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新型运输设备高强度铝合金材料

技术开发

中铝贵州分公司电解厂

2005年4月

一、前言

二、投资机会研究

三、项目开发技术及创新要点

四、开发内容及过程

1.气幕铸造技术及工装简介

2.铸造工艺流程

3.优化合金化学成分

4.生产工艺优化探索

1熔炼工艺制度

2净化工艺

3铸造工艺

4均热工艺

5.金属实收率的提高

6.中心裂纹的避免

五、产品检测

1.化学成分控制情况

2.金属实收率核算

3.晶粒结构分析结果

4.金相检查

5.产品外观检查

六、综合效果评估

1.经济效益

2.社会效益

七、结论

一、前言

6061铝合金与6005A类同，属热处理可强化合金，具有良好的可成型性、可焊接性和可机加工性，同时具有中等强度，在退火后仍能维持较好的操作性。

其挤压材适用于强度大于6063铝合金的工业应用，经济效益远大于民用材料。

主要用于高速列车、卡车、敞车、航空固定装置、塔式建筑、船舶等用的管、棒、型材及其他需要较高强度、可焊性和抗腐蚀性能的建筑材料应用领域。

中铝贵州企业是大型的国有铝生产联合企业，拥有自己的原矿开采、氧化铝生产、电解铝生产和重熔用铝锭、精铝、变形铝合金铸锭、扁锭、线杆及铝用碳素制品生产线。

通过多年的积累，企业现有的设备和生产工艺技术，在国内铝工业中具有较高的水平。

为生产高质量的变形铝合金产品，中铝贵州分公司于2000年引进了具有20世纪末的国际先进水平、产品质量居国内领先水平的气幕铸造生产线（主产6063圆锭），系统包含当今国际先进水平的熔炼、净化设备；合金铸造设备、过程检测仪器等系列设备设施及成套的系列工艺。

鉴于6061合金的应用特性，在当前国内外交通运输业高速发展的局势下，开发这种合金具有较好的市场前景。

目前国内6061合金的生产，使用普通热顶铸造工艺或同水平半连续铸造工艺及装备进行，存在产品质量较低、难于提高生产规模等缺点。

我公司使用引进的气幕铸造工艺技术及装备，并采用液态电解原铝开发生产大直径6061合金铸锭，能确保企业在成本，产品质量方面占居市场竞争优势。

针对气幕铸造工艺的技术特点，经过对该合金熔炼、净化、铸造及均质工艺的优化探索，开发生产φ380mm6061合金圆铸锭获得成功：

产品各项技术指标达到同类产品的国际先进水平；经天津柯鲁斯公司等用户试用，效果良好。

成功完成的开发项目，经济效益显著，为企业储备了技术，储备了产品，增强了企业的发展后劲，为我公司经济效益的持续提高提供了新的增长点。

二、投资机会研究

近年来，随着世界经济的稳步增长,人均收入和消费水平大幅度提高,从而刺激了铝挤压材的消费。

目前世界铝挤压材消费达到平均1公斤/人.年，而发展中国家铝挤压材消费水平较低，与发达国家相比差距还很大。

从世界铝挤压材消费现状和发展趋势看，处在发展中的中国铝挤压材市场还没得到充分的开发,这预示今后几年甚至几十年内我国铝挤压材的生产和消费都有着良好的前景。

交通运输是铝材应用前途较广的部门。

交通运输工具在向着高速、多载、节能、安全、美观舒适与注重环保的方向发展，已是全世界的一种大趋势。

意大利米兰、日本东京、德国的地铁和瑞士的铁路包车上均采用了铝结构，比钢结构减重50％左右。

在汽车制造方面，车身大梁、侧板空心型材、侧柱型材、货箱壁板材、带槽壁板的车箱板型材、棚架型材等均可用铝合金型材。

美国已在1974年开始生产铝合金型材用作卡车底盘。

有关资料显示，欧洲1999年轿车用铝量为85公斤/辆，2005年预计用量可上升到130公斤/辆，其中铝挤压材占10%左右。

从国内市场的发展前景看，普通挤压材已能满足市场需求,但工业型材及一些特殊用途的铝合金管棒材仍不能满足国内市场需求,需靠进口解决。

如与电力半导体器件配套的铝型材散热器、电动机挤压铝壳体、齿轮泵壳体用铝合金挤压型材等都是今后重点推广使用的产品。

随着铁路、公路交通车辆的高速化、轻型化、节能化、美观化的发展，铝合金结构型材在这方面的应用也显示了其特有的优越性。

在未来21世纪中，汽车、铁路等运输业对铝型材的需求具有很大的潜力。

据专家分析，在未来20年中，建筑铝型材还会成稳定的增长，但增长率会逐步放慢。

而工业型材则相反，其消费则会呈现上升趋势。

估计在本世纪的前十年，铝挤压材的综合增长率为3%左右，则2010年挤压材消费量为205万吨左右，其中铝型材消费约180万吨左右，工业型材约占20%左右。

随着铝加工业的发展，我国铝材产品的品种不断扩大，质量也在逐年提高。

但由于技术装备的限制，有些品种虽已能生产，但不能批量供应，满足不了市场需求，有些产品尚属空白。

如合金品种美国达170多种，而我国只有140多种；加工材供货状态美国25种，我国仅有10种。

我国的铝加工由于中、小企业居多，存在着大量落后的生产工艺和设备，总体水平与世界先进水平仍有较大差距。

长期以来，我国铝合金圆铸锭生产多采用普通热顶铸造，在实际生产过程中，由于存在以下问题，如铸锭外观质量较粗糙，铸锭内部质量易有缺陷，工人劳动强度较大，产能较低，不能实现在线连续润滑等缺陷，极大地制约了铝合金的发展。

随着铝合金应用技术的发展，铝合金的应用领域得到了极大的拓展，产品逐渐向大型化和多品种规格、高性能、尖端科技等方向跃进，特别是近年国家致力于能源和运输业，列车车辆和海上钻井平台所需的高强度、高耐蚀性材料迅猛增加，普通热顶铸造技术生产的合金圆锭已越来越不能满足要求。

由于近年来中国城市轻轨的高速发展，以及航空航天和交通运输用铝的拉动，2002年大断面工业铝型材生产取得了空前的突破性进展，成为举世瞩目的焦点。

以西南铝、山东丛林为龙头，以吉林麦达斯和天津柯鲁斯为羽翼的大断面工业型材生产阵容浮出水面，国民经济建设各部门所需的大型铝合金型材与管材的国产化和产业化水平大大提高。

目前我国运输用铝型材的市场增幅很快，汽车、高速列车、城市轻轨、航空航天、船舶、集装箱及自行车用铝型材的应用不断增长，已占有全国铝型材市场消费量的1/3强。

汽车轻量化是实现高速、安全、环保、舒适的最佳途径。

铝合金代替传统的钢铁制造汽车，可使整车自重减轻30%—40%，制造发动机可减重30%，制造缸体和缸盖可减重30%—40%，轿车全铝车身比原钢材制品轻40%以上，汽车铝合金车轮减重50%左右。

未来汽车的铝化极限可达30%—50%或以上。

新的汽车铝材开发与应用集中在三个方面，其一，车身、车架全铝化及大型铝合金型材的开发应用；其二，防冲挡及车门钢性结构的全铝化；其三，转动部分零部件的全铝化。

中国汽车工业“十五”发展规划提出，到2005年汽车总产量将为400万辆，其中轿车约为150万辆，约占汽车总量的35%，铝合金的用量将随着各类汽车产量的上升而增加，必将给我国铝工业提供广阔的市场，带来新的发展机遇。

6061铝合金与6005A类同，属热处理可强化合金，具有良好的可成型性、可焊接性和可机加工性，同时具有中等强度，在退火后仍能维持较好的操作性。

其典型的机械性能及物理性能如表一、表二所示。

表一6061合金典型机械性能

状态

拉伸强度

屈服强度

延伸率

硬度（a）

剪切强度

疲劳强度（b）

MPa

ksi

MPa

ksi

样品厚度

1.6mm（1/16in）

MPa

ksi

MPa

ksi

124

T4,T451

241

145

165

T6,T651

310

276

207

注：

（a）载荷500kg;（b）R.R.Moore型试验，循环5*108次全反向应力。

表二6061合金物理性能

状态

电阻率

电导率

热导率

nΩ·m

%IACS

W/（m·K）

180

T4,T451

154

T6,T651

167

密度：

20℃（68℉）时为2.70g/cm3（0.098lb/in3）。

固溶温度530℃（985℉）

6061合金挤压材适用于强度大于6063铝合金的工业应用，经济效益远大于民用材料。

鉴于我国铝合金熔铸技术与世界先进水平存在较大差距的现状，分公司于2000年引进了德国VAW公司同水平多模气幕铸造工艺及成套设备，当年完成了系统设备的安装调试和工艺技术的消化吸收，系统投入了正式生产运行。

用原铝直接铸造锭坯可省去重熔，从而可减少烧损与免除能耗，大幅度降低生产成本，以现行价格计算，与使用重熔锭为原料比较，用原铝直接铸造锭坯可使所产锭材的成本降低500元/t以上。

我国仅在型材锭坯、铝线杆和低档的铸轧卷等方面少数厂家采用电解原铝液直接铸造或铸轧的方法，总量不到原铝产量的15%，远远低于欧美发达国家的60%—70%。

采用电解铝液直接铸造或铸轧，可减少重熔的燃料、冷却水消耗和铝烧损约545元／吨，约为铝加工企业生产挤压锭坯的加工成本的50%。

2002年我国铝消费538.2万吨，其中铝加工材274.4万吨。

若其中一半采用直接铸造或铸轧，每年将节约7.4亿元。

目前国内6061合金的生产，使用普通热顶铸造工艺或同水平半连续铸造工艺及装备进行，存在产品质量较低、难于提高生产规模等缺点。

我公司使用引进的气幕铸造工艺技术及装备，并采用液态电解原铝开发生产大直径6061合金铸锭，能确保企业在成本，产品质量方面占居市场竞争优势。

三、项目开发技术及创新要点

1设计使用气幕铸造成套工装，有利于生产规模及产品质量的提高；

2使用液态电解原铝为主要原料，显著降低合金生产成本；

3优化合金化学成分，进一步改进产品性能；

4以6063合金生产的成熟工艺为基础，针对气幕铸造工艺的技术特点，考虑生产成本探索提高添加物料金属实收率的有效措施，开发过程对熔炼工艺、净化工艺、铸造工艺、均热工艺进行探索优化，并探索了避免大直径6061合金锭产生中心裂纹的措施；

四、开发内容及过程

1.气幕铸造技术及工装简介

常规的热顶铸造，由于热顶内铝及铝合金熔体产生的静压力直接加在结晶器上，凝壳与结晶器壁之间产生很大的磨擦力，容易造成铸锭表面裂纹缺陷，单一供润滑油润滑的方法很难减少其阻力，同时受结晶器的一次冷却的影响，铸锭表层下的晶粒不够细小、组织不够致密，铸锭表面和内部质量不能得到根本改善。

众所周知，改善铸锭质量、特别是减少皮下偏析，主要有三种途径：

一是铸造时在结晶器中的熔融金属液穴浅；二是减缓结晶器一次冷却速度；三是减少结晶器有效高度。

气幕铸造充分考虑了上述要求，在热顶铸造结晶器内引入了空气

1-----热顶

2-----过度帽

3-----压缩空气入口

4-----润滑油入口

5-----冷却水

6-----油、气隙（隔热膜）

7-----结晶器

和润滑剂两段润滑，形成油/气混合物润滑隔热幕（垫），克服了热顶铸造技术的不足，改善了铸锭成型条件，开发出气幕铸造新技术。

（图1）气幕铸造工作原理图

（图1）示出了气幕铸造工作原理，气幕铸造是在热顶结晶器中采用了润滑油和压缩空气两段连续润滑系统，形成一种介于结晶器模壁和熔体之间的油/气混合润滑幕（垫）；控制好油、气压力和流量，产生的油、气幕（垫）稳定，使其与熔体静压力的变化平衡。

铸造过程熔融金属穿过模壁的热损失明显减少，大大减缓了一次冷却。

理论上认为，隔热膜本身是绝热体，在结晶器内生成的液穴是平的，几乎与结晶器垂直。

实际上，油/气幕（垫）外边存在水冷模、内为熔融金属，自身与其介质间存在温度梯度，必然有热传导作用，因此，仍存在一次冷却，但其强度大大降低，产生的液穴也较浅，相对应的各点结晶速度有所提高，过渡区变窄，尤其是边部，阻止了铸锭边缘产生的最小偏析，所以铸锭结晶过程易补缩，有利于排出气体，不易产生偏析。

气幕铸造是热顶铸造的特例，由于热顶的存在，上流导热距离（UCD：

由铸锭直接喷水线向上的冷却作用至铸锭表面上凝固线间的距离）包含的工艺参数都会影响铸锭的质量。

上流导热距离（UCD）的控制方程为：

αCp（t0-t1）+Q

UCD=-Ln

VCp（t0-tg）+Q

式中：

α-被铸造合金的热扩散系数，

V–铸造速度

Cp-被铸造合金的热容量

tg-冷却带的激冷温度

t0-结晶器上部（热顶内）熔体温度

Q-熔化潜热

可见,V、t0、tg是可调变数，铸造工艺关键是合理选择铸造速度、铸造温度和冷却水压来控制UCD。

a.UCD太大,熔体在热顶内开始结晶。

易出现“光亮成层”、引起铸锭拉裂、冷隔等缺陷；

b.UCD太小，熔体结晶距热顶下口太远。

则会出现严重熔析和拉痕，甚至漏流；

c.UCD合适，铸锭表面光滑。

UCD范围最大值时,凝固前沿终止在结晶器上缘与热顶的结合处，满足适宜条件，会出现UCD范围最小值。

经验表明,生产中h结一但确定：

UCD=h结（结晶器高度）+喷水润湿线至结晶器下缘的距离（0～10mm）,可以得到好的铸锭质量。

由于气幕铸造是利用油/气幕（垫）产生的背压平衡热顶熔体的静压力，支撑熔体成型，然后直接二次冷却凝固成铸锭，而冷却点又在固液交界面附近，所以气幕铸造结晶器的凝固轮廓形状与电磁铸造非常相似。

可以说，熔体不与结晶器接触的情况下凝固，根据凝固速度和铸锭质量，气幕铸造技术比其它任何铸造方法更类同电磁铸造，另外，结晶器整体高度的缩小，技术条件的控制对铸造过程及产品质量的影响就更为突出。

首先是UCD数值的允许波动范围变得狭小，发生熔体漏流的危险性显著增加；同时对熔体质量、铸造速度乃至冷却水质量都提出了很高的要求；由于润滑和隔热完全依赖于形成的气幕，在导入空气的压力与熔体高度的静压间建立稳定的平衡，确保熔体与结晶器器壁间形成均衡一致的气幕就显得格外重要。

这就要求气幕铸造过程所有技术条件的控制必须非常仔细。

本项目的开发过程即使用我公司引进的德国联合铝业公司气幕铸造（AirVeilTM）生产线，其结晶器主要设计参数如表三所示。

表三

合金

铸锭规格（mm）

结晶环高度（mm）

结晶器内径（mm）

热顶帽高度（mm）

6061

φ380

380

另外，本项目使用系列先进的工装还有：

25t熔保炉组、法国彼施涅TS35在线除氢装备、27t全液压铸机、20t电加热均热炉组、HPI大型锯切机列以及检测熔体氢含量的ALSCAN测氢仪测氢和探检铸棒裂纹的PXOT-230/260型超声波探伤仪。

以确保产品质量及开发过程的顺利进行。

2.铸造工艺流程：

ZLD102合金入炉原铝入炉搅拌Cu、Cr添加剂入炉

镁锭入炉搅拌造渣剂入炉搅拌扒渣中

间分析转注至保温炉氮气喷粉精炼搅拌扒渣中间分析静置在线Al-Ti-B线杆细化晶粒在线除气过滤

铸锭均匀化锯切打捆

3.优化合金化学成分

1国标

6061合金化学成分的国家标准如表四所示：

表四6061合金化学成分国家标准

成分

Si%

Fe%

Cu%

Mn%

Mg%

Cr%

Zn%

Ti%

其他

下限

上限

0.40

0.80

0.70

0.15

0.40

0.15

0.80

1.20

0.04

0.35

0.25

0.15

单个＜0.05

合计＜0.15

2优化的意义、原则

6061合金是Al-Mg-Si系铝合金，镁和硅为主要合金元素，形成强化相Mg2Si，主要相组成物为：

α（Al），Mg2Si，W（Cu4Mg5Si4Al4）。

杂质相为：

（FeMnSi）Al6。

开发标准采用高硅高镁，确保产品的强度和压延性能，合理控制加铜、铬的设计方法，因为适量的铜可抑制自然时效过程，生成W相参与人工时效过程，并能改善高温塑性，并弥补淬火后停留时间对人工时效造成的强度损失，减小铁的有害影响和阻碍再结晶过程。

铬可显著提高材料的抗蚀性能。

但过量的铜和铬，将使材料变脆，增加铸锭的热裂纹倾向。

3优化后的化学成分（开发标准）

表五6061铝合金开发标准

成分

Si%

Fe%

Cu%

Mn%

Mg%

Cr%

Zn%

Ti%

其他

下限

上限

0.55

0.80

0.50

0.20

0.40

0.15

0.90

1.10

0.10

0.30

0.25

0.15

单个＜0.05

合计＜0.15

4.生产工艺优化探索

试验过程除考虑铸造过程所须熔体质量外，还对添加元素的金属实收率、铸锭中心裂纹的避免进行探索。

（1）熔炼工艺制度

①原料入炉：

铝硅中间合金原铝铜添加剂铬添加剂镁锭

②熔炼温度：

750℃~760℃

③熔炼时间：

30分钟

④作业要点：

充分搅拌铝液，确保合金化学成份均匀。

铜添加剂、铬添加剂、镁均用钟罩压入铝液熔化，确保金属实收率。

采用中间合金和添加剂的方法熔炼合金元素，能有效解决Si、Cr、Cu等高熔点金属在正常铝液温度条件下的熔化问题，实现了熔炼快速，金属液不过烧且化学成份均匀的目的。

合理设计铝钛硼线杆在线送丝速度，达到细化剂加入均匀，消除了TiB2粒子的比重偏析，使铸锭组织达到最大程度的细密，同时，强化晶粒细化能有效降低铸锭的热裂纹倾向。

线杆细化剂用量比其它方法所用的同类中间合金少，特别是对熔体停留时间很长的铸造过程，这种加入中间合金的方法是非常合理的，因为中间合金的有效细化作用需要一个临界时间，以便其在液态金属中溶解和使晶体形核。

（2）净化工艺

熔体内的非金属夹杂物及气体杂质（主要是H2）是影响铸造生产和铸锭质量的关键因素，给挤压型材的机械性能带来极坏的影响；熔体凝固时来不及排出的气体残留在铸锭中，造成应力集中，增加了铸锭的裂纹倾向。

因此，此次开发工作采用了熔炼炉除渣、保温炉氮气喷粉精炼除气除渣、在线氮气除气、在线陶瓷过滤等一系列先进的净化工艺技术净化铝液，全方位确保铝液质量。

净化制度如表六：

表六6061合金净化工艺制度

设备

净化物

净化时间

净化温度

目的

熔炼炉

电解精炼剂（0.2kg/TAl）

10min

750℃

除渣

保温炉

N2（99.99%）+精炼粉（1.5kg/TAl）

30min

750℃

除气

除渣

除气炉

N2（99.99%）6NL/H

转子转速：

250rmp

铸锭全过程

700℃~710℃

除气：

H2含量低于0.2ml/100mgAl

（3）铸造工艺

如前所述：

由于润滑和隔热完全依赖于形成的气幕，须要在导入空气的压力与熔体高度的静压间建立稳定的平衡，确保熔体与结晶器器壁间形成均衡一致的气幕（垫）；结晶器整体高度的缩小，使得UCD数值的允许波动范围变得狭小，发生熔体漏流的危险性显著增加；为保证形成均衡稳定的隔热-润滑气幕及稳定的UCD数值，气幕铸造中熔体质量、铸造速度乃至冷却水量等一系列铸造参数的合理设计和控制就十分重要。

对铸锭质量可产生明显影响的参数有：

结晶器高度、铸造速度、铸造温度、冷却水量、空气量、空气压力、润滑油量、热顶高度。

经过试验，总结了能满足要求的系列参数如表七所示。

表七φ380mm6061圆铸锭铸锭工艺制度

名称

设计值

名称

设计值

结晶器高度

65mm

空气流量

40NL/H

铸造温度

680~690℃

空气压力

1650Pa

铸造速度

54~55mm/min

润滑油量

110ml/min

冷却水量

2200L/min

热顶高度

75mm

冷却水温

<30℃

送丝速度

85cm/min×2

流槽液位

95mm

（4）均热工艺

均匀化处理是改善铸锭材料性能的重要措施，可进一步改善挤压锭的挤压特性，提高产品机械性能和型材表面质量。

均匀化温度是均匀化处理的重要参数，根据φ380mm6061铝合金的合金特性，设计的均热及冷却参数如表八：

表八φ380mm6061圆铸锭均匀化工艺制度

设备

产能

布料

均匀化温度

冷却方式

冷却速度

铸锭终了温度

箱式炉

20t/炉

4根×3层

560±10℃

保温10小时

风+水冷

>200℃/h

外部50℃

心部150℃

为保证均热处理过程中金属不过烧，并保证合金元素的均匀扩散，采用200℃后减缓升温的方法。

设计的均热升温曲线如图2所示：

560℃图26061均热升温曲线

200℃

时间

均热过程为：

根据设备容量，炉内三维均匀布料12根/炉；强风循环快速升温至（棒体）200℃，减缓升温至560℃，合计升温时间3.5小时；保温10小时；尽量降低自然冷却时间，快速冷却至室温。

5.金属实收率的提高

1元素Si：

元素Si为烧损较少的金属，本项目中Si以ZLD102形式加入，在确保其有高实收率的前提下，克服了Si熔点较高而难于熔化的弊端，同时便于元素在熔体中均匀分布。

2元素Mg：

以纯金属的方式加入镁时，熔炼过程中元素Mg的烧损不可避免。

我们采用的方法是：

用钟罩（钢质网框）将镁锭压入炉内熔体中，尽量避免其在熔化过程时暴露在空气中，待其基本熔化后取出钟罩，再进行搅拌。

此法能有效降低镁的烧损，保证了熔化过程金属镁有高的实收率。

3元素Cu

以铜添加剂的形式加入，较直接加入纯金属有如下优点：

a）保证配料有高的准确率；

b）降低金属的烧损，提高其熔炼实收率；

c）便于元素在熔体中均匀分布。

本项目中元素Cu以50-铜剂加入。

4元素Cr

元素Cr以75-铬剂加入，其目的与铜添加剂类同。

6.中心裂纹的避免

主要是热裂纹。

对变形铝合金铸锭，中心裂纹历来是使生产人员感到困惑的难题之一。

实践经验证明：

合理控制较低的浇铸温度和铸造速度，是降低热裂纹倾向的有效手段。

另外，强化在线的晶粒细化能够降低热裂纹倾向，已得到广泛的认可。

本项目开发过程中除控制较低的浇铸温度和铸造速度外，有意识地增加了在线晶粒细化的线杆送丝速度（见表七）。

试生产结果表明效果良好。

五、产品检测

初期共进行了四个铸次的试验生产，产品检测情况如下：

1.化学成分控制情况

化学成份分析结果如表九：

表九6061试生产产品化学成份

熔次号

试样号

元素含量（%）

Si%

Fe%

Cu%

Mn%

Mg%

Cr%

Zn%

Ti%

6061-01

-1

0.65

0.19

0.27

0.02

1.01

0.19

0.00

0.01

-2

0.66

0.18

0.27

0.03

1.03

0.20

0.00

0.01

-3

0.66

0.19

0.29

0.02

1.00

0.17

0.00

0.01

平均值

0.66

0.19

0.28

0.02

1.01

0.19

0.00

0.01

6061-02

-1

0.70

0.17

0.30

0.02

1.01

0.22

0.00

0.01

-2

0.68

0.18

0.31

0.01

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