CN104404408B - 铝合金电流均化装置及其电流均化方法 - Google Patents

Abstract

铝合金电流均化装置及其电流均化方法，属于金属材料、热处理技术领域。装置：包括内部具有冷却水通道的导电夹具，在两个导电夹具之间设置保温炉，在保温炉内设置有循环风机；导电夹具与供电电源、恒温调节器串联；热电偶的一端与恒温调节器相连，另一端设置在保温炉内的铝合金铸锭中。方法：将铸锭通过保温炉的通孔设置在保温炉上，使其两端位于保温炉外部，其余部分位于保温炉内；将两个导电夹具分别通过卡槽设置在铝合金铸锭的两个端头上，并紧固；当截面尺寸较小时，不开启保温炉；当铝合金铸锭截面尺寸较大时，开启保温炉，并开启循环风机；将保温炉内加热至均化温度，保持该均化温度至均化热处理结束；步骤五：取出均化后的铝合金铸锭。

Description

铝合金电流均化装置及其电流均化方法

技术领域

本发明属于金属材料、热处理技术领域，具体涉及一种铝合金电流均化装置及其电流均化方法；本发明尤其适用于高合金化的7XXX和2XXX系合金。

背景技术

均匀化处理是变形铝合金加工前的重要处理过程。由于铝合金的加工坯料绝大部分都采用DC铸造方法制备，非平衡凝固的结果，在晶界产生大量低熔点的结晶相，只有将这些结晶相充分溶解，才能保证合金的加工性能和最终产品的性能。

传统的均化方法是选择一个均化温度(通常要略低于固相线温度)，然后保温一定的时间。由于均化温度较高，均化时间很长，所以能耗很高，对于高强铝合金，如7000系铝合金，均化的能耗要占产品总能耗的30％左右。

近年来有人开发了双级均化方法，第一级的温度较低，然后再升到常规均化温度，这种方法在含Zr铝合金的Al₃Zr质点的析出控制收到较好的效果，但是并没有显著减少高温均化的时间，即没有降低均化的能耗。

在双级均化的基础上，近年有人开发了三级均化方法，即在双级均化后，再将温度升到比共晶温度再高一些；采用这种方法，可以使7000系铝合金中的S项比较充分溶解，均化比较彻底，但是温度升高，时间加长，能耗增加。

上个世纪末，刘伟在两个极板间产生的静电场，均匀化AlLi合金，发现当电场强度达到2000V/cm时，合金均匀化加快；相同的均化温度和时间，静电场均化后的残留晶界结晶相尺寸和数量显著降低，合金热加工性显著改善，因此，开发了静电场均化新方法。同时发现静电场固溶可以提高固溶后合金元素的固溶量，提高均化后合金的力学性能。

最近，何立子在强磁场下进行7050高强合金均匀化，发现强磁场可以促进非平衡凝固的结晶相溶解，同等温度下合金的均化速度显著增加。

但是，目前的静电场均化和在强磁场下均化，均只能做小块试样用于科学研究，没有工程价值。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可显著提高均化效果、显著降低均化能耗，并可以在工业生产中应用的铝合金电流均化装置及其电流均化方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种铝合金电流均化装置，包括两个内部具有冷却水通道的导电夹具，在导电夹具内设置有卡槽，所述卡槽与铝合金铸锭的端头相对应；在两个导电夹具之间设置具有通孔的保温炉，在保温炉内设置有循环风机；所述导电夹具与供电电源、恒温调节器串联连接；热电偶的一端与恒温调节器相连接，另一端设置在保温炉内的铝合金铸锭中。

所述导电夹具与供电电源、恒温调节器通过电缆串联连接。

在所述导电夹具上设置有导电板，电缆通过导电板与导电夹具相连接。

所述导电夹具为两瓣式结构，在两瓣导电夹具上分别固定有加紧板，两瓣导电夹具通过设置在加紧板上的加紧螺栓和加紧螺帽固定连接。

在所述两瓣导电夹具上分别各设置有两个进水口和一个出水口，两个进水口分别设置在出水口的两侧。

所述的铝合金电流均化装置的电流均化方法，包括如下步骤：

步骤一：将铝合金铸锭通过保温炉的通孔设置在保温炉上，使其两端位于保温炉外部，其余部分位于保温炉内；

步骤二：将两个导电夹具分别通过卡槽设置在铝合金铸锭的两个端头上，并紧固；

步骤三：当铝合金铸锭截面尺寸较小时，不开启保温炉；当铝合金铸锭截面尺寸较大时，开启保温炉，并开启循环风机；通过供电电源对导电夹具进行供电，同时热电偶将铝合金铸锭的温度反馈给恒温调节器，通过恒温调节器调节供电电源输出电流的大小；

步骤四：将保温炉内加热至均化温度，保持该均化温度至均化热处理结束；

步骤五：取出均化后的铝合金铸锭。

本发明的有益效果：

本发明的铝合金电流均化装置及其电流均化方法可显著提高均化效果、显著降低均化能耗，并可以在工业生产中应用。

附图说明

图1为本发明的铝合金电流均化装置的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的导电夹具的结构示意图；

图3为本发明的导电夹具与铝合金铸锭连接后的结构示意图；

图4为7050合金铸态微观组织示意图；

图5为采用本发明的电流均化与传统均化方法均化后的微观组织比较图；

(a)为采用本发明电流均化后的微观组织图；

(b)为采用传统均化方法均化后的微观组织图；

图6为实施例一中本发明的电流均化和传统均化方法的均化时间与残留相面积分数的关系曲线图；

图7为实施例二中本发明的电流均化的均化时间与铝合金铸锭温度的关系曲线图；

图8为实施例二中本发明的电流均化和传统均化方法的均化时间与残留相面积分数的关系曲线图；

图中：1-铝合金铸锭，2-循环风机，3-供电电源，4-热电偶，5-恒温调节器，6-电缆，7-保温炉，8-导电夹具，9-卡槽，10-端头，11-加紧螺栓，12-出水口，13-进水口，14-加紧螺帽，15-加紧板，16-导电板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～图3所示，一种铝合金电流均化装置，包括两个内部具有冷却水通道的导电夹具8，所述冷却水通道的设置是为了防止导电夹具8发热、接触处变形而导致接触面积减少，以保证工作时，导电夹具8不升温，接触处形状不变，接触电阻尽量小；在导电夹具8内设置有卡槽9，所述卡槽9与铝合金铸锭1的端头10相对应；在两个导电夹具8之间设置具有通孔的保温炉7，在保温炉7内设置有循环风机2；所述导电夹具8与供电电源3、恒温调节器5通过电缆6串联连接；热电偶4的一端与恒温调节器5相连接，另一端设置在保温炉7内的铝合金铸锭1中。

所述供电电源3采用变压器或整流器，可以是直流，也可以是交流；强度视环境温度、均化的速度要求和均化的效果确定。

在所述导电夹具8上设置有四块由纯铜制造的导电板16，所述导电板16紧贴加紧板15设置，电缆6通过导电板16与导电夹具8相连接。

所述导电夹具8为两瓣式结构，在两瓣导电夹具上分别固定有加紧板15，两瓣导电夹具通过设置在加紧板15上的加紧螺栓11和加紧螺帽14固定连接。

在所述两瓣导电夹具上分别各设置有两个进水口13和一个出水口12，两个进水口13分别设置在出水口12的两侧。

为了保证导电夹具8与铝合金铸锭1接触电阻最小，铝合金铸锭1的端头10要车削加工成表面光洁度为Ra1.6～3.2。导电夹具8的内表面由导电性良好的纯铜制造，其余部分为不锈钢制造，导电夹具8的内表面要加工成Ra1.6。本发明的导电夹具8接触电阻低，均化时不发热，可以保证电流均化稳定进行。

当多根铝合金铸锭同时均化时，可以串联供电，尤其是铝合金铸锭截面尺寸较大时，串联供电可以减少变压器容量，减少供电电缆的面积。

所述的铝合金电流均化装置的电流均化方法，包括如下步骤：

步骤一：将铝合金铸锭1(通常为圆铸锭)通过保温炉7的通孔设置在保温炉7上，使其两端位于保温炉7外部，其余部分位于保温炉7内。

步骤二：将两个导电夹具8分别通过卡槽9设置在铝合金铸锭1的两个端头10上，并通过设置在加紧板15上的加紧螺栓11和加紧螺帽14进行紧固，使导电夹具8的内表面与铝合金铸锭1端头10的外表面充分接触，以避免在接触面的电阻太大，接触面发热。

步骤三：当铝合金铸锭1截面尺寸较小(铝合金铸锭的直径小于Φ150mm)时，不开启保温炉7，在保温炉7中保温但不加热，直接依靠电流产生的焦耳热加热铝合金铸锭1，电流在加热铝合金铸锭1的同时加速均化。这时对铝合金铸锭1施加的电流要大一些，施加的电流强度为4～10A/mm²。通过供电电源3对导电夹具8进行供电，同时通过热电偶4测定铝合金铸锭1的温度，并将该温度反馈给恒温调节器5，通过恒温调节器5调节供电电源3输出电流的大小，以确保温度恒定，通常保温炉7内的温度为400～470℃。铝合金铸锭1一面在电流作用下升温，一面在电流和温度作用下结晶相快速溶解。此时，通过恒温调节器5控制铝合金铸锭1的温度在预定温度，均化开始时，施加的电流强度较高，随着铝合金铸锭1温度的升高，供电电源3供给的电流强度开始降低；当铝合金铸锭1的温升和环境散热平衡时，铝合金铸锭1的温度保持在稳定值。采用此方法的均化时间可以缩短到传统均化方法的20～30％，铝合金铸锭1在2～4小时后达到或接近均化温度，铝合金铸锭1达到传统均化方法的均化效果所需要的时间(从施加电流开始)可以减少70～80％。

当铝合金铸锭1截面尺寸较大(铝合金铸锭的直径为Φ150～500mm)时，为提高均化速度，开启保温炉7，并开启循环风机2，循环风机2可提高温度的均匀性。通过供电电源3对导电夹具8进行供电，同时通过热电偶4测定铝合金铸锭1的温度，并将该温度反馈给恒温调节器5，通过恒温调节器5调节供电电源3输出电流的大小，以确保温度恒定，通常保温炉7内的温度为400～470℃。保温炉7加热到均化温度时，施加的电流强度为0.5～2A/mm²。采用此方法均化时间可以缩短到传统均化方法的16～20％，均化时间可以减少80～85％，利用电流促进低熔点结晶相的溶解，均化后只残留高熔点的金属间化合物。

步骤四：将保温炉7内加热至均化温度，保持该均化温度至均化热处理结束；

步骤五：取出均化后的铝合金铸锭。

供电电源的供电功率可以按下式计算：

P＝I²R/1000＝(Ma)²ρL/(1000M)＝a²MρL/1000

式中：I＝Ma，R＝ρL/M；P-供电电源的供电功率，KW；I-供电电流，A；a-施加的电流值，A/m²；R-铝合金铸锭的总电阻，Ω；M-铝合金铸锭的截面积，m²；ρ-铝合金铸锭的电阻率，Ω·m；L-铝合金铸锭的长度，mm。

实施例一：

7050合金电流(保温)均化：

7050合金的化学成分见表1，铝合金铸锭的直径为Φ152mm，铝合金铸锭的微观组织见图4，经定量金相仪测定，铝合金铸锭的结晶相面积分数为7.39％。图5为采用本发明的电流均化与传统均化方法均化后的微观组织比较图，由图可见：电流均化后，晶界残留相显著减少。7050合金铸态组织中主要是T相和少量的Al₇Cu₂Fe相，其中Al₇Cu₂Fe相由于溶解温度高，在均化中基本不变。均化的主要过程是T相向基体溶解，部分转化成S相，而S相要在较高温度(490～495℃)才溶解，所以传统的均化主要是T相的溶解。图6为本发明的电流均化和传统均化方法的均化时间与残留相面积分数的关系曲线图，由图可见：采用传统的单级均化方法，均化温度为470℃，均化时间为24小时时，残留相面积分数为2.16％，直到36小时，还有1.75％。而施加1A/mm²电流后，均化6小时就可以达到传统均化方法36小时的效果，均化24小时后，残留相面积分数可以达到0.98％，此时部分S项已溶解。

实施例二：

7050合金(纯)电流均化：

7050合金的化学成分见表1，铝合金铸锭的直径为Φ100mm，经定量金相仪测定，铝合金铸锭的结晶相面积分数为6.79％。本实施例不开启保温炉7，在保温炉7中保温但不加热，直接依靠电流产生的焦耳热加热铝合金铸锭，使铝合金铸锭升温，进行均化。当施加的电流强度为5A/mm²时，铝合金铸锭的温升如图7所示，可见只施加电流，铝合金铸锭的电阻也可以将电能转化成热量，加热铝合金铸锭。大约4个小时以后，铝合金铸锭的温度就可以升到460℃左右，通过控制电流的大小，可以保持此温度基本不变。采用此方法，均化12小时(含升温时间)，就可以达到传统均化方法36小时的效果(见图8)。(纯)电流均化24小时，残留相面积分数可以达到0.92％。T相已完全溶解，S项部分溶解。

表17050合金的化学成分(wt％)

Claims (1)

1.一种铝合金电流均化装置的电流均化方法，所述铝合金电流均化装置，包括两个内部具有冷却水通道的导电夹具，在导电夹具内设置有卡槽，所述卡槽与铝合金铸锭的端头相对应；在两个导电夹具之间设置具有通孔的保温炉，在保温炉内设置有循环风机；所述导电夹具与供电电源、恒温调节器串联连接；热电偶的一端与恒温调节器相连接，另一端设置在保温炉内的铝合金铸锭中；其特征在于，所述电流均化方法包括如下步骤：

步骤一：将铝合金铸锭通过保温炉的通孔设置在保温炉上，使其两端位于保温炉外部，其余部分位于保温炉内；

步骤二：将两个导电夹具分别通过卡槽设置在铝合金铸锭的两个端头上，并紧固；

步骤三：当铝合金铸锭截面尺寸较小时，不开启保温炉；当铝合金铸锭截面尺寸较大时，开启保温炉，并开启循环风机；通过供电电源对导电夹具进行供电，同时热电偶将铝合金铸锭的温度反馈给恒温调节器，通过恒温调节器调节供电电源输出电流的大小；

步骤四：将保温炉内加热至均化温度，保持该均化温度至均化热处理结束；

步骤五：取出均化后的铝合金铸锭。