CN101205577A - 一种无铅易切削铝合金材料及其制造技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无铅易切削铝合金材料，其特征在于，其化学成份如下(重量份)：Si 0.40～0.9％ Fe 0.0－ 0.5％ Cu 0.30～0.9％ Mn 0.0－0.35％ Mg0.6～1.2％ Cr 0～0.15％ Zn 0.0－0.25％ Ti 0.0～0.15％ Bi 0.4～0.7％ Sn 0.2～0.3％余量为AL，本发明还公开了一种上述铝合金材料的制造方法，其制造工艺步骤为：熔铸→均质→挤压→淬火→拉拔→时效；采用上述配方及工艺的无铅易切削铝合金材料具有易于切削机械加工、不含铅符合环保要求，有效降低成本的优点。

Description

一种无铅易切削铝合金材料及其制造技术

技术领域

本发明涉及铝合金型材及其制造技术，尤其涉及无铅铝合金型材。

背景技术

铅镉等重金属元素污染环境危害人类：随着社会经济水平的提高和人类环保健康意识的增强，铅、镉等有害元素对生存环境的污染和人类健康的伤害，已备受全社会的高度重视。据医学专家介绍，因为铅是一种有害元素，被人体摄入后不易被排泄、可对人体造成各种危害：破坏造血系统，从而增高血压，阻碍血红素的合成，导致贫血；影响消化系统功能；抑制免疫系统功能，影响肝、肾等器官，干扰肾功能和生殖功能，并不可逆转的损伤大脑，损伤大脑中枢及周围神经系统；各慢性中毒的临床表现为：肺气肿、骨质改变、贫血，还可使人瘫痪。尤其是儿童，由于消化道吸收率较成年人高5倍而成为铅中毒的高危人群。据资料披露，我国30％-40％的城市儿童血铅水平超标。

另一方面，国际上对含铅镉等有害物质的产品设置严格的技术壁垒：2003年2月13日，欧盟第L37期《官方公报》公布了欧洲议会和欧盟部长理事会共同批准的《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》(ROHS2002/95/EC)。该指令是欧盟在环境保护领域中有一重大新举措。该指令要求自2006年7月1日起在欧盟市场禁止销售含有镉、铅、汞、六价铬、聚溴二本醚和聚溴联苯6种有害物质的电子电气设备。指令的产品适用范围包括家电、通信等十大类电子电气产品。环境管控物质建议限值：镉：100PPm，铅、汞、六价铬、聚溴二本醚和聚溴联苯各1000PPm。欧盟ROHS被业界称之为牵动“全球制造业神经”的“无铅指令”，将对制造业、尤其是中小机电企业产生巨大影响。据悉，欧盟是我国机电产品出口第二大市场，去年出口值高达904.8亿美元，占我国机电产品出口总值的21％。欧盟ROHS指令的实施将对我国约六成机电产品出口欧盟造成重大影响。另据了解，上游产业链条也将面临冲击，像电子元器件、机械部件、辅料等原材料和零部件，都要满足ROHS指令的要求，否则产品就不能进入欧盟市场。这些产品的许多零部件铝合金过去采用2011及6262等易切削铝合金精加工而成，这些2011和6262等易切削铝合金都含有欧盟环境管控物质铅，要重新抢占欧洲市场，打破欧盟的技术壁垒，开发符合欧盟ROHS指令技术要求的新型无铅易切削铝合金产品成为当前十分紧迫的研究课题。

目前，在铝合金材料中一般均含有铅，为了解决这一问题，有人采用了这种配方的易于加工的铝合金材料，如中国专利号为：申请号ZL95191055、申请日为1995年9月15日、发明名称为无铅的6XXX铝合金的专利，其基本组成为：约0.15-1.0％(重量)的铜、约0.4-1.5％(重量)的锡、约0.65-1.35％(重量)的镁、约0.4-1.1％(重量)的硅、约0.002-0.35％(重量)的锰、最多约0.5％(重量)的铁、最多为约0.15％(重量)的铬和最多约为0.15％(重量)的钛，余量基本为铝。该合金无铅，同时也具有易于机械加工的优点，但生产工艺复杂成本高。

发明内容

本发明的目的就是为了针对现有技术的不足，而提供一种无铅易于切削，同时成本低的无铅铝合金材料。

本发明的另一目的还在于提供一种上述无铅铝合金材料制造技术方法。

本发明为了达到上述目的而采用的解决方案如下：

该无铅易切削铝合金材料是在6020合金的基础上，去除有害元素铅(Pb)，添加元素铋(Bi)，并对锡(Sn)和铋(Bi)的含量进行优化组合，从而配制成新的环保型无铅易切削铝合金，其化学成份如下(重量份)：Si 0.40～0.9％ Fe 0.0-0.5％Cu 0.30～0.9％ Mn 0.0-0.35％ Mg 0.6～1.2％ Cr 0～0.15％ Zn 0.0-0.25％ Ti0.0～0.15％ Bi 0.4～0.7％ Sn 0.2～0.3％余量为AL。

本发明是采用如下工艺步骤生产上述无铅易切削铝合金材料的：熔铸→均质→挤压→淬火→拉拔→时效；其中

熔铸工序中选用熔铸池表面积小的工业炉，并采用重油反射炉熔炼。且熔炼前必须对空炉进行彻底清理，必要时用纯铝锭进行洗炉。在加料顺序上先加铝锭子，熔点高的硅锭加在铝锭的上表面，采用快速装料，高温快速熔化，熔炼温度740760℃熔化速率4-5t/h。当固体物料化平，熔体温度上升740-750℃时，扒去炉内浮渣撒一层覆盖剂，其用量为3Kg/m2。Bi锭用手锤敲成细小颗粒，Sn锭在锯床上锯成厚度约20mm的小块。在熔剂覆盖的条件下，Bi粒和Sn块均匀加入炉内。有两点必须予以重视，第一点是合金成份的均匀性，最好在装有电磁搅拌器的熔炼炉内生产，若无电磁搅拌装置，则必须用大耙充分搅拌。第二点是铝合金熔体的精炼净化，除气必须彻底。其具体措施是适合当提高熔液温度，降低熔液粘度，加大喷粉和高纯氮气的用量，精炼完毕后，熔体在炉内静置20分钟后进行铸造。铸造时，熔体采用两级过滤，前级为多层玻璃丝布，二级为40PPI氧化铝泡沫陶瓷过滤板。

在生产过程中，采用同水平热顶装置进行半连续铸造，采用“高温、缓冷、慢速、多加丝”的铸造工艺。

在均质热处理工序中，采用520℃-560℃×14h-6h的工艺方案。其中最佳为540℃×8h均匀化处理方案；

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：其铝合金是以锡(Sn)和铋(Bi)元素在基体中形成低溶点组织组成物(共晶体)，取代铅(Pb)元素，在切削过程中切削不连续、易断，能够显著改善铝合金的切削性能。不仅具有较好的切削加工性能，同时不含铅有害物质，符合环保要求；如此同时还有效地提高了生产效率，降低成本，产品性能与表面光洁度均有较好的提高。

本发明的新型无铅易切削铝合金，改添加铋(Bi)和锡(Sn)，取代原来的元素铅(Pb)。其中铋(Bi)作为可安全使用的“绿色金属”，有取代铅、锑、镉、汞等有毒元素的趋势，使铝合金的应用突破无铅指令的限制，极大的促进国内铝合金行业的进步，是继续增强我国铝合金产业出口的重要突破口，对提高铝合金行业的经济效益和社会效益具有十分重要的意义。其次我国铋(Bi)资源得天独厚，主要分布在湖南、江西、广东、福建等南方各省，其工业储量和远景储量均居世界第一位，这为我国成为铋(Bi)的生产大国、占领世界市场创造了基本条件。但我国铋(Bi)的深加工还相当落后，仅在医药行业应用较多，其它应用受到限制。因此，加快铋(Bi)深加工的研究步伐，扩大铋(Bi)的应用，有利于大幅度提高我国铋(Bi)行业的经济效益。

本发明的铝合金本身所具有的轻质、高强度、高精度、可重复回收利用、便于加工等巨大的优势，铝合金的需求正呈现出稳定增长的势头，除广泛使用于民用建筑外，在机械、电子、交通、军工、航空航天等广泛的领域均已得到了运用。随着生活水平的提高，环保意识的增强，人们对健康也越来越重视，无铅概念从提出到目前的真正实现，更进一步促进了铝合金在世界范围内的强势发展，特别是无铅易切削铝合金产品突破了欧盟ROHS指令的技术壁垒，将给电子电气生产的上游产业如电子元器件、机械部件、辅料等原材料和零部件带来福音，具有十分广阔的应用前景。

具体实施方式

本发明的6020A铝合金材料包括如下化学组成：(重量份)Si 0.40～0.9％Fe 0.0-0.5％ Cu 0.30～0.9％ Mn 0.0-0.35％  Mg 0.6～1.2％ Cr 0～0.15％ Zn0.0-0.25％ Ti 0.0～0.15％ Bi 0.4～0.7％ Sn 0.2～0.3％余量为AL。

本发明的制造工艺如下：目前无铅易切削铝合金产品用量最大的还是棒材，棒材的生产工艺流程如下：熔铸→均质→挤压→淬火→拉拔→时效，以下对各工艺分别说明如下：

无铅易切削铝合金的熔铸

由于金属Sn和Bi和熔铸点低，在高温熔铸炼过程中，容易挥发掉。为了减少Bi和Sn的挥发损失，应选用熔铸池表面积小的工业炉，如低频感应电炉。由于受到工业装备条件的限制，我们采用重油反射炉熔炼。为了减少添加元素对合金的污染，熔炼前必须对空炉进行彻底清理，必要时用纯铝锭进行洗炉。在加料顺序上先加铝锭子，熔点高的硅锭加在铝锭的上表面，采用快速装料，高温快速熔化，尽可能缩短熔炼时间，提高设备产能，减少氧化损失。我们采用的熔炼温度740-760℃熔化速率4-5t/h。当固体物料化平，熔体温度上升740-750℃时，扒去炉内浮渣撒一层覆盖剂，其用量为3Kg/m²。Bi锭用手锤敲成细小颗粒，Sn锭在锯床上锯成厚度约20mm的小块。在熔剂覆盖的条件下，Bi粒和Sn块均匀加入炉内。对于无铅易切削铝合金熔炼来说，有两点必须予以重视：第一点是合金成份的均匀性，因为Bi和Sn的比重远远大于铝，极易生比重偏析，所以最好在装有电磁搅拌器的熔炼炉内生产，若无电磁搅拌装置，则必须用大耙充分搅拌，只有Bi和Sn以极小的颗粒均匀分布，才能得到切削性能优异的铝材；第二点是铝合金熔体的精炼净化，除气必须彻底。鉴于我们没有炉外在线净化装置，只有加大炉内净化效果。其具体措施是适当提高熔液温度，降低熔液粘度，加大喷粉和高纯氮气的用量，以达到提高除气除渣的目的。精炼完毕后，熔体在炉内静置20分钟后进行铸造，铸造时熔体采用两级过滤，前级为多层玻璃丝布，二级为40PPI氧化铝泡沫陶瓷过滤板。

在生产过程中，采用同水平热顶装置进行半连续铸造，由于Bi和Sn熔点低结晶时温度范围大，过渡带宽，与常规的6063铝合金铸造有很大区别。其主要问题有两个，一个是铝合金液从结晶器漏出，造成不能顺利进行；另一个是铸棒产生中心热裂纹。采用“高温、缓冷、慢速、多加丝”的铸造工艺。所谓“高温”即适当提高熔体温度，降低粘度，增加流动性，保护结晶器转接板上滑石泥牢固粘附，铝液均匀流到结晶器石墨环上，进行一次冷却，形成厚薄一致的凝固壳。同时，也有利于结晶时氢气的排出，当然熔体温度高，不仅可以减少棒坯夹气，疏松等陷缺，而且可以减少表面偏析层的深度，提高铸棒外表面光滑程度。不过熔体温度太高，更增加了热裂倾向。缓冷和慢速主要是降低液穴深度，减少内应力，克服热裂倾向。多加即是多加AI-5Ti-1B丝状晶粒细心剂，增加结晶核心，细化晶粒组织，有利于克服热裂倾向，提高材料力学性能。

例如，铸造6020C无铅易切削铝合金φ130mm园锭，我们采用下列工艺技术条件：铸出温度740-750℃，冷却水压力0.1MPa，冷却水温度35-40℃，铸速90mm/min，AI-5Ti-1B细化剂用量0.2％，可以成功地生产出合格的园铸锭子。

无铝易切削铝合金铸棒的均匀化处理

均匀化退火时，主要的组织变化是枝晶析消除和非平衡相溶解，因而溶质浓度逐渐均匀化。同时均匀化退火时，常常有饱和固溶体的分解，未溶解的相在退火过程中就可能发生聚集和球化，以降低界面能，达到热力学更稳定的状态。径进均匀化处理，消除了铸锭中存在的残余内应力。由于均匀化处理时发生了上述变化，使铝合金室温下塑性提高并使冷热变形的工艺性能大为改善，从而降低了挤压时的变形抗力，提高了挤压速度，改善了制品的性能和表面质量。

在试生产过程中，由于2011B的工艺加工性能较好，不进行均匀化处理。6×××无铅易切削合金我们采用520℃×14h、540℃×8h、560℃×6h等工艺方案，试验表明520℃×14h由于液度偏低，时间太长，降低了设备生产率，柴油消除多，成本高。560℃×6h方案铸棒显微组织有轻微过烧，均匀化温度的温度控制应低于该合金固相线温度15℃以下，最终选择540℃×8h均匀化处理方案。6×××易切削铝合金在均匀化热处理过程中，除了逆循均匀化热处理的一般规律外，还有其特殊性。由于添加了低熔点元素Bi和Sn，在均匀化处理温度下，这些低熔点物质处于熔化状态，还有少许质点处于气化状态，其达到均衡的速度比固体扩散更快，质点颗粒更细微，有利于提高铝合金的切削性能。由于铝合金铸锭外表面覆盖一层致密的氧化铝薄膜，Bi和Sn等低熔点物质不会穿透它而流失。

无铅易切削铝合金的挤压工艺

挤压工艺参数主要是温度和速度，参数选择得是否正确，对挤压制品的组织、性能以及技术经济指标都有很大的影响。

挤压时合理的温度范围，应当使材料具好最好的塑性，较优低的变形抗力以及保证制品能获得均匀良好的组织结构和力学性能。

挤压速度与制品的组织，性能之间的关系，主要是通过影响金属的热平衡来体现的。挤压速度低，金属热量逸散得多，造成挤压制品尾部出现加工组织；挤压速度高，热量来不及逸散，使金属温度升高过快。只有温度与速度良好地配合，才能生产出优良的挤压产品。

制造过程中使用铸锭直径130mm的园锭，1000t挤压机挤压φ13.5的园棒，用四孔平面模一次挤四根，挤压比大致为25。2011B即使不进行均匀化热处理，也有较好的挤压性能。当挤压筒温度为400℃，铸锭温度为420-440℃，虽然突破压力达到21MPa，但可以生产表面光滑，力学性能良好的产品，一般情况下，挤压速度可达12-15米/分。但6020A无铅铝合金的化学成分与6061铝合金相比，除Bi和Sn之外，其他成分大致接近但其挤压工艺与6061相差很大。6061铝合金挤压工艺通常为：挤压筒加热温度450℃挤压速度可达15-20米/分。而6020A无铅易切削铝合金在上述挤压工艺条件下进行试制，即使在很低速度下挤压，棒材表面沿轴线方向有许多勾槽，淬火后辊压也难以消除。当把挤压筒加热温度提高到470℃，铸锭温度提高到490-510℃，棒材表面质量大为改观，挤压速度可以达到10-13米/分。产生上述反常现象的原因可能是在高温时，熔融的低熔点物质流动性变好，不粘附于模具的工作带上，挤压条件得到了改善，不仅提高了棒材质量，而且提高了挤压速度，增加了单位时间的产量。棒材生产过程中挤压结速时出现缩尾是难以避免的。因此切足缩尾，保证棒的组织结构及力学性能是极为重要的。

本发明6020A实施例所采用的挤压工艺的挤压变形系数20～60，挤压筒温度470℃，铸锭加热温度490～510℃，挤压速度5～13米/分。

无铅易切削铝合金的淬火

铝合金淬火是为了将固溶热处理时形成的固溶体以快速的淬冷方式获得亚稳定的过饱和固溶体，以求在随后的时效获得高的强度和足够的塑性。

无铅易切削铝合金淬火时，跟其他铝合金淬火一样，主要是选择淬火温度，控制保温时间，淬火转移时间和冷却速度一般说来，淬火加热温度越高，合金中的强化相溶入固溶体中越充分，固溶体的成分越均匀，则径淬火时效后和力学性能就越高。但温度过高会引起晶粒粗大，甚至发生过烧而使产品报废。

在正常固溶热处理温度下，铝合金充分固溶所需的时间，与材料热处理前的组织结构，加热方式及材料的加工状态，合金的成分，材料的几何尺寸密切相关。

我们试生产时采用立式空气循环炉，用电加热，采用下述工艺条件，φ13.5mm×6000mm挤压园棒，每炉装料量1000kg。6×××系列易切削合金540℃×2h、2011B易切削铝合金520℃×2h；淬火转移时间不大于10S，淬火介质为水，水温≤30℃，采用压缩空气搅拌，冷却塔循环冷却。

经取样检测，淬火前后棒材晶粒未见明显变化。

本发明实施例的淬火工艺的固溶热处理(φ13.5×6000)挤压园棒，540℃×2h，淬火转移时间不大于15S，淬火水温≤30℃。

无铅易切削铝合金的拉拔工艺

易切削铝合金要求大多为多种规格的棒材，精度要求高，直径偏差一般为±0.05mm，这样棒材挤压后往往超差，通过硬质合金模冷拉拔可以满足。生产销售状态一般为T3或T8，少量订单为T9。园棒在控制过程中，铝合金在正压力、拉拔力和摩擦力的作用下，变形区的金属基本上处于两向受压和一向受拉的应力状态，应力呈轴对称状态。随着变形程度的增加，金属抗拉强度和屈服强度提高，而延伸率下降。对于无铅易切削铝合金材料来说，变形量通常控制在10％左右，变形量太小，拉拔后表面不光滑；变形量太大，虽然抗拉强度和屈服强度可以保证，但伸长率偏小。变形量在10％左右，无铅易切削铝合金的力学性能列于表1。

表1  无铅易切削铝合金的力学性能

随着无铅铝合金中Bi和Sn总量的提高，力学性能略有下降。

无铅易切削铝合金的时效工艺

从热处理原理来就，固溶冷拉变形后再时效，合金会发生两个方面的变化，第一：合金会发生回复，时效温度高的话，还会发生再结晶，回复和再结晶会使得合金强度降低，而伸长率会升高；第二：时效过程中固溶分解会析出第二相，时效析出会使得强度升高，伸长率下降。

我们在试生产过程中，将2011B和6020C两种铝合金分别在170℃、180℃、190℃温度条件进行不同时间的时效试验，收集了大量试验数据，两种合金典型时效处理拉伸力学性能比较列于表2。

表2  2011B和6020C两种合金的不同时效工艺处理状态拉伸力学性能

在实际生产中，为了充分发挥无铅易切削铝合金的潜在性能建议采用如下时效工艺：6020A时效工艺为180℃×4h。

总之，本发明采用优化设计挤压和热处理工艺，保证产品综合力学性能、防腐蚀等，满足客户的需求。适用于需经机械加工类的铝合金挤压型材。

表3：特性

(注：按A-优、B-良、C-中、D-差划分)

采用力学性能测试，X射线衍射物相分析、SEM背散扫描和能谱分析、透射电镜分析技术和金相实验技术研究了挤压工艺-时效工艺对固溶-冷拉处理的用锡(Sn)和铋(Bi)微合金化的无铅易切削6020A合金棒材显微组织结构和力学性能的影响。其最佳的时效工艺为170°/6h，抗拉强度σb为310MPa，屈服强度σ0.2为280MPa，延伸率δ为12％。用锡(Sn)和铋(Bi)微合金化6020A合金的切削性能与锡(Sn)微合金化而不含铋(Bi)的6020A合金以及用铅(Pb)和铋(Bi)微合金化的传统6262合金相当。

表3：力学性能

合金牌号	状态	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	伸长率(％)
					6020A	T6	260	240	8

本发明与国内外同类典型产品的技术性能比较

目前国内外易切削铝合金以2011、6262为代表的含铅合金，2011、6262、6020A(不含铅)的产品性能比较表4、表5、表6。

表4：化学成份比较

表5：其它性能比较

表6：力学性能比较

合金牌号	状态	抗拉强度σb(MPa)	屈服强度σ0.2(MPa)	伸长率δ(％)
					2011	T6	310	230	8
6262	T6	260	240	8
					6020A	T6	260	240	8

通过表(6)6020A合金中不含铅，符号欧盟要求，其它性能比较6020A完全符合6262合金的要求。

从本发明通过合金的X射线物相分析结果，合金的物相组成为Al基体，Mg2Si，Mg2Sn和Sn、Mg3Bi2、Bi，以及少量的Al0.56和Mn0.440.其中Mg2Si是合金的主要强化项，而Mg2Sn、Sn、Mg3Bi2和Bi则为合金中存在的低熔点组织组成物。

无铅易切削Al-Mg-Si的切削性能的改善是通过向合金中加入Sn、Bi来实现，因为Si、Bi与Al几乎不互溶，因此，Sn、Bi在合金中主要与Mg结合形成Mg2Sn和Mg3Bi2，以及Sn和Bi的单质形成存在，其在合金中的分布比较弥散，通过背散射电子相和断口分析、TEM显微组织分析，其尺寸多为10um左右。在切削加工过程中，由于刀具和工件的磨擦产生大量的热，工件与刀具的接触点的温度急剧升高，当温度达到或超过低溶点组成物的溶点时，这种物质会发生溶化和软化，形成细小的切屑，从而达到易切削的目的。

6020A合金属新的铝合金配方，从熔铸、均质、挤压、淬火、时效等工序的生产工艺实行调整。确保产品力学性能、易切削性能、耐蚀性能。

Claims (7)

1.一种无铅易切削铝合金材料，其特征在于，其化学成份如下(重量份)：Si 0.40～0.9％Fe 0.0-0.5％Cu 0.30～0.9％Mn 0.0-0.35％Mg 0.6～1.2％Cr 0～0.15％Zn 0.0-0.25％Ti 0.0～0.15％Bi 0.4～0.7％Sn 0.2～0.3％余量为AL。

2.一种制造权利要求1所述无铅易切削铝合金材料的制造技术，其特征在于，其制造工艺步骤为：熔铸→均质→挤压→淬火→拉拔→时效；其中熔铸工序中选用熔铸池表面积小的工业炉，并采用重油反射炉熔炼；在加料顺序上先加铝锭子，熔点高的硅锭加在铝锭的上表面，采用快速装料，高温快速熔化，熔炼温度740-760℃熔化速率4-5t/h；当固体物料化平，熔体温度上升740-750℃时，扒去炉内浮渣撒一层覆盖剂，其用量为3Kg/m²；Bi锭用手锤敲成细小颗粒，Sn锭在锯床上锯成厚度约20mm的小块；在熔剂覆盖的条件下，Bi粒和Sn块均匀加入炉内；在生产过程中，采用同水平热顶装置进行半连续铸造，采用“高温、缓冷、慢速、多加丝”的铸造工艺。

3.根据权利要求2的所述的一种无铅易切削铝合金材料的制造技术，其特征在于：所述熔铸工序前必须对空炉进行彻底清理，必要时用纯铝锭进行洗炉。

4.根据权利要求2的所述的一种无铅易切削铝合金材料的制造技术，其特征在于：所述熔铸工序中采用装有电磁搅拌器的熔炼炉或用大耙充分搅拌；并适当提高熔液温度，降低熔液粘度，加大喷粉和高纯氮气的用量，精炼完毕后，熔体在炉内静置20分钟后进行铸造；铸造时，熔体采用两级过滤，前级为多层玻璃丝布，二级为40PPI氧化铝泡沫陶瓷过滤板。

5.根据权利要求2的所述的一种无铅易切削铝合金材料的制造技术，其特征在于：在均质热处理工序中，采用520℃-560℃×14h-6h的工艺方案。

6.根据权利要求5的所述的一种无铅易切削铝合金材料的制造技术，其特征在于：均质热处理工序为540℃×8h均匀化处理。

7.根据权利要求2的所述的一种无铅易切削铝合金材料的制造技术，其特征在于：所述时效工艺：6020A铝材料型时效工艺为180℃×4h。