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鋁合金的強(qiáng)度不高，是怎么回事？

請求專業(yè)人士給予指導(dǎo).: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-05-14

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自己看吧，有點長（我覺得）一．Al-Mg-Si系合金的基本特點： 6063鋁合金的化學(xué)成份在GB/T5237-93標(biāo)準(zhǔn)中為0．2-0．6％的硅、0．45-0．9％的鎂、鐵的最高限量為0. 35％，其余雜質(zhì)元素(Cu、Mn、Zr、Cr等)均小于0．1％。這個成份范圍很寬，它還有很大選擇余地。 6063鋁合金是屬鋁-鎂-硅系列可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，在AL-Mg-Si組成的三元系中，沒有三元化合物，只有兩個二元化合物Mg2Si和Mg2Al3，以α(Al)-Mg2Si偽二元截面為分界，構(gòu)成兩個三元系，α(Al)-Mg2Si-(Si)和α(Al)-Mg2Si-Mg2Al3，如圖一、田二所示：在Al-Mg-Si系合金中，主要強(qiáng)化相是Mg2Si，合金在淬火時，固溶于基體中的Mg2Si越多，時效后的合金強(qiáng)度就越高，反之，則越低，如圖2所示，在α(Al)-Mg2Si偽二元相圖上，共晶溫度為595℃，Mg2Si的最大溶解度是1．85％，在500℃時為1. 05％，由此可見，溫度對Mg2Si在Al中的固溶度影響很大，淬火溫度越高，時效后的強(qiáng)度越高，反之，淬火溫度越低，時效后的強(qiáng)度就越低。有些鋁型材廠生產(chǎn)的型材化學(xué)成份合格，強(qiáng)度卻達(dá)不到要求，原因就是鋁捧加熱溫度不夠或外熱內(nèi)冷，造成型材淬火溫度太低所致。在Al-Mg-Si合金系列中，強(qiáng)化相Mg2Si的鎂硅重量比為1．73，如果合金中有過剩的鎂(即Mg：Si＞1. 73)，鎂會降低Mg2Si在鋁中的固溶度，從而降低Mg2Si在合金中的強(qiáng)化效果。如果合金中存在過剩的硅，即Mg：Si＜1．73，則硅對Mg2Si在鋁中的固溶度沒有影響，由此可見，要得到較高強(qiáng)度的合金，必須Mg：Si＜1．73。二．合金成份的選擇 1．合金元素含量的選擇 6063合金成份有一個很寬的范圍，具體成份除了要考慮機(jī)械性能、加工性能外，還要考慮表面處理性能，即型材如何進(jìn)行表面處理和要得到什么樣的表面。例如，要生產(chǎn)磨砂料，Mg/Si應(yīng)小一些為好，一般選擇在Mg/Si=1-1．3范圍，這是因為有較多相對過剩的Si，有利于型材得到砂狀表面；若生產(chǎn)光亮材、著色材和電泳涂漆材，Mg/Si在1．5-1．7范圍為好，這是因為有較少過剩硅，型材抗蝕性好，容易得到光亮的表面。另外，鋁型材的擠壓溫度一般選在480℃左右，因此，合金元素鎂硅總量應(yīng)在1．0％左右，因為在500℃時，Mg2Si在鋁中的固溶度只有1．05％，過高的合金元素含量會導(dǎo)致在淬火時Mg2Si不能全部溶入基體，有較多的末溶解Mg2Si相，這些Mg2Si相對合金的強(qiáng)度沒有多少作用，反而會影響型材表面處理性能，給型材的氧化、著色(或涂漆)造成麻煩。 2．雜質(zhì)元素的影響 ①鐵，鐵是鋁合金中的主要雜質(zhì)元素，在6063合金中，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定不大于0．35，如果生產(chǎn)中用一級工業(yè)鋁錠，一般鐵含量可控制在0．25以下，但如果為了降低生產(chǎn)成本，大量使用回收廢鋁或等外鋁，鐵就根容易超標(biāo)。Fe在鋁中的存在形態(tài)有兩種，一種是針狀(或稱片狀)結(jié)構(gòu)的β相(Al9Fe2Si2)，一種為粒狀結(jié)構(gòu)的α相(Al12Fe3Si)，不同的相結(jié)構(gòu)，對鋁合金有不同的影響，片狀結(jié)構(gòu)的β相要比粒狀結(jié)構(gòu)α相破壞性大的多，β相可使鋁型材表面粗糙、機(jī)械性能、抗蝕性能變差，氧化后的型材表面發(fā)青，光澤下降，著色后得不到純正色調(diào)，因此，鐵含量必須加以控制。為了減少鐵的有害影響可采取如下措施。 a)熔煉、鑄造用所有工具在使用前涂涮涂料，盡可能減少鐵溶人鋁液。 b)細(xì)化晶粒，使鐵相變細(xì)，變小，減少其有害作用。 c)加入適量的鍶，使β相轉(zhuǎn)變成α相，減少其有害作用。 d)對廢雜料細(xì)心挑選，盡可能的減少鐵絲、鐵釘、鐵屑等雜物進(jìn)入熔鋁爐造成鐵含量升高。 ②其它雜質(zhì)元素其它雜質(zhì)元素在電解鋁錠中都很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，在使用回收廢雜鋁時就可能超過標(biāo)準(zhǔn)；在生產(chǎn)中，不但要控制每個元素不能超標(biāo)，而且要控制雜質(zhì)元素總量也不能超標(biāo)，當(dāng)單個元素含量不超標(biāo)，但總量超標(biāo)時，這些雜質(zhì)元素同樣對型材質(zhì)量有很大影響。特別需要提出強(qiáng)調(diào)的是，實踐證明，鋅含量到0．05時(國標(biāo)中不大于0．1)型材氧化后表面就出現(xiàn)白色斑點，因此鋅含量要控制到0．05以下。三．6063鋁合金的熔煉 1．控制好熔煉溫度鋁合金熔煉是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄棒的最重要工藝環(huán)節(jié)之一，若工藝控制不當(dāng)，會在鑄捧中產(chǎn)生夾渣、氣孔，晶粒粗大，羽毛晶等多種鑄造缺陷，因此必須嚴(yán)加控制。 6063鋁合金的熔煉溫度控制在750-760℃之間為佳，過低會增大夾渣的產(chǎn)生，過高會增大吸氫、氧化、氮化燒損。研究表明，鋁液中氫氣的溶解度在760℃以上急劇上升，當(dāng)熱減少吸氫的途徑還有許多，如烘干溶煉爐和熔煉工具，防止使用熔劑受潮變質(zhì)等。但熔煉溫度是最敏感因素之一，過離的熔煉溫度不但浪費(fèi)能源，增加成本，而且是造成氣孔，晶粒粗大，羽毛晶等缺陷的直接成因。 2．選用優(yōu)良的熔劑和適當(dāng)?shù)木珶捁に?熔劑是鋁合金熔煉中使用的重要輔助材料，目前市場上所售熔劑中主要成份為氯化物，氟化物，其中氯化物吸水性強(qiáng)，容易受潮，因此，熔劑的生產(chǎn)中必須烘干所用原料，徹底除去水份，包裝要密封，運(yùn)輸、保管中要防止破損，還要注意生產(chǎn)日期，如保管日期過長，同樣會發(fā)生吸潮現(xiàn)象，在6063鋁合金的熔煉中，使用的除渣劑、精煉劑、覆蓋劑等熔劑如果吸潮，都會使鋁液產(chǎn)生不同程度的吸氫。選擇好的精煉劑，選擇合適的精練工藝也是非常重要的，目前6063鋁合金的精煉絕大多數(shù)采用噴粉精煉，這種精煉方法能使精煉劑與鋁液充分接觸，可使精煉劑發(fā)揮最大效能。雖然這個特點是顯而易見的，但是精煉工藝也必須注意，否則得不到應(yīng)有效果，噴粉精煉中所用氮?dú)鈮毫σ孕楹茫軡M足吹出粉劑為佳，精煉中如果使用的氮?dú)獠皇歉呒兟?99．99％N2)，吹入鋁液的氮?dú)庠蕉?，氟氣中的水份使鋁液產(chǎn)生的氧化和吸氫越多。另外，氟氣壓力高，侶液產(chǎn)生的翻卷波浪大，增大產(chǎn)生氧化夾渣的可能性。如果精煉中使用的是高純氮，精煉壓力大，產(chǎn)生的氣泡大，大氣泡在鋁液中的浮力大，氣泡迅速上浮，在鋁液中的停留時間短，除氫效果并不好，浪費(fèi)氮?dú)?，增加成本。因此氮?dú)鈶?yīng)少用，精煉劑應(yīng)多用，多用精煉劑只有好處，沒有壞處。噴粉精煉的工藝要點是用盡可能少的氣體，噴進(jìn)鋁液盡可能多的精煉劑。 3．晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化是鋁合金熔鑄中暈重要的工藝之一，也是解決氣孔、晶粒粗大、光亮晶、羽毛晶、裂紋等鑄造缺陷的最有效措施之一。在合金鑄造中，均是非平衡結(jié)晶，所有的雜質(zhì)元素(當(dāng)然也包括合金元素)絕大部分集中分布在晶界，晶粒越小，晶界面積就越大，雜質(zhì)元素(或合金元素)的均勻度就越高。對雜質(zhì)元素而言，均勻度高，可減少它的有害作用，甚至將少量雜質(zhì)元素的有害變?yōu)橛幸?；對合金元素面言，均勻度高，可發(fā)揮合金元素更大的合金化艘能，達(dá)到充分利用資源的目的。細(xì)化晶粒、增大晶界面積、增大元素均勻度的作用可通過下面的計算加以說明。假設(shè)金屬塊1與2有同樣的體積V，均由立方體晶粒構(gòu)成，金屬塊1的晶粒邊長為2a，2的邊長為a，那么金屬塊1的晶界面積為：金屬塊2的晶界面積為：金屬塊2的晶界面積是金屬塊1的2倍。由此可見合金晶粒直徑減小一倍，晶界面積就要增大—倍，晶界單位面積上的雜質(zhì)元素將減少一倍。在6063鋁合金的生產(chǎn)中，對磨砂料來說，由于要通過腐蝕使型材產(chǎn)生均勻砂面，那么合金元素及雜質(zhì)元素的均勻分布就顯得尤為重要。晶粒越細(xì)，合金元素(雜質(zhì)元素)的分布越均勻，腐蝕后得到的砂面就越均勻。四．6063鋁合金的澆鑄 1．選擇合理的澆鑄溫度合理的澆鑄溫度也是生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鋁棒的重要因素，溫度過低，易產(chǎn)生夾渣、針孔等鑄造缺陷。溫度過高，易產(chǎn)生晶粒粗大、羽毛晶等鑄造缺陷。做了晶粒細(xì)化處理后的6063鋁合金液，鑄造溫度可適當(dāng)提高，一般可控制在720-740℃之間，這是因為：①鋁液經(jīng)晶粒細(xì)化處理后變粘，容易凝固結(jié)晶。②鋁棒在鑄造中結(jié)晶前沿有一個液固兩相過度帶，較高的鑄造溫度有較窄的過度帶，過度帶窄有利于結(jié)晶前沿排出的氣體逸出，當(dāng)然溫度不可過高，過高的鑄造溫度會縮短晶粒細(xì)化劑的有效時間，使晶粒變得相對較大。 2．有條件時，充分預(yù)熱，烘干流槽、分流盤等澆鑄系統(tǒng)，防止水分與鋁液反應(yīng)造成吸氫。 3．鑄造中，盡可能的避免鋁液的紊流和翻卷，不要輕易用工具攪動流槽及分流盤中的鋁液，讓鋁液在表面氧化膜的保護(hù)下平穩(wěn)流人結(jié)晶器結(jié)晶，這是因為工具攪動鋁液和液流翻卷都會使鋁液表面氧化膜破裂，造成新的氧化，同時將氧化膜卷入鋁液。經(jīng)研究表明，氧化膜有極強(qiáng)的吸附能力，它含有2％的水份，當(dāng)氧化膜卷入鋁液后，氧化膜中的水份與鋁液反應(yīng)，造成吸氫和夾渣。 4．對鋁液進(jìn)行過濾，過濾是除去鋁液中非金屬夾渣最有效的方法，在6063鋁合金的鑄造中，一般用多層玻璃絲布過濾或陶瓷過濾板過濾，無論是采取何種過濾方法，為了保證鋁液能正常的過濾，鋁液在過濾前應(yīng)除去表面浮渣，因為表面浮渣易堵塞過濾材料的過濾網(wǎng)孔，使過濾不能正常進(jìn)行，除去鋁液表面浮渣的最簡單方法是在流槽中設(shè)置一擋渣板，使鋁液在過濾前除去浮渣。五．6063鋁合金的均化處理 1．非平衡結(jié)晶如圖三所示，是由A、B兩種元素構(gòu)成的二元相圖的一部分，成份為F的合金凝固結(jié)晶，當(dāng)溫度下降到T1時，固相平衡成份應(yīng)為G，實際成份為G’，這是因為在鑄造生產(chǎn)中，冷卻凝固速度快，合金元素的擴(kuò)散速度小于結(jié)晶速度，即固相成份不是按CD變化，而是按CD’變化，從而產(chǎn)生了晶粒內(nèi)化學(xué)成份的不平衡現(xiàn)象，造成了非平衡結(jié)晶。 2．非平衡結(jié)晶產(chǎn)生的問題鑄造生產(chǎn)出的鋁合金棒其內(nèi)部組織存在兩方面的問題：①晶粒間存在鑄造應(yīng)力；②非平衡結(jié)晶引起的晶粒內(nèi)化學(xué)成份的不平衡。由于這兩個問題的存在，會使擠壓變得困難，同時，擠壓出的產(chǎn)品在機(jī)械性能、表面處理性能方面都有所下降。因此，鋁棒在擠壓前必須進(jìn)行均勻化處理，消除鑄造應(yīng)力和晶粒內(nèi)化學(xué)成份不平衡。 3．均勻化處理均勻化處理就是鋁棒在高溫(低于過燒溫度)下通過保溫，消除鑄造應(yīng)力和晶粒內(nèi)化學(xué)成份不平衡的熱處理。Al-Mg-Si系列的合金過燒溫度應(yīng)該是595℃，但由于雜質(zhì)元素的存在，實際的6063鋁合金不是三元系，而是一個多元系，因此，實際的過燒溫度要比595℃低一些，6063鋁合金的均勻化溫度可選在530-550℃之間，溫度高，可縮短保溫時間，節(jié)約能源，提高爐子的生產(chǎn)率。 4．晶粒大小對均勻化處理的影響由于固體原子之間的結(jié)合力很大，均勻化處理是在高溫下合金元素從晶界(或邊沿)擴(kuò)散到晶內(nèi)的過程，這個過程是很慢的。容易理解，粗大晶粒的均化時間要比細(xì)晶粒的均勻化時間長得多，因而晶粒越細(xì)，均勻化時間就越短。 5．均勻化處理的節(jié)能措施均勻化處理需要在高溫下通過較長時間保溫，對能源需求大，處理成本高，因此，目前絕大多數(shù)型材廠對鋁棒未進(jìn)行均勻化處理。其最重要的原因就是均勻化處理需要較高成本所致。降低均勻化處理成本的主要措施有： ①細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒可有效的縮短保溫時間，晶粒越細(xì)越好。 ②加長鋁棒加熱爐，按均勻化和擠壓溫度分段控制，滿足不同工藝要求。這一工藝主要好處是： a)不增加均勻化處理爐。 b)充分利用鋁捧均勻化后的熱能，避免擠壓時再次加熱鋁棒。 c)鋁捧加熱保溫時間長，內(nèi)外溫度均勻，有利于擠壓和隨后的熱處理。綜上所述，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)6063鋁合金鑄棒，首先是根據(jù)生產(chǎn)的型材選擇合理的成分，其次是嚴(yán)格控制熔煉溫度、澆鑄溫度，做好晶粒細(xì)化處理、合金液的精煉、過濾等工藝措施，細(xì)心操作，避免氧化膜的破裂與卷入。最后，對鋁棒進(jìn)行均勻化處理，這樣就可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鋁棒，為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)型材提供一個可靠的物質(zhì)基礎(chǔ)。這里還有個例子LY12，現(xiàn)在通常叫做2A12，相當(dāng)于2024，通用的板材標(biāo)準(zhǔn)為AMS-QQ-A-250/4（非包鋁）；AMS-QQ-A-250/5（包鋁），主要用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)、鉚釘、導(dǎo)彈構(gòu)件、卡車輪轂、螺旋槳元件及其他種種結(jié)構(gòu)件，為Al-Cu-Mg系主要成分為硅 0.5% 鐵 0.5% 銅 3.8-4.9 錳 0.0-0.9 鎂 1.2-1.8 鉻 0.10 鎳鋅 0.25 鈦 0.15（5）其它(3) 0.15 鋁(4) 其余注: (1)組合之元素性質(zhì)以最高百分率表示，除非列出的是一個范圍或是最低值。 (2) 為了定出合適的數(shù)值限制，分析得來的觀察或計算數(shù)值都是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則(ANSI Z25.1)以表示明確的范圍。 (3) 除了非合金外，合金內(nèi)的元素所規(guī)定的份量通常在分析報告中指示出來。但如果在分析過程中懷疑有其它元素存在或有部份元素被懷疑有過量的情形，更應(yīng)進(jìn)一步的分析直至有證實為止。 (4) 不是經(jīng)由精煉過程的非合金鋁中的鋁質(zhì)的含量就是其它的金屬的總量和百分百純鋁之差－其差別在于百份0.01或稍多一點。（百份比的小數(shù)點后第二位） (5) 最多可含有0.20%鋯和鈦。: 回答者：網(wǎng)友

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