6061鋁合金電機(jī)外殼型材的生產(chǎn)技術(shù)

邢 陽，滿士國，陳 力，植鑑鈞

(廣東新大明鋁業(yè)有限公司，廣東 肇慶 526070)

鋁合金因質(zhì)輕、美觀、具有良好的導(dǎo)熱性能和比熱容以及良好的塑性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電能轉(zhuǎn)換或傳遞的電磁裝置領(lǐng)域。近年來，電機(jī)外殼越來越多選擇鋁合金材料進(jìn)行生產(chǎn)，由于對尺寸精度和性能要求較高，優(yōu)選6061鋁合金，通過擠壓方式制造[1]。本文簡要介紹鋁合金電機(jī)外殼型材生產(chǎn)技術(shù)，供相關(guān)技術(shù)研究和生產(chǎn)人員參考。

1 合金成分確定

目前，工業(yè)用的6xxx系擠壓合金的特點(diǎn)是具有良好的可擠壓性能、可焊接性能、取得其適當(dāng)強(qiáng)度所需要的低成本。在6xxx系合金中，6061合金具有較高的強(qiáng)度和綜合性能，具有加工性能極佳、優(yōu)良的焊接特點(diǎn)及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、材料致密無缺陷等優(yōu)點(diǎn)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，6061鋁合金已成為生產(chǎn)鋁合金電機(jī)外殼型材的基礎(chǔ)合金。

(1)合金的強(qiáng)度性能通過控制合金中Mg2Si的含量和過剩硅的含量來保證。6061合金的主要強(qiáng)化元素是Mg和Si，主要強(qiáng)化相是Mg2Si和過剩游離硅。其抗拉強(qiáng)度隨合金中Mg2Si的含量和過剩硅的含量增加而提高，其淬火敏感性也相應(yīng)提高，但伸長率和擠壓性會(huì)下降。新合金中硅的含量比Mg2Si化學(xué)計(jì)量比中要求的稍大，是因?yàn)樵谶B續(xù)鑄造的實(shí)際結(jié)晶過程中，合金中的硅要優(yōu)先與雜質(zhì)鐵或錳易形成AlFeSi和/或(FeMn)3SiAl12金屬間化合物，要消耗部分硅[2-3]。因此，內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)中將合金中鎂含量控制在0.84%～0.88%，而硅含量控制在0.60%～0.64%。這樣使合金產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度達(dá)到296 N/mm2以上，材料力學(xué)性能完全滿足國標(biāo)和客戶的要求。

(2)合金的耐蝕性。對于6061合金而言，鐵和硅是合金中的正常雜質(zhì)，它們形成相對鋁基體而言呈陰極的組分(FeAl3、αAlMnSi、硅和其它)。此外，合金中的過剩硅也會(huì)增大合金對應(yīng)力腐蝕的敏感性。因此，為了使合金具有較好的耐蝕性，在成分設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能降低雜質(zhì)鐵的含量和次要成分銅的含量，并消除過剩硅的存在。

(3)合金中鐵的作用。鐵含量較高對合金的韌性、擠壓性能和耐腐蝕性能有較大影響。在合金中與錳、鉻、硅等形成硬脆的金屬鋁化物相。試驗(yàn)表明，6061合金在(標(biāo)準(zhǔn)值0.7%以下)的范圍內(nèi)，對合金強(qiáng)度和延伸率的影響不大，但伴隨Fe含量的增加，韌性明顯降低。合金中的鐵以不超過0.30%為宜。

(4)合金中銅的作用。合金中的銅作為彌補(bǔ)停放效應(yīng)的強(qiáng)度損失而加入，能夠降低自然時(shí)效速度。6061合金中銅的添加因析出了細(xì)微致密的β′-Mg2Si，使得合金強(qiáng)度提高，同時(shí)也改善了化學(xué)光亮處理的反應(yīng)能力。銅可產(chǎn)生抑制擠壓效應(yīng)，降低合金的各向異性。因此，合金成分設(shè)計(jì)時(shí)，銅的含量選取按下限0.15%～0.20%。

(5)合金中鈦的作用。鈦有細(xì)化鑄造組織和結(jié)晶晶粒的作用。生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用在線變質(zhì)處理方法時(shí)，鈦的加入量只需0.01%～0.02%即可。

綜上所述，最終確定6061化學(xué)成分如表1所示。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分(wt.%)

2 模具設(shè)計(jì)

從圖1可知，鋁合金電機(jī)外殼型材結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)腔、散熱翅、支撐腳和螺釘安裝位組成。內(nèi)腔的面積很大，采用大型擠壓機(jī)制造需要承受較大的擠壓力，這就要求對力學(xué)性能和模具設(shè)計(jì)要求很高，否則某些散熱翅很容易崩裂。由于型材具有一定對稱性，因此在金屬成形過程中，對稱的部位、金屬成形的狀態(tài)要求一致[4]。即在模具設(shè)計(jì)時(shí)，對稱部位分流孔金屬供應(yīng)、工作帶選擇應(yīng)盡可能趨于一致，避免因流速差產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而保證型材的尺寸精度[5]。

圖1 鋁合金電機(jī)殼型材斷面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Section structure diagram of aluminum alloy motor shell profiles

本設(shè)計(jì)采用分流模結(jié)構(gòu)，8孔均衡分布。因產(chǎn)品又大又厚，生產(chǎn)時(shí)常出現(xiàn)縮水，防止生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)擺動(dòng)，在模芯工作帶離下空刀5mm處做10度保護(hù)臺(tái)，中心大圓下空刀須銑深3mm，空刀光滑接順。為調(diào)節(jié)各處厚薄點(diǎn)出料速度均勻并減緩流速，可在下模焊合室特別厚處加7mm欄基，下模大圓處工作帶取11mm，支架最厚處取23mm工作帶。模具采用高純氮?dú)獯慊?，以保證模具電機(jī)外殼散熱翅的硬度[6]。模具制造結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋁合金電機(jī)殼型材模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of die structure for aluminum alloy motor shell profile

3 熔鑄工藝

采用25t 矩形固定型蓄熱式爐和25t 立式半連續(xù)鑄造機(jī)設(shè)備進(jìn)行熔煉和鑄造，經(jīng)除氣、除渣、細(xì)化并優(yōu)化熔鑄工藝參數(shù)，經(jīng)先進(jìn)的均勻化處理和機(jī)加工生產(chǎn)出6061合金Φ254mm的優(yōu)質(zhì)鑄錠，供擠壓使用。

(1)熔煉。采用旋轉(zhuǎn)式節(jié)能熔煉爐設(shè)備，裝爐前對熔煉爐進(jìn)行烘爐，并按1kg/t(裝爐量)的比例在爐內(nèi)撒上一層清爐劑，徹底清爐，再裝爐、熔煉。待合金全部熔化后，使用電磁攪拌設(shè)備，以加快熔化，避免熔體過熱。控制熔煉溫度在700℃～760℃，溫度過高會(huì)增大吸收氫和氧化，溫度過低易產(chǎn)生夾雜。爐前熔體取樣快速分析，然后進(jìn)行補(bǔ)料計(jì)算。

(2)精煉。成分合格后開始精煉，精煉溫度控制在700℃～730℃。在720℃以上溫度用高純氮?dú)庀蛉垠w吹入精煉劑，精煉15min～30min。精煉結(jié)束后，根據(jù)渣量撒入適量打渣劑，扒去鋁液表面的浮渣。然后加入覆蓋劑，以保護(hù)熔體不受污染，靜置20min以上方可鑄造。

(3)鑄造。采用同水平熱頂鑄造半連續(xù)法生產(chǎn)圓鑄錠。鑄造過程中，主要控制鑄造溫度、鑄造速度和冷卻水壓強(qiáng)度等因素。鑄棒規(guī)格為Φ254mm，鑄造溫度700℃～720℃，鑄造速度50mm/min～70mm/min，冷卻水量為2400L/min～3100 L/min。

(4)均質(zhì)。合金的均勻化處理能夠提高擠壓速度，滿足型材斷面要求的成型要求。通常選擇(0.9～0.95)Tm為合金均勻化退火溫度(Tm為鑄錠實(shí)際開始融化的溫度)。對鑄錠進(jìn)行均勻化處理，鑄錠加熱到560℃～580℃，保溫7h～8h，隨即冷卻200℃水冷至常溫。

4 擠壓與時(shí)效工藝

鋁合金電機(jī)外殼型材是一種空心擠壓型材，外殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)腔大，壁厚相差懸殊，特別是對Φ6mm的8個(gè)小圓和中心圓及支架部分厚度比較難控制，因此電機(jī)外殼型材技術(shù)難點(diǎn)較高，給生產(chǎn)制造帶來很大的難度。將6061-T6合金高硅均質(zhì)鑄錠，在智控高節(jié)能蓄熱式燃?xì)怃X棒加熱爐加溫，金屬填充過程中散熱翅很容易崩斷，因此需讓擠壓桿慢速加壓前行。綜合考慮擠壓機(jī)擠壓能力，為達(dá)到理想的力學(xué)性能，應(yīng)適當(dāng)降低擠壓溫度、合理控制擠壓速度[7-8]，其擠壓生產(chǎn)過程工藝參數(shù)為，鑄錠加熱溫度480℃～530℃，模具溫度480℃～500℃，盛錠筒溫度440℃～460℃，擠壓速度3m/min～6m/min，出口溫度510℃～530℃，冷卻方式為強(qiáng)風(fēng)水霧冷卻。擠壓完畢后，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)與制造的精密在線水、霧、氣淬火裝置上淬火，采用時(shí)效溫度為(175±5)℃×8h的時(shí)效工藝處理[9-11]。

5 結(jié)束語

經(jīng)過優(yōu)選配置先進(jìn)鋁型材擠壓生產(chǎn)設(shè)備，合理選擇鋁合金鑄造、均質(zhì)、擠壓與時(shí)效工藝技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)上，可以生產(chǎn)出滿足用戶要求的鋁合金電機(jī)殼型材。結(jié)果顯示，該產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)要求。