CN112553549B - 一种大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，属于铝合金均质处理技术领域，该方法依次包括如下步骤：S1、将铸棒放入均匀化处理炉内；S2、以8‑12℃/min的升温速率将铸棒加热到510‑530℃，然后保温10‑20 min；S3、以4‑6℃/min的速率将铸棒降温到450‑460℃，然后继续保温30‑40 min；S4、将铸棒移出均匀化处理炉，以不低于10℃/min的冷却速率将铸棒冷却室温。本发明通过优化设计均匀化处理的工艺和参数，使铸棒内部的粗大第二相化合物充分熔解，消除铸棒的成分偏析，从而降低铸棒的变形抗力，提高铸棒的组织成分均匀性和挤压加工性能。本发明还缩短了铸棒的均匀化处理时间，有利于减少能源消耗、降低生产成本和提高生产效率。

Description

一种大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法
技术领域
本发明属于铝合金均质处理技术领域，具体涉及一种大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法。
背景技术
易切削铝合金通常是指切屑易断、不粘刀、不缠刀的铝合金，易切削铝合金可以采用更高的速度或者更大的进刀量进行切削加工，可以显著提高铝合金零部件切削加工的生产效率，获得表面更光洁、尺寸精度更高的精密铝合金零部件，因而广泛用于汽车、电子、电器、机械装备等领域。
对直径超过300 mm的大直径易切削铝合金铸棒而言，由于元素合金化程度高，凝固结晶温度范围宽，导致元素偏析严重，第二相尺寸化合物尺寸粗大，铸棒变形抗力大，导致铸棒挤压困难，严重影响挤压生产效率。在挤压前对易切削铝合金铸棒进行均匀化处理，消除元素偏析，改善组织成分均匀性，溶解粗大第二相化合物，降低铸棒的变形抗力，可以提高铸棒的挤压性能和挤压生产效率。
现有直径超过300 mm的大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法通常是采用某温度下长时间保温的方法来进行均匀化处理，这种均匀化处理方法虽然操作简单，但难以完全消除元素偏析和溶解粗大第二相化合物，铸棒的变形抗力仍然较大，挤压性能仍然较差，难以满足生产需要。另外，现有大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法还存在加热保温时间长，导致能源消耗巨大，生产成本高的问题。因此，现有大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法仍有待改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，通过科学设计均匀化处理的工艺流程及参数，改善铸棒的组织成分均匀性，溶解消除粗大第二相化合物，降低铸棒的变形抗力，提高铸棒的挤压性能，同时缩短均匀化处理的时间，减少能源消耗，提高生产效率和降低生产成本。
为达到上述目的，本发明是通过如下手段得以实现的：
一种大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，包括如下步骤：
S1、将铝合金铸棒放入均匀化处理炉内；
S2、以8-12℃/min的速率将铝合金铸棒加热到510-530℃，然后保温10-20 min；
S3、以4-6℃/min的速率将铝合金铸棒降温到450-460℃，然后继续保温30-40min；
S4、将铝合金铸棒移出均匀化处理炉，以不低于10℃/min的冷却速率将铝合金铸棒冷却室温，得到所述大直径易切削铝合金铸棒。
作为优选地，所述大直径易切削铝合金铸棒的直径大于或等于300 mm。需要特别说明的是，本发明所述的大直径易切削铝合金铸棒是采用铝合金铸棒的常规半连续铸造工艺生产，主要能够保障铝合金的成分组成即可，有关大直径易切削铝合金铸棒半连续铸造工艺属于本领域技术人员的公知常识，在此就不再赘叙。
作为优选地，所述大直径易切削铝合金铸棒由以下质量百分比的成分组成：Mg6.15-6.31%，Mo 2.76-2.89%，Ca 1.38-1.44%，In 1.65-1.72%，Fe 1.25-1.27%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%。
作为优选地，所述大直径易切削铝合金铸棒由以下质量百分比的成分组成：Mg6.23%，Mo 2.81%，Ca 1.41%，In 1.68%，Fe 1.26%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%。
其中，Mg是大直径易切削铝合金铸棒的主要强化元素，首先Mg在铝中的固溶度高，具有固溶强化作用，其次，在后续挤压材时效过程中，Mg与Al可析出Mg2Al3强化相，进一步提高铝合金的强度。Mg含量太低，铝合金铸棒挤压材的强度达不到要求，Mg含量太高，则塑性会变差，塑性会达不到要求 。因此，Mg含量选择为6.15-6.31%。
Mo在大直径易切削铝合金铸棒中可形成MoAl6硬质相化合物，通过弥散强化提高铝合金的强度。Mo含量不能太低，否则Mo的作用不明显。Mo含量也不能太高，否则形成的MoAl6硬质相化合物的尺寸会太大，反而起不到弥散强化作用。因此，Mo含量选择为2.76-2.89%。
Ca在大直径易切削铝合金铸棒中主要是细化铝合金铸棒的晶粒。传统细化铝合金铸棒晶粒的方法是添加钛或硼元素，但对于高Mo含量的Al-Mg系合金， 钛、硼元素遇到Mo元素时会产生“中毒”效应而失去晶粒细化作用。发明人的实验研究发现，Ca元素对Mo元素有中毒免疫功能，能够很好细化高Mo含量的Al-Mg系合金，从而改善易切削铝合金铸棒的组织。Ca含量太低，晶粒细化效果不明显，含量太高又会增加铝合金铸棒的生产成本，因此，Ca含量选择为1.38-1.44%。
In在大直径易切削铝合金铸棒中的作用是提高铝合金的切削加工性能。发明人的实验研究发现，In属于低熔点金属元素，熔点为156.6℃，添加微量的In元素，在高速切削加工过程中，铝合金与刀具之间的发生高速摩擦，机械能转变成热能，使铝合金的温度升高，当与刀具接触点附近的铝合金切屑温度达到或接近In的熔点时，低熔点金属元素In发生软化甚至熔化，从而使铝合金的切屑发生断裂，达到切屑不粘刀、不缠刀、排屑方便的效果。In的含量对铝合金的切屑加工性能和力学性能都有着重要的影响，In的含量越高，铝合金的切屑加工性能越好，但会降低铝合金的力学性能，同时还会增加铝合金的生产成本，当添加1.65-1.72%的In时，可获得最优良的切削加工性能和力学性能。
Fe在大直径易切削铝合金铸棒中的作用主要用来增强强度。Fe是铝合金中不可避免的元素，通常是看作杂质元素，会降低铝合金的力学性能。发明人的研究表明，添加1.25-1.27%的Fe，不仅不会对易切削铝合金的力学性能产生危害，反而有利于增强易切削铝合金强度。
作为优选地，步骤S1中的均匀化处理炉选用带鼓风机的均匀化处理，以确保炉膛温度均匀，能够准确控制均匀化处理炉的温度，均匀地加热铝合金铸棒，避免因炉膛不同位置的温度差异而影响到大直径易切削铝合金铸棒的温度。
对于大直径易切削铝合金铸棒而言，均匀化处理的升温速率、保温温度和保温时间都十分关键。升温速率太快，会引起铝合金铸棒的表层和内部产生明显的温度差异，最终会使铝合金铸棒内部组织产生差异。升温速率太低，则加热长，能源消耗大，会大幅降低生产效率，显著增加生产成本。保温温度和保温时间对于消除元素偏析和溶解粗大第二相化合物最为关键，保温温度低或者保温时间不足，则无法彻底消除元素偏析和溶解粗大第二相化合物，而保温温度太高则容易引起铝合金铸棒产生过烧，会恶化铝合金铸棒挤压材的力学性能，而保温时间过长，同样会导致能源消耗增大，不仅会大幅降低生产效率，还会显著增加生产成本。
现有技术中的大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法通常是采用某温度下的长时间保温的方法来进行均匀化处理，这种方法虽然操作简单、方便，但难以完全溶解粗大第二相化合物，这也是铸棒变形抗力大，挤压性能差的原因。另外，现有常规大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法的加热保温时间长，通常都需要在二十小时以上，导致能源消耗巨大，使生产成本大幅增加。
由于本发明大直径易切削铝合金铸棒含有较高的Mg、Mo、Fe元素，第二相化合物包括Mg2Al3、MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6，其中MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6化合物属于熔点较高的硬质相，现有技术中均匀化处理的温度都是低于475℃，该温度下即使长时间保温也不能完全溶解消除粗大的MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6第二相化合物，这也是导致铝合金铸棒变形抗力大和挤压性能差的主要原因。
作为优选地，最优选地，步骤S2中以10℃/min的升温速率将铝合金铸棒加热到520℃，然后保温15 min。
本发明将大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理分两个阶段进行，首先先以8-12℃/min的升温速率将铝合金铸棒加热到510-530℃，然后保温10-20 min进行一段高温均匀化处理，510-530℃的高温均匀化处理10-20 min可以充分溶解铝合金铸棒内部的Mg2Al3共晶相以及粗大的MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6第二相化合物，但加热温度也不能高于530℃，否者会引起铝合金铸棒过烧，即产生晶间液相，会恶化铝合金铸棒挤压材的力学性能。
作为优选地，步骤S3中以5℃/min的降温速率将铝合金铸棒降温到455℃，然后继续保温35 min。
大直径易切削铝合金铸棒内部Mg、Mo、Fe元素的均匀化过程实际上是这些元素的扩散过程，步骤S2的高温能够充分溶解粗大MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6第二相化合物，但Mg、Mo、Fe元素的扩散仍然是需要一个较长时间来完成。510-530℃高温条件下长时间的保温显然会增加能源的消耗和生产成本。另外，大直径铝合金铸棒在510-530℃的温度直接喷水或水雾冷却，会引起铝合金铸棒产生变形和裂纹。为了解决这个矛盾问题，本发明通过步骤S2高温均匀化处理充分溶解Mg2Al3共晶相以及粗大的MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6第二相化合物后，再通过步骤S3以4-6℃/min的降温速率将铝合金铸棒降温到450-460℃，然后继续保温30-40 min，可以确保完成Mg、Mo、Fe等元素的均匀化扩散过程，同时又能明显减少高温保温时间，缩短加热时间，又能避免后续喷水或水雾冷却引起大直径铝合金铸棒产生变形和裂纹。
作为优选地，步骤S4中应选择直接喷水冷却，确保大直径易切削铝合金铸棒的冷却速率大于10℃/min。
作为优选地，步骤S4中所述冷却选自直接喷水冷却或者水雾冷却中的一种或多种。
均匀化处理后的大直径易切削铝合金铸棒必须以较快的冷却速率冷却下来，冷却速率太慢，过饱和的Mg、Mo、Fe等元素又会析出重新形成Mg2Al3共晶相以及粗大的MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6第二相化合物，达不到均匀化处理的目的。发明人通过大量的实验研究发现，对于本发明的大直径易切削铝合金铸棒而言，冷却速率不能低于10℃/min，否则达不到均匀化处理的效果。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明发将大直径易切削铝合金铸棒先加热到510-530℃保温10-20 min进行一段高温均匀化处理，然后再降温到450-460℃继续保温30-40 min，可以确保充分溶解粗大的MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6第二相化合物，消除Mg、Mo、Fe等元素的偏析，提高大直径易切削铝合金铸棒的组织成分均匀性，降低变形抗力，显著提高大直径易切削铝合金铸棒的挤压性能。
（2）本发明大直径易切削铝合金铸棒均匀化处理的加热保温时间不超过2.5小时，与现有常规大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法相比，本发明显著缩短了均匀化处理的加热保温时间，可以显著降低能源消耗和生产成本，同时提高了大直径易切削铝合金铸棒的生产效率。
附图说明
图1为实施例1易切削铝合金铸棒的金相组织照片。
图2为实施例2易切削铝合金铸棒的金相组织照片。
图3为实施例3易切削铝合金铸棒的金相组织照片。
图4为对比例1易切削铝合金铸棒的金相组织照片。
图5为对比例2易切削铝合金铸棒的金相组织照片。
图6为对比例3易切削铝合金铸棒的金相组织照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种直径为300mm的易切削铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Mg6.23%，Mo 2.81%，Ca 1.41%，In 1.68%，Fe 1.26%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%，其均匀化处理方法依次包括如下步骤：
S1、将铝合金铸棒放入均匀化处理炉内；
S2、以10℃/min的速率将铝合金铸棒加热到520℃，然后保温15 min；
S3、以5℃/min的速率将铝合金铸棒降温到455℃，然后继续保温35 min；
S4、将铝合金铸棒移出均匀化处理炉，以15℃/min的冷却速率将铝合金铸棒冷却室温，得到所述直径300 mm易切削铝合金铸棒。
实施例2
一种直径为500 mm的易切削铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Mg6.31%，Mo 2.76%，Ca 1.44%，In 1.65%，Fe 1.27%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%，其均匀化处理方法依次包括如下步骤：
S1、将铝合金铸棒放入均匀化处理炉内；
S2、以12℃/min的速率将铝合金铸棒加热到510℃，然后保温20 min；
S3、以4℃/min的速率将铝合金铸棒降温到460℃，然后继续保温30 min；
S4、将铝合金铸棒移出均匀化处理炉，以10℃/min的冷却速率将铝合金铸棒冷却室温，得到所述直径500 mm易切削铝合金铸棒。
实施例3
一种直径为400 mm的易切削铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Mg6.15%，Mo 2.89%，Ca 1.38%，In 1.72%，Fe 1.25%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%，其均匀化处理方法依次包括如下步骤：
S1、将铝合金铸棒放入均匀化处理炉内；
S2、以8℃/min的速率将铝合金铸棒加热到530℃，然后保温10 min；
S3、以6℃/min的速率将铝合金铸棒降温到450℃，然后继续保温40 min；
S4、将铝合金铸棒移出均匀化处理炉，以12℃/min的冷却速率将铝合金铸棒冷却室温，得到所述直径400 mm易切削铝合金铸棒。
对比例1
一种直径为300 mm的易切削铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Mg6.23%，Mo 2.81%，Ca 1.41%，In 1.68%，Fe 1.26%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%，其均匀化处理方法依次包括如下步骤：
S1、将铝合金铸棒放入均匀化处理炉内；
S2、以10℃/min的速率将铝合金铸棒加热到500℃，然后保温15 min；
S3、以5℃/min的速率将铝合金铸棒降温到455℃，然后继续保温35 min；
S4、将铝合金铸棒移出均匀化处理炉，以15℃/min的冷却速率将铝合金铸棒冷却室温，得到所述直径300 mm易切削铝合金铸棒。
对比例2
一种直径为500 mm的易切削铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Mg6.31%，Mo 2.76%，Ca 1.44%，In 1.65%，Fe 1.27%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%，其均匀化处理方法依次包括如下步骤：
S1、将铝合金铸棒放入均匀化处理炉内；
S2、以12℃/min的速率将铝合金铸棒加热到510℃，然后保温20 min；
S3、以4℃/min的速率将铝合金铸棒降温到440℃，然后继续保温30 min；
S4、将铝合金铸棒移出均匀化处理炉，以10℃/min的冷却速率将铝合金铸棒冷却室温，得到所述直径500 mm易切削铝合金铸棒。
对比例3
一种直径为400 mm的易切削铝合金铸棒，由以下质量百分比的成分组成：Mg6.15%，Mo 2.89%，Ca 1.38%，In 1.72%，Fe 1.25%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%，其均匀化处理方法依次包括如下步骤：
S1、将铝合金铸棒放入均匀化处理炉内；
S2、以8℃/min的速率将铝合金铸棒加热到530℃，然后保温10 min；
S3、以6℃/min的速率将铝合金铸棒降温到450℃，然后继续保温40 min；
S4、将铝合金铸棒移出均匀化处理炉，以8℃/min的冷却速率将铝合金铸棒冷却室温，得到所述直径400 mm易切削铝合金铸棒。
验证例1
为了检验经过均匀化处理后易切削铝合金铸棒的组织状态，在实施例1-3和对比例1-3均匀化处理后的大直径易切削铝合金铸棒的中心部位取样，试样经200#、1000#、2000#砂纸磨制和抛光机抛光后，在LEIK-APYMX型光学显微镜下进行观察，结果如图1-6所示。其中图1-3分别为实施例1-3易切削铝合金铸棒试样放大500倍的金相组织照片，图4-6分别为对比例1-3易切削铝合金铸棒试样放大500倍的金相组织照片。
从图1-3可以看到，经本发明均匀化处理方法处理后，易切削铝合金铸棒试样上未见有粗大的第二相化合物存在，说明Mg2Al3共晶相以及粗大的MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6第二相化合物都已充分溶解扩散。从图4-6可以看到，对比例1的易切削铝合金铸棒由于步骤S2的高温均匀化处理的温度未达到510℃，对比例2的易切削铝合金铸棒由于步骤S3的高温均匀化处理的温度未达到450℃，对比例3的易切削铝合金铸棒由于步骤S4的冷却速率未达到10℃/min，易切削铝合金铸棒试样上仍然可以看到有许多粗大的第二相化合物存在，说明对比例1-3易切削铝合金铸棒试样上的Mg2Al3共晶相以及粗大的MoAl6、FeAl3和(MoFe)Al6第二相化合物未能完全溶解扩散。
验证例2
为了检验经过均匀化处理后易切削铝合金铸棒的挤压性能，在实施例1-3和对比例1-3均匀化处理后的大直径易切削铝合金铸棒的中心部位取样，并将试样加工成标准拉伸试样，按GB/T6395-86的规定，在WDF-2000A型万能电子拉伸试验机上高温瞬时拉伸试验，试验温度为420℃，保温时间为10分钟，拉伸速率为2mm/min，测定易切削铝合金铸棒的高温瞬时力学性能，高温瞬时力学性能可以反映易切削铝合金铸棒的挤压性能，结果如下表1所示。
表1易切削铝合金铸棒的高温瞬时力学性能
抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 断后伸长率/%
实施例1 46.8 43.4 29.6
实施例2 45.4 42.6 30.5
实施例3 47.5 45.1 28.9
对比例1 51.3 48.5 25.6
对比例2 50.6 47.6 26.8
对比例3 52.4 49.2 24.5
从表1可看到，实施例1-3的易切削铝合金铸棒的高温瞬时抗拉强度低于48 MPa，屈服强度低于46 MPa，断后伸长率大于28%。对比例1-3的易切削铝合金铸棒的高温瞬时抗拉强度高于50 MPa，屈服强度高于46 MPa，断后伸长率小于27%。通过比较可以看到，实施例1-3的易切削铝合金铸棒在高温瞬时条件下具有更低的抗拉强度和屈服强度，而具有更高的断后伸长率，说明实施例1-3的易切削铝合金铸棒具有更低的变形抗力、更好的塑性变形能力以及更好的挤压性能。
以上具体实施方式部分对本发明所涉及的分析方法进行了具体的介绍。应当注意的是，上述介绍仅是为了帮助本领域技术人员更好地理解本发明的方法及思路，而不是对相关内容的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可以对本发明进行适当的调整或修改，上述调整和修改也应当属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将铝合金铸棒放入均匀化处理炉内；
S2、以8-12℃/min的速率将铝合金铸棒加热到510-530℃，然后保温10-20 min；
S3、以4-6℃/min的速率将铝合金铸棒降温到450-460℃，然后继续保温30-40 min；
S4、将铝合金铸棒移出均匀化处理炉，以不低于10℃/min的冷却速率将铝合金铸棒冷却室温，得到所述大直径易切削铝合金铸棒，所述大直径易切削铝合金铸棒由以下质量百分比的成分组成：Mg 6.15-6.31%，Mo 2.76-2.89%，Ca 1.38-1.44%，In 1.65-1.72%，Fe1.25-1.27%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%。
2.根据权利要求1所述的大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，其特征在于，所述大直径易切削铝合金铸棒的直径大于或等于300 mm。
3.根据权利要求1所述的大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，其特征在于所述大直径易切削铝合金铸棒由以下质量百分比的成分组成：Mg 6.23%，Mo 2.81%，Ca1.41%，In 1.68%，Fe 1.26%，余量为Al和不可避免的杂质元素，杂质元素单个含量≤0.01%，杂质元素总量≤0.05%。
4.根据权利要求1所述的大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，其特征在于，步骤S1中的均匀化处理炉选自带鼓风机的均匀化处理炉。
5.根据权利要求1所述的大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，其特征在于，步骤S2中以10℃/min的升温速率将铝合金铸棒加热到520℃，然后保温15 min。
6.根据权利要求1所述的大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，其特征在于，步骤S3中以5℃/min的降温速率将铝合金铸棒降温到455℃，然后继续保温35 min。
7.根据权利要求1所述的大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，其特征在于，步骤S4中应选择直接喷水冷却，确保大直径易切削铝合金铸棒的冷却速率大于10℃/min。
8.根据权利要求7所述的大直径易切削铝合金铸棒的均匀化处理方法，其特征在于，步骤S4中所述冷却选自直接喷水冷却或者水雾冷却中的一种或多种。
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