铝合金铸锭的均匀化工艺过程

一、均匀化时在合金中发生的过程

    铝合金铸锭均匀化时，建立了发生均匀化扩散的条件，使铝铸锭中发生三个相辅相成的过程。
1．溶解过程
    在温度作用下，主要由铜、镁、锌、硅等具有较大扩散系数(见表2一l0—1)的元素组成的不平衡共晶和可溶金属间化合物溶解，使化学成分及固溶体性能沿整个晶粒体积变得均匀，消除或减轻了晶内偏析带来的有害作用(见图2—10—2、图2—10—3)。

表2—10—1铝中各有关合金元素的扩散系数

     由于原子迁移率和铝中合金化元素的溶解度随温度升高而增大，所以，均匀化温度愈高，则均匀化效果愈好。均匀化开始阶段，合金中的扩散过程进行得特别强烈，效果最大(见图2—10—4)。

    过剩相溶解或者聚集的结果，以及晶粒成分变得均匀，使得树枝状结构消失，晶界急剧缩短，因而，界面扩散作用降低。由此可以认为，延长均匀化时间超过某一最合适的时间，不仅没有大的效果，甚至可能恶化合金组织，引起过剩相夹杂物变粗。显而易见，铸锭枝晶网格愈小，也就是说，铸锭铸造时结晶速度愈高，则均匀化效果愈大。
2．球化过程
    在多组元工业铝合金铸锭中，除了由于晶内偏析而形成的并且在均匀化时可转入固溶体中的不平衡共晶和金属间化合物外，还可能存在一些在均匀化时不转入固溶体中的金属化合物相或者复杂平衡共晶。
    为了消除或减轻这种类型过剩相的有害影响，均匀化制度的选择应使骨络状分枝结构的夹杂物转变成致密的组织。要达到这个目的，只有在足够高的均匀化温度下才有可能。比如，对于像5A06型的合金，为了使枝杈形的镁、硅化合物达到明显的聚集，应在480～500℃时进行高温均匀化处理(这个合金的平衡固相线温度为540℃，而不平衡固相线温度只有451℃)。
3．析出过程
    在许多铝合金中，为了提高强度性能指标而添加了少量的难溶元素，如锰、铬、钛、锆、钒等。这些元素的溶解度很小，但是，在铝合金铸锭以足够高的结晶速度凝固时，这些元素能以极大的过饱和度(与二元合金平衡状态图相比较)形成铝的固溶体(见表2—10—2)。

表2—10—2合金元素在不同的冷却条件下在铝中的溶解度

    这些铝合金铸锭的均匀化，将促使基本合金元素向固溶体中极大的转移，同时导致难溶元素以二次金属间化合物的形式从固溶体中析出。当在比较低的温度(如460～490℃)均匀化时，固溶体的分解，主要使得具有最大过饱和的区域析出金属化合物，从而促使固溶体中的难溶元素含量在整个晶粒体积内变得均匀。但在更高的温度(如500～530℃)均匀化时，难溶元素从固溶体中析出的过程可能加速到导致固溶体中的难溶组元贫化的程度，以致用这种铸锭所制造的半成品的力学性能低于要求的水平。这种情况限制了以球化过程为目的的提高均匀化温度的可能性。由于这个原因，应该避免毫无根据的在均匀化时长时间的均热。
    应该指出，除了上述三个主要过程外，对于某些合金还可能发生相转变过程。比如，6063合金铸锭，当把均匀化温度提高到555℃以上时(在有少量锰存在的情况下)，就会发生由β(AlFeSi)向α(A1FeSi)转变的过程。

二、与均匀化后铝铸锭冷却速度相联系的过程

1．缓慢冷却过程
    均匀化后铸锭慢冷时，铝与铜、镁、锌、硅的固溶体的分解来得及进行，合金具有较高的塑性，并可能在较小的单位压力和较高速度的条件下进行变形。但是，均匀化后铸锭慢冷时析出的粗大的强化相可能降低厚的半制品性能，特别是相对伸长率的大小。因为在压力变形时，这些粗大相被拉长，而后在淬火加热时，它们部分溶解，变成薄片状，使材料变弱。

2．快速冷却过程
    在超过固溶体中基本合金组元转变点的温度均匀化后，铸锭快速冷却时，发生合金的淬火。从而，获得更加均匀和强固的铸锭。这导致两个结果，①组织更加均匀，再结晶温度提高，生产的半制品具有更高的力学性能。②要求更高的变形力，有可能使生产率降低。在下面的情况下，则要求特别大的变形力。即当可热处理强化铝合金铸锭在均匀化后进行快冷，也就是淬火，这些合金铸锭均匀化后热变形之前，在感应炉中经受短时加热，如果变形温度在300～350℃之间，毛料加热时间为20～30 min，那末，处于淬火态的合金的时效过程来得及进行，因此使强度大大提高。而这也就意味着变形抗力的大大提高。图2—10一5、图2—10—6、图2—10—7是生产条件下6XXX系合金铸锭均匀化后不同冷却速度对合金挤压力和生产能力的影响。图2—10—8是6063铝合金铸锭均匀化处理后的冷却速度与铸锭中Mg₂Si析出物的最大尺寸及挤压铝型材的T5强度(屈服强度)之间的关系。