压）

图2-2D97铝合金（12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。

图23003铝合金链态组织图片（1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网棒铸锭,从图2-3可以看出,3003铝合金材料组织由a-A和Mn,Fe）Al,相组成,（MnFe）Al相沿a-A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a-Al晶界析出.

2.2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、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。

品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

参数

牌号

1070

1060

D97

铸态

抗拉强度mpa

70-80

75-95

延伸率%

40-50

硬度/HV

23-25

25-28

轧制

抗拉强度mpa

95-105

100-110

110-120

延伸率%

24-30

18-23

硬度/HV

32-35

33-36

挤压

抗拉强度mpa

50-70

60-80

100-110

延伸率%

40-50

36-43

25-30

硬度/HV

27-30

27-32

第三章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、硫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

变形铝合金化学成分（主要化学成分与杂质）超出国家标准（GBT3190-1996）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.搅排不均匀。

3.2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,夹渣可促使二次硫松和气孔。

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3-11060铸态铝合金显微组织SEM图片

3.3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Si<05%时,应使Fe>Si%,以减低铸锭的热烈傾向。

同时,Fe、Si含量增加将组织内Alfesi硬质相增加,Alfesi相沿a-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3-21060铝合金显微组织SEM图片

3.4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:

在铸锭随后的维续冷却时<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所示

图3-3D97材料显做组织

（1）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。

3.5缩孔、疏松

当溶体结晶时,由基体数值晶问液体金属补充不足或存在末排除的气孔（主要为氢气）,结晶后在技晶内形成的微孔称疏松，由补缩不足一起的微孔为收缩疏松，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

铝合金铸锭中的硫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硫松缺陷。

图3-41060铝合金组织内的缩孔与疏松

此外，在铝合金制品中还在过烧、成份偏析、气孔、羽毛晶以及白斑等缺陷。

第四章铝合金钎焊工艺

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,低于母材点的温度,利用液态针料润湿母材,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:

可悍异种金属,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,针焊在机械、电机、仪表、无线电等制造业中得到广泛应用。

钎杆得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、清洗新生成的链接6步组成。

4.1焊接杆料润浸

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,可用轩料（液相）与母材（固相）相接触时的接触夹角大小来表示。

影响纤料润湿母材的主要因素有

1.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。

若料与母材能相互溶解或形成化合物,则认为料能较好地润湿母材。

2焊温度

焊加热温度的升高,由于料表面张力下降等原因会改善料对母材的润湿性,但纤焊温度不能过高,否则会造成纤料流失,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,纤焊前必须充分清除氧化物,才能保证良好的润湿作用。

4.母材表面粗度

当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,可以改善针料在母材上的润湿与铺展。

5.针剂

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。

4.2钎焊接快陷形式及其原因

钎焊接头的缺陷形式及其成因主要省以下几点

1填隙不良,部分间隙未被填满

（1）接头设计不合理,装配间过大或过小,装配时零件歪季斜

（2）轩剂不合适,如活性差,剂与料熔化温度相差过大,绮剂填隙能力差等:

或者是气体保护针焊时气体纯度低。

真空行焊时真空度低:

（3）料选用不当,如轩料的润湿作用差,轩料量不足

2.针缝气孔

（1）接头间原选择不当

（2）焊前零件清理不净

（3）剂去膜作用或保护气体去氧化物作用弱

（4杆料在焊时析出气体或料过热。

3.钎焊夹渣

（1）钎焊剂使用量过多或过少:

（2）接头间隙选择不当

（3）钎料从接头两面填缝:

（4）轩料与钎剂的熔化温度不匹配:

（5）针剂比重过大

（6）加热不均匀

4.缝开裂

（1）由于异种母材的热膨胀系数不同,冷却过程中形成的内应力过大

（2）同种材料轩焊加热不均匀,造成冷却过程中收缩不一致

（3）针料凝固时,零件相互错动

（4）轩料结晶温度间隔过大

（5）缝性过大

5.针料流失

（1）焊温度过高或保温时间过长

2）钎料安置不当以至未起毛细作用：

3）局部间隙过大。

6.母材被溶蚀

（1）轩焊温度过高,保温时间过长

（2）母材与轩料之间的作用太剧烈

（3）钎料量过大

4.3焊接工艺

本公司所采用的具体轩焊工艺、焊接材料如表4-1、表4-2所示:

铝合金钎焊组织如图41所示。

表4-1钎焊工艺参数

焊接类型

编号

母材

焊丝

焊接缝隙

焊接温度

AL-AL

1060

3003

AL718

50-80UM

580-590

D97

3003

AL718

50-80

580-590

3003

AL718

50-80

580-590

AL-CU

紫铜

3003

AL802

80-100

560-580

紫铜

1060

AL802

80-100

560-580

CU-FE

紫铜

表4-2钎料以及钎剂的化学成分及供应商

材料

型号

供应商

钎料

AL718-4047

上海瀚思宝绍天龙

钎剂

AL802

绍兴天龙

4.4钎焊组织特性

合理的焊接工艺可确保连接处拥有良好的性能,当焊接工艺错误时,将严重影响焊接质量,如出现焊缝未填满,出现气孔、夹渣和开裂等现象。

图4-1为铝合金焊正常组织,图4-2为铝合金针焊中所出现的典型焊接缺陷。

从图4-1、4-2可知,正常焊缝组织由母材与悍丝组织组成,焊缝处润湿良好,钎料填整个、面当零件未清洗于净或纸剂使用不当时,悍接处将会出現气孔、夹渣、开裂国为等现象

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