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鋁加工的基本知識

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鋁加工的基本知識

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用塑性加工方法将坯錠加工成材,主要方法有軋制、擠壓、拉伸和鍛造等。鋁加工在20世紀初開始以工業方式進行生産,30年代以前,基本上沿用銅加工的生産設備,産品主要用于飛機制造。60年代後,鋁材生産發展很快,每年大約增長4~8%,産品廣泛應用于航空、建築、運輸、電氣、化工、包裝和日用品工業等部門。産量僅次于鋼鐵,居金屬材料第二位。中國于50年代中期建成較大型的鋁加工廠,形成了生産體系,産品已系列化,品種有七個合金系,可生産闆材、帶材、箔材、管材、棒材、型材、線材和鍛件(自由鍛件、模鍛件)八類産品。
   鋁和鋁合金的塑性加工,應保證産品達到穩定、一緻的所需尺寸精度、力學性能和良好的表面質量。還要注意防止機械損傷和腐蝕,控制晶粒度和組織結構。這些質量要求主要靠生産工藝及設備來保證。鋁及其合金一般具有較好的塑性,易于塑性加工。硬鋁的相組分較複雜,存在低熔相和金屬間化合物等脆性組織,它的塑性加工具有一些特點:如進行均勻化處理消除坯錠冷卻時産生的内應力和晶内偏析;坯錠表面要進行銑削加工,去掉低熔相産生的表面偏析物。某些鋁合金為提高耐蝕性和加工性還要進行包鋁。鋁合金有過熱敏感性,必須嚴格控制加熱溫度。
   熔煉和鑄造 是為塑性加工提供坯錠。熔煉爐多用燃氣反射爐或燃油反射爐,一般容量為20~40噸或更大;也采用電阻加熱反射爐,容量一般為10噸左右。為縮短裝爐時間,提高熔化效率,減少吸收氣體和卷入氧化膜,工業上已采用傾轉式頂裝料圓型爐。熔煉時最好應用快速分析儀器分析合金成分,并及時調整。為保證熔體純潔,防止有害氣體的污染和控制化學成分,除了盡可能縮短熔煉時間外,宜用以氯化鉀和氯化鈉為主的粉狀熔劑覆蓋,一般用量為爐料重量的0.4~2%。熔煉溫度通常控制在700~750℃。
   熔化後的金屬還需進行精煉和過濾,以除掉金屬中的有害氣體氫和非金屬夾雜物,以提高金屬純潔度。精煉通常用固體精煉劑或氣體精煉劑。固體精煉劑一般以氯鹽為主,也用以六氯乙烷代替氯鹽的精煉劑。早期使用活性強的氯氣作氣體精煉劑,淨化效果雖好,但對環境污染嚴重,因此發展出氮-氯混合氣體、惰性氣和三氣體(N2、Cl2、CO)精煉劑,效果較好。為保證精煉效果,精煉氣體中的氧和水分含量一般應分别小于0.03%(體積)和 0.3克/米3。動态真空除氣法也具有較好的除氣和除鈉效果。
   過濾是讓熔體金屬通過中性或活性材料制成的過濾器,除去熔體中處于懸浮狀的夾雜物。常用玻璃絲網、微孔陶瓷管和闆、氧化鋁粒作過濾床進行過濾,也可用電熔劑精煉、熔劑層過濾。
   鑄造一般采用立式或水平式水冷半連續鑄造法。為改善立式鑄造的坯錠組織和表面質量,還發展出電磁結晶槽、矮結晶槽和熱頂鑄造法(見金屬的凝固)。水冷半連續鑄造法是通過流槽将液體金屬導入用水冷卻的結晶器内,使液體金屬冷卻形成凝固的外殼,由鑄造機底座牽引或靠自身重量均勻下降而脫出結晶器,形成坯錠。工藝參數因合金成分和坯錠尺寸的不同,差異很大。一般應盡量提高鑄造速度和冷卻速度,降低結晶槽的高度。鑄造溫度通常比合金的液相線高50~110℃。此外,還發展出鋁闆帶連續鑄軋工藝。
   闆材、帶材生産 采用平輥軋制,基本工序為熱軋、冷軋、熱處理和精整。對化學成分複雜的 LY12、LC4等硬鋁合金,熱軋前應進行均勻化處理。處理溫度一般低于合金中低熔點相的共晶溫度10~15℃,保溫12~24小時。硬鋁合金的包鋁是将包鋁闆放在經過銑面的坯錠兩面,借助于熱軋焊合。包鋁層的厚度一般為闆材厚度的4%。熱軋一般在再結晶溫度以上進行。熱軋可在單機架可逆軋機上進行,或在多機架上實行連軋。為提高成品率和生産效率發展大鑄錠軋制,錠重達10~15噸以上。年産量在10萬噸以下的工廠,一般用四輥可逆熱軋和采用熱上卷工藝,熱軋帶材厚度為6~8毫米左右。産量10萬噸以上的工廠,多在四輥可逆熱軋機開坯後采用單機架或兩機架、三機架、五機架連軋,實行熱精軋,帶材厚度可達2.5~3.5毫米。熱軋帶材成卷後作為冷軋坯料。為保證金屬有最佳的塑性,應在單相組織狀态下進行熱軋。LY11、LY12等合金的熱軋開坯溫度為400~455℃。前幾道道次變形率一般在10%以内,以後逐漸增大。純鋁和軟鋁合金道次變形率可達50%,硬鋁合金則為40%左右。熱軋總變形率可達90%以上。
   冷軋常在室溫下進行,通過冷軋可獲得尺寸精确、表面光潔和平整的較薄的闆材和帶材,并可獲得具有特定力學性能的加工硬化的闆材和帶材。冷軋主要采用帶式法生産工藝,應用四輥可逆軋機或四輥不可逆軋機進行冷軋,當前發展不可逆軋機進行冷軋。軋機裝備有液壓壓下、液壓彎輥、厚度自動控制系統或測輥縫的厚度自動控制系統及闆形控制儀,由微型電子計算機控制、記錄、儲存各種參數,以獲得尺寸精确、闆形平整的闆帶材,如 0.18毫米帶材公差可達±5微米。小工廠也有塊式法生産闆材的。退火後鋁的冷變形率可達90%以上。多相的硬鋁合金冷加工硬化明顯,需中間退火。中間退火後的冷變形率為60~70%。熱軋用乳液潤滑,冷軋已由乳液發展為全油潤滑。采用單獨控制噴嘴的多段冷卻系統,以減少鋁闆和軋輥的摩擦,冷卻軋輥,控制輥型,洗除鋁粉及其他雜質,以獲得良好的表面質量及闆形。
   經冷軋和熱處理後的帶卷常在輥式矯直機上或在拉彎連續矯直機列上進行精整。平整淬火後的闆片應在時效孕育期内進行,一般在淬火後30~40分鐘内完成。淬火闆的平直壓光總變形量不應超過2%。
   1955年試驗成功的鋁闆帶連續鑄軋可生産薄闆和鋁箔坯料。中國于70年代初開始用此法生産薄闆。
   箔材生産 鋁箔材可分為工業鋁箔和包裝鋁箔。工業鋁箔化學成分較純,厚度為0.005~0.2毫米,主要用作電氣工業和電子工業的電容器、絕熱材料、防濕材料等。包裝鋁箔厚度一般為0.007~0.1毫米,有平箔、印花箔、塗色印花箔和裱紙鋁箔等多種産品,主要用作食品、茶葉、紙煙等的包裝材料。鋁箔用帶式生産法生産的最小厚度可達0.0025毫米,寬度達1800毫米。鋁箔軋制為無輥縫軋制,軋輥始終處于彈性壓扁狀态。軋制時通過調整軋制力、軋制速度和控制張力來實現對箔材厚度的控制。粗軋時,采用軋制力控制箔材厚度;精軋時,箔材的厚度随着軋制速度的增加而減薄;張力愈大,厚度亦愈小;為了防止斷片,張力選擇通常為箔材的條件屈服強度σ0.2的0.2~0.4。低速軋制時常在潤滑油中加入“厚油”或“稀油”調整鋁箔的軋制厚度。潤滑劑和軋輥狀态對箔材質量有十分重要的影響。鋁箔坯料來自冷軋鋁卷,一般經340~480℃預先退火,其厚度為0.4~0.7毫米。軋制時道次變形率為50%左右,總變形率可達95%以上。成品厚度小于0.01~0.02毫米的箔材應進行合卷、雙張疊軋。
   管材、棒材、型材的生産 通常的工序是:先采用熱擠壓制成坯料,再經軋制(或拉伸)、精整和熱處理制成成品。也可用熱擠壓法直接制成成品,現已由短錠發展為長錠擠壓,按擠壓機的擠壓力用統一直徑的鑄錠,由分流組合模和舌形模擠制各種型材、管材,制品長度可達60米以上,經拉伸矯直後,切成所要求的長度。用于鋁材生産的最大擠壓機為20000噸。可擠成直徑為800毫米的帶肋管。建築型材是60年代發展起來的擠壓制品,已占擠壓制品總量35%以上,其中80%用做門窗框。建築型材幾乎全部采用鋁鎂矽系合金(LD30和LD31)。這種制品經陽極氧化和着色處理,表面形成各種顔色氧化膜,具有良好耐蝕性,制成門窗美觀耐用,密封性好。除熱擠壓外,還發展出冷擠壓,等溫擠壓、無殘料擠壓和靜液擠壓等方法(見鋁的氧化着色)。
   鋁和鋁合金的擠壓采用正向擠壓法和反向擠壓法。應依據不同合金選擇适宜的擠壓速度。為獲得組織和性能良好的鋁合金擠壓制品,一次擠壓成品時,型材,棒材的擠壓系數(λ)大于8~12,供鍛造用坯料的λ大于5。擠壓模對擠壓産品質量影響很大。擠壓棒材、型材常用平模,管材則常用錐形模。擠壓形狀複雜的空心型材和管材,則廣泛使用分流組合模和舌形模。有的采用液氮冷卻擠壓模,延長模子壽命和保證制品精度,一個模子可擠壓30噸鋁材。某些鋁合金的擠壓制品易出現“粗晶環”,即制品經熱處理後,周邊出現一層粗大晶粒區。高溫擠壓可以減輕這種現象。一些熱處理可強化的鋁合金擠壓制品經固溶時效處理後,強度提高而塑性下降。
   管材拉伸采用多條快速和盤筒拉伸,遊動芯頭盤管拉伸機卷筒直徑達 630~2900毫米,拉伸管坯直徑可達40~50毫米。拉管拉伸力為 16~18噸,拉伸速度為 24米/分,道次加工率一般為25~40%,此種工藝生産管材長度可達6000米。
   線材生産 主要采用拉伸工藝生産。産品有鉚釘線、焊條和導線。坯料用擠壓、軋制或連鑄連軋法生産。擠壓法生産坯料,靈活性較大,制品性能較好。軋制法和連鑄連軋法适于單一合金品種的坯料生産,生産效率高。
   鍛件生産 主要用于飛機和機器制造上。鍛件分自由鍛件和模煅件,其坯料采用鑄造和擠壓坯料。最大的模鍛水壓機為70000噸,鍛件最大尺寸的投影面積為4.5米2。鋁合金的臨界變形率約為5~15%,為避免形成粗晶,模鍛的變形率一般應大于15%。為減少不均勻變形,常采用多向自由鍛。
   熱處理 保證制品最終性能的熱處理稱為成品熱處理,包括成品退火、固溶處理、淬火、自然時效和人工時效處理;此外,還發展出分級時效和形變熱處理工藝。時效處理不僅改善制品的力學性能,而且改善制品的抗應力腐蝕性能和斷裂韌性。固溶加熱後至淬火前的轉移時間一般應控制在30秒以内。淬火的冷卻速度,既要保證獲得過飽和固溶體,又要不使制品産生過大的淬火應力和彎曲變形。帶卷和闆材在強有力循環通風的箱式爐、井式爐、立式闆材連續退火爐或氣墊式連續退火爐中進行退火,新式爐采用保護氣氛。淬火一般在鹽浴槽中進行加熱,新工藝采用氣墊式連續淬火爐淬火。

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