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铝合金铸棒的均匀化处理研究

关键词：均匀化，金相组织，挤压，效率，能耗

1引言

使用铸造方式生产的铝合金棒的内部组织存在以下几个问题：①晶粒间存在铸造应力；②非平衡结晶引起晶粒内化学成分不平衡；③铝合金铸棒在铸态下，Mg、Si呈不均匀分布，同时析出大量的Mg2Si和AlFeSi。

由于存在以上3个问题，会使铸棒的挤压工艺变得困难。同时，挤压出来的产品在机械性能、表面处理性能方面都有所不足。因此，铸棒在挤压前必须经过有效的均匀化处理，消除铸造应力和晶粒内化学成分不平衡等缺陷。

均匀化处理就是将铸棒在一定的温度下（低于过烧温度）保温一段时间，使金属原子的热运动增强，以消除铸造应力和晶粒内化学成分不平衡等缺陷。Al-Mg-Si系列的合金过烧温度Tm约为595℃，但由于杂质元素的存在，实际生产使用的6060铝合金不是三元系，而是多元系。因此，实际的过烧温度要比595℃低一些。通常6060铝合金的均匀化温度可选择550～580℃。温度高，可缩短保温时间，节约能源，提高炉子的生产率。铝捧加热保温时间越长，内外温度越均匀，均匀化效果越好，越有利于挤压和热处理。

均匀化处理的最终目标是使铝合金棒在铸造时形成的Mg2Si溶解并在冷却析出时细小化且均匀分布，消除晶内偏析、铸造应力，促使针状的beta；-A1FeSi（如图1所示）转变成球状细小的alpha；-A1FeSi，以达到降低挤压力并提高挤压速度、提高合金强度的目的。

均匀化是一个相的溶解和原子扩散的过程，旨在将针状的beta；-AlFeSi网状组织转化成球状细小的不连续的alpha；-AlFeSi。要实现充分均匀化就必须控制好均匀化的温度和时间。在均匀化期间需要考虑2个方面的问题：①已溶解的元素穿过晶粒扩散的问题；②金属间相的破碎、球化和转变的可能性。

均匀化出炉之后，应按照快速冷却制度操作，使析出的Mg2Si变得细小且均匀分布，从而使Mg2Si在挤压处理过程中极易重溶，增加固溶度，改善热处理效果。

均匀化后，冷却速度对析出物的大小、数量与分布有重大影响。均匀化后慢冷（100℃/h）时，析出物呈粗大针状，铸锭变形抗力小，有利于挤压成型，但淬火时不易完全溶解.降低了时效强化效果，进而降低了制品的屈服强度，并严重影响了制品的表面质量。均匀化后慢冷的铸锭将促进Mg2Si和过剩Si析出并粗化，这样的铸锭必须在较高的温度下慢速挤压，才能获得合适的力学性能，但会导致制品表面质量下降，并降低生产效率。

均匀化后快冷时，析出物呈细小弥散点，有利于提高制品屈服强度和表面质量。

2改善前均匀化工艺分析

南南铝业股份有限公司现有均匀化设备为电阻加热周期式均匀化退火炉，选用棒径Phi；le；140mm的6060铝合金铸棒进行试验分析。6060铝合金铸棒化学成分表见表1。

2.1改善前均匀化工艺及其效果分析

采用密排装炉方式（如图2所示），装炉量为17.5～19.5t；炉气设定温度为570℃；当炉气达到设定温度后，保温3.5～4.5h出炉；出炉后用水做冷却介质进行快速冷却。

按照图3所示安装热电偶对炉内铸棒芯部温度进行测量，并根据测量数据分别在最高温度及最低温度时取试样做金相组织分析（如图4、图5所示）。

图6中的t1区域越大说明升温速度越慢，t2区域越大表明炉内温度的均匀性越差，t3区域为保温时间，是决定铸棒均匀化效果的关键所在。因此，操作人员可以通过提高升温速度和减少炉内温差，以及延长保温时间，达到改善均匀化效果、提高生产效率的目的。

根据表2的测温数据及金相显微组织显示，出炉时1号点的温度相对较高，其beta；-AlFeSi网状组织已全部转化成球状不连续的、细小的alpha；-AlFeSi组织（如图4所示），共晶硅边角圆滑，但不聚集长大，说明铸棒已充分均匀化，且没有过烧。但温度最低点的3号点，只有部分的beta；-AlFeSi网状组织转化成球状不连续的、较细小的alpha；-AlFeSi组织，还有部分为网状的△-AlFeSi组织（如图5所示），说明铸棒均匀化不充分。

在该均匀化工艺条件下，炉内铸棒各点温度不均匀及均匀化效果不佳，虽然炉气温度已达到设定温度580℃并保持3.5～4.5h，但出炉时，铸棒芯部最低温度点（3号点）的温度只有559℃，与最高点（1号点）相比相差14℃。从测温数据中可推测得出：离中心点越近的铸棒升温速度越慢，温度也越低，均匀化效果越差。

2.2均匀化生产效率及挤压使用效果

均匀化生产周期约为8h/炉，平均产量为2.3t/h。挤压速度一般为5～7mm/s，当挤压速度更高时，型材撕裂、拉铝等废品率会随之增加。

2.3原因分析及改善措施

经过分析，造成炉内铸棒温差大，均匀化效果差、不均衡的主要原因有以下几点。

（1）铸棒分布紧凑，在均匀化加热过程中大部分的热量沿着