專利名稱：：一種無鉛易切削鋁合金材料及其制造工藝的制作方法
技術領域：
：本發明涉及鋁合金棒材及其制造
技術領域：
，尤其是指一種2xxx無鉛易切削鋁合金材料及其制造工藝。
背景技術：
：隨著社會經濟水平的提高和人類環保健康意識的增強，鉛、鎘等有害元素對生存環境的污染和人類健康的傷害，已備受全社會的高度重視。據醫學專家介紹，鉛是一種有害元素，被人體攝入后不易被排泄，可對人體造成各種危害，破壞造血系統，從而增高血壓阻礙血紅素的合成，導致貧血，影響消化系統功能，抑制免疫系統功能，影響肝、腎等器官，干擾腎功能和生殖功能，并不可逆轉的損壞大腦，損傷大腦中樞及周圍神經系統；各慢性中毒的臨床表現為肺氣腫、骨質改變、貧血，還可使人癱瘓。尤其是兒童，由于消化道吸收率較成年人高5倍而成為鉛中毒高危人群。據資料披露，我國30%—40%的城市兒童血鉛水平超標。另一方面，國際上對含鉛、鎘等有害物質的產品設置嚴格的技術壁壘2003年2月13日，歐盟第L37期《官方公報》公布了歐洲議會和歐盟部長理事會共同批準的《關于在電子電氣設備中禁止使用某些有害物質指令》(R0HS2002/95/EC)。該指令是歐盟在環境保護領域中有一重大新舉措，要求自2006年7月1日起在歐盟市場禁止銷售含有鎘、鉛、汞、六價鉻、聚溴二本醚和聚溴聯苯6種有害物質的電子電氣設備，指令的產品適用范圍包括家電、通信等十大類電子電氣產品。環境管控物質建議限值鎘100PPm，鉛、汞、六價鉻、聚溴二本醚和聚溴聯苯各1000PPm。歐盟ROHS被業界稱之為牽動"全球制造業神經"的"無鉛指令"，將對制造業，尤其是中小機電企業產生巨大影響，據悉，歐盟是我國機電產品出口第二大市場，去年出口值高達904.8億美元，占我國機電產品出口總值的21%。歐盟ROHS指令的實施將對我國約六成機電產品出口歐盟造成重大影響，同時，上游產業鏈條也將面臨沖擊，像電子元器件、機械部件、輔料等原材料和零部件，都要滿足ROHS指令的要求，否則產品就不能進入歐盟市場，這些產品的許多零部件鋁合金過去采用2011及6262等易切削鋁合金精加工而成，而這些2011和6262等易切削鋁合金都含有歐盟環境管控物質鉛，重新搶占歐洲市場，打破歐盟的技術壁壘，開發符合歐盟ROHS指令技術要求的新型無鉛易切削鋁合金產品成為當前十分緊迫的研究課題。
發明內容本發明的目的就是為了針對現有技術的不足，而提供一種力學性能高、切削性能好的無鉛易切削鋁合金材料。本發明的另一目的還在于提供一種上述無鉛易切削鋁合金材料制造技術方法。本發明為了達到上述目的而采用的解決方案如下該無鉛易切削鋁合金材料是在2xxx合金的基礎上，去除有害元素鉛(Pb),添加元素錫(Sn),并對錫(Sn)的含量進行優化，從而配制成新的環保型無鉛易切削鋁合金，其化學成份如下(重量百分比)Si:<0.4%，Zn<0.2%,Fe:<0.7%,Cu:4.55.5%,Sn:0.150.45%，Bi:0.3~0.8%,余量不可避免雜質和Al。上述化學成份重量百分比的優選方案為Si:<0.4%,Zn<0.2%，Fe:<0.7%,Cu:5.05.5%,Sn:0.200.30%,Bi:0.450.7%，余量為不可避免雜質和Al。本發明是采用如下工藝步驟生產上述無鉛易切削鋁合金材料的熔鑄一均勻化處理一擠壓一固溶一淬火一必要時進行拉拔一時效一必要時進行冷拉；其中熔鑄工序中選用熔鑄池表面積小的工業爐，并采用重油反射爐熔煉。且熔煉前必須對空爐進行徹底清理，必要時用純鋁錠洗爐。在加料順序上先加鋁錠，采用快速裝料，高溫快速熔化，熔煉溫度740—76(TC,熔化速率4-5t/h。當固體物料化平，熔體溫度上升740—750'C時，扒去爐內浮渣撒一層覆蓋劑，其用量為3Kg/m3。Sn錠在鋸床上鋸成厚度約20mm的小塊。在熔劑覆蓋條件下，Sn塊和Bi均勻加入爐內。有兩點必須予以重視，第一點是合金成分的均勻性，最好在裝有電磁攪拌器的熔煉爐內生產，若無電磁i^拌裝置，則必須用大耙充分攪拌。第二點是鋁合金熔體的精煉凈化，除氣必須徹底。其具體措施是適合當提高熔體溫度，降低熔體粘度，加大噴粉和高純氮氣的用量，精煉完畢后，熔體在爐內靜置20分鐘后進行鑄造。鑄造時，熔體采用兩級過濾，前級為多層玻璃絲布，二級為40PPI氧化鋁泡沫陶瓷過濾板。在生產過程中，采用同水平熱頂裝置進行半連續鑄造，半連續鑄造時采用高溫一緩冷一慢速一多加絲的鑄造工藝。在均勻化處理工序中，采用48(M95'CX8h16h的工藝參數。其中最佳參數為490。CX12h。本發明采用上述技術解決方案所能達到的有益效果是錫(Sn)元素和鉍(Bi)元素在基體中形成低熔點組織組成物(共晶體)，這種低熔點物質在切削加工過程中，由于摩擦生熱產生的熱量接近或達到其熔點時，低熔點物質發生軟化或熔化，切屑不連續，易斷，能夠顯著改善鋁合金的切削性能，該合金不僅具有良好的力學性能和切削加工性能，同時不含鉛有害物質，符合環保要求，產品性能與表面光潔度均有較好的提高。本發明的新型無鉛易切削鋁合金，改添加錫，取代原來的有毒元素鉛(Pb)，使易切削鋁合金的應用突破無鉛指令的限制，極大的促進國內易切削鋁合金產業的進步，是繼續增強我國鋁合金產業出口的重要突破口，對提高鋁合金行業的經濟效益和社會效益具有十分重要的意義。本發明的鋁合金本身所具有的輕質、高強度、高精度、可重復回收利用、便于加工等巨大的優勢，鋁合金的需求正呈現出穩定增長的勢頭，除廣泛使用于名用建筑外，在機械、電子、交通、軍工、航空航天等廣泛的領域均已得到了運用。隨著生活水平的提高，環保意識的增強，人們對健康也越來越重視，無鉛概念從提出到目前的真正實現，更進一步促進了易切削鋁合金在世界范圍內的強勢發展，特別是無鉛易切削鋁合金產品突破了歐盟ROHS指令的技術壁壘，將給電子電氣生產的上游產業如電子元器件、機械部件、輔料等原材料和零部件帶來福音，具有十分廣闊的應用前景。具體實施例方式本較佳實施例的2011A鋁合金材料包括如下化學重量百分比組成Si:<0.4%,Zn<0.2%，Fe:<0.7%,Cu:5.05.5%，Sn:0.200.30%,Bi:0.45~0.7%，余量不可避免雜質和Al，本發明的制造工藝如下目前無鉛易切削鋁合金產品用量最大的還是棒材，棒材的生產工藝流程如下熔鑄一均勻化處理一擠壓一固溶_淬火一(拉拔)一時效一(冷拉)；以下對各工藝分別說明如下無鉛易切削鋁合金的熔鑄由于金屬Sn的熔點低，在高溫熔鑄過程中，容易揮發掉，為了減少Sn的揮發損失，應選用熔鑄池表面積小的工業爐，如低頻感應電爐。由于受到工業裝備條件的限制，我們采用重油反射爐熔煉。為了減少添加元素對合金的污染，熔煉前必須對空爐進行徹底清理，必要時用純鋁錠進行洗爐，在加料順序上先加鋁錠，采用快速裝料，高溫快速熔化，盡可能縮短熔煉時間，提高設備產能，減少氧化損失。我們采用的熔煉溫度740—760'C，熔化速率4一5t/h。當固體物料化平，熔體溫度上升740—750'C時，扒出爐內浮渣撒一層覆蓋劑，其用量為3Kg/m3。Sn錠在鋸床上鋸成厚度約20mm的小塊。在熔劑覆蓋的條件下，Bi和Sn塊均勻加入爐內。對于無鉛易切削鋁合金熔煉來說，有兩點必須予以重視，第一點是合金成分的均勻性。因為Bi和Sn的比重遠遠大于鋁，極易生比重偏析，所以最好在裝有電磁攪拌器的熔煉爐內生產,若無電磁攪拌裝置，則必須用大耙充分攪拌。只有Bi和Sn以極小的顆粒均勻分布，才能得到切削性能優異的鋁材。第二點是鋁合金熔體的精煉凈化，除氣必須徹底。鑒于我們沒有爐外在線凈化裝置，只有加大爐內凈化效果。其具體措施是適合當提高熔液溫度，降低溶體粘度，加大噴粉和高純氮氣的用量，以達到提高除氣除渣目前，精煉完畢后，熔體在爐內靜置20分鐘后進行鑄造。鑄造時，熔體采用兩級過濾，前級為多層玻璃絲布，二級為40PPI氧化鋁泡沫陶瓷過濾板。5在生產過程中，采用同水平熱頂裝置進行半連續鑄造，由于Sn、Bi熔點低，結晶時溫度范圍大，過渡帶寬，與常規的6063鋁合金鑄造有很大區別。其主要問題有兩個，一個是鋁合金液從結晶器漏出，造成不能順利進行；另一個是鑄棒產生中心熱裂紋。采用"高溫一緩冷—慢速一多加絲"的鑄造工藝，所謂高溫即適當提高熔體溫度，降低粘度，增加流動性，保護結晶器轉接板上滑石泥牢固粘附，鋁液均勻流到結晶器石墨環上，進行一次冷卻，形成厚薄一致的凝固殼。同時，也有利于結晶時氫氣的排出。緩冷和慢速主要是降低液穴深度，減少內應力，克服熱裂傾向。多加即是多加Al—5Ti—1B絲狀晶粒細化劑，增加結晶核心，細化晶粒組織，有利于克服熱裂傾向，提高材料力學性能。例如，鑄造2011A無鉛易切削鋁合金O130mm圓錠，我們采用下列工藝技術條件鑄造溫度720—730'C,冷卻水壓力0.1MPa，冷卻水溫度35—40'C,鑄速卯mm/min，Al—5Ti—lB細化劑用量0.2%，可以成功地生產出合格的圓鑄錠。無鉛易切削鋁合金鑄棒的均勻化處理-均勻化退火時，主要的組織變化是枝晶偏析消除和非平衡相溶解，因而溶質濃度逐漸均勻化，同時均勻化退火時，常常有過飽和固溶體的分解，未溶解的相在退火過程中就可能發生聚集和球化，以降低界面能，達到熱力學更穩定的狀態。經過均勻化處理，消除了鑄錠中存在的殘余內應力，由于均勻化處理時發生了上述變化，使鋁合金室溫下塑性提高并使冷熱變形的工藝性能大為改善，從而降低了擠壓時的變形抗力，提高了擠壓速度，改善了制品的性能和表面質量。在試生產過程中，由于2XXX無鉛易切削合金我們采用460'CX18h、490。CX12h、520'CX8h等工藝方案，試驗表明460'CX18h由于溫度偏低，時間太長，降低了設備生產率，柴油消耗多，成本高。52(TCX8h方案鑄棒顯微組織有明顯過燒，均勻化溫度的控制應低于該合金固相線溫度15'C以下，最終選擇490'CX12h均勻化處理方案。2XXX易切削鋁合金在均勻化熱處理過程中，除了遵循均勻化熱處理的一般規律外，還有其特殊性。由于添加了低熔點元素Sn，在均勻化處理溫度下，這些低熔點物質處于熔化狀態，還有少許質點處于氣化狀態，其達到均衡的速度比固體擴散更快，質點顆粒更細微，有利于提高鋁合金的切削性能。由于鋁合金鑄錠外表面覆蓋一層致密的氧化鋁薄膜，Sn等低熔點物質不會穿透它而流失。無鉛易切削鋁合金的擠壓工藝擠壓工藝參數主要是溫度和速度，參數選擇是否正確，對擠壓制品的組織，性能以及技術經濟指標都有很大的影響。擠壓時合理的溫度范圍，應當使材料具有最好的塑性，較優的變形抗力以及保證制品能獲得均勻良好的組織結構和力學性能。擠壓速度與制品的組織、性能之間的關系，主要是通過影響金屬的熱平衡來體現的。擠壓速度低，金屬熱量逸散得多，造成擠壓制品尾部出現加工組織，擠壓速度高，熱量來不及逸散，使金屬溫度升高過快。只有溫度與速度良好地配合,才能生產出優良的擠壓產品。制造過程中使用鑄錠直徑130mm的圓錠，1000t擠壓機擠壓①13.5的圓棒，用四孔平面模一次擠四根，擠壓比大致為25。但2011A無鉛易切削鋁合金的化學成分與2011鋁合金相比，除Sn之外，其他成分大致接近，其擠壓工藝與2011相差不大。其擠壓工藝參數為擠壓筒加熱溫度450SC，擠壓速度可達2-5米/分。同時，棒材生產過程中擠壓結束時出現縮尾是難以避免的，因此切足縮尾，保證棒的組織結構及力學性能是極為重要的。本發明2011A實施所采用的擠壓工藝的擠壓變形系數20—60，擠壓筒溫度45(TC，鑄錠加熱溫度380—450'C，擠壓速度2—5米/分。無鉛易切削鋁合金的淬火鋁合金淬火是為了將固溶熱處理時形成的固溶體以快速的淬冷方式獲得亞穩定的過飽和固溶體，以求在隨后的時效獲得髙的強度和足夠的塑性。無鉛易切削鋁合金淬火時，跟其他鋁合金淬火一樣，主要是選擇淬火溫度，控制保溫時間，淬火轉移時間和冷卻速度一般說來，淬火加熱溫度越高，合金中的強化相溶入固溶體中越充分，固溶體的成分越均勻，則經淬火時效后和力學性能就越高，但溫度過高會引起晶粒粗大，甚至發生過燒而使產品報廢。在正常固溶熱處理溫度下，鋁合金充分固溶所需的時間，與材料熱處理前的組織結構，加熱方式及材料的加工狀態，合金的成分，材料的幾何尺寸密切相關。我們試生產時采用立式空氣循環爐，用電加熱，采用下述工藝條件，013.5mmX6000mm擠壓圓棒，每爐裝料量1000Kg。2XXX系列易切削合金固溶-淬火工藝參數為500°CXlh、淬火轉移時間不大于20S，淬火介質為水，水溫《3(TC,采用壓縮空氣攪拌，冷卻塔循環冷卻。'經取樣檢測，淬火前后棒材晶粒未見明顯變化。本發明實施例的淬火工藝的固溶熱處理(O13.5mmX6000mm)擠壓圓棒，500。CXlh，淬火轉移時間不大于20S,淬火水溫《30'C。無鉛易切削鋁合金的拉拔工藝易切削鋁合金要求大多為多種規格的棒材，精度要求高，直徑偏差一般為士0.05mm，這樣棒材擠壓后往往超差，通過硬質合金模冷拉拔可以滿足。生產銷售狀態一般為T3、T4、T6或T8，少量訂單為T9。圓棒在控制過程中，鋁合金在正壓力，拉拔力和摩擦力的作用下，變形區的金屬基本上處于兩向受壓和一向受拉的應力狀態，應力呈軸對稱狀態。隨著變形程度的增加，金屬抗拉強度和屈服強度提高，而延伸率下降。對于無鉛易切削鋁合金材料來說，變形量通常控制在10%左右，變形量太小，拉拔后表面不光滑；變形量太大，雖然抗拉強度和屈服強度可以保證，但伸長率偏小。變形量在10%左右，無鉛易切削鋁合金的力學性能列于表l。表1無鉛易切削鋁合金的力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>無鉛易切削鋁合金的時效工藝從熱處理原理來說，固溶冷拉變形后再時效，合金會發生兩個方面的變化，第一合金會發生回復，時效溫度高的話，還會發生再結晶，回復和再結晶會使得合金強度降低，而伸長率會升高；第二時效過程中固溶體會分解析出第二相，時效析出會使得強度升高，伸長率下降。我們在試生產過程中，將2011A鋁合金分別在160'C、170'C、180'C溫度條件進行不同時間的時效試驗，收集了大量試驗數據，兩種合金典型時效處理拉伸力學性能比較列于表2。表2、2011A合金的不同時效工藝處理狀態拉伸力學性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>在實際生產中，為了充分發揮無鉛易切削鋁合金的潛在性能建議采用如下時效工藝2011A時效工藝為160'CX6h。總之，2011A合金屬新的鋁合金配方，從熔鑄、均質、擠壓、淬火、時效等工序的生產工藝實行調整。確保產品力學性能、易切削性能。權利要求1、一種無鉛易切削鋁合金材料，其特征在于，其化學成份的重量百分比如下Si＜0.4％，Zn＜0.2％，Fe＜0.7％，Cu4.5～5.5％，Sn0.15～0.45％，Bi0.3～0.8％，余量為不可避免雜質和Al。2、根據權利要求1所述無鉛易切削鋁合金材料，其特征在于，其化學成份重量百分比為Si:<0.4%,Zn<0.2%,Fe:<0.7%,Cu:5.0~5.5%，Sn:0.200.30%,Bi:0.450.7%，余量為不可避免雜質和Al。3、根據權利要求1或2所述的一種無鉛易切削鋁合金材料，其特征在于其生產狀態包括有T3、T4、T6、T8、T9。4、一種制造權利要求1所述無鉛易切削鋁合金材料的制造工藝，其特征在于，其制造工藝步驟包括有熔鑄一均勻化處理一擠壓一固溶一淬火一時效，必要時在淬火和時效之間進行拉拔，在時效后進行冷拉；其中熔鑄工序中選用熔鑄池表面積小的工業爐，并采用重油反射爐熔煉；在加料順序上先加鋁錠，采用快速裝料，高溫快速熔化，熔煉溫度740—760'C，熔化速率4一5t/h;當固體物料化平，熔體溫度上升740—750'C時，扒出爐內浮渣撒一層覆蓋劑，其用量為3Kg/T,Sn錠在鋸床上鋸成厚度約20mm的小塊，在熔劑覆蓋的條件下，Sn塊和Bi均勻加入爐內；在生產過程中，采用同水平熱頂裝置進行半連續鑄造，進行半連續鑄造時采用高溫一緩冷一慢速一多加絲的鑄造工藝。5、根據權利要求4的所述的一種無鉛易切削鋁合金材料的制造工藝，其特征在于所述熔鑄工序中必須對空爐進行徹底清理，必要時用純鋁錠進行洗爐。6、根據權利要求2的所述的一種無鉛易切削鋁合金材料的制造工藝，其特征在于所述熔鑄工序中采用裝有電磁攪拌器的熔煉爐或用大耙充分攪拌并適當提高溶液溫度，降低溶體粘度，加大噴粉和高純氮氣的用量，精煉完畢后，熔體在爐內靜置20分鐘后進行鑄造；鑄造時，熔體采用兩級過濾，前級為多層玻璃絲布，二級為40PPI氧化鋁泡沫陶瓷過濾板。7、根據權利要求4所述的一種無鉛易切削鋁合金材料的制造工藝，其特征在于在均勻化處理工序中，工藝參數為480495'CX8h—16h。8、根據權利要求7所述的一種無鉛易切削鋁合金材料的制造技術，其特征在于在均勻化處理工序中，工藝參數為480495'C'CX12h。9、根據權利要求4所述的一種無鉛易切削鋁合金材料的制造工藝，其特征在于所述時效工藝2011A鋁材料型時效工藝為160'CX48h。10、根據權利要求7所述的一種無鉛易切削鋁合金材料的制造工藝，其特征在于所述時效工藝2011A鋁材料型時效工藝為160CX6h。全文摘要本發明公開了一種2xxx無鉛易切削鋁合金材料，其化學成份(重量百分比)如下Si＜0.4％，Zn＜0.2％，Fe＜0.7％，Cu4.5～5.5％，Sn0.15～0.45％，Bi0.3～0.8％余量不可避免雜質和Al，本發明還公開了一種上述鋁合金材料的制造方法，其制造工藝步驟為熔鑄—均勻化—擠壓—固溶—淬火—(拉拔)—時效—(冷拉)；采用上述配方及工藝的無鉛易切削鋁合金材料不含鉛，符合環保要求，具有高的力學性能，易于切削加工，加工產品表面光潔度好。文檔編號C22C11/00GK101294249SQ20081002854公開日2008年10月29日申請日期2008年6月5日優先權日2008年6月5日發明者劉志銘,吳小源,慧陳,黃志其申請人:佛山市三水鳳鋁鋁業有限公司;廣東鳳鋁鋁業有限公司