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铝型材挤压生产加工工艺
时间:2014-7-17 关闭窗口 

  1 化学成分的优化控制
  6063-T5建筑铝型材必须具备一定的力学性能。在其他条件相同时,其抗拉强度、屈服强度随含量增加而升高。6063台金的强化相主要是Mg2Si相,到底Mg、Si和Mg2Si的量应取多少为好?Mg2Si相是由2个镁原子同1个硅原子组成,镁的相对原子质量为24.3l,硅的相对原子质量为28.09,因此Mg2Si化合物中,镁硅的质量比为1.73:1。
  因此,可根据以上分析结果,如果镁硅含量比值大于1.73,则合金中镁除形成Mg2Si相外,还有过剩镁,反之比值小于1.73,则表明硅除形成Mg2Si相外,还有剩余硅。
  镁过剩对合金力学性能是有害的。镁一般控制在0.5%左右,Mg2Si总量控制在0.79%。当硅过剩0.01%时合金的力学性能σb约为218Mpa,已大大超过国家标准性能,并过剩硅从0.01%提高到0.13%,σb可提高到250Mpa,即提高14.6%。要形成一定量的Mg2Si,必须首先考虑到Fe与Mn等杂质含量造成的硅损失,即要保证有一定量的过剩硅。为了使6063合金中的镁充分与硅匹配,实际配料时,必须有意识地使Mg:Si<1.73。镁的过剩不仅削弱强化效果,而且又增加了产品成本。
  因此,6063合金的成分一般控制为:Mg:0.45%-0.65%;Si:0.35%-0.50%;Mg:Si=1.25-1.30;杂质Fe控制在<0.10%-0.25%;Mn<0.10%。
  2 优化铸锭均匀化退火工艺
  在民用挤压型材生产时,6063合金的高温均匀化退火规范为:560±20℃,保温4-6h,冷却方式为出炉强迫风冷或喷水急冷。
  合金的均匀化处理能提高挤压速度,同未均匀化处理的铸锭相比,大约可使挤压力降低6%-10%。均匀化处理后冷却速度对组织的析出行为有重要的影响。对均热后快冷的铸锭,Mg2Si几乎能全部固溶于基体,过剩的Si也将固溶或以弥散析出的细小质点存在。这样的铸锭可以在较低温度下快速挤压,并获得优良的力学性能和表面光亮度。
  在铝型材挤压生产中,以燃油或燃气加热炉替代电阻加热炉可收到明显的节能降耗效果。合理地选择炉型、燃烧器及空气循环方式可使炉子获得均匀稳定的加热性能,达到稳定工艺提高产品质量的目的。
  燃烧式铸锭加热炉经几年来运行和不断改善,目前市场上已推出燃烧效率高于40%的炉型。铸锭装炉后迅速升温到570℃以上,并经一段保温时间后,在出料区冷却到接近挤压温度时出炉挤压,铸锭在加热炉经历了半均匀化过程,这一过程称半均质处理,基本上符合6063合金热挤压工艺要求,从而可省单独的均匀化工序,可大大节省设备投资和能耗,是一种值得推广的工艺。
  3 优化挤压和热处理工艺
  3.1 铸锭加热
  对挤压生产来说,挤压温度是最基本的且最关键的工艺因素。挤压温度对产品质量、生产效率、模具寿命、能量消耗等都产生很大影响。
  挤压最重要的问题是金属温度的控制,从铸锭开始加热到挤压型材的淬火都要保证可溶解的相组织不从固溶中析出或呈现小颗粒的弥散析出。
  6063合金铸锭加热温度一般都设定在Mg2Si析出的温度范围内,加热的时间对Mg2Si的析出有重要的影响,采用快速加热可以大大减少可能析出的时间。一般来说,对6063合金铸锭的加热温度可设定为:
  未均匀化铸锭:460-520℃;均匀化铸锭:430-480℃。
  其挤压温度在操作时视不同制品及单位压力大小来调整。在挤压过程中铸锭在变形区的温度是变化的,随着挤压过程的完成,变形区的温度逐渐升高,而且随着挤压速度的提高而提高。因此为了防止出现挤压裂纹,随着挤压过程的进行和变形区温度的升高,挤压速度应逐渐降低。
  3.2 挤压速度
  挤压过程中必须认真控制挤压速度。挤压速度对变形热效应、变形均匀性、再结晶和固溶过程、制品力学性能及制品表面质量均有重要影响。
  挤压速度过快,制品表面会出现麻点、裂纹等倾向。同时挤压速度过快增加了金属变形的不均匀性。挤压时的流出速度取决于合金种类和型材的几何形状、尺寸和表面状况。
  6063合金型材挤压速度(金属的流出速度)可选为20-100米/分。
  近代技术的进步,挤压速度可以实现程序控制或模拟程序控制,同时也发展了等温挤压工艺和CADEX等新技术。通过自动调节挤压速度来使变形区的温度保持在某一恒定范围内,可达到快速挤压而不产生裂纹的目的。
  为了提高生产效率,在工艺上可以采取很多措施。当采用感应加热时,沿铸锭长度方向上存在着温度梯度40-60℃(梯度加热),挤压时高温端朝挤压模,低温端朝挤压垫,以平衡一部分变形热;也有采用水冷模挤压的,即在模子后端通水强制冷却,试验证明可以提高挤压速度30%-50%。
  近年来在国外用氮气或液氮冷却模具(挤压模)以增加挤压速度,提高模具寿命和改善型材表面质量。在挤压过程中将氮气引到挤压模出口处放出,可以使被冷却的制品急速收缩,冷却挤压模和变形区金属,使变形热被带走,同时模子出口处被氮的气氛所控制,减少了铝的氧化,减少了氧化铝粘接和堆积,所以氮气的冷却提高了制品的表面质量,可大大的提高挤压速度。CADEX是最近发展的一种挤压新工艺,它挤压过程中的挤压温度、挤压速度和挤压力形成一个闭环系统,以最大限度地提高挤压速度和生产效率,同时保证最优良的性能。
  3.3 机上淬火
  6063-T5淬火是为了将在高温下固溶于基体金属中的Mg2Si出模孔后经快速冷却到室温而被保留下来。冷却速度常和强化相含量成正比。6063合金可强化的最小的冷却速度为38℃/分,因此适合于风冷淬火。改变风机和风扇转数可以改变冷却强度,使制品在张力矫直前的温度降至60℃以下。
  3.4 张力矫直
  型材出模孔后,一般皆用牵引机牵引。牵引机工作时在给挤压制品以一定的牵引张力,同时与制品流出速度同步移动。使用牵引机的目的在于减轻多线挤压时长短不齐和抹伤,同时也可防止型材出模孔后扭拧、弯曲,给张力矫直带来麻烦。
  张力矫直除了可以使制品消除纵向形状不整外,还可以减少其残余应力,提高强度特性并能保持其良好的表面。
  3.5 人工时效
  时效处理要求温度均匀,温差不超过±3-5℃。6063合金人工时效温度一般为200℃。时效保温时间为1-2小时。为了提高力学性能,也有采用180-190℃时效3-4小时,但此时生产效率会有所降低。

 

3.6 铸锭长度的优化与计算
  铸锭长度的计算方法有体积法和质量法。通过建立数学关系式,就很容易地选取出最佳的铸锭规格,大大提高型材的几何成品率。
  (1) 体积法
  Vo=V1十Vn
  AoLo=A1·L1十A·Ln
  Lo/Ko=L1/λ十Ln
  Lo=(L1/λ+Ln)·K …………………………………………………(1)
  式中:Vo——铸锭体积(mm3);
  V1——型材体积(mm3);
  Vn——压余体积(mm3);
  Ao——铸锭面积(mm2);
  Lo——铸锭长度(mm);
  A1——型材截面积(mm2);
  L1——型材长度(mm);
  A——挤压筒面积(mm2);
  Ln——压余长度(mm);
  K=A/Ao 充填系数;
  λ=A/A1 挤压系数。
  按照体积不变道理,经简化之后整理为公式(1),K与Ln可以认为是常数,只要求λ,确定Lmax,可方便地求出Lo,即铸锭长度。
  (2)质量法
  mo=m1十mn
  ρLoLo=L1·ρL1+mn
  Lo=(L1·ρL1+mn)·PLo …………………………………………………(2)
  式中:Lo 铸锭长度;
  L1 型材压出长度(m);
  ρL1 型材线密度(Kg/m);
  mn 压余重量(Kg);
  mo 铸锭重量(kg)
  m1 压出型材重量(kg)
  ρLo 铸锭线密度(Kg/m);
  (2)式还可以再变化一下,即:L1=n·L定+L12
  Lo=[·L定十L12)·ρL1+mn]·ρLo-1
  ………………………………………………(3)
  式中:n 定尺支数;
  L定 定尺寸长度(m);
  L12 切头切尾长度(m)。
  (3)式比较直观方便的计算出Lo在实际工作中ρL1是随着型材壁厚的不断变化而增加的。为方便上工序供锭,大设备的铸锭长度可设定30mm为一档,小设备设定为20mm为一档。我们可以根据公式(3)制订ρL1、Lo、n、L1对照表。一般民用建筑型材供货长度为6m。这种对照表对工艺技术员和计划员的使用是十分方便的。
  公式(3)又可以简化为下式:
  Lo=KnL1+C …………………………………………(4)
  Kn 是与n有关的系数;
  C 是与机型有关的常数;
  ρL1是Lo的函数,可以编好程序输入计算机,比较精确地计算出Lo。
  3.7 提高挤压成品率的措施
  影响挤压型材成品率的因素很多我们能计算得出几何废料,在挤压生产中产生的废料一般分为几何废料和技术废料,几何废料是生产过程中仅与制品生产工艺有关的废料。压余、切头、切尾等均属几何废料。技术废料是在生产过程中,由于不正确执行工艺操作规程,人为造成废品(包括试模废料、铸造缺陷带来的废品等)。技术废品是可以避免和减少的,几何废品是不可避免的,但可通过优化挤压工艺和精确计算铸锭长度等措施来减少。
  挤压生产中几何废料的大小可用下式表示:
  N=Nn十N12 …………………………………………(5)
  N 几伺废料(%)
  Nn 压余废料(%)
  N12 切头废料(%)
  Hn=K/Lo·Ln
  N12=K/Lo·L12/λ
  N =K/Lo·(Ln+L12/λ) …………………………………………………(6)
  N=K/Lo·(Ln+L12/λ)
  K 充填系数;
  Lo 铸锭长度(mm);
  Ln 压余长度(mm,随挤压筒直径而变);
  L12 切头尾(mm,随制品规格而变);
  λ 挤压系数。
  从(6)式中可以明显看出,铸锭长度Lo越长,挤压系数越大,则几何废料N越小,即几何成品率越高。其中铸锭长度影响较大些。但是,不能无限制地增加Lo和λ,因为它们受挤压机能力、压出长度等因素限制。
  4 小结
  综上所述,提高挤压型材成品率的途径主要有:
  (1)制订科学合理的生产工艺(优化工艺);
  (2)提出高员工技术理论水平,并不断总结生产经验;
  (3)模具设计先进合理并加强模具管理,提高一次上机合格率;
  (4)优化6063合金化学成份,提高铸锭质量并进行匀匀化或半均匀化处理;
  (5)采用先进技术,如长锭炉热剪技术及CADEX等新技术。

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