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優化鋁型材擠壓工藝

 

1 化學成分的優化控制
6063-T5建筑鋁型材必須具備一定的力學性能。在其他條件相同時,其抗拉強度、屈服強度隨含量增加而升高。6063臺金的強化相主要是Mg2Si相,到底Mg、Si和Mg2Si的量應取多少為好?Mg2Si相是由2個鎂原子同1個硅原子組成,鎂的相對原子質量為24.3l,硅的相對原子質量為28.09,因此Mg2Si化合物中,鎂硅的質量比為1.73:1。

因此,可根據以上分析結果,如果鎂硅含量比值大于1.73,則合金中鎂除形成Mg2Si相外,還有過剩鎂,反之比值小于1.73,則表明硅除形成Mg2Si相外,還有剩余硅。

鎂過剩對合金力學性能是有害的。鎂一般控制在0.5%左右,Mg2Si總量控制在0.79%。當硅過剩0.01%時合金的力學性能σb約為218Mpa,已大大超過國家標準性能,并過剩硅從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,必須首先考慮到Fe與Mn等雜質含量造成的硅損失,即要保證有一定量的過剩硅。為了使6063合金中的鎂充分與硅匹配,實際配料時,必須有意識地使Mg:Si<1.73。鎂的過剩不僅削弱強化效果,而且又增加了產品成本。

因此,6063合金的成分一般控制為:Mg:0.45%-0.65%;Si:0.35%-0.50%;Mg:Si=1.25-1.30;雜質Fe控制在<0.10%-0.25%;Mn<0.10%。

2 優化鑄錠均勻化退火工藝

在民用擠壓型材生產時,6063合金的高溫均勻化退火規范為:560±20℃,保溫4-6h,冷卻方式為出爐強迫風冷或噴水急冷。

合金的均勻化處理能提高擠壓速度,同未均勻化處理的鑄錠相比,大約可使擠壓力降低6%-10%。均勻化處理后冷卻速度對組織的析出行為有重要的影響。對均熱后快冷的鑄錠,Mg2Si幾乎能全部固溶于基體,過剩的Si也將固溶或以彌散析出的細小質點存在。這樣的鑄錠可以在較低溫度下快速擠壓,并獲得優良的力學性能和表面光亮度。

在鋁型材擠壓生產中,以燃油或燃氣加熱爐替代電阻加熱爐可收到明顯的節能降耗效果。合理地選擇爐型、燃燒器及空氣循環方式可使爐子獲得均勻穩定的加熱性能,達到穩定工藝提高產品質量的目的。

燃燒式鑄錠加熱爐經幾年來運行和不斷改善,目前市場上已推出燃燒效率高于40%的爐型。鑄錠裝爐后迅速升溫到570℃以上,并經一段保溫時間后,在出料區冷卻到接近擠壓溫度時出爐擠壓,鑄錠在加熱爐經歷了半均勻化過程,這一過程稱半均質處理,基本上符合6063合金熱擠壓工藝要求,從而可省單獨的均勻化工序,可大大節省設備投資和能耗,是一種值得推廣的工藝。

3 優化擠壓和熱處理工藝

3.1 鑄錠加熱

對擠壓生產來說,擠壓溫度是最基本的且最關鍵的工藝因素。擠壓溫度對產品質量、生產效率、模具壽命、能量消耗等都產生很大影響。

擠壓最重要的問題是金屬溫度的控制,從鑄錠開始加熱到擠壓型材的淬火都要保證可溶解的相組織不從固溶中析出或呈現小顆粒的彌散析出。

6063合金鑄錠加熱溫度一般都設定在Mg2Si析出的溫度范圍內,加熱的時間對Mg2Si的析出有重要的影響,采用快速加熱可以大大減少可能析出的時間。一般來說,對6063合金鑄錠的加熱溫度可設定為:

未均勻化鑄錠:460-520℃;均勻化鑄錠:430-480℃。

其擠壓溫度在操作時視不同制品及單位壓力大小來調整。在擠壓過程中鑄錠在變形區的溫度是變化的,隨著擠壓過程的完成,變形區的溫度逐漸升高,而且隨著擠壓速度的提高而提高。因此為了防止出現擠壓裂紋,隨著擠壓過程的進行和變形區溫度的升高,擠壓速度應逐漸降低。

3.2 擠壓速度

擠壓過程中必須認真控制擠壓速度。擠壓速度對變形熱效應、變形均勻性、再結晶和固溶過程、制品力學性能及制品表面質量均有重要影響。

擠壓速度過快,制品表面會出現麻點、裂紋等傾向。同時擠壓速度過快增加了金屬變形的不均勻性。擠壓時的流出速度取決于合金種類和型材的幾何形狀、尺寸和表面狀況。

6063合金型材擠壓速度(金屬的流出速度)可選為20-100米/分。

近代技術的進步,擠壓速度可以實現程序控制或模擬程序控制,同時也發展了等溫擠壓工藝和CADEX等新技術。通過自動調節擠壓速度來使變形區的溫度保持在某一恒定范圍內,可達到快速擠壓而不產生裂紋的目的。

為了提高生產效率,在工藝上可以采取很多措施。當采用感應加熱時,沿鑄錠長度方向上存在著溫度梯度40-60℃(梯度加熱),擠壓時高溫端朝擠壓模,低溫端朝擠壓墊,以平衡一部分變形熱;也有采用水冷模擠壓的,即在模子后端通水強制冷卻,試驗證明可以提高擠壓速度30%-50%。

近年來在國外用氮氣或液氮冷卻模具(擠壓模)以增加擠壓速度,提高模具壽命和改善型材表面質量。在擠壓過程中將氮氣引到擠壓模出口處放出,可以使被冷卻的制品急速收縮,冷卻擠壓模和變形區金屬,使變形熱被帶走,同時模子出口處被氮的氣氛所控制,減少了鋁的氧化,減少了氧化鋁粘接和堆積,所以氮氣的冷卻提高了制品的表面質量,可大大的提高擠壓速度。CADEX是最近發展的一種擠壓新工藝,它擠壓過程中的擠壓溫度、擠壓速度和擠壓力形成一個閉環系統,以最大限度地提高擠壓速度和生產效率,同時保證最優良的性能。

3.3 機上淬火

6063-T5淬火是為了將在高溫下固溶于基體金屬中的Mg2Si出??缀蠼浛焖倮鋮s到室溫而被保留下來。冷卻速度常和強化相含量成正比。6063合金可強化的最小的冷卻速度為38℃/分,因此適合于風冷淬火。改變風機和風扇轉數可以改變冷卻強度,使制品在張力矯直前的溫度降至60℃以下。

3.4 張力矯直

型材出??缀?,一般皆用牽引機牽引。牽引機工作時在給擠壓制品以一定的牽引張力,同時與制品流出速度同步移動。使用牽引機的目的在于減輕多線擠壓時長短不齊和抹傷,同時也可防止型材出??缀笈Q、彎曲,給張力矯直帶來麻煩。

張力矯直除了可以使制品消除縱向形狀不整外,還可以減少其殘余應力,提高強度特性并能保持其良好的表面。

3.5 人工時效

時效處理要求溫度均勻,溫差不超過±3-5℃。6063合金人工時效溫度一般為200℃。時效保溫時間為1-2小時。為了提高力學性能,也有采用180-190℃時效3-4小時,但此時生產效率會有所降低。

3.6 鑄錠長度的優化與計算

鑄錠長度的計算方法有體積法和質量法。通過建立數學關系式,就很容易地選取出最佳的鑄錠規格,大大提高型材的幾何成品率。

(1) 體積法

Vo=V1十Vn

AoLo=A1·L1十A·Ln

Lo/Ko=L1/λ十Ln

Lo=(L1/λ+Ln)·K

式中:Vo——鑄錠體積(mm3);

V1——型材體積(mm3);

Vn——壓余體積(mm3);

Ao——鑄錠面積(mm2);

Lo——鑄錠長度(mm);

A1——型材截面積(mm2);

L1——型材長度(mm);

A——擠壓筒面積(mm2);

Ln——壓余長度(mm);

K=A/Ao 充填系數;

λ=A/A1擠壓系數。

按照體積不變道理,經簡化之后整理為公式(1),K與Ln可以認為是常數,只要求λ,確定Lmax,可方便地求出Lo,即鑄錠長度。

(2)質量法

mo=m1十mn

ρLoLo=L1·ρL1+mn

Lo=(L1·ρL1+mn)·PLo

式中:Lo 鑄錠長度;

L1 型材壓出長度(m);

ρL1型材線密度(Kg/m);

mn 壓余重量(Kg);

mo 鑄錠重量(kg)

m1 壓出型材重量(kg)

ρLo鑄錠線密度(Kg/m);

(2)式還可以再變化一下,即:L1=n·L定+L12

Lo=[·L定十L12)·ρL1+mn]·ρLo-1

式中:n 定尺支數;

L定 定尺寸長度(m);

L12 切頭切尾長度(m)。

(3)式比較直觀方便的計算出Lo在實際工作中ρL1是隨著型材壁厚的不斷變化而增加的。為方便上工序供錠,大設備的鑄錠長度可設定30mm為一檔,小設備設定為20mm為一檔。我們可以根據公式(3)制訂ρL1、Lo、n、L1對照表。一般民用建筑型材供貨長度為6m。這種對照表對工藝技術員和計劃員的使用是十分方便的。

公式(3)又可以簡化為下式:

Lo=KnL1+C

Kn 是與n有關的系數;

C 是與機型有關的常數;

ρL1是Lo的函數,可以編好程序輸入計算機,比較精確地計算出Lo。

3.7 提高擠壓成品率的措施

影響擠壓型材成品率的因素很多 我們能計算得出幾何廢料,在擠壓生產中產生的廢料一般分為幾何廢料和技術廢料,幾何廢料是生產過程中僅與制品生產工藝有關的廢料。壓余、切頭、切尾等均屬幾何廢料。技術廢料是在生產過程中,由于不正確執行工藝操作規程,人為造成廢品(包括試模廢料、鑄造缺陷帶來的廢品等)。技術廢品是可以避免和減少的,幾何廢品是不可避免的,但可通過優化擠壓工藝和精確計算鑄錠長度等措施來減少。

擠壓生產中幾何廢料的大小可用下式表示:

N=Nn十N12

N 幾伺廢料(%)

Nn 壓余廢料(%)

N12 切頭廢料(%)

Hn=K/Lo·Ln

N12=K/Lo·L12/λ

N =K/Lo·(Ln+L12/λ)

N=K/Lo·(Ln+L12/λ)

K 充填系數;

Lo 鑄錠長度(mm);

Ln 壓余長度(mm,隨擠壓筒直徑而變);

L12 切頭尾(mm,隨制品規格而變);

λ擠壓系數。

從(6)式中可以明顯看出,鑄錠長度Lo越長,擠壓系數越大,則幾何廢料N越小,即幾何成品率越高。其中鑄錠長度影響較大些。但是,不能無限制地增加Lo和λ,因為它們受擠壓機能力、壓出長度等因素限制。

4 小結

綜上所述,提高擠壓型材成品率的途徑主要有:

(1)制訂科學合理的生產工藝(優化工藝);

(2)提出高員工技術理論水平,并不斷總結生產經驗;

(3)模具設計先進合理并加強模具管理,提高一次上機合格率;

(4)優化6063合金化學成份,提高鑄錠質量并進行勻勻化或半均勻化處理;

(5)采用先進技術,如長錠爐熱剪技術及CADEX等新技術。


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